基于ARM和MVB的車輛總線控制器設計

摘 要：文章介紹了MVB整個系統的方案和架構，對系統的硬件和軟件的實現進行了詳細描述。同時提出了采用FPGA來實現MVB控制器MVBC的方案，從而實現物理層和數據鏈路層的功能，并且為上層應用提供硬件平臺。通過軟硬件的測試，該系統現已成功運行在列車控制系統中。實踐證明該方案比購買MVB專用處理芯片節省很多成本，也避免了技術上受制于人，為該領域積累了寶貴的應用經驗。

關鍵詞：多功能車輛總線；FPGA；MVB控制器

引言

隨著近幾年軌道交通的發展，現代列車都更趨于高速、舒適和自動化，因此，現代列車正常運行需要很多的信息，比如車輛運行狀態、乘客信息等。而這些信息需要在各個車輛之間直接進行傳輸。怎樣將這些信息安全、快速并準確的在整個列車上傳輸，已經成為新列車研發中面臨的一個重要問題。

MVB 是列車設備之間傳送和交換數據的通信標準。總線上的各個設備可能在功能、尺寸、性能上互不相同，但都和MVB總線相連，利用MVB總線來進行信息交換，組成一個完整的通信網絡。MVB專用芯片必須依靠進口，價格較高，不利于在國內的列車控制及工業控制領域進行推廣。因此推出擁有自主知識產權的MVB控制器十分必要。

1 總體方案設計

車輛總線控制器由硬件和軟件兩個模塊組成。MVB的OSI 模型及其實現如圖1所示。

硬件部分由嵌入式處理器、通信子模塊、I/O模塊等；軟件部分包括軟件開發平臺，應用編程接口（API），用來屏蔽具體硬件特性的板級支持包（BSP）。其中由硬件來實現OSI中物理層和鏈路層，由軟件實現其他各層。

根據車輛總線控制器應該能滿足實時處理緊急情況的需求，為此車輛總線控制器中選用了Vxworks操作系統。同時基于控制器的工作環境和處理性能的需要，系統選用了工業級別的ARM 處理器AT91M40800。AT91M40800基于ARM7TDMI內核，集成高性能的32位RISC處理器、16位壓縮指令集、8KB片上SRAM、可編程外部總線接口（EBI）、3通道16位計數器/定時器、32個可編程I/O口、中斷控制器、2個USART、看門狗定時器、主時鐘電路和DRAM時序控制電路，高級節能電路；可支持JTAG調試，主頻可達到40MHz。

系統中，MVB控制器（簡稱MVBC）是控制MVB各個物理設備之間聯系的模塊。MVBC用來實現MVB數據幀的編糾錯和解碼等功能，因此本系統中MVBC是最關鍵的模塊?？紤]到系統需求、成本，供貨情況等因素，選擇了Altera公司的CycloneII系列FPGA來實現。

根據系統總體方案設計和選型，進行的系統硬件和軟件設計。具體系統硬件構架見圖2，軟件構架如圖3所示。

這里，TrafficMemory（TM）是實現處理器和MVBC之間通訊數據交換，在TM地址空間存儲了所有軟件和MVBC要交換的控制信息和數據，處理器和MVBC都是可訪問這個地址空間的。訪問TrafficMemory示意圖如圖4所示。

2 系統硬件電路設計

系統硬件設計包括MVBC的FPGA實現和MVB總線的板級設計，其中最關鍵的是MVBC模塊的設計，MVBC組成框圖如圖5所示。

從圖5可以看成，MVBC包含編碼器、發送緩沖區、譯碼器、接收緩沖區、報文分析單元、狀態控制寄存器已經主控單元等功能模塊組成。

編碼器用來把信號變成曼徹斯特編碼，將數據幀傳送出去。發送緩沖區放置將要發送的數據和CRC值。譯碼器將接收信號曼徹斯特譯碼，進行數據提取和數據錯誤檢測。接收緩沖區放置接收數據和CRC結果。報文分析單元檢測主幀和從幀報告超時，幀誤檢測、錯誤狀態。狀態控制寄存器用來配置MVBC。主控單元支持MVBC作為主設備或者從設備工作，支持隊列消息傳送。地址邏輯對訪問的輸入地址進行解析；產生MVBC訪問TM的地址。系統通過時鐘產生電路為系統提供MVBC的工作時鐘和計算器。通用定時器可以產生兩個定時輸出信號，同時可以給系統提供同步信號。

3 系統軟件設計

MVB系統中，有監視數據，消息數據和過程數據三種不同的數據，圖6為MVB系統軟的件模塊設計。

4 軟硬件的調試

系統中過程數據周期性發送，通訊機制如下：

在發送方，過程變量通過應用模塊發送給過程數據處理模塊，過程數據處理模塊依據設置，定期刷新TM中的相應邏輯端口的數據，發送方軟件的任務完成。發送方定時發出主幀，經過解碼，獲得邏輯端口的相應值，查詢TM相應邏輯端口的發送設置后，將MVBC設置為發送狀態，邏輯端口的數據作為過程數據從幀從編碼器發送出去，如圖7所示。

在接收方，接收過程與發送過程相反，接收總線管理器BA定時發出主幀，經過譯碼器解碼，獲得相應邏輯端口的值，通過查詢TM相應邏輯端口接收設置后，將MVBC設置為接收狀態，在收到發送方的從幀后，相應邏輯端口在TM中的數據立即更新并發出中斷信號，接收過程完成?？梢圆捎枚〞r查詢或中斷的方式，獲得邏輯端口更新后的過程數據。

5 結束語

該MVB系統經過了嚴格的軟硬件現場測試，在某列車控制系統中現已成功運行，實現了對列車的運行過程控制、機車控制、狀態監測、故障診斷及旅客服務等。為MVB總線在實踐中的應用提供了寶貴經驗。

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