MVB 网络输入输出单元设计

李洋涛，柳初萌，徐 磊

(同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804)

1 引言

通信技术的迅速发展给传统轨道交通行业带来前所未有的变革。当今的动车组及城市轨道车辆的车载设备控制与通信，无不采用列车通信网络技术。基于IEC61375 列车通信网络国际标准的TCN 技术自推出十余年来得到了广泛的应用。其中用于车辆级的通信网络称之为多功能车辆总线，即MVB(Multifunction Vehicle Bus)。

TCN 标准推出后得到了广泛支持，MVB 也成为目前应用尤为广泛的网络形式。众多国际大公司都提供MVB的相关产品，如西门子，庞巴迪，FARSYSTEM、EKE、DUAGON 等［1］。因为MVB 产品技术门槛高，造价不菲，并非所有车载设备供应商都能够提供具有MVB 通信能力的产品。如果将分散的车载设备接入MVB 网络，则需要具有MVB 通信功能的输入输出单元作为中间环节。基于此，对列车网络控制系统中的输入输出单元进行了设计和实现，设计完成的MVB 节点负责采集输入数据信息，以及输出控制数据信息，除了用于一般现场设备的数字量、模拟量I/O 接口单元外，还具有独立的电源和车辆总线MVB 接口，可以实现分布式安装，易于连接到MVB 列车网络控制系统中，对MVB的研究应用具有重要的现实意义和实际应用价值。

2 MVB 网络结构

列车网络控制系统是保证列车可靠运行的核心部件。TCN 列车通信网络是专门为列车通信而量身定制的，能满足在复杂的列车环境下实时、可靠的通信。MVB 作为TCN 网络中的车辆级网络，其数据传输速度达1.5M/s，由RTP 协议保证实时性，采用总线冗余提高通信网络的可靠性，物理层可采用三种传输介质［2］。

MVB 实现一节车厢或者几节车厢内的可编程设备互连，将分布于车厢各处的以各种功能控制为目标的控制单元以及传感器或者执行器连成网络，构成各控制单元以及设备之间信息交换的通道，成为分布式控制网络的重要纽带。MVB 网络的拓扑结构可以表示如图1 所示。

图1 MVB 网络拓扑结构示意图

MVB 列车网络一般采用总线结构，总线上各节点具有固定的地址，介质访问控制采取一对多点的主从方式，拥有网络管理权的主设备按照预定的顺序轮询总线上的从设备。在轮询周期内，总线管理器拥有对MVB 网络节点设备访问总线的控制权。总线上一般设置多个总线管理器，介质访问控制的主权在多个总线管理器之间转移，但在同一时间内，只能有一个总线管理器是主动的，其他管理器作为备份以提高防故障能力。

网络中的各个功能控制单元(如中央控制单元、牵引控制单元等)作为网络中的节点，通过MVB 实现资源共享、信息通信，协同实现对列车车载设备的控制，保证列车可靠运行。输入输出单元是作为MVB网络的一个重要节点，是MVB 网络中控制单元与执行机构、传感器之间的中间环节。一方面，它通过输入输出接口与传感器相连接，采集现场数据并将采集到的数据通过MVB 网卡发送到列车网络上;另一方面，它接收网络上的数据，将相关的数据发送到执行机构。借助MVB，处理器可以通过一根电缆完成信号数据的采集和输出，这样便使得I/O 模块能够分散地布置于车厢各执行单元和传感器附近，大大缩短配线长度，既体现了灵活性，又提高了可靠性。

3 输入输出单元设计

设计的MVB 网络输入输出节点主要负责采集输入数据信息以及输出控制信息。输入输出单元内部结构如图2 所示。在该节点中，带有独立的CPU，能实现数据自动采集与收发，除了用于一般现场设备的数字量、模拟量I/O 接口单元外，还具有MVB网卡及接口，可以实现分布式安装，易于连接到具有MVB 网络接口的列车控制系统中。设计中还为节点配置了独立的电源模块，可利用列车辅助电路提供110V 直流电压，转化为单元内部电路所需的5V直流电。

图2 输入输出单元结构示意图

本单元主要由以下部件组成:

(1)输入输出板卡

分为数字量I/O 板卡与模拟量输入板卡，该板卡设有PC104 插座与MVB 网络接口。

车辆的信号主要有数字信号与模拟信号，因此分别设计了数字量I/O 接口电路板与模拟量输入接口电路板，用于采集现场设备信息并输出控制信息。接口电路采用光电隔离设计方法，用以消除外部复杂的电气工作环境对控制系统的影响。

为了完善网络节点的功能，以及能够实时采集和处理列车控制系统中有关的输入输出数据，本设计在I/O 接口单元中采用了标准的PC104 总线，通过其实现接口电路与嵌入式CPU 板卡及MVB 网卡的连接。同时，在接口电路板卡上设计了MVB 网络接口，以便于连接到列车网络系统中。

(2)MVB 网卡

是本单元的核心部件，主要实现MVB 网络物理层和链路层的功能，并提供链路层访问接口。

MVB 网卡主要实现对过程数据通信的控制逻辑，包括产生和识别1.5Mbit/s的Manchester 码，进行信号质量检测，自动报文分析处理，帧超时处理，改变设备地址，提供应用层接口等。

数据接收时，由串行输入信号将Manchester 码引入MVB 协议控制器的译码单元。译码单元在24MHz 采样时钟作用下，把数据帧的起始分界符和CRC 校验位去除，将有效的数据送入接收缓冲区缓存。同时将接收帧的类型、大小、信号质量等控制信号提交给报文分析单元。报文分析单元根据这些信号决定对帧的处理，并将处理办法提交主控单元(MCU)。最终由主控单元控制下一步的动作。

