（安全技术及工程专业论文）基于IEC61375标准的MVB通信控制器的设计.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a b s n i ，慢：b w i t ht h cd c v c l o p m c n to ft h ch i g h - s p d 锄d 粕t 锄a t i o n0 ft h en e w 目删i 蚰 删n ，t c n i nc d 咖m i c a t i n c m 0 r k ) i st h ek c yt 耐啪l o g yi n 恤啪t r o ls y s t 锄 o fh i g h s p e c de i c c 啊c a l 仃a 【i n 1 1 l i ss t a n d a r di n t e g m t 鹳t h c 眈i n 曲虬锄哦m 伽j t o r 柚d 畔鹳o fp 勰s g 盯s c r v i i n f o m a t i t h e r e f b r 岛t h e i s 面岷b tt h a tt h e 阳砌a n dt h e 印p u 龃t i o no ft h cd c v i c c sc 0 咀f o n n i n gt ot h ei m 锄a t i o n a ls t a n d a r do f 1 n 砌h a v ev e r y p r o m i s i n g f i l t u t h i s l e s i s 锄a l y s 髂t l l e 仃a 缸c 0 衄吼i l i n e t w o 咄髓p e c i a l l yt h c m v b o 江u f t i f t l n c t i 衄v c h i d cb u s ) ，如dt h p r o p o 螂t h ed 髂i 印o ft h em v b c o n 们u c r 壮d g i v 髂t h ei m p l 锄e n t a t i o no ft h eh a r d 钾a 佗柚d f 细a m b 皓e d 帆t h c 锄p 缸i 咀o fd o m 髂t j c 卸di n t 啪a t i o n a lt r a i n m m u n i 酬o n n 咖o r kt e c h n o l o g 再t h ep a p 盯l c a d st ot h ep r o b l e mt h a tt ob e l v e dt h e ni nc h a p t c rh 柚d c o n d u d c di n - d e p t h 咖d yo ft h cc 0 栅u n i c a t i o nm e c h a n i s m c h a p t e r 觚dv m a k cao v e r a ud c s i 锄0 fm v b c ；加da l t h ci n t e m a lm o d u l 龉o fm 配c h a p f e r i s t h cv 嘶石c a t i o no f v a r i o u s m o d i l l 鹤o f f p g a f o r m cc h a p t c r v i s t h cs 哪u p0 f t h e p a p e l n i sd c s 弛a d o p t st 印d o w ne d a d 髓i 弘n o w n es 皿u l a t i 帆t o o li sm o d e l s i m ， t h es y l l t h e s i st o o l 柚dp r o 黟a m m i gt o o li st h eo u a n 嘛n o w ，c o 曲l gd 瞄i 弘柚d s i i n u l a t i 帆h a v ep a 蜘dt h r o u g i i t h ef p g a s y s i c mt c s to f b o 盯dl c v e li s m ew a y m h 舔t h ef o r e 咖do fw i d ca p p l i c a t i 伽b yt l l c 仃c n do fm o d e md c v e l o p m 蛐t o f 仃出柚dv e h i c l c 柚dt h c 恻u i 舢to f 佗l i a b n 螈鼢f e t y t i m e 捌t i c a l n i sd e s 啦 s u p p 暾ag a p i nu l ed 帆咖o f t 咧j n 咄咖峨a c t sag a t e f o r 雠r “i z a t i o f i n