一种列车网络节点设备MVB通信接口技术

2016-12-16中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心韩庆军孙宗先崔宁宁

电子世界 2016年22期

关键词：网卡串口总线

中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心崔韬韩庆军孙宗先崔宁宁

常州小糸今创交通设备有限公司胡丰伟

一种列车网络节点设备MVB通信接口技术

中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心崔韬韩庆军孙宗先崔宁宁

常州小糸今创交通设备有限公司胡丰伟

本文提出了一种列车网络节点设备采用的MCU+MVB网卡通信接口设计技术，以串口UART方式为例，对相应的网络构成、硬件设计以及软件设计作了系统阐述，系统测试结果表明：该接口技术大大降低了系统MVB通信接口设计的复杂度，能够有效的提高列车网络节点设备MVB通信接口的开发效率。

列车网络；MVB接口；MVB网卡

1　引言

21世纪以来，中国轨道交通的发展迅猛，各种现场总线技术在轨道交通领域均得到了长足的发展和广泛的应用，尤其是IEC61375中定义的多功能车辆总线MVB，MVB是列车通信网TCN两级总线的一种，与另一种绞线式列车总线MTB主要负责连接车厢之间的设备控制、检测与故障诊断的功能不同，MVB主要负责连接车厢内的各种控制设备，构成车厢级数据采集、控制的车辆网络，称为车辆总线（Vehicle Bus）。相比随着现场总线技术发展起来的RS485，Lonworks，WorldFIP、CAN等总线网络形式，MVB在其可靠性、实时性、可管理性、寻址方式、介质访问控制方式以及通信服务种类等方面都具有一定的优势，因此，MVB网络被广泛用于列车的车载监控系统中。

基于此，本文给出了一种采用MCU+MVB网卡的通信接口设计方式，并以串口UART方式为例作了相关技术的阐述，相比MCU+FPGA或者MCU+CPLD的通信接口设计方式，本MVB通信接口设计方式的优势在于，各网络节点对外提供统一的硬件接口，其只需按照应用层协议，通过UART或者SPI接口与网卡直接进行通信，而不必关心具体MVB总线内部底层协议如何实现，从而大大降低了系统MVB通信接口设计的复杂度，有效的提高了列车网络节点设备MVB通信接口的开发效率。

2　列车网络结构

采用MCU+MVB网卡通信接口设计方式所构建的网络结构如下，各网络节点设备中包含有MCU主控制器以及MVB网卡，MCU负责将采集数据或者反馈信息通过串口（Serial Interface）或者SPI通信接口传输至MVB网卡，每个网络节点设备通过MVB网卡接入MVB总线，由MVB主设备（MVB总线管理器）根据各网络节点设备的设备地址（Device Address）执行周期轮询功能，形成主从网络结构（见图1）。

MCU+FPGA/CPLD通信接口实现方式研发难度较大，需要采用现场可编程逻辑器件（FPGA）或者复杂可编程逻辑器件（CPLD）自主实现MVB控制器以及总线接口设计，并需要能够根据需求选取不同类型的MCU完成整体模块的构建，同时，MVB相比其他方式有着响应速度快的优点，这也意味着通信稳定性、信号质量相比其他现场总线技术有着更为严格的要求，这也进一步增加了MCU+FPGA/CPLD通信接口实现方式设计难度。而MVB网卡由专业公司设计且均需通过国际统一标准IEC61375，采用上述MCU+MVB网卡通信接口设计方式免去了自主研发MVB总线内部底层协议工作，研发人员只需负责完成MCU与MVB网卡间的通信，这大大降低了研发的难度，缩短了研发周期，同时提高了列车网络节点设备MVB通信接口的性能。

图1　MCU+MVB网卡构建网络结构图

3　硬件设计

文中所述MCU+MVB网卡的通信接口设计，主要包括主处理器U1以及MVB网卡U2，两者通过并口或者串口连接，实现MCU与MVB网卡的通信功能，再由MVB1和MVB2双冗余接口连入MVB总线，从而构成整体MVB总线网络结构，其中，通信接口可根据应用需求在SPI接口和串口方式中进行选择。

本文中通信接口设计中MVB网卡采用的是DUAGON的MVB网卡，其内部SoC模块采用PLD+CPU结构模式建立，其中PLD集成实现主机接口单元以及MVB控制器，CPU选取ARM7架构，用于控制SRAM和FLASH的内部信息，便于实现硬件结构不变的条件下逻辑的重新编辑和定义。

MVB网卡支持4096个过程变量端口（源端口或宿端口)，16位-256位可配置，还具有多种通信模式选择功能，与MCU的通信接口还配有并口（Parallel Interface）、串口（Serial Interface）以及SPI口，其中串口采用标准异步收发接口（UART），此外，MVB网卡还配有UART的波特率配置功能，可灵活匹配多种波特率。

该板卡还具备两种传输介质选择功能，除了光纤媒介（OGF）外，电的短距离传输介质（ESD/ESD+）和电的中距离传输介质（EMD）都可进行设置，此功能与通信接口选择功能设定方式。

MVB板卡共有3种通信模式，外加1种测试模式；3种通信模式分别为串口、并口、SPI接口，用于MVB板卡与主控制器MCU的通信，各种方式选取可由MVB板卡中MODE[2，1]根据需求进行设定，此外，可通过设置参数MODE[0]实现输出介质EMD和ESD/ ESD+的选取。

MCU+MVB网卡网络结构图中涉及MCU与MVB板卡通信的方式主要有UART和SPI,两种通信接口方式均为通用接口，但需要注意的是：若采用UART通信方式，由于UART传输速率受限，标准PD（Process Data）口的数量需应少于10-20。

4　软件设计

本设计根据传输距离以及PD口数量的要求，选取MVB网卡电的中距离传输介质（EMD）作为网络节点设备与MVB总线的传输介质,并采用串口的通信接口方式，此外，MVB按性能可分为5类，由于应用中只涉及到设备状态以及过程数据性能，故设计选则1类设备性能需求进行软件方面的设计工作。

根据上述需求设计产品。产品按功能主要分为三模块：初始化模块、MVB网卡配置模块以及数据交换模块。

初始化模块主要涉及MCU初始化和MVB网卡初始化，在通电瞬间，MCU则进入系统初始化程序，对内部寄存器、串口以及其他功能进行初始化处理，同时，MVB网卡内部同时进行自启动初始化处理，整个初始化过程由MVB网卡自行完成，无需外界的干预，但需要注意的是，由于MVB网卡每次上电都需对PLD进行装载工作，因此其启动初始化时间需要近1S,远长于MCU启动初始化时间,为了安全起见，需要进行延时处理，以防止MCU的过早配置操作破坏MVB网卡正常启动。

5　系统测试

对采用上述MCU+MVB网卡的通信接口设计方式以及对应的软硬件结构的网络节点设备进行测试，对应的测试结果如下：

网络节点设备连接MVB主站SelectronCPU831-TG，网络节点设备能够按照既定通信协议进行过程数据的传输测试，测试结果表明，系统的软硬件均能满足通信的实时性和准确性既定要求，其通信波形能够完全达到IEC61375-3-2中对于波形质量的要求。

6　结束语

综合以上硬件设计、软件设计方案介绍及测试结果可以说明，采用MCU+MVB网卡的通信接口设计技术能够很好的解决网络节点设备MVB通信接口研发难度大、研发效率低的问题，其软硬件结构简单、可移植性好，是一种实用性强、可靠性高的网络节点设备MVB通信接口设计技术。该通信通信接口设计技术使用将会大大提高我国列车MVB网络及控制系统的国产化速度和推进自主研制的进程。

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