采用可編輯邏輯器件實(shí)現(xiàn)MVB總線分析結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1 引言

隨著高速鐵路的迅速發(fā)展以及機(jī)車車輛的現(xiàn)代化發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)列車總線的可靠性、安全性、通訊實(shí)時(shí)性的要求進(jìn)一步提高，國(guó)內(nèi)的傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線難于滿足要求，而多功能車輛總線（MVB）是快速的過(guò)程控制總線，能提供最佳的響應(yīng)速度，且適合用作車輛總線，這就使得MVB逐漸成為下一代車輛的通信總線標(biāo)準(zhǔn)。隨著MVB通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益廣泛，我國(guó)鐵道部已將其作為列車通信的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，國(guó)內(nèi)鐵路軌道交通設(shè)備制造企業(yè)也相繼從國(guó)外引進(jìn)裝備有MVB網(wǎng)絡(luò)的列車微機(jī)控制系統(tǒng)，一些部門也開(kāi)展了MVB相關(guān)產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化研究和自主研發(fā)工作。為了確保不同設(shè)備制造廠家生產(chǎn)設(shè)備的兼容性，也為了驗(yàn)證所研發(fā)的MVB產(chǎn)品的協(xié)議一致性，必須對(duì)各個(gè)MVB設(shè)備進(jìn)行協(xié)議一致性測(cè)試，以提高M(jìn)VB設(shè)備互連的成功率。在MVB的設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中，正確地分析出MVB總線運(yùn)行狀態(tài)是一個(gè)重要的工作。因此對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析是進(jìn)一步研究MVB技術(shù)的必備手段。

2 MVB協(xié)議簡(jiǎn)介

MVB在物理層可以使用3種不同的物理介質(zhì)：無(wú)隔離的短距離電氣介質(zhì)ESD、有隔離的中距離電氣質(zhì)EMD和長(zhǎng)距離光纖介質(zhì)OGF，所有的介質(zhì)均采用1.5 Mb／s的傳輸速率。MVB對(duì)總線的介質(zhì)訪問(wèn)采用集中控制、周期性分配的主一從方式，由總線上惟一的總線管理器即主設(shè)備集中控制介質(zhì)的存取。工作時(shí)主設(shè)備將總線帶（每個(gè)基本周期）分為周期性預(yù)先分配（周期相）和非周期性按需分配（偶發(fā)相）兩部分。周期相用于緊迫性、時(shí)性要求高且短小的周期性過(guò)程變量數(shù)據(jù)的傳輸速度、電機(jī)電流、司機(jī)命令等；偶發(fā)相則用于傳輸冗長(zhǎng)但不頻繁的非周期性的消息數(shù)據(jù)，如設(shè)備診斷或旅信息。為滿足MVB在鏈路層上提供的2類數(shù)據(jù)通信服務(wù)的要求，TCN標(biāo)準(zhǔn)在MVB上定義了與總線類無(wú)關(guān)的實(shí)時(shí)協(xié)議RTP。從應(yīng)用層看，RTP提供了2種類型的通信服務(wù)：過(guò)程變量和消息服務(wù)。過(guò)程變量服務(wù)的協(xié)議只包含物理層、鏈路層（分為介質(zhì)存取控制MAC子層和邏輯鏈路控制LLC子層）應(yīng)用層3個(gè)層次，用以傳輸周期性的控制命令和控制變量，以實(shí)現(xiàn)控制的實(shí)時(shí)性要求。其中鏈路層主要通過(guò)鏈路過(guò)程數(shù)據(jù)接口LPI處理端口和通信緩存的操作，完成協(xié)議大部分的工作；應(yīng)用層則通過(guò)應(yīng)用變量接口AVI處理過(guò)程變量的訪問(wèn)。

3 MVB總線分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MVB網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)倪^(guò)程變量數(shù)據(jù)是通過(guò)主從幀應(yīng)答與周期性廣播的形式，總線分析儀可連接在MVB網(wǎng)絡(luò)中時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)MVB網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膸瑪?shù)據(jù)。MVB總線分析儀按功能可分為譯碼模塊、控制模塊、存儲(chǔ)模塊和PC／104接口模塊4個(gè)部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。譯碼模塊采集總線上的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送給控制模塊，控制模塊則根據(jù)幀的不同情況寫入存儲(chǔ)模塊，存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)幀數(shù)據(jù)，而對(duì)上位機(jī)提供PC／104接口。

3.1 譯碼模塊

在MVB網(wǎng)絡(luò)中采用曼徹斯特編碼，數(shù)據(jù)傳輸速率為1.5 Mb／s，采樣頻率為數(shù)據(jù)傳送頻率的16倍頻率即24 MHz（周期為41.67 ns），因而一個(gè)完美的數(shù)據(jù)波形應(yīng)為8個(gè)低電平和8個(gè)高電平，如圖2（a）所示。在非理想的狀態(tài)下，曼徹斯碼高低電平的持續(xù)時(shí)間會(huì)在一個(gè)有限的范圍內(nèi)隨機(jī)的變化，當(dāng)這種變化是連續(xù)的變長(zhǎng)或者連續(xù)的變短時(shí)，就有可能造成計(jì)數(shù)器的失步，如圖2（b）所示。

