多功能车辆总线网络接口单元的实现

多功能车辆总线网络接口单元的实现杜振环 李常贤 王宁会（大连理工大学电气工程与应用电子技术系 大连 116023）摘要：1999年1月，列车通讯网络TCN被IEC61375－1标准采纳。

TCN由连接车辆的列车总线和连接单节车辆或车辆组的车载设备的车辆总线组成。

为简化组装，试车以及子系统的重复使用，TCN将多功能车辆总路线MVB（Multifunction Vehicle Bus）规定为车辆总路线。

不同设备能过MVB网络接口单元连接到MVB。

本文主要论述了MVB 设备网络接口单元的设计与实现。

关键词：列车通讯网络 ；多功能车辆总线Abstract ：The TCN was adopted as the international standard IEC 61375 in 1999.1 .The TCN architecture addresses all relevant configurations found in rail vehicles. It comprises the train bus connecting the vehicles and the vehicle bus connecting the equipment aboard a vehicle or group of vehicles. To simplify assembly, commissioning, and subsystem reuse, the TCN architecture specifies the Multifunction Vehicle Bus (MVB) as a vehicle bus. Standard MVB interface is needed to connect various equipments to the vehicle bus. In this essay, design and realization of MVB device interface module are discussed.Key Words：Train Communication Network ; Multifunction Vehicle Bus中图分类号：TN919 文献标识码：B1 前言随着嵌入式控制技术和现场总线技术的发展，现代列车的过程控制已从集中型的直接数字控制系统发展成为基于网络的分布式控制系统。

基于分布式控制的MVB（多功能车辆总线）是IEC61375-1(1999)TCN（列车通信网络国际标准）的推荐方案，它与WTB(绞线式列车总线)构成的列车通讯总线具有实时性强、可靠性高的特点。

列车车辆的现代化的发展趋势与可靠性、安全性、通讯实时性的要求使MVB逐渐成为下一代车辆的通讯总线标准。

目前TCN 标准在国外特别是欧洲已相当普及，国内也加紧了对这一标准中关键总线技术的研制。

自主研发列车通信网络设备将具有很好的市场前景和重大的意义。

- 1 -本文论述了MVB 设备网络接口单元的设计，包括该设备硬件系统和软件系统的实现方法。

2 列车通讯网络与TCN2.1 列车通讯网络TCN与多功能车辆总路线MVB列车通信网络（包括地铁列车、城市轻轨列车上的通信网络）是面向控制的一种连接车载设备的数据通信系统，是分布式列车控制系统的核心组成部分。

TCN将列车通信网络分为两层:用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通信网络WTB（Wired Train Bus）和用于连接车辆内固定设备的车辆通信网络MVB(Multifunctional Vehicle Bus)。

如图2.1，列车总线和车厢总线通过网关节点连接。

图2.1 列车通讯网络的拓扑结构Fig. 2.1 Topology of Train Communication Network图2.2 机车内部的多功能车厢总线Fig. 2.2 Multifunction_Vehicle_Bus in a locomotive如图2.2，多功能车辆总线MVB是应用于一个车辆或固定车组这一特定环境下的局域网，它将位于同一车辆，或不同车辆中的标准设备连到列车通信网络上的车辆总线。

为了符合TCN标准并能方便地实现MVB设备之间的互连，各个与MVB相连的设备都必须具有统一的硬件和软件接口。

- 3 -硬件接口主要由各个设备中的MVB 网络接口单元(或称网络接口卡)实现，网卡实现物理层信号的转换，执行数据链路层的通信规程，其基本任务是将主机或其他网络设备发送的数据送入网络，或从网络中接收其他设备发来的数据并将它送给主机；软件接口则实现MVB 链路层服务功能，为高层提供服务及服务访问接口，从而屏蔽底层协议，提供透明的、可靠的链路通路，方便用户的使用。

所有与MVB 连接的设备通过MVB 网络接口单元访问MVB 。

3 系统实现概述3.1 硬件功能概述如图3.1，系统实现MVB 设备网络接口单元的主要功能。

其中中央处理器，负责用户程序以及协议的执行，总线控制器做为设备电路和物理层的接口单元，支持IEC61375-1标准中规定的过程数据，消息数据，监视数据以及总线管理功能。

冗余的MVB 总线采用RS 485标准差分信号传输。

背板总线负责板级通讯。

图3.1 系统硬件框图Fig. 3.1 System Hardware Function Block3.2 软件功能概述作为IEC61375-1规定的标准MVB 设备，系统软件主要包含用户应用程序，实时协议栈。

