王 健

(上海地鐵電子科技有限公司 上海 200237)

0 引言

MVB(多功能車輛總線)作為列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN)的一部分，負(fù)責(zé)一個車廂內(nèi)設(shè)備或者一個固定的車輛組內(nèi)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。具有實時性強(qiáng)、可靠性高、傳輸數(shù)據(jù)快和傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點，目前在高鐵和地鐵中的應(yīng)用非常廣泛[1]。

為了實現(xiàn)對多功能列車總線的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和一致性測試，以及在車載設(shè)備的研發(fā)和調(diào)試過程中，模擬多功能列車總線的數(shù)據(jù)傳輸過程，設(shè)計了一套系統(tǒng)，主要實現(xiàn)了以下功能：(1)MVB仿真發(fā)送功能；(2)總線波形實時采集功能；(3)數(shù)據(jù)分析功能；(4)Linux系統(tǒng)下Python控制程序設(shè)計。

1 整體設(shè)計

在MVB數(shù)據(jù)通信中，具有以下特征：通信傳送方式采用主從幀應(yīng)答，幀發(fā)送方式采用周期性廣播，幀標(biāo)識符具有幀頭和幀尾標(biāo)識以識別幀的開始和結(jié)束，幀編碼采用曼徹斯特編碼，數(shù)據(jù)傳輸速率為1.5Mbit/s。為了仿真MVB總線通信，需要仿真主站發(fā)送主幀數(shù)據(jù)，仿真從站發(fā)送從幀數(shù)據(jù)，仿真接收主幀數(shù)據(jù)和從幀數(shù)據(jù)。通過對MVB通信總線波形的實時采集，并進(jìn)行邏輯分析，分析網(wǎng)絡(luò)中的幀數(shù)據(jù)、幀響應(yīng)時間、撞幀、丟幀、位錯誤及網(wǎng)絡(luò)干擾等，從而可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的判斷和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一致性測試[2]。在該設(shè)計中，利用通用邏輯芯片F(xiàn)PGA實現(xiàn)MVB仿真和波形采集功能；在嵌入式Linux系統(tǒng)下，利用Python編程實現(xiàn)整體控制和數(shù)據(jù)分析；FPGA和嵌入式系統(tǒng)通過USB實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計中，仿真功能和采集功能采用Altera公司的FPGA芯片實現(xiàn)；USB模塊采用CY7C68013A控制芯片，實現(xiàn)USB2.0/3.0轉(zhuǎn)并行總線的功能；嵌入式Linux系統(tǒng)采用beagleboard-black控制板，該控制板為ARM CortexTM-A8內(nèi)核，利用其擴(kuò)展的USB接口，對MVB仿真與采集板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和控制；嵌入式Linux系統(tǒng)對外的USB和Internet接口，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸及上位機(jī)軟件的控制。

2 仿真功能設(shè)計

仿真功能依托FPGA芯片，實現(xiàn)的邏輯功能包括：幀數(shù)據(jù)的發(fā)送、端口地址的設(shè)置、所發(fā)送的主幀數(shù)據(jù)和從幀數(shù)據(jù)設(shè)置、總線數(shù)據(jù)接收與端口地址比較和發(fā)送狀態(tài)的反饋。仿真功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 仿真功能結(jié)構(gòu)

其中，接收模塊和發(fā)送模塊采用VerilogHDL語言設(shè)計。仿真發(fā)送的主幀和從幀數(shù)據(jù)以及狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)，均存儲在各自的FIFO存儲器內(nèi)(FPGA內(nèi)部)。所設(shè)置的端口地址，存儲在RAM存儲器內(nèi)(FPGA內(nèi)部)。

仿真功能工作方法如下：(1)接收模塊實時檢測MVB總線信號，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)幀起始信號時，向發(fā)送模塊反饋總線忙，檢測到數(shù)據(jù)幀結(jié)束信號后，向發(fā)送模塊反饋總線空閑；(2)接收模塊接收到MVB總線主幀數(shù)據(jù)時，將接收到的數(shù)據(jù)與所設(shè)置的端口地址進(jìn)行比較，比較相同時，觸發(fā)發(fā)送模塊發(fā)送從幀數(shù)據(jù)；(3)在總線空閑時，發(fā)送模塊不斷檢測主幀數(shù)據(jù)FIFO，當(dāng)有要發(fā)送的主幀數(shù)據(jù)存在時，發(fā)送模塊發(fā)送主幀數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后，向狀態(tài)反饋FIFO寫入主幀發(fā)送成功的狀態(tài)；(4)在發(fā)送模塊接收到觸發(fā)發(fā)送從幀信號時，讀取從幀數(shù)據(jù)FIFO，若存在從幀數(shù)據(jù)，發(fā)送模塊發(fā)送該從幀數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后，向狀態(tài)反饋FIFO寫入從幀發(fā)送成功的狀態(tài)。