d 印d e n td c v e l 叩i l l gt c n ，柚dh 勰g r e a tm a d 泓v a l u e 卸dt h n o l o g yv a l u cb y i t s e l k e y w o r d s ： 1 h i nc o m m u n i t i o nn e 铆o r k ；m u f t i f l l n c t i o nv c 临c l eb u s ；m u f t i f i l l l c t i o nv 曲i d eb u s c o n t f o u 盯：f p g a c i a s s n o ：u 2 8 5 5 + 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阋。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 斗滴 导师签名：关斌 签字日期：p 年p 月c 邓日 签字日期： 驴6 年肛月砧日 致谢 在论文完成之际，我要衷心的感谢我的导师吴斌副教授。本论文的工作是在 我的导师吴斌副教授的悉心指导下完成的，吴斌副教授严谨的治学态度和科学的 工作方法给了我极大的帮助和影响。吴老师在科研及生活上给予我的关怀令我深 受感动、难以忘怀。硕士学业即将完成之际，谨向吴老师表示由衷的感谢! 在实验室的科研工作中，得到了谭南林教授和焦风川老师的悉心指导，在学 习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助。谭南林教授宽厚的为人、严谨求实 的治学态度启发了我对科研工作的思考。感谢谭南林教授和焦风川老师为我的研 究工作提供了一个良好的学习环境。在此向谭老师和焦老师表示衷心的谢意。 在科研工作及论文撰写过程中，还得到了张冬泉、张乐乐、苏树强三位老师 的悉心指导和无微不至的帮助。三位老师对于我的科研工作和论文都提出了许多 的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 感谢轨道交通安全与控制实验室与我并肩作战的研究生同学。感谢邢然、刘 建伟、于哲、任春霞在科研上对我的关心和帮助；感谢李响、申建德、杨亮、周长 涛、张勇等师兄师弟，感谢他们对我的帮助与支持。 另外也要感谢我的家人，有了他们的理解和支持，才使我能够在学校专心完 成我的学业。还要感谢我的女朋友，在论文撰写过程中和生活上给予了我莫大的 帮助和支持。 最后，向所有关心和帮助过我的朋友表示衷心的感谢! 北京交通大学硕士学位论文1 引言 1 引言 1 1 问题的提出 随着嵌入式微机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m v b ( 多功能车厢总线) 是m c 6 1 3 7 5 1 ( 1 9 9 9 阚( 列车通信网络国际标准) 的推荐方案，它与w i b ( 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m v b 逐渐成为下一代车辆的通讯总线标准“】。 m v b 与m v b c 密不可分，m v b c ( 多功能车厢总线控制器) 是m v b 总线上的 核心处理器，独立于物理层和功能设备，为在总线上的各个设备提供通讯接口和 通讯服务，是目前m v b 总线上最先进的通信控制器。m v b c 作为总线数据处理 器，支持任何模式下的m v b 通讯，是m v b 设备上不可缺少的组成部分之一，也 是m 设备上的唯一专用器件。 随着新一代列车使用的普及，许多铁路在它们的公开招标中明确要求与t ( n 一致。在未来几十年内m v b 将产生巨大的应用市场，而目前国内对m v b 的应用 须通过国外进口m v b c 实现，主要原因是国内未掌握m v b c 的核心技术，因此自 主掌握该芯片技术迫在眉睫。我们的项目正是在该技术国内的空白和巨大的市场 需求背景下，以“广州地铁一号线测控系统的国产化研究”为依托而设立。 1 2 国内外主流列车通信网技术现状 1 2 1 主流通信网技术比较 t c n 将列车通信网络分成用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通信网络 w t b 和用于连接车辆内固定设备的车辆通信网络m v b 。从某种程度上来看，w t b 和m v b 也可以被认为是应用于列车上的现场总线标准。t i 烈虽然在列车总线上有 自己的优势，但各种通用的现场总线有各自的特点，而且开发时间早，应用面广， 拥有广泛的用户群和很多设备提供商的支持。