一種新型MVB通信板的探究

王 雪，申 萍，宋 娟，嚴 翔

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京100044）

隨著我國高速鐵路的不斷發(fā)展，列車控制系統(tǒng)的高安全性和高可靠性已成為軌道交通領(lǐng)域中尤為關(guān)鍵的指標(biāo)。V ME（Versa Module Eur ocar d）總線為一種通用的計算機總線，定義了一個在緊密耦合硬件構(gòu)架中可進行互聯(lián)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和連接外圍控制器件的結(jié)構(gòu)，1987年被批準為國際標(biāo)準IEEE 1014。其機械結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性和抗沖擊能力，國外，尤其是部分歐洲國家已將其成熟地應(yīng)用于車載安全計算機內(nèi)，以保證安全性和可靠性，而國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，在此基礎(chǔ)上開發(fā)的列車網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)品也相對稀少。

提出一種具有V ME接口的MVB通信板卡設(shè)計與實現(xiàn)方案，以解決TCN與車載安全計算機互聯(lián)的問題，滿足該類技術(shù)產(chǎn)品國產(chǎn)化的迫切需要。利用此板卡可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)主從設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸、節(jié)點組網(wǎng)、接入MVB網(wǎng)絡(luò)等功能，也為國內(nèi)車輛使用MVB技術(shù)和開發(fā)基于MVB的其他應(yīng)用提供平臺。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖1所示，包括ARM主控制器、V ME總線接口控制器、MVB總線控制器、電源復(fù)位和JTAG電路5部分。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案框圖

1.1 CPU 選 型

為實現(xiàn)MVB與V ME總線的通信，系統(tǒng)選用ARM作為高速中央處理器進行控制，具有集成化、小型化、實時性強、可移植性強、低成本和低功耗的優(yōu)勢。主控制器選用NXP公司的LPC2478。此款A(yù)RM芯片處理器時鐘高達72 MHz，片內(nèi)SRA M資源達98 kb：4 kb支持高性能CPU通過ARM局部總線訪問，2 kb用于RTC供電以便存儲數(shù)據(jù)，16 kb作為通用SRA M或用于以太網(wǎng)接口，另16 kb可供GPDMA使用或USB訪問。此外，還設(shè)計擴展了64 Mb的SDRA M和Su msung公司的256 Mb的NAND Flash。

片上集成了1 0／1 0 0 M 以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）、USB2.0全速Device／Host／OTG控制器、4個UART和1個SPI接口等。CPU外圍還需對這些接口電路進行設(shè)計，另外，控制I／O（并行總線、指示燈等）電路及JTAG菊花鏈下載調(diào)試電路的設(shè)計也必不可少。

1.2 V ME總線接口設(shè)計

V ME總線因其并行性、實時性、高可靠性等特點，在高性能的實時應(yīng)用領(lǐng)域一直處于主導(dǎo)地位，已經(jīng)發(fā)展到了一個比較完善的階段。國外許多電動車組將其作為車載安全計算機系統(tǒng)的板級總線，并應(yīng)用于車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上。設(shè)計并開發(fā)MVB通信板上的V ME總線接口，有助于實現(xiàn)與該類引進產(chǎn)品的板級互換。

V ME總線數(shù)據(jù)傳輸采用32位地址及32位數(shù)據(jù)非復(fù)用結(jié)構(gòu)，支持8位、16位和32位的數(shù)據(jù)傳輸。異步通信，不需要時鐘同步，利用DTACK＊握手信號來控制傳輸過程。按功能分為4類總線：數(shù)據(jù)傳輸總線、數(shù)據(jù)傳輸仲裁總線、優(yōu)先權(quán)中斷總線和公用信號線。為完成基本接口功能，對其信號線進行剪裁，保留36根：數(shù)據(jù)線D［7：0］，地址線 A［15：1］，數(shù)據(jù)選通DS0＊和DS1＊，地址選通AS＊，讀／寫信號 WRITE＊，傳輸應(yīng)答DTACK＊，長字信號L WORD＊，插槽編碼GA［4：0］和GAP＊，系統(tǒng)復(fù)位SYRST＊。其中，依靠主模塊驅(qū)動DS0＊，DS1＊，L WORD＊和地址線A01的不同組合，控制數(shù)據(jù)的傳輸周期類型。

