中國中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心 崔 韜 韓慶軍 孫宗先 崔寧寧

常州小糸今創(chuàng)交通設(shè)備有限公司 胡豐偉

一種列車網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備MVB通信接口技術(shù)

中國中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心 崔 韜 韓慶軍 孫宗先 崔寧寧

常州小糸今創(chuàng)交通設(shè)備有限公司 胡豐偉

本文提出了一種列車網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用的MCU+MVB網(wǎng)卡通信接口設(shè)計(jì)技術(shù)，以串口UART方式為例，對相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)作了系統(tǒng)闡述，系統(tǒng)測試結(jié)果表明：該接口技術(shù)大大降低了系統(tǒng)MVB通信接口設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，能夠有效的提高列車網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備MVB通信接口的開發(fā)效率。

列車網(wǎng)絡(luò)；MVB接口；MVB網(wǎng)卡

1　引言

21世紀(jì)以來，中國軌道交通的發(fā)展迅猛，各種現(xiàn)場總線技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域均得到了長足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，尤其是IEC61375中定義的多功能車輛總線MVB，MVB是列車通信網(wǎng)TCN兩級總線的一種，與另一種絞線式列車總線MTB主要負(fù)責(zé)連接車廂之間的設(shè)備控制、檢測與故障診斷的功能不同，MVB主要負(fù)責(zé)連接車廂內(nèi)的各種控制設(shè)備，構(gòu)成車廂級數(shù)據(jù)采集、控制的車輛網(wǎng)絡(luò)，稱為車輛總線（Vehicle Bus）。相比隨著現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展起來的RS485，Lonworks，WorldFIP、CAN等總線網(wǎng)絡(luò)形式，MVB在其可靠性、實(shí)時性、可管理性、尋址方式、介質(zhì)訪問控制方式以及通信服務(wù)種類等方面都具有一定的優(yōu)勢，因此，MVB網(wǎng)絡(luò)被廣泛用于列車的車載監(jiān)控系統(tǒng)中。

基于此，本文給出了一種采用MCU+MVB網(wǎng)卡的通信接口設(shè)計(jì)方式，并以串口UART方式為例作了相關(guān)技術(shù)的闡述，相比MCU+FPGA或者M(jìn)CU+CPLD的通信接口設(shè)計(jì)方式，本MVB通信接口設(shè)計(jì)方式的優(yōu)勢在于，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對外提供統(tǒng)一的硬件接口，其只需按照應(yīng)用層協(xié)議，通過UART或者SPI接口與網(wǎng)卡直接進(jìn)行通信，而不必關(guān)心具體MVB總線內(nèi)部底層協(xié)議如何實(shí)現(xiàn)，從而大大降低了系統(tǒng)MVB通信接口設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，有效的提高了列車網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備MVB通信接口的開發(fā)效率。

2　列車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

采用MCU+MVB網(wǎng)卡通信接口設(shè)計(jì)方式所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備中包含有MCU主控制器以及MVB網(wǎng)卡，MCU負(fù)責(zé)將采集數(shù)據(jù)或者反饋信息通過串口（Serial Interface）或者SPI通信接口傳輸至MVB網(wǎng)卡，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過MVB網(wǎng)卡接入MVB總線，由MVB主設(shè)備（MVB總線管理器）根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的設(shè)備地址（Device Address）執(zhí)行周期輪詢功能，形成主從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（見圖1）。

MCU+FPGA/CPLD通信接口實(shí)現(xiàn)方式研發(fā)難度較大，需要采用現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPGA）或者復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）自主實(shí)現(xiàn)MVB控制器以及總線接口設(shè)計(jì)，并需要能夠根據(jù)需求選取不同類型的MCU完成整體模塊的構(gòu)建，同時，MVB相比其他方式有著響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，這也意味著通信穩(wěn)定性、信號質(zhì)量相比其他現(xiàn)場總線技術(shù)有著更為嚴(yán)格的要求，這也進(jìn)一步增加了MCU+FPGA/CPLD通信接口實(shí)現(xiàn)方式設(shè)計(jì)難度。而MVB網(wǎng)卡由專業(yè)公司設(shè)計(jì)且均需通過國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)IEC61375，采用上述MCU+MVB網(wǎng)卡通信接口設(shè)計(jì)方式免去了自主研發(fā)MVB總線內(nèi)部底層協(xié)議工作，研發(fā)人員只需負(fù)責(zé)完成MCU與MVB網(wǎng)卡間的通信，這大大降低了研發(fā)的難度，縮短了研發(fā)周期，同時提高了列車網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備MVB通信接口的性能。