、) 1 1 喝和m 、，b 都从现场总线技术的发 展中汲取了丰富的营养，因此将t i 烈的w t b 和m v b 同其它现场总线标准进行对比 研究有利于更好地理解、) 1 1 r b 和m v b 。 现场总线种类繁多，从机车车辆的网络拓扑结构型式来划分，用于列车网的现 北京交通大学硕士学位论文1 引言 场总线有w t b 和w b r i d f m ，用于车辆网的现场总线有m v b ，w b d d f 皿l o n w b r l 【s 和c a n ，用于设备网的现场总线有c a n 和m v b 总线中电气短距离传输方式 r s 4 8 5 【5 】。 ( 1 ) 、o d d f 即 、) l ，o r l d f 口是欧洲现场总线标准e n 5 0 1 7 0 的一部分，作为通用的现场总线标准 被广泛地应用于能源、化工、交通运输等工业领域。法国a l s t o m 公司将w o d d f 口 作为标准通信协议应用于其开发的a 母a t e 列车控制系统，并成功应用于1 g v 高 速列车。w o r i d f m 采用3 层结构，提供变量服务、消息服务和网络管理服务。 ( 2 ) l o n w b r l 硌 l 0 n w o d 鸥是美国e c h e l 公司开发的一种通用控制网络协议，也是美国国家 标准a n s i e i a 7 0 9 1 1 9 9 8 。e e 将l o n w o r k s 作为其制订的列车通信协议标准 的一部分o 卯cl ) ，与t i 烈m p e1 ) 共l 司构成m e e l 4 7 3 。l o n w 硎i 【s 在美国铁路列车 上应用较为广泛，国内铁路车辆内也在尝试应用。l o n w o d 【s 使用的l 0 n k 协议 实现o s i 参考模型全部7 层服务，并支持全面的网络管理。 ( 3 ) c a n c a n 总线最初是由德国b 0 s c h 公司为汽车监控、控制电子系统的数据通信 应用开发的，现已成为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速应用) 和l s 0 1 1 5 1 9 ( 低速应用) ，获得 了非常广泛的应用。c a n 总线在列车通信中也得到了应用。 ( 4 ) m 总线和w t b 总线 m v b 是以瑞士l o k 4 6 0 机车上创始的总线为基础，并已经在6 0 0 辆以上的车辆 使用过。m v b 可使用双绞线或光纤介质，不同的介质可以直接通过中继器互相连 接。m v b 由一个集成的总线控制器支持，它能够构成简单的设备而无须处理器。 m v b 控制器在物理层提供冗余：一个设备在两个互为冗余的线路上发送，但仅从 一条线路上接收，同时监视另一条线路。由于采用可靠的m 卸c h e s t c r 编码以及其 校验的方式，因此能够达到m c 8 7 0 一5 f 1 2 级( 肪= 8 ) 的标准。 w t b 以德国d 矾v 4 3 3 2 2 和意大利c d 4 5 0 高速列车的数据通信经验为基础而 制定的。、m 瞎使用专用屏蔽双绞线电缆。电线的布置采用冗余原则，在车辆的每 一侧各有一根电缆。为适应频繁改变其组成的列车组，w t b 被设计成通过手插式 跨接电缆或自动连接器来实现车辆之间的互连。考虑到严酷的环境、连接器的存 在以及总线的非连续性，t ( = n 标准建议采用数字信号处理器对m 卸c h e s t c r 信号译 码。w t b 和m v b 将数据分为过程数据( 变量) 和消息数据，并针对两类数据定 义了二类体系结构。 总体来讲，作为通用的现场总线，w o r l d f i p 、l o n w o r b 和c a n 可以在列车控 2 北京交通大学硕士学位论文 1 引言 制系统的通信中找到合适的应用。w t b 用作编组经常改变的列车的列车总线无疑 是最为合适的，其它的总线都不能提供编组自适应的能力。m v b 是为快速的过程 控制优化的总线，能提供最佳的响应速度，适合用作车辆总线。对于固定编组的 列车，m 、，b 也可以用作列车总线。此外m v b 也可被应用于其它需要快速响应的 工业控制网络。w o d d f 口是一种优秀的通用现场总线，具有比m v b 更多的优点， 完全可替代m v b 的应用。l 舳w m i 【s 是一种在实时性、灵活性和安全性等方面采 取折中、平衡后而获得的现场总线。k 咀w o r l 【s 可应用于固定编组的列车总线，车 辆总线或专门的传感器执行器总线。在用于时间关键的应用时应经过仔细的设 计和验证。c a n 总线简单可靠，非常适于用作传感器执行器总线。同k 岫w o r l 噶 一样，其实时性需要应用的设计和验证。