造成這一失步的根本原因是計(jì)數(shù)器的歸零是不受控制的，而采樣這一動(dòng)作的觸發(fā)又是受制于計(jì)數(shù)器的，4 b計(jì)數(shù)器的歸零完全是24 MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下累加的結(jié)果（0000～1111的循環(huán)累加）。因而當(dāng)出現(xiàn)電平連續(xù)變長(zhǎng)或連續(xù)變短的情況時(shí)，本應(yīng)該在每個(gè)曼徹斯碼周期結(jié)束后歸零的計(jì)數(shù)器不能在下個(gè)曼徹斯碼周期到來(lái)時(shí)回復(fù)到初始狀態(tài)即“0000”，這種錯(cuò)誤的不斷累積將導(dǎo)致譯碼的失步（位失步）。這里是采取如下措施解決這一問(wèn)題：檢測(cè)每位曼徹斯碼中必然出現(xiàn)的電平跳變沿，將這一跳變沿作為計(jì)數(shù)器的控制信號(hào)；當(dāng)此信號(hào)有效即將計(jì)數(shù)器置于理想狀態(tài)，這樣在每位曼徹斯碼中，計(jì)數(shù)器都能夠進(jìn)行1次與MVB串行信號(hào)的同步。

3.2 控制模塊

控制邏輯接收解碼器單元解碼后的信號(hào)，如果幀不完整或者CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，則加錯(cuò)誤標(biāo)志2直接與入存儲(chǔ)單元；幀完整則需要判斷主從幀；如果主幀則可直接加標(biāo)志0寫入存儲(chǔ)單元；如果為從幀，則需要判斷從幀到達(dá)時(shí)間是否滿足要求；如果符合要求則加標(biāo)志1寫入存儲(chǔ)單元。否則加標(biāo)志2寫入存儲(chǔ)單元，整個(gè)控制邏輯的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖3所示。

3.3 存儲(chǔ)模塊

通信存儲(chǔ)器是MVB總線分析儀的重要組成部分，它負(fù)責(zé)存儲(chǔ)MVB總線通信的數(shù)據(jù)，因此MVB與上位機(jī)通過(guò)PC／104接口模塊會(huì)頻繁的訪問(wèn)通信存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀操作。實(shí)現(xiàn)通信存儲(chǔ)器有3種方式：用FPGA內(nèi)部自帶的RAM資源實(shí)現(xiàn)；用FPGA內(nèi)部的寄存器實(shí)現(xiàn)；用外部存儲(chǔ)器，例如SRAM，E2PROM等實(shí)現(xiàn)。最終選用FPGA內(nèi)部自帶的RAM資源實(shí)現(xiàn)通信存儲(chǔ)器。原因包括以下幾點(diǎn)：現(xiàn)在高級(jí)的FPGA都帶有大小不等的片內(nèi)RAM資源，如果使用外部的存儲(chǔ)器，則需要一些擴(kuò)展電路因此導(dǎo)致電路變的復(fù)雜，增加了不穩(wěn)定性的同時(shí)也帶來(lái)了外部寄存器的訪問(wèn)延遲問(wèn)題。經(jīng)過(guò)比較，選用FPGA內(nèi)部RAM實(shí)現(xiàn)通信存儲(chǔ)器是較好的方案。

3.4 PC104接口模塊

PC104接口有4種訪問(wèn)方式：8位存儲(chǔ)器、16位存儲(chǔ)器、8位I／O和16位I／O。這里是8位存儲(chǔ)器方式，邏輯實(shí)現(xiàn)和布線都相對(duì)簡(jiǎn)單。通過(guò)PC104總線接口，設(shè)備可以連接到PC104總線上并作為PC104總線上的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備使用。上位機(jī)可以通過(guò)PC104總線訪問(wèn)設(shè)備和通信存儲(chǔ)器。一類設(shè)備只是CPU控制的設(shè)備之一，因而分配的內(nèi)存空間有限制的。內(nèi)存空間為0xD0000～0xE0000，需要地址譯碼將設(shè)備的通信存儲(chǔ)器映射到CPU的該內(nèi)存區(qū)。PC104采用堆棧式結(jié)構(gòu)，單列雙排插針和插孔，P1：64針，P2：40針，合計(jì)104個(gè)總線信號(hào)，接口引腳定義如表1所示。

4 實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)室里在實(shí)驗(yàn)室搭建的MVB網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，MVB網(wǎng)絡(luò)由MVB主設(shè)備DUAGON公司的總線管理器D412，MVBC01芯片設(shè)計(jì)的MVB一類設(shè)備1與FPGA設(shè)計(jì)的MVB一類設(shè)備2與設(shè)備3。

MVB總線分析儀連接MVB網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)通過(guò)PC／104總線讀取MVB總線分析儀存儲(chǔ)模塊，MVB總線分析儀完整存儲(chǔ)了總線上數(shù)據(jù)，其中在所有獲得的數(shù)據(jù)中不完整的從幀數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)對(duì)采集到的不完整幀數(shù)據(jù)的分析，幀不完整的原因主要體現(xiàn)在幀頭的不正確（存在高電平或低電平時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短），CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤（生成的CRC不正確），幀數(shù)據(jù)不完整，結(jié)束符時(shí)間過(guò)短。對(duì)主從幀數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)看，當(dāng)總線上傳輸主幀時(shí)，設(shè)備應(yīng)發(fā)送但沒(méi)有發(fā)送從幀的現(xiàn)象出現(xiàn)，針對(duì)這些問(wèn)題可以逐一檢查FPGA等可編程器件里邏輯設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，通過(guò)改進(jìn)減少不完整幀的出現(xiàn)，從而保證自主研發(fā)的MVB設(shè)備的數(shù)據(jù)在MVB網(wǎng)絡(luò)中可靠傳輸。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在研究MVB多功能車輛總線的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了具有PC104總線接口的MVB總線分析儀。該MVB總線分析儀已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了記錄MVB網(wǎng)絡(luò)傳輸所有數(shù)據(jù)，有利于更深一步掌握MVB總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，并為驗(yàn)證MVB設(shè)備互連與互操作性做好準(zhǔn)備。

責(zé)任編輯：gt