数据发送时，由主控单元将控制信号送入报文分析单元，同时将有效数据放入发送缓冲区缓存。编码单元以时钟单元产生的1.5Mbit/s时钟信号为基准，根据报文分析单元给出的帧类型、有效数据大小等信号将帧起始分界符、CRC 校验位，以及发送缓冲区中的有效数据组装成帧，由串行输出引脚发送出去，同时置发送使能信号有效。

(3)CPU 板卡

是整个单元的核心之一，主要有两个功能:第一，控制MVB 网卡的运行;第二，控制和处理输入输出相关数据信息。

该节点CPU 板卡采用的是盛博公司的SysCentreModule－6230 型号的CPU 板卡。SysCentreModule－6230是一种高度集成的PC104 CPU 模块，可方便与其它周边设备及模块构成完整系统的核心部件。其尺寸小，+5V 供电，工作温度范围宽，在一般PC/AT 机的母板基础上扩展了嵌入式控制的特有功能，可作为独立的PC/AT 引擎，与设计中的MVB网卡、输入输出板卡共同构成单元设计方案中的主体部分［3］。

(4)电源板卡

主要由电源转换模块、前向滤波电路、过电流保护等组成，该板卡的核心部件是一块PH50S110－5电源模块，输入电压DC110V，输出电压DC5V，为整个节点单元供电。

以上即为输入输出单元的主要部件，将CPU 板卡与MVB 网卡插接到I/O 电路板PC104 接口上，并与电源板连接，整体装入机箱。机箱采用了一个符合工业控制计算机机箱标准的6U 尺寸铝合金机箱。机箱是内部板卡的支架，也可以起到屏蔽电磁干扰的作用。由此该设计构成了独立的具有MVB通信功能的输入输出单元节点，如图3 所示。MVB接口与网络中其他节点相互之间以屏蔽电缆进行连接，通过I/O 接口与现场设备连接，即可实现现场设备与网络上各控制节点的信息交互，并可于列车车厢内靠近现场设备的部位安装以满足分布式控制要求。

图3 输入输出单元实物图

4 通信测试

设计完成后，在实验室的MVB 网络平台上进行了通信实验，如图4 所示。以原MVB 网络中的中央控制单元为主设备，数字量I/O 单元和模拟量输入单元作为两个从节点，并分别为每个节点分配了网络地址，三个单元之间通过屏蔽双绞线电缆连接构成MVB 网络。将一个列车司机台作为终端设备，分别将司机台控制面板上的车门开关、鸣笛、电制动、SIV 启动、客室灯等数字量输入信号以及超速报警、故障指示、车门状态、发车指示、发车蜂鸣器等数字量输出信号与数字量I/O 单元连接，将司机台手柄以及用来模拟速度、网压等传感器的电位器与模拟量输入单元相连接。

图4 实验室列车网络系统

MVB 网络发送的报文有16种类型［4］，本设计中采用含有256 位过程数据的报文形式。对报文每一位进行了定义，如模拟量输入一共有五路，每一路为12 位，占用2个字节，即定义256 位中的前80 位为5 路模拟量信息。同理，按位对数字量信号进行了定义，需要输入的信息按位算共计33个，分配5个字节，需要输出的信息共12个，分配2个字节，对其他没有用到的信息位设置为“0”。

实验在Turbo C 环境下进行了程序设计，由CPU 控制数据采集与收发，并由外接显示器观察、校核数据发送正确与否。经过逐一测试司机台各开关、按键、手柄等状态，与各节点上接收发送的数据一致。如将代表速度传感器的电位器调到分压为最大，此时模拟量输入单元采集到的“速度”信息为最大值(0X0FFF)，对应报文数据信息中的第1～2 字节，司机台上行驶方向旋钮打到前进档(状态为“1”)，对应报文数据第11 字节第0 位。此时因速度超过设定的安全值，司机台超速报警蜂鸣器报警，超速报警灯点亮(控制信息均为“1”)，分别对应报文数据第16 字节的第3 位及第4 位，其余信息位均置为“0”状态。模拟量输入单元、数字量I/O 单元及中央控制单元收发的数据依次如图5 各子图所示。

图5 MVB 网络各节点收发数据

经过反复测试验证，MVB 各节点收发的数据与司机台信息一致，实现了可靠的网络通信。

5 结束语

此设计符合IEC61375 列车通信网络国际标准，基于当前主流的TCN 标准MVB 总线形式，采用MVB 网卡、MVB 接口及屏蔽双绞线实现了网络连接。设计的基于MVB 网络的输入输出单元，作为独立的模块，配备独立的控制单元、MVB 网卡、电源模块，易于实现分布式安装，便于将相应执行机构或传感器等接入列车网络，为一般设备接入列车通信网络以及网络的扩展提供了灵活可行的方案。

［1］赵红卫，朱广超，黄根生.MVB 通信网卡的研制与开发［J］.铁道机车车辆，2009(8):30－33.

［2］倪文波，王雪梅.高速列车网络与控制技术［M］.成都:西南交通大学出版社，2008:97－100.

［3］深圳市盛博科技嵌入式计算机有限公司.SysCentreModuleTM－6230 技术手册［Z］.版本2.3.

［4］International Electrotechnical Commission.IEC61375－1，1999，Electric Railway Equipment－ Train Bus Part－1:Train Communication Network［S］.Geneva:IEC，1999.