另外，為了提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，車載安全計算機系統(tǒng)通常采用雙機熱備、2取2乘2、3取2等冗余結(jié)構(gòu)。IEC 61508標(biāo)準應(yīng)用馬爾可夫模型分別對上述結(jié)構(gòu)的可靠度、安全度和可用度進行了計算比較，性能最高的2種結(jié)構(gòu)為3取2和2取2乘2。考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜度和車內(nèi)空間限制，本設(shè)計采用3取2構(gòu)架，通信板上與安全計算機互聯(lián)一側(cè)設(shè)計3路V ME總線并行工作：FPGA1、2、3分別完成對應(yīng)的 V ME＿A、VME＿B、VME＿C 3路背板總線接口邏輯，F(xiàn)PGA4作為3取2表決器對運算結(jié)果進行兩兩表決，最終將一致的數(shù)據(jù)存儲于雙口RA M中，以便主控制器ARM的訪問。當(dāng)其中一路信號與另外兩路不同時，屏蔽該路，剩余兩路進行2取2表決，使得系統(tǒng)在降級工作的情況下也能保證安全輸出；只有當(dāng)3路信號互不相同時，系統(tǒng)才判斷錯誤，不進行輸出。任何一條電路或單個元件的故障都不會影響整個系統(tǒng)的正常運行。

V ME國際標(biāo)準規(guī)定，6 U板卡可以設(shè)置1或2個VEM總線連接器。該通信板卡設(shè)計為雙連接器，采用歐式規(guī)范 DIN 41612，P1／J1在上（96針），P2／J2在下（擴展為160針），便于連接不同類型背板機箱。

1.3 MVB總線接口設(shè)計

MVB總線控制器用于實現(xiàn)物理層信號的轉(zhuǎn)換，執(zhí)行數(shù)據(jù)鏈路層的通信規(guī)程，由試驗室自主研發(fā)的SOPC技術(shù)實現(xiàn)。通過單片F(xiàn)PGA將MVB主設(shè)備或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)傳給MVB網(wǎng)絡(luò)，或從MVB網(wǎng)絡(luò)中接收其他設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)并送給主設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸主要采用并行總線的接口模式，另外增加了SPI串行總線作為備用的數(shù)據(jù)訪問方式。并行總線包括16位數(shù)據(jù)線、16位地址線、讀／寫、使能信號等。

2 通信板的試驗研究

2.1 MVB與VME間通信

MVB與V ME總線上的數(shù)據(jù)交換主要是依靠主控制器ARM訪問封裝在各自FPGA中雙口RA M完成的。ARM作為控制核心，決定訪問MVB總線或是V ME總線上的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在SDRA M／FLASH內(nèi)。

FPGA4內(nèi)封裝了一個片內(nèi)RA M，當(dāng)V ME總線發(fā)送數(shù)據(jù)包時，F(xiàn)PGA1～3對其讀取。定義數(shù)據(jù)高8位為標(biāo)志信息，低8位為實際數(shù)據(jù)，經(jīng)過接口模塊將其按地址映射于FPGA1～3片內(nèi)RA M區(qū)域中，所得數(shù)據(jù)再經(jīng)邏輯變換為串行數(shù)據(jù)，經(jīng)過自定義串行總線傳輸至FPGA4的FIFO內(nèi)。FPGA4對整個數(shù)據(jù)包3取2判別后，分別提取出相應(yīng)的地址信息和數(shù)據(jù)信息。每當(dāng)堆棧中存滿16位時，F(xiàn)PGA4的FIFO向片內(nèi)RA M發(fā)送數(shù)據(jù)包，等待ARM來讀取。表決芯片F(xiàn)PGA4與FPGA1～3之間自定義5路雙向的串行總線：1路時鐘（CLK），1路啟動信號（START），3路收發(fā)數(shù)據(jù)（DATA）。實際只采取了1路DATA，即共有3路雙向串行總線工作。

ARM控制器讀取VME數(shù)據(jù)時，根據(jù)地址映射到FPGA4的片內(nèi)RAM空間，通過8位并行總線從FPGA4片內(nèi)RAM里獲得。ARM控制器經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換將信號輸出，經(jīng)過并行總線傳輸給MVB＿FPGA，以數(shù)據(jù)地址總線訪問的方式交換數(shù)據(jù)。封裝于其中的MVBC將信號經(jīng)過邏輯變換和驅(qū)動電路后傳遞到MVB總線上。

設(shè)計中，MVB＿FPGA植入試驗室自主開發(fā)的MVB IP核，用單片F(xiàn)PGA實現(xiàn)MVB的所有功能，代替現(xiàn)有網(wǎng)卡的MVB芯片，支持過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)報文的形成和處理，還可以實現(xiàn)總線管理性能，進而成為MVB設(shè)備分類中的4類設(shè)備。

2.2 通信板與PC機間通信

通信板與PC機之間的通信，可以分別在ADS1.2開發(fā)環(huán)境下通過RS232串口、USB2.0接口和以太網(wǎng)接口完成。結(jié)合LPC2478 ARM資源，本文主要針對USB接口進行開發(fā)。