由于其缺乏消息传输能力和传输距离受 限，所以不适合用作车辆总线。 1 2 2 国内m 发展面临的问题 随着新一代列车使用的普及，w t b m 、，b 在欧洲已经得到大量应用，国内对 m v b 的研究与应用也进入了一个快速增长的时期。然而由于国外公司对m v b 关 键技术，尤其是核心器件多功能车厢总线控制器( m c ) 芯片的垄断，严重阻碍了 国内自己开发m v b 网络产品，给国内机车推广使用t i c n 和开发基于t c n 标准的 其它应用带来了极大的阻力。同时由于制造工艺和设计技术的限制导致m v b 网卡 实现方法过于复杂，造价偏高，全部引进价格难以承受“。 国内对引进的列车通信网的标准、技术的二次开发不够，不利于m 技术 在国内机车和其它领域上的推广使用，同时也不利于制定自己的列车通信网络标 准和研制自己的列车通信网络产品。 1 3 本文的研究内容与目的 1 3 1 本文的研究内容 本文在第一章中主要提出问题，并根据国内外现状的对比，从而引出本文将 要研究解决的问题。随后在第二章和第三章针对研究对象t c n 及m v b 的通信机 3 北京交通大学硕士学位论文1 引言 制进行了深入研究，为m v b c 的设计实现做了铺垫。第四章和第五章针对m v b c 的总体及内部各个模块进行设计，实现各个模块的功能，使之符合m 、，b 通信标准。 第六章对m c 的各个模块进行f p g a 验证。第七章对全文进行总结。 1 3 2 本文的研究目的 利用单片f p g a 实现多功能车厢总线控制器( m v b c ) 的所有功能，从而替 代现有网卡的m v b c 芯片，为国内机车、车辆推广使用m v b 技术和开发基于m v b 的其它应用提供一个良好的平台。 4 北京交通大学硕士学位论文 2 t ( n 网络 2t c n 网络 2 1 r ( = n 网络构成 t c n 将列车通信网络分成用于连接各节可动态编组车辆的绞线式列车总线 w t b 和用于连接车辆内固定设备的多功能车厢总线m v b 。其中，w i b 负责列车 车辆之间的通信，列车总线最多有3 2 个节点，一列车可以有一个或多个节点。也 可以没有节点。m v b 则主要负责车厢内部各个设备之间的通信，一个m 总线 上最多可以有4 0 9 5 个设备。w i b 和m 、，b 之间，通过网关( 节点) 交换信息。一个 节点最多可以有1 6 条m v b 总线。应用之间通过实时协议r 1 m 进行数据传输。列 车通信网络的组成结构如图2 1 所示“。 illil jil 圈囝圈囹囹囹圈圈 m v b 2 2 t c n 的组态 illlllili 囹囹圈圈囹囹囡囝 lililiii i 囹图囹图囹囹囹囹 图冬1 列车通信网络的组成结构 f 培2 - 11 1 i es 盯u d u o f t ( n t c n 标准可部分使用也可整体使用。例如：它可能用于： ( 1 ) 有w t b 而没有车辆总线，或w t b 与非m v b 的车辆总线连用； ( 2 ) 有m v b 而没有列车总线，或m 与非w t b 的列车总线连用； ( 3 ) 础r p 用于其它非w t b 或非m v b 的总线。 图2 - 2 展示了相应于三种应用领域的三种组态f l l ： ( 1 ) 开式列车组态展示了需要自动组态的开式列车，如u i c 列车。 5 j e 京交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 多元列车的组态展示了两个相连的闭式列车，当这些闭式列车需经常连 接和解连时，可使用w t b 作为标准的列车总线。但如果可能用其它方法组态时， 也可以用其它总线如m ；来代替。车辆总线可以穿越几个车辆。 ( 3 ) 闭式列车的组态展示了闭式列车上，m 既能作为列车总线，也可作为 车辆总线。 在图2 - 2 三种组态中，m ；用来连接车载设备，但其它总线也可以用作车辆总 线。 多单元歹i 车 1 路车辆总线 无车辆总线 图2 - 2 1 硎绀态 f i g 2 2n ec o n 石g i l r a t i o ft l 谢 6 北京交通大学硕士学位论文 3m 网络通信原理及应用 3m v b 网络通信原理及应用 3 1 物理层 3 1 1m ；网络拓扑 一个m v b 结构应包括一个或多个总线段，这些总线段由下述介质之一构成： ( 1 ) e s d ：电气短距离介质是依照r s 4 8 5 标准的差分传输导线对，在无需 电气隔离的情况下在2 0 m 的传输距离内最大可支持到3 2 个设备；若使用电气隔离 则传输距离可更远。 ( 2 ) e m d ：由屏蔽双绞线组成的电气中距离介质。在2 0 0 m 的传输距离内 最大可支持3 2 个设备，允许使用变压器作电气隔离。 ( 3 ) o g f ：光纤介质通过星耦器汇出，传输距离可达2 0 l ，主要用于较 为苛刻的环境( 如机车上) 。 m v b 各总线段必需经由下述类型之一的耦合器相互连接： ( 1 ) 连接不同介质的中继器。 ( 2 ) 将光纤汇入总线的星耦器。 如图3 1 所示，在m v b 结构中，e s d 段包括一个总线管理器，几个在机箱内 或外的设备及一个网关。e m d 段包括一个总线管理器和几个其他设备。o g f 段 上也有几个其他设备。总线段之间通过中继器相互连接。本图中星耦器上的e s d 段并未包含任何设备。图3 1 中的每个总线段都可被重复以提高实用性，即双线总 线段”1 。 7 北京交通大学硕士学位论文 3m v b 网络通信原理及应用 3 1 2 设备分类 图3 1m v b 结构 f 培3 1t h cs l r i i c “o f m v b 根据m c - 6 1 3 7 5 的定义，连接在m v b 上的设备按性能可分为以下几类： ( 1 ) 0 类设备不参与或以其他方式参与( 例如通过其他协议) 应用数据交换。 o 类设备包括一些特殊设备，例如中继器和星耦器。 ( 2 ) 1 类设备具有设备状态性能和过程数据性能。在此类设备中，过程数据 的端口地址与设备的地址有关，例如端口地址与设备地址相同。 8 北京交通大学硕士学位论文3m v b 网络通信原理及应用 ( 3 ) 2 类设备具有设备状态性能、过程数据性能和消息数据性能。2 类设备 是一种可通过总线配置的智能设备，但不可编程。 ( 4 ) 3 类设备具有设备状态性能、过程数据性能、消息数据性能和用户可编 程性能。 ( 5 ) 4 类设备具有设备状态性能、过程数据性能、消息数据性能和总线管理 性能，也可具有用户可编程性能。 ( 6 ) 5 类设备具有设备状态性能、过程数据性能、消息数据性能和代n 网关 性能，也可具有总线管理器性能。 3 1 3 帧的编码和解码 帧的编码和解码采用两种不同电平的二迸制介质，这两种电平称做h i g h 和 u ，w 。 信号产生速度应为1 5 m b i t o 0 1 秒，使用曼彻斯特编码( b r = 1 5 m m 或 1 5 m b i 帕，b ，i - 6 6 6 7 蝤) 。 ( 1 ) 位编码 单个的数据位，“1 ”和“0 ，应按如下规则在位单元中编码，如图3 2 ： a ) 一个“1 ”的编码在位元的前半部分应为m g h ，后半部分为【o w ； b ) 一个“口的编码在位元的前半部分应为l d w ，后半部分为h i g h 。 t x s l i ) 【s 离 低 1 ob 丁= 一个位时间 o 5b t = 半个位时问 图3 - 2 “0 ，和“1 ”的数据编码 f 培3 2 t h e m n c h 衄e o d 吨o f 晌n d “1 ” ( 2 ) 非数据符 非数据符，n h 和n l ，应按如下规则在位元中编码： a ) 一个“n h ”的编码在整个位单元为h i g h ； b ) 一个“n l ，的编码在整个位单元为l d w 。 ( 3 ) 起始位 发送器用一个起始位来开始一个帧，该起始位以逻辑“1 ，送出。 ( 4 ) 起始分界符 9 北京交通大学硕士学位论文3m v b 网络通信原理及应用 主帧应当以一个起始分界符作为帧头，这个分界符称为主起始分界符，它的 序列为： 起始位，”n h ”，“n l ”，”o ”，”n i ，”n l l ，”o ”，”o ”，”0 ”，如图3 3 。 t x s 卜起始位i2 3 45678 r ：【s 瑚f l l，0 眦0 对0 0 5 盯 高 l厂厂厂 。i 。i i n 。卜io贞的起始 1 2 5 图3 - 3 主起始分界符 f 谚”n em 峨_ s t a n - d e m i t e r 从帧也应当以一个起始分界符作为帧头，这个分界符称为从起始分界符，它 的序列为： 起始位，”1 ”，“1 ”，”1 。，”n k ”n h f l ，”1 “，”n l ”，”n h ” ，如图3 - 4 。 t x s+ 起始位 l234678 4 rrr札嘲1 轧潮 l l x s o 5 坚蔓 高 巧1 脯 。- lki “的起始 1 2 5 图3 - 4 从起始分界符 酶3 4 m 妇c - s t a r 蛐叫t e f ( 5 ) 终止分界符 在帧的最后一位位单元后，发送器将发送一个终止分界符，依据介质的不同， 将： a ) 当介质为e s d 时，添加一个“n l ，编码，并停止发送。 b ) 当介质为e m d 时，在“n l ，编码之后添加一个“n h ”编码，并停止发送。 