系统同时还需要实时操作系统以及相关的设备驱动程序，如图3.2。

实时协议栈提供了与OSI体系结构类似的层次结构，为具体应用实现了通信机制。

实时操作系统不但为具体应用的实现提供基本功能（如信号量，时间组，任务创建等），还对任务进行实时调度，满足通讯网络对实时性的要求。

图3.2 系统软件框图Fig. 3.2 System Software Function Block4 系统硬件实现4.1 系统硬件实现原理框图图4.1 系统硬件实现功能框图Fig.4.1 Function Blocks of Hardware System如图4.1，为MVB控制模块的具体硬件实现功能框图，系统分为总线控制器、中央处理器、存储系统、通讯存储器、其它功能外设以及通讯接口。

其中MVBC02通讯控制器是机车车辆网络通讯专用芯片，实现MVB链路层以下的功能。

存储器与中央处理器构成主处理系统，NET+50为NetSilicon的ARM7TDMI处理器，存储器包括程序存储器(FLASH)和内存空间(SDRAM)。

系统通过RS485接口与MVB总线连接，背板总线采用VME总线。

其它功能外设主要包括支持远程访问的以太网模块，实时时钟以及温度监测模块，电源管理以及硬件看门狗模块，JTAG 仿真器调试接口。

板级供电为5V，2.5V，3V混合供电。

5 系统软件实现5.1 软件体系结构- 5 -图5.1 系统软件功能结构图Fig. 4.1 Software Function Block该系统的软件结构如图5.1所示，板极支持包介于物理硬件和实时操作系统之间，负责对Net+50CPU的硬件初始化，中断的产生和处理，内存地址映射，内存分配等工作；I/O驱动模块包括MVB驱动、串口/RS485驱动块、Ethernet驱动、DS1629驱动(包含I2C驱动模块)，应用可以通过驱动程序接口对相应的模块进行操作； Nucleus实时操作系统内核是开放源码的抢先式多任务操作系统内核，采用软件组件的方法，包括任务控制、内存管理、任务间通信、任务的同步与互斥、中断管理、定时器等，来支持工程开发；MVB协议栈软件是在实时操作系统内核的强大功能支持下，结合MVB驱动模块来完成MVB网络数据通讯的；而用户应用级可以利用MVB协议栈的接口函数访问需要的数据集，并利用收到或者发送的数据进行相应的控制或其它数据处理工作。

5.2 板级支持包5.2.1 板级支持包BSP概述实时操作系统普遍采用微内核结构，为了增强其可移植性，易于定制，该内核并不时只针对某特定硬件系统。

访问外设都需要通过标准的系统内核接口函数，确保多任务的实时性。

微内核向上支持任务，向下则通过BSP访问硬件资源。

本系统BSP由两部分组成：系统初始化程序，硬件设备驱动程序。

系统上电复位，ARM处理器系统上电后从Flash内的0地址开始执行，跳转到相应的RESET异常(exception)处理程序,开始系统初始化流程。

详细流程如图5.2:图4.2 系统BSP初始化流程图Fig. 5.2 Sequence Diagram of System Initialization5.2.2 实时协议(RTP)实时协议（RTP）为一个应用与另一个应用在列车通信网络上通信提供协议和服务。

这两个应用可以位于不同车辆上、在同一个车辆内或在同一个设备内。

实时协议可用于多功能车辆总线(MVB)、绞线式列车总线（WTB）或有相同基本服务的其它总线的通信。

5.2.2.1 周期性通信和偶发性通信MVB支持两种类型的数据传送：周期性数据及偶发性数据：(1)周期性数据在一个特征周期的周期相内周期性地发送。

特征周期可以是基本周期的若干倍；周期相在每个基本周期中占有一固定的部分，在周期相中总线主按预定顺序轮询各设备以获取周期性数据；这种通信称为周期性通信。

- 7 -(2)偶发性数据，它是在两个周期相的间隔中按需要传送的数据，这种通信称为偶发性通信。

两个周期相间的间隔称为偶发相。

图5.3是总线上时间片的例子。

MVB 和WTB总线总是处于总线主控制下，从设备即使在偶发相中也不能自发地发送。

这样可维持进程数据发送的确定性。

图5.3 周期性数据和偶发性数据传送示例Fig. 5.3 Example of Periodic_Data and Sporadic_Data transmission5.2.2.2 被发送的数据车辆总线传送三种类型的数据：(1) 进程数据：进程数据是由发行者设备至多个用户设备的广播数据，并由它们的逻辑地址来标识；总线主呼叫逻辑地址请求从源缓冲区发送给定的数据，符合该逻辑地址的用户设备将所接收的数据插进它们的缓冲区，用所收到的值覆盖先前的值。

(2) 消息数据消息数据是从一个源设备发送到一个目标设备或是同一总线上的所有设备的面向目标的数据。

每个设备都为它接收或发送的所有消息保持一对队列。

只要队列中还有空间，则所接收的消息数据就插在目标设备的输入队列中；消息数据是按需要才传送的；消息服务中消息数据是以包的形式传送的。

(3) 监视数据监视数据是在相同总线内用于监视设备状态、检测沉寂的设备、总线主权转移、总线初运行等等的数据；某些监视数据是周期性传送的，但另一些监视数据是按需传送的。