圖1　MCU+MVB網(wǎng)卡構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3　硬件設(shè)計(jì)

文中所述MCU+MVB網(wǎng)卡的通信接口設(shè)計(jì)，主要包括主處理器U1以及MVB網(wǎng)卡U2，兩者通過并口或者串口連接，實(shí)現(xiàn)MCU與MVB網(wǎng)卡的通信功能，再由MVB1和MVB2雙冗余接口連入MVB總線，從而構(gòu)成整體MVB總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中，通信接口可根據(jù)應(yīng)用需求在SPI接口和串口方式中進(jìn)行選擇。

本文中通信接口設(shè)計(jì)中MVB網(wǎng)卡采用的是DUAGON的MVB網(wǎng)卡，其內(nèi)部SoC模塊采用PLD+CPU結(jié)構(gòu)模式建立，其中PLD集成實(shí)現(xiàn)主機(jī)接口單元以及MVB控制器，CPU選取ARM7架構(gòu)，用于控制SRAM和FLASH的內(nèi)部信息，便于實(shí)現(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)不變的條件下邏輯的重新編輯和定義。

MVB網(wǎng)卡支持4096個過程變量端口（源端口或宿端口)，16位-256位可配置，還具有多種通信模式選擇功能，與MCU的通信接口還配有并口（Parallel Interface）、串口（Serial Interface）以及SPI口，其中串口采用標(biāo)準(zhǔn)異步收發(fā)接口（UART），此外，MVB網(wǎng)卡還配有UART的波特率配置功能，可靈活匹配多種波特率。

該板卡還具備兩種傳輸介質(zhì)選擇功能，除了光纖媒介（OGF）外，電的短距離傳輸介質(zhì)（ESD/ESD+）和電的中距離傳輸介質(zhì)（EMD）都可進(jìn)行設(shè)置，此功能與通信接口選擇功能設(shè)定方式。

MVB板卡共有3種通信模式，外加1種測試模式；3種通信模式分別為串口、并口、SPI接口，用于MVB板卡與主控制器MCU的通信，各種方式選取可由MVB板卡中MODE[2，1]根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)定，此外，可通過設(shè)置參數(shù)MODE[0]實(shí)現(xiàn)輸出介質(zhì)EMD和ESD/ ESD+的選取。

MCU+MVB網(wǎng)卡網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中涉及MCU與MVB板卡通信的方式主要有UART和SPI,兩種通信接口方式均為通用接口，但需要注意的是：若采用UART通信方式，由于UART傳輸速率受限，標(biāo)準(zhǔn)PD（Process Data）口的數(shù)量需應(yīng)少于10-20。

4　軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)根據(jù)傳輸距離以及PD口數(shù)量的要求，選取MVB網(wǎng)卡電的中距離傳輸介質(zhì)（EMD）作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備與MVB總線的傳輸介質(zhì),并采用串口的通信接口方式，此外，MVB按性能可分為5類，由于應(yīng)用中只涉及到設(shè)備狀態(tài)以及過程數(shù)據(jù)性能，故設(shè)計(jì)選則1類設(shè)備性能需求進(jìn)行軟件方面的設(shè)計(jì)工作。

根據(jù)上述需求設(shè)計(jì)產(chǎn)品。產(chǎn)品按功能主要分為三模塊：初始化模塊、MVB網(wǎng)卡配置模塊以及數(shù)據(jù)交換模塊。