c ) 当介质为0 g f 时，添加一个“n l ，编码，并停止发送 ( 6 ) 有效帧 解码器能辨认的有效帧应包含一个起始分界符，其后为由“o 或“1 ”编码组成 的帧数据；接着为一个终止分界符。 如图3 - 5 ，为一个包含1 6 位有效数据的有效帧示例。 1 0 北京交通大学硕士学位论文 3m 、毋网络通信原理及应用 t x s7 h s i l ol234 5 67 8 岛 l 几几n n1 n 几n n 几几0 n n n 几几几n n n 几| 时粤 低 二一一一一i 一 起始分羿符 一 帧数据终孟鼻界符 3 2 帧和报文 3 2 1 帧的格式 图3 - 5 有效帧示例( o g f 介质) 酶硝t h e 懿a m l ko f ac f 触劬m e ( o g f 珊油a ) ( 1 ) 主帧格式 如图3 6 ，一个主帧应以主起始分界符开始，其后为1 6 位帧数据，接着为8 位校验序列“1 。 起始位 i i 主毛菇分k 蒋 e ill ljl ( 1 + 8 位) 1 6 位 终止分界符 l ：件扣：囤 8 位 图3 石主帧格式 f i 备3 - 6 1 h e f o 眦砒0 f 删t e r j h m c 主帧的内容：1 6 位字中最高有效前四位应为f 瑚d e ，次有效的后1 2 位应 表示f - o o d e 所指定的地址或参数。因此，主帧有固定的格式为：3 3 b i “9 + 1 6 + 8 ) 。 ( 2 ) 从帧格式 如图3 - 7 ，一个从帧应包括：以从起始分界符开始；接着为1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 或2 5 6 位帧数据；在每6 4 个数据位后包含一个8 位的校验序列或当帧数据只有 1 6 或3 2 位时将一个8 位的校验序列附加其后。 从帧包含了9 b “的从帧分界符，数据段长度跟主帧内功能码有关，见表3 1 ， 其中每6 4 b “数据后面附加8 b i t 的校验码，长的从帧会使用两个或四个6 4 + 8 b i t 数据段“1 。 1 1 北京交通大学硕士学位论文3m v b 网络通信原理及应用 表3 - l 不同功能码对应的从帧长度 t a b 3 - 1 m n a v e 丘彻k g i h 缸d 簋盱蛐t f u n c i i d 嚣 功饶玛ol234 数舞c k j 堑l d3 26 41 2 82 5 6 校骏序嬲lil4 帧长皮 3 34 9 8 l1 5 33 9 7 图3 7 从帧格式 f 培3 - 7 皿e f o r m o f s h w 如m ( 3 ) 校验序列 帧数据应用一个或更多的8 位校验序列来保护。 数据的内容应处理成6 4 位的代码字( 对小一些的数据用1 6 或3 2 位) ，不 包括起始分界符和终止分界符。这个代码字和随后的校验序列应作为最高有效的 数据位首先发送。校验序列按被其保护的1 6 ，3 2 或6 4 位数据的循环冗余校验 ( c r c ) 计算。7 位余数的结果应用一个偶校验位扩展。校验序列的运算公式应 符合c 6 0 8 7 0 5f o m a tc l a 豁f t 2 中的规定“1 。 校验序列应按如下的多项式公式计算： g ( x ) - x 7 + x 6 + 】【5 + x 2 + l 3 2 2 报文定时 北京交通大学硕士学位论文3m v b 网络通信原理及应用 ( 1 ) 约定 报文由主帧以及为响应此主帧而送出的从帧组成。 对每一种介质而言帧之间的时间间隔的计算是从帧的起始点开始到帧的结 束点终止。 例在总线任何位置的一个报文的定时，如图3 8 “地1 ( 2 ) 应答延时 对于一个给定的总线，应答延时tr c p l y 是指在主设备上测量而得的从主帧 结束到响应此主帧的从帧的开始之间的最大可能的延时。 应答延时为传输、解码和访问所花延时之和。 t _ - r c p l y 为一可设置参数，它告诉主设备在未接收到从帧或遭遇碰撞时应在 等待多长时间之后发送下一个主帧。 图3 8 报文的定时 f 嘻3 - 8t h e 辩砌e dt i m eo f t e i e g 舳 3 3 m 的数据类型 列车通信网在整个列车控制系统中的主要功能是沟通列车内各个控制单元， 实现信息流通，以达到控制的统一和资源共享。在高速列车控制系统中传输的信 息可以分为远程控制、诊断和旅客服务信息。控制信息包括用于牵引的信息和车 辆的照明、车门、空调、倾摆控制等信息；旅客服务信息有报站、意外、转车、 订座等信息；诊断信息包括设备故障和维修等信息。所有在列车通信网上传送的 信息统称为数据。m v b 将上面这些数据定义为：过程数据、消息数据和监视数 据。 