LPC2478 ARM內(nèi)部自帶一個USB設(shè)備控制器，支持32個固定配置的物理端點（16個邏輯端點），并完全兼容USB2.0全速規(guī)范，使USB設(shè)備控制器與CPU間的數(shù)據(jù)交換穩(wěn)定地達到很高的速度。數(shù)據(jù)傳輸模式采用從機模式（非DMA模式），由USB設(shè)備控制器向主機ARM MCU提交中斷的機制來完成。USB固件總是在等待主機的命令，然后根據(jù)命令去執(zhí)行相應(yīng)的程序。如果LPC2478 USB發(fā)現(xiàn)從USB總線上收到數(shù)據(jù)，USB設(shè)備控制器發(fā)生中斷，進入USB中斷服務(wù)程序→中斷服務(wù)程序讀取數(shù)據(jù)，并置“端點收到數(shù)據(jù)標(biāo)志”位為1，然后退出中斷回到前臺→前臺檢測到“端點收到數(shù)據(jù)標(biāo)志”位為1時，針對接收到的數(shù)據(jù)進行處理；如果有數(shù)據(jù)需要發(fā)送到USB主機，只須將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入LPC2478 USB發(fā)送端點緩沖區(qū)中。ARM MCU前臺不斷循環(huán)處理相關(guān)事情，后臺進行LPC2400 USB中斷服務(wù)程序，從而完成與PC機的底層通信。

2.3 上位機試驗環(huán)境開發(fā)

對于開發(fā)者來講，通信是否正常需要通過上位機驗證；對于用戶而言，與系統(tǒng)的交互也是通過上位機實現(xiàn)的。本系統(tǒng)在VC＋＋6.0 MFC環(huán)境下對上位機應(yīng)用程序進行了開發(fā)，利用Windows API實現(xiàn)USB接口通信，對接入系統(tǒng)內(nèi)MVB網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控及配置。具體實現(xiàn)以下功能：

（1）實現(xiàn)MVB端口號、功能碼、設(shè)備主從，設(shè)備狀態(tài)等配置信息的下載；

（2）過程數(shù)據(jù)端口可進行動態(tài)配置；

（3）已配置的端口信息可分別進入自動分配模式和手動分配模式；

（4）可對已分配的端口進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；

（5）可進行消息數(shù)據(jù)的配置、發(fā)送及監(jiān)視等。

2.3.1 USB驅(qū)動

本設(shè)計采用了一個基于Windows API函數(shù)I／O請求的動態(tài)鏈接庫DLL文件，作為應(yīng)用層與USB驅(qū)動程序的接口，在VC＋＋6.0開發(fā)環(huán)境下，通過調(diào)用這個DLL文件實現(xiàn)與USB互通。利用這種方式，使進程可以調(diào)用本不屬于其可執(zhí)行代碼的函數(shù)，有助于節(jié)省內(nèi)存和提高數(shù)據(jù)和資源的共享度，簡化了上位機軟件的管理，同時也減少了開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期。

該動態(tài)鏈接庫為用戶開放了以下幾種的API函數(shù)：

2.3.2 MVB配置

對MVB通信板卡的配置都是由上位機軟件實現(xiàn)的。根據(jù)MVB通信協(xié)議，軟件初始界面設(shè)計分為兩個部分，設(shè)備配置和端口過程數(shù)據(jù)配置，如圖2所示。

圖2 MVB端口信息配置界面

（1）設(shè)備配置

在【設(shè)備地址】和【設(shè)備狀態(tài)】可分別顯示組合后2字節(jié)的16位數(shù)據(jù)設(shè)備信息。單擊“設(shè)備配置”對設(shè)備進行配置，發(fā)送幀如下：“0xaa，0x55，0x11，Len（數(shù)據(jù)內(nèi)容長度），設(shè)備地址（2 Bytes），設(shè)備狀態(tài)（2 Bytes）”。

配置成功后設(shè)備區(qū)域?qū)⒆優(yōu)椴豢删庉嫚顟B(tài)，并將所發(fā)數(shù)據(jù)包通過ARM返回給上位機。若配置失敗可彈出錯誤提示。

（2）端口過程數(shù)據(jù)配置

在端口配置信息列表中，連接了ACCESS數(shù)據(jù)庫，列表可按“端口地址”、“功能碼”和“源／宿端口屬性”的順序逐條顯示保存在數(shù)據(jù)庫中的信息。ACCESS數(shù)據(jù)庫的連接和打開，需要注意在頭文件中定義相關(guān)結(jié)構(gòu)體，然后在初始化MVB配置對話框時實現(xiàn)。