初始化模塊主要涉及MCU初始化和MVB網(wǎng)卡初始化，在通電瞬間，MCU則進(jìn)入系統(tǒng)初始化程序，對內(nèi)部寄存器、串口以及其他功能進(jìn)行初始化處理，同時，MVB網(wǎng)卡內(nèi)部同時進(jìn)行自啟動初始化處理，整個初始化過程由MVB網(wǎng)卡自行完成，無需外界的干預(yù)，但需要注意的是，由于MVB網(wǎng)卡每次上電都需對PLD進(jìn)行裝載工作，因此其啟動初始化時間需要近1S,遠(yuǎn)長于MCU啟動初始化時間,為了安全起見，需要進(jìn)行延時處理，以防止MCU的過早配置操作破壞MVB網(wǎng)卡正常啟動。

5　系統(tǒng)測試

對采用上述MCU+MVB網(wǎng)卡的通信接口設(shè)計(jì)方式以及對應(yīng)的軟硬件結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行測試，對應(yīng)的測試結(jié)果如下：

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備連接MVB主站SelectronCPU831-TG，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備能夠按照既定通信協(xié)議進(jìn)行過程數(shù)據(jù)的傳輸測試，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)的軟硬件均能滿足通信的實(shí)時性和準(zhǔn)確性既定要求，其通信波形能夠完全達(dá)到IEC61375-3-2中對于波形質(zhì)量的要求。

6　結(jié)束語

綜合以上硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)方案介紹及測試結(jié)果可以說明，采用MCU+MVB網(wǎng)卡的通信接口設(shè)計(jì)技術(shù)能夠很好的解決網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備MVB通信接口研發(fā)難度大、研發(fā)效率低的問題，其軟硬件結(jié)構(gòu)簡單、可移植性好，是一種實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備MVB通信接口設(shè)計(jì)技術(shù)。該通信通信接口設(shè)計(jì)技術(shù)使用將會大大提高我國列車MVB網(wǎng)絡(luò)及控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化速度和推進(jìn)自主研制的進(jìn)程。

[1]IEC61375-1.Electric Railway Equipment-Train Bus Part-1Train Communication Network[S].

[2]馬云雙,周希德,吳復(fù)生.基于LONWORKS網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的內(nèi)燃動車組控制系統(tǒng)研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2002(01).

[3]奚國華,路向陽,夏寅.我國列車通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)踐與開發(fā)探討[J].機(jī)車電傳動,2000(01).

[4]趙紅衛(wèi),朱廣超,黃根生.MVB通信網(wǎng)卡的研制與開發(fā)[J].鐵道機(jī)車車輛, 2009(04).

[5]石穎.多功能車輛總線(MVB)控制[J].鐵路通信信號工程技術(shù),2006(05).

[6]楊日龍,陳廣泰.MVB-LonWorks網(wǎng)關(guān)在列車網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究[J].科技信息(學(xué)術(shù)研究),2008(21).

[7]陳特放,袁雄兵,龔志鵬.基于MVB的機(jī)車邏輯控制單元[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2008(07).

[8]李洋,石麗.機(jī)車車輛的MVB-CAN總線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2008(08).

[9]朱琴躍,謝維達(dá),譚喜堂,趙亞輝.列車通信網(wǎng)性能測試的研究與實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù),2007(02).

[10]孫苑,李熙.基于MVB總線的機(jī)車安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2007(04).

[11]朱琴躍,謝維達(dá),譚喜堂,趙亞輝.MVB周期信息的實(shí)時調(diào)度[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2007(12).

[12]李常賢,吳健,寧壽輝.分布式MVB通訊控制模塊[J].內(nèi)燃機(jī)車,2005(03).

[13]張大波,王建.MVB總線實(shí)時協(xié)議實(shí)現(xiàn)及其試驗(yàn)研究[J].機(jī)車電傳動, 2005(02).

[14]袁百靈,謝維達(dá),吳龍.基于光纖介質(zhì)的MVB通信實(shí)踐[J].交通與計(jì)算機(jī), 2003(06).