1 3 北京交通大学硕士学位论文 3m v b 网络通信原理及应用 过程数据：短而紧迫，传输时间是确定和有界的数据；链路层在过程变量传 送中周期性地源寻址广播的数据。列车运行的控制命令和运行状态信息为过程数 据，如手柄位，列车运行速度，当前的时问等。 消息数据：非紧迫的信息。如诊断信息、显示信息和服务功能作为消息数据 来传送，这些数据可能数量较大而且传递没有确定的时间限制，采用点对点或广 播数据报文的偶发性传送，而且可能根据需要分帧传送 监视数据：链路层监视所需的在总线上传送的数据( 如m v b 的仲裁及、聊m 初运行) 。监视数据是在相同总线内用于监视设备状态、检测寂静( s i l c e ) 的设 备、总线主设备权转移( m a s t e r s h i p t r a n s f c r ) 、事件轮询等的数据。 3 4 介质的分配 介质访问应由一总线管理器来控制，此总线管理器设备在轮回时间内保持对 总线的控制。在轮回结束时，主设备将把控制权移交给另外一个总线管理器，如 果没有找到合适的管理器则它又将重新获得控制权。 主设备将轮回时间分成固定的时间片，这个时间片称为“基本周期”。一个基 本周期分为4 个相： a ) 周期相；b ) 监视相；c ) 事件相；d ) 保护相。 7 l ，、i u p ， 一 卜- t _ s p o + 卜一s p n r a d i cp h a s e - - 监视棚萼件棚 晕 周期 h 监视槲事件柳 一 耳 墨 禾 墨 盎 彤 s d l s d 圈圈 - i zi ， i s o i s d l圈叫k + tf 时问 j 图3 - 9 m v b 总线数据基本周期 f 培3 - 9 1 1 l e b 舔i c p c r i o d0 f m v b b 惦d a 忸 1 4 北京交通大学硕士学位论文4 多功能车厢总线控制器整体方案分析与设计 4 多功能车厢总线控制器整体方案分析与设计 4 1 功能分析 本课题所设计的控制器芯片m v b c 应用在m 总线通信领域。在第三章中 我们深入研究了m 、，b 协议中的物理层和数据链路层，协议也阐述和建议了m v b c 所应该具备的功能，根据协议要求以及现场应用的特点，我们对总线控制器m c 的功能进行了整体分析，设计出m v b c 的整体架构并提出了实现方案。 m 蛇是m v b 总线上的核心处理器，它独立于物理层和功能设备，为在总 线上的各个设备提供通讯接口和通讯服务。在m 协议结构层次中，m v b c 芯 片完成链路层的功能，依靠物理层发送和接收具有电气特征的电信号，同时为应 用层提供过程数据( 包括监视数据) 、消息数据的变量接口，该接口采用共享通讯存 储器f r r a f 丘cm c m o r y 简称n 哪实现，即应用层的c p u 和链路层的m v b c 一致地 访问t m ，也就是说对端口中所有数据的读和写在一次不可分割的操作中完成。图 4 1 是m v b c 与物理层总线和应用层c p u 的连接示意图：m c 通过物理层提供 的双线冗余连接m v b ，接收c p u 对1 m 、m v b c 配置寄存器的访问控制，从而实 现在m 上获取和发送设备数据，和通过访问监视数据实现对m 的管理。 m v 8 图4 - 1m 坨连接物理层和应用层 f 培4 - l m v b c c o n n e c l s t h e 删l a 辩a n d 也ea p p 蛐h y 钉 从图4 2 可以看到，m v b c 完成的是m 、，b 链路层的功能，包括过程数据、消 息数据、监控数据报文的形成与处理，过程数据周期轮询，消息数据事件轮询、 仲裁与传递，设备扫描，主权转移等。“。 北京交通大学硕士学位论文 4 多功能车厢总线控制器整体方案分析与设计 图4 2 m v b 链路层分层 飚牝m d i v i 蜘o f m v b 蛐l j n l c l a y 盯 4 2m v b c 的设计要求 既然是用f p g a 实现m c 的功能，那么就要求与m c 6 1 3 7 5 标准定义的m v b 全兼容：支持处理数据、消息数据、监视数据的处理；提供总线管理与监控1 6 位 数据总线，提供丰富的接口控制信号，方便的宿主机和通讯存储器接口，支持无 实时处理能力的计算机接口。 