2.1 接收模塊

接收模塊需要檢測MVB總線上的幀起始位、幀結(jié)束位和主幀數(shù)據(jù)，MVB總線數(shù)據(jù)格式為：起始位+幀頭序列+幀數(shù)據(jù)(包括校驗)+結(jié)束位，總線傳輸速率為1.5 Mbit/s，每一位的數(shù)據(jù)寬度為667 ns，采用曼徹斯特編碼方式[3]。

該設(shè)計中，MVB網(wǎng)絡(luò)信號的邏輯采樣頻率設(shè)置為24 MHz，即一位MVB數(shù)據(jù)寬度為16個周期。將邏輯信號電平及其寬度所占周期數(shù)，作為8位分析數(shù)據(jù)元，數(shù)據(jù)的最高位為邏輯信號的電平，低7位表示為信號寬度的周期數(shù)，將編碼信號轉(zhuǎn)換為分析數(shù)據(jù)元。采用有限狀態(tài)機(jī)方式實現(xiàn)接收模塊的功能，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖3所示。

圖3 接收模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移

S0：接收數(shù)據(jù)幀起始位，接收到有效的幀起始位后，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至S1，同時總線忙信號有效。接收到有效的幀結(jié)束位后，總線空閑信號有效。

S1：接收主幀幀頭序列，接收到有效的主幀幀頭后，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至S2，否則，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至S0。

S2：接收主幀數(shù)據(jù)，成功接收主幀數(shù)據(jù)后，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至S3，若出現(xiàn)數(shù)據(jù)位錯誤或數(shù)據(jù)校驗錯誤，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至S0。

S3：接收幀結(jié)束位，接收到有效的幀結(jié)束位，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至S4，同時總線空閑信號有效，否則，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至S4。

S4：比較接收到的主幀數(shù)據(jù)與設(shè)置的端口地址數(shù)據(jù)，相同則觸發(fā)發(fā)送從幀數(shù)據(jù)信號，狀態(tài)轉(zhuǎn)回S0。

2.2 發(fā)送模塊

發(fā)送功能實現(xiàn)的方式如下：將8位數(shù)據(jù)，從最高位到最低位移位輸出，移位頻率為3 MHz。對待發(fā)送的幀數(shù)據(jù)(字節(jié)為單位)，進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換[4]。采用有限狀態(tài)機(jī)方式實現(xiàn)發(fā)送模塊的功能，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖4所示。

圖4 發(fā)送模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移

S0：發(fā)送模塊在MVB總線空閑時，檢測主幀F(xiàn)IFO，檢測到有效的主幀數(shù)據(jù)后，狀態(tài)轉(zhuǎn)入S1；在發(fā)送從幀信號有效的狀態(tài)下，檢測從幀F(xiàn)IFO，檢測到有效的從幀數(shù)據(jù)后，狀態(tài)轉(zhuǎn)入S3。

S1：讀取主幀F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)并發(fā)送，結(jié)束后，轉(zhuǎn)入狀態(tài)S2。

S2：向狀態(tài)反饋FIFO寫入主幀發(fā)送成功的狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)回S0。

S3：讀取從幀F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)并發(fā)送，結(jié)束后，轉(zhuǎn)入狀態(tài)S4。

S4：向狀態(tài)反饋FIFO寫入從幀發(fā)送成功的狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)回S0。

3 采集功能設(shè)計

采集功能由FPGA芯片實現(xiàn)，對MVB網(wǎng)絡(luò)通信波形進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為24 MHz，采樣的數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，數(shù)據(jù)的最高位為邏輯信號的電平，低7位表示為信號寬度的周期數(shù)，采集功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 采集功能結(jié)構(gòu)