過程數(shù)據(jù)端口配置完畢后，點擊“發(fā)送配置”，則發(fā)送數(shù)據(jù)包格式如下：

“0xaa，0x55，0x22，Len，端口0信息，端口1信息…….端口N－1信息”

每個端口信息組合如表1。

表1 端口信息組合

Addr＿0～Addr＿11是端口地址；Fcode［0］～Fcode［2］是功能碼設(shè)定，由于此處配置都為過程數(shù)據(jù)，所以僅0～4有效；SRC／SINK是端口源／宿標(biāo)志，1表示是源端口，0表示是宿端口。

2.3.3 數(shù)據(jù)收發(fā)

端口配置完畢后，就可以選擇“進入自動分配”或“進入手動分配”分別進入端口自動分配模式和手動選擇模式。新對話框的彈出需要對其進行定義。

另外，為了方便相關(guān)參數(shù)和函數(shù)在各個對話框中可以共享，引入了全局變量的使用。全局變量的定義必須放在恰當(dāng)?shù)奈募小Ｔ诖藢嵗校@些全局變量的定義應(yīng)放在主對話框的實現(xiàn)文件PC＿MVBDl g.cpp中，具體的位置應(yīng)在包含文件和條件編譯之后，且在所有成員函數(shù)之外，這樣才可以在此文件的成員函數(shù)中使用它們。同時，為了使其中一些全局變量可以被子對話框使用，應(yīng)在相應(yīng)的子對話框?qū)崿F(xiàn)文件（如data Dl g.cpp）中進行extern變量聲明。

如圖3所示，在自動分配模式界面中，僅支持前10個端口的數(shù)據(jù)收發(fā)，將已配置的端口地址逐條顯示出來。功能碼不同，可以發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)長度也不同。若為源端口，按鍵顯示“發(fā)送”，根據(jù)提示的數(shù)據(jù)長度填入數(shù)據(jù)后（長度不足的自動添零），點擊此按鈕，該端口的數(shù)據(jù)將會發(fā)送到MVB網(wǎng)絡(luò)上；若為宿端口，按鍵顯示“接收”，直接點擊此按鈕，將會顯示接收到的該端口網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

手動分配模式支持全部已配置端口的數(shù)據(jù)收發(fā)，并含有消息數(shù)據(jù)配置、發(fā)送及監(jiān)視等功能。如圖4所示，進入手動分配界面后，系統(tǒng)會自動將已配置的所有端口按源／宿進行分類。在過程數(shù)據(jù)部分，輸入任意已有的源端口地址或宿端口地址，即可進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

圖3 過程數(shù)據(jù)端口自動分配界面

圖4 過程數(shù)據(jù)端口手動分配界面

不論是自動分配模式還是手動分配模式，如果在設(shè)備運行過程中需要重新對MVB過程數(shù)據(jù)端口進行配置，可使用“MVB板卡復(fù)位”按鍵，這樣重配置后的參數(shù)才會生效。

3 試驗測試結(jié)果

為測試MVB網(wǎng)絡(luò)及上位機的通信情況，進行自組網(wǎng)試驗進行驗證。將設(shè)備A、設(shè)備B和MVB主設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，如圖5所示。分別通過上位機對設(shè)備A和設(shè)備B進行配置。在端口配置中，兩個設(shè)備要分別含有對應(yīng)的源端口和宿端口。

圖5 自組網(wǎng)試驗示意圖

如圖6、圖7所示，設(shè)備A用源端口0×10發(fā)送了數(shù)據(jù)，設(shè)備B在宿端口0×10接收到了數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)一致；設(shè)備B用源端口0×302發(fā)送了數(shù)據(jù)，設(shè)備A在宿端口0×302，接收到了數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)也一致，說明過程數(shù)據(jù)通信正常。類似的，消息數(shù)據(jù)通信也可以由此驗證。

圖6 設(shè)備A收發(fā)過程數(shù)據(jù)

圖7 設(shè)備B收發(fā)過程數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

給出了基于ARM，且具有V ME總線接口的MVB通信板卡的設(shè)計思路與實現(xiàn)方案。重點研究了試驗環(huán)境的開發(fā)過程，以便對MVB通信板卡在安全冗余等方面開展研究。試驗結(jié)果表明，所開發(fā)的上位機環(huán)境能夠很好地對底層MVB網(wǎng)絡(luò)進行配置及數(shù)據(jù)收發(fā)，并監(jiān)控車載安全計算機通過V ME總線與MVB網(wǎng)絡(luò)間的通信情況。

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