一種列車網絡節點設備MVB通信接口技術

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

常州小糸今創交通設備有限公司 胡豐偉

一種列車網絡節點設備MVB通信接口技術

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

常州小糸今創交通設備有限公司 胡豐偉

本文提出了一種列車網絡節點設備采用的MCU+MVB網卡通信接口設計技術，以串口UART方式為例，對相應的網絡構成、硬件設計以及軟件設計作了系統闡述，系統測試結果表明：該接口技術大大降低了系統MVB通信接口設計的復雜度，能夠有效的提高列車網絡節點設備MVB通信接口的開發效率。

列車網絡；MVB接口；MVB網卡

1　引言

21世紀以來，中國軌道交通的發展迅猛，各種現場總線技術在軌道交通領域均得到了長足的發展和廣泛的應用，尤其是IEC61375中定義的多功能車輛總線MVB，MVB是列車通信網TCN兩級總線的一種，與另一種絞線式列車總線MTB主要負責連接車廂之間的設備控制、檢測與故障診斷的功能不同，MVB主要負責連接車廂內的各種控制設備，構成車廂級數據采集、控制的車輛網絡，稱為車輛總線（Vehicle Bus）。相比隨著現場總線技術發展起來的RS485，Lonworks，WorldFIP、CAN等總線網絡形式，MVB在其可靠性、實時性、可管理性、尋址方式、介質訪問控制方式以及通信服務種類等方面都具有一定的優勢，因此，MVB網絡被廣泛用于列車的車載監控系統中。

基于此，本文給出了一種采用MCU+MVB網卡的通信接口設計方式，并以串口UART方式為例作了相關技術的闡述，相比MCU+FPGA或者MCU+CPLD的通信接口設計方式，本MVB通信接口設計方式的優勢在于，各網絡節點對外提供統一的硬件接口，其只需按照應用層協議，通過UART或者SPI接口與網卡直接進行通信，而不必關心具體MVB總線內部底層協議如何實現，從而大大降低了系統MVB通信接口設計的復雜度，有效的提高了列車網絡節點設備MVB通信接口的開發效率。

2　列車網絡結構

采用MCU+MVB網卡通信接口設計方式所構建的網絡結構如下，各網絡節點設備中包含有MCU主控制器以及MVB網卡，MCU負責將采集數據或者反饋信息通過串口（Serial Interface）或者SPI通信接口傳輸至MVB網卡，每個網絡節點設備通過MVB網卡接入MVB總線，由MVB主設備（MVB總線管理器）根據各網絡節點設備的設備地址（Device Address）執行周期輪詢功能，形成主從網絡結構（見圖1）。

MCU+FPGA/CPLD通信接口實現方式研發難度較大，需要采用現場可編程邏輯器件（FPGA）或者復雜可編程邏輯器件（CPLD）自主實現MVB控制器以及總線接口設計，并需要能夠根據需求選取不同類型的MCU完成整體模塊的構建，同時，MVB相比其他方式有著響應速度快的優點，這也意味著通信穩定性、信號質量相比其他現場總線技術有著更為嚴格的要求，這也進一步增加了MCU+FPGA/CPLD通信接口實現方式設計難度。而MVB網卡由專業公司設計且均需通過國際統一標準IEC61375，采用上述MCU+MVB網卡通信接口設計方式免去了自主研發MVB總線內部底層協議工作，研發人員只需負責完成MCU與MVB網卡間的通信，這大大降低了研發的難度，縮短了研發周期，同時提高了列車網絡節點設備MVB通信接口的性能。

圖1　MCU+MVB網卡構建網絡結構圖

3　硬件設計

文中所述MCU+MVB網卡的通信接口設計，主要包括主處理器U1以及MVB網卡U2，兩者通過并口或者串口連接，實現MCU與MVB網卡的通信功能，再由MVB1和MVB2雙冗余接口連入MVB總線，從而構成整體MVB總線網絡結構，其中，通信接口可根據應用需求在SPI接口和串口方式中進行選擇。

本文中通信接口設計中MVB網卡采用的是DUAGON的MVB網卡，其內部SoC模塊采用PLD+CPU結構模式建立，其中PLD集成實現主機接口單元以及MVB控制器，CPU選取ARM7架構，用于控制SRAM和FLASH的內部信息，便于實現硬件結構不變的條件下邏輯的重新編輯和定義。

MVB網卡支持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，其中串口采用標準異步收發接口（UART），此外，MVB網卡還配有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選擇功能，除了光纖媒介（OGF）外，電的短距離傳輸介質（ESD/ESD+）和電的中距離傳輸介質（EMD）都可進行設置，此功能與通信接口選擇功能設定方式。

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]根據需求進行設定，此外，可通過設置參數MODE[0]實現輸出介質EMD和ESD/ ESD+的選取。

MCU+MVB網卡網絡結構圖中涉及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，標準PD（Process Data）口的數量需應少于10-20。

4　軟件設計

本設計根據傳輸距離以及PD口數量的要求，選取MVB網卡電的中距離傳輸介質（EMD）作為網絡節點設備與MVB總線的傳輸介質,并采用串口的通信接口方式，此外，MVB按性能可分為5類，由于應用中只涉及到設備狀態以及過程數據性能，故設計選則1類設備性能需求進行軟件方面的設計工作。

根據上述需求設計產品。產品按功能主要分為三模塊：初始化模塊、MVB網卡配置模塊以及數據交換模塊。

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

5　系統測試

對采用上述MCU+MVB網卡的通信接口設計方式以及對應的軟硬件結構的網絡節點設備進行測試，對應的測試結果如下：

網絡節點設備連接MVB主站SelectronCPU831-TG，網絡節點設備能夠按照既定通信協議進行過程數據的傳輸測試，測試結果表明，系統的軟硬件均能滿足通信的實時性和準確性既定要求，其通信波形能夠完全達到IEC61375-3-2中對于波形質量的要求。

6　結束語

綜合以上硬件設計、軟件設計方案介紹及測試結果可以說明，采用MCU+MVB網卡的通信接口設計技術能夠很好的解決網絡節點設備MVB通信接口研發難度大、研發效率低的問題，其軟硬件結構簡單、可移植性好，是一種實用性強、可靠性高的網絡節點設備MVB通信接口設計技術。該通信通信接口設計技術使用將會大大提高我國列車MVB網絡及控制系統的國產化速度和推進自主研制的進程。

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