MVB多功能車輛總線仿真與檢測系統的設計及應用

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)作為列車通信網絡(TCN)的一部分，負責一個車廂內設備或者一個固定的車輛組內設備的數據通信。具有實時性強、可靠性高、傳輸數據快和傳輸距離遠等優點，目前在高鐵和地鐵中的應用非常廣泛[1]。

為了實現對多功能列車總線的狀態監測、故障診斷和一致性測試，以及在車載設備的研發和調試過程中，模擬多功能列車總線的數據傳輸過程，設計了一套系統，主要實現了以下功能：(1)MVB仿真發送功能；(2)總線波形實時采集功能；(3)數據分析功能；(4)Linux系統下Python控制程序設計。

1 整體設計

在MVB數據通信中，具有以下特征：通信傳送方式采用主從幀應答，幀發送方式采用周期性廣播，幀標識符具有幀頭和幀尾標識以識別幀的開始和結束，幀編碼采用曼徹斯特編碼，數據傳輸速率為1.5Mbit/s。為了仿真MVB總線通信，需要仿真主站發送主幀數據，仿真從站發送從幀數據，仿真接收主幀數據和從幀數據。通過對MVB通信總線波形的實時采集，并進行邏輯分析，分析網絡中的幀數據、幀響應時間、撞幀、丟幀、位錯誤及網絡干擾等，從而可以實現對網絡通信質量的判斷和網絡設備的一致性測試[2]。在該設計中，利用通用邏輯芯片FPGA實現MVB仿真和波形采集功能；在嵌入式Linux系統下，利用Python編程實現整體控制和數據分析；FPGA和嵌入式系統通過USB實現數據交互，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

設計中，仿真功能和采集功能采用Altera公司的FPGA芯片實現；USB模塊采用CY7C68013A控制芯片，實現USB2.0/3.0轉并行總線的功能；嵌入式Linux系統采用beagleboard-black控制板，該控制板為ARM CortexTM-A8內核，利用其擴展的USB接口，對MVB仿真與采集板進行數據交互和控制；嵌入式Linux系統對外的USB和Internet接口，可實現數據的遠程傳輸及上位機軟件的控制。

2 仿真功能設計

仿真功能依托FPGA芯片，實現的邏輯功能包括：幀數據的發送、端口地址的設置、所發送的主幀數據和從幀數據設置、總線數據接收與端口地址比較和發送狀態的反饋。仿真功能結構如圖2所示。

圖2 仿真功能結構

其中，接收模塊和發送模塊采用VerilogHDL語言設計。仿真發送的主幀和從幀數據以及狀態反饋數據，均存儲在各自的FIFO存儲器內(FPGA內部)。所設置的端口地址，存儲在RAM存儲器內(FPGA內部)。

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

2.1 接收模塊

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

該設計中，MVB網絡信號的邏輯采樣頻率設置為24 MHz，即一位MVB數據寬度為16個周期。將邏輯信號電平及其寬度所占周期數，作為8位分析數據元，數據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，將編碼信號轉換為分析數據元。采用有限狀態機方式實現接收模塊的功能，其狀態轉移如圖3所示。

圖3 接收模塊狀態轉移

S0：接收數據幀起始位，接收到有效的幀起始位后，狀態轉移至S1，同時總線忙信號有效。接收到有效的幀結束位后，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，狀態轉移至S2，否則，狀態轉移至S0。

S2：接收主幀數據，成功接收主幀數據后，狀態轉移至S3，若出現數據位錯誤或數據校驗錯誤，狀態轉移至S0。

S3：接收幀結束位，接收到有效的幀結束位，狀態轉移至S4，同時總線空閑信號有效，否則，狀態轉移至S4。

S4：比較接收到的主幀數據與設置的端口地址數據，相同則觸發發送從幀數據信號，狀態轉回S0。

2.2 發送模塊

發送功能實現的方式如下：將8位數據，從最高位到最低位移位輸出，移位頻率為3 MHz。對待發送的幀數據(字節為單位)，進行編碼轉換[4]。采用有限狀態機方式實現發送模塊的功能，其狀態轉移如圖4所示。