采集功能工作方法如下：(1)系統(tǒng)工作頻率為48 MHz，采樣頻率是24 MHz。在每個采樣周期，對MVB網(wǎng)絡(luò)波形進(jìn)行邏輯采樣；(2)當(dāng)邏輯電平變化時，記錄前一電平狀態(tài)及所持續(xù)的周期數(shù)，形成一個字節(jié)的采樣數(shù)據(jù)。同時清零計數(shù)，開始新的計數(shù)周期；(3)當(dāng)電平周期數(shù)達(dá)到0x7F時，記錄電平狀態(tài)及周期數(shù)，形成一個字節(jié)的采樣數(shù)據(jù)。同時清零計數(shù)，開始新的計數(shù)周期；(4)網(wǎng)絡(luò)采樣數(shù)據(jù)按照先入先出的原則，存入數(shù)據(jù)存儲FIFO。

4 系統(tǒng)控制設(shè)計

系統(tǒng)控制是在嵌入式Linux系統(tǒng)中，利用Python語言編程實現(xiàn)。系統(tǒng)控制主要完成的功能如下：仿真設(shè)置設(shè)備端口地址、仿真設(shè)置發(fā)送主幀數(shù)據(jù)、仿真設(shè)置發(fā)送從幀數(shù)據(jù)、仿真幀數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)設(shè)置、采集網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析、采集網(wǎng)絡(luò)幀數(shù)據(jù)提取、采集網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析和系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測[5]。

4.1 仿真控制程序設(shè)計

系統(tǒng)程序通過將仿真設(shè)備端口地址數(shù)據(jù)寫入端口地址RAM，實現(xiàn)設(shè)置端口地址功能；通過將仿真發(fā)送主幀數(shù)據(jù)寫入主幀數(shù)據(jù)FIFO，實現(xiàn)發(fā)送主幀功能；通過將仿真發(fā)送從幀數(shù)據(jù)寫入從幀數(shù)據(jù)FIFO，實現(xiàn)發(fā)送從幀功能；通過讀取狀態(tài)FIFO數(shù)據(jù)，實現(xiàn)仿真幀數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)控制[6]。

4.2 采集分析程序設(shè)計

系統(tǒng)程序通過讀取采集數(shù)據(jù)存儲FIFO內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，可分析網(wǎng)絡(luò)幀數(shù)據(jù)、幀響應(yīng)時間、撞幀、雜波、丟幀、數(shù)據(jù)位錯誤和幀校驗錯誤等，從而可實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的判斷。數(shù)據(jù)分析采用有限狀態(tài)機(jī)方式實現(xiàn)。

5 試驗與應(yīng)用

5.1 仿真功能邏輯設(shè)計試驗結(jié)果

采集功能采用Altera公司的FPGA芯片實現(xiàn)，為了驗證該功能，利用QuartusII的仿真軟件，模擬發(fā)送主幀數(shù)據(jù)，觸發(fā)發(fā)送從幀數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果如圖6所示。該結(jié)果圖為采集功能所采集到的幀數(shù)據(jù)波形，第一幀數(shù)據(jù)為發(fā)送的主幀數(shù)據(jù)；第二幀數(shù)據(jù)為接收到主幀數(shù)據(jù)后，觸發(fā)發(fā)送的從幀數(shù)據(jù)。

圖6 發(fā)送主從幀數(shù)據(jù)仿真波形

實際調(diào)試試驗利用開發(fā)的上位機(jī)軟件，設(shè)置發(fā)送主幀數(shù)據(jù)設(shè)備端口號和從幀數(shù)據(jù)，仿真發(fā)送主幀數(shù)據(jù)，設(shè)備端口號與接收到的主幀數(shù)據(jù)中端口號相同時，觸發(fā)發(fā)送從幀數(shù)據(jù)。

5.2 實際應(yīng)用

利用仿真功能，對上海地鐵4號線VCU控制器進(jìn)行了離線測試，模擬發(fā)送主幀數(shù)據(jù)功能，對所有地址進(jìn)行掃描，成功掃描到VCU系統(tǒng)設(shè)備地址，并可讀取其設(shè)備狀態(tài)。

仿真設(shè)備通過MVB通信線與VCU設(shè)備連接，上位機(jī)軟件控制發(fā)送主幀數(shù)據(jù)，同時，記錄通信總線數(shù)據(jù)。對所有端口地址掃描后，分析系統(tǒng)記錄的總線數(shù)據(jù)，可得到VCU設(shè)備地址及其反饋的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語

MVB網(wǎng)絡(luò)在高鐵和地鐵車輛控制領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛，本文所設(shè)計的仿真與檢測系統(tǒng)，為MVB網(wǎng)絡(luò)調(diào)試、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備檢測和維修、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一致性測試和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的判斷，提供了一種智能的方法。同時，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析和設(shè)備開發(fā)提供了手段，也為MVB網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的推廣提供了參考。