圖4 發送模塊狀態轉移

S0：發送模塊在MVB總線空閑時，檢測主幀FIFO，檢測到有效的主幀數據后，狀態轉入S1；在發送從幀信號有效的狀態下，檢測從幀FIFO，檢測到有效的從幀數據后，狀態轉入S3。

S1：讀取主幀FIFO數據并發送，結束后，轉入狀態S2。

S2：向狀態反饋FIFO寫入主幀發送成功的狀態，狀態轉回S0。

S3：讀取從幀FIFO數據并發送，結束后，轉入狀態S4。

S4：向狀態反饋FIFO寫入從幀發送成功的狀態，狀態轉回S0。

3 采集功能設計

采集功能由FPGA芯片實現，對MVB網絡通信波形進行數據采集，采樣頻率為24 MHz，采樣的數據以字節為單位，數據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，采集功能結構如圖5所示。

圖5 采集功能結構

采集功能工作方法如下：(1)系統工作頻率為48 MHz，采樣頻率是24 MHz。在每個采樣周期，對MVB網絡波形進行邏輯采樣；(2)當邏輯電平變化時，記錄前一電平狀態及所持續的周期數，形成一個字節的采樣數據。同時清零計數，開始新的計數周期；(3)當電平周期數達到0x7F時，記錄電平狀態及周期數，形成一個字節的采樣數據。同時清零計數，開始新的計數周期；(4)網絡采樣數據按照先入先出的原則，存入數據存儲FIFO。

4 系統控制設計

系統控制是在嵌入式Linux系統中，利用Python語言編程實現。系統控制主要完成的功能如下：仿真設置設備端口地址、仿真設置發送主幀數據、仿真設置發送從幀數據、仿真幀數據發送次數設置、采集網絡數據分析、采集網絡幀數據提取、采集網絡質量分析和系統工作狀態監測[5]。

4.1 仿真控制程序設計

系統程序通過將仿真設備端口地址數據寫入端口地址RAM，實現設置端口地址功能；通過將仿真發送主幀數據寫入主幀數據FIFO，實現發送主幀功能；通過將仿真發送從幀數據寫入從幀數據FIFO，實現發送從幀功能；通過讀取狀態FIFO數據，實現仿真幀數據發送次數控制[6]。

4.2 采集分析程序設計

系統程序通過讀取采集數據存儲FIFO內的波形數據，可分析網絡幀數據、幀響應時間、撞幀、雜波、丟幀、數據位錯誤和幀校驗錯誤等，從而可實現對網絡質量的判斷。數據分析采用有限狀態機方式實現。

5 試驗與應用

5.1 仿真功能邏輯設計試驗結果

采集功能采用Altera公司的FPGA芯片實現，為了驗證該功能，利用QuartusII的仿真軟件，模擬發送主幀數據，觸發發送從幀數據，仿真結果如圖6所示。該結果圖為采集功能所采集到的幀數據波形，第一幀數據為發送的主幀數據；第二幀數據為接收到主幀數據后，觸發發送的從幀數據。

圖6 發送主從幀數據仿真波形

實際調試試驗利用開發的上位機軟件，設置發送主幀數據設備端口號和從幀數據，仿真發送主幀數據，設備端口號與接收到的主幀數據中端口號相同時，觸發發送從幀數據。

5.2 實際應用

利用仿真功能，對上海地鐵4號線VCU控制器進行了離線測試，模擬發送主幀數據功能，對所有地址進行掃描，成功掃描到VCU系統設備地址，并可讀取其設備狀態。

仿真設備通過MVB通信線與VCU設備連接，上位機軟件控制發送主幀數據，同時，記錄通信總線數據。對所有端口地址掃描后，分析系統記錄的總線數據，可得到VCU設備地址及其反饋的狀態數據。

6 結束語

MVB網絡在高鐵和地鐵車輛控制領域應用得非常廣泛，本文所設計的仿真與檢測系統，為MVB網絡調試、網絡設備檢測和維修、網絡設備一致性測試和網絡質量的判斷，提供了一種智能的方法。同時，為網絡協議分析和設備開發提供了手段，也為MVB網絡應用的推廣提供了參考。