设计的m c 要支持以下通讯特征： 1 ) 1 5 m b p s 的数据传输率、曼彻斯特编码； 2 ) 信号错误及冲突检测、通讯活动对话的检测； 3 ) 1 6 位容量1 6 k 1 m 的通讯存储器的数据访问； 报文的逻辑地址和设备地址最大支持4 0 9 5 个端口； 5 ) 支持a 鹊s1 ，2 ，3 ，4 模式； 6 1 消息队列的自动处理； 北京交通大学硕士学位论文4 多功能车厢总线控制器整体方案分析与设计 乃自动报文分析和状态转换； 8 ) 两级优先级的事件检测； 9 ) 提供端口数据的刷新超时监控； 1 0 1 设备地址可编程； 1 1 ) 自动的数据比较机制； 1 2 ) b i t 位方式的数据强制； 1 3 ) 具有数据同步和选通功能的同步端口： 1 4 ) 支持面向用户的检测序列； 主设备的特殊功能： 1 1 实现单个主帧的发送； 2 ) 精确的主帧间隔定时； 3 ) 从主帧表中自动传输多达3 2 个主帧； 4 ) 主帧表按预先的要求进行级联； 其它特性： 1 ) 提供两个全局时钟中断； 2 1 支持4 个外部的输入中断； 3 】实现宿时间管理； 4 ) 在一个统一的定时器下为外部同步提供精确定时。 4 3m v b c 工作流程 4 3 1 主设备模式 m v b c 作为主设备时工作流程为：第一次取出主帧到m f r 一 端口预处理 数据传输( 发送主帧卜_ 取出新的主帧到m f r 端口后处理新端口的预处理 - 。 4 3 2 从设备模式 m v b c 作为从设备时工作流程为：收主帧 端口预处理 数据传输( 发送从 帧_ 卜 端口后处理 收下一个主帧。 1 7 北京交通大学硕士学位论文4 多功能车厢总线控制器整体方案分析与设计 4 4m c 的整体设计 图4 3 m v b c 功能模块划分 f i 昏伯1 r h e f u n 甜脚d l l l o fm 、，b c 本设计采用自顶向下的设计方法，为了实现协议功能，划分了多个功能模块， 内部整体系统设计如图4 3 ，各模块功能描述和实现电路文件如表4 1 ： 1 8 北京交通大学硕士学位论文4 多功能车厢总线控制器整体方案分析与设计 表4 1 m v l i c 各功能模块描述 序模块名称 模块功能程序备注 号 文件名 l 编码模块在1 a u 、m c u 的控制下完成主、从帧数据和相应e n c o d e l v e n d 盯 校验序列的发送 2发送缓冲 存储要发送的帧和校验序列 t x b u v 3 解码模块实现总线冗余，在 山的监视下接收主、从帧和其d e c o d e l v d e c o d 盯 校验序列，及其帧结构、信号质量等各种错误的检 测，并上报内部寄存器、t a u 等单元 4 接收缓冲存储接受到的帧和校验序列r 虚u f v 5 内部寄存器 实现m 对各个内部寄存器的位读、写，及其 h t 盯佗蛋v h t e r n a l a u 对每个寄存器的读写，同时还实现如中断逻辑 r e g i s t 盯 等需自动状态更新的功能 6报文分析模 进行报文分析，对接收的各种错误的主、从帧进行 t a u v 块 处理，并通过准确的定时控制整个系统的主、从帧 t a u 的发送、接收和各种超时处理 7 主控模块 接收来自t a u 的控制命令，完成主帧的获取、端口 m c u v m c u 预处理、数据传输、端口后处理以及t a u 的命令反 馈等操作，是整个芯片的控制核心 8 存储器控制主要接收来自m c u ，口u 的各种端口，1 m 的访问恤v 模块1 m c请求，实现链路层和网络层的通信 9 仲裁模块解决m c u 和c p u 对1 m 的访问仲裁，决定1 m ca l b v a r b 的访问模式 1 0地址逻辑 实现m c u 对1 m 访问的地址解析、译码；实现c p um a d 出e 蟠l o g i c对1 m 内部寄存器访问的地址编、译码 1 1 1 类设备模块完成a a s s i 工作模式下的数据通信，没有网络层的c l a 醛1 v向下 a a s s l 访问，且对错误的帧不进行处理兼容 1 2 总线复用 实现对各个模块的数据总线、控制总线间的复用 t o p v 顶层 实现 1 3时钟模块 产生芯片内部需要的各种频率的时钟信号a k v c l kg e n e n t o r 1 4顶层模块 将各子模块有机联系起来 t o p v 北京交通大学硕士学位论文5m c 内部子模块的设计与实现 5m c 内部子模块的设计与实现 5 1 编码模块( e n c o d e r ) 5 1 1e n d c r 功能描述 e n c o d c r 模块主要完成以下功能： 1 构建帧头帧尾； 2 按照传输层指示进行c r c 校验； 3 对发送缓冲中的数据进行曼彻斯特编码，串行输出，速率为1 5 mb p s ； 4 主、从帧的发送； 5 1 2e n c o d c r 设计实现 e n c o d 钉模块主要包括帧头发送器、数据发送器、控制单元、校验码发送器、 曼彻斯特编码器，其电路结构图如图5 1 。 图5 一le n c o d c r 模块电路结构图 f 弛5 lt h cc i e 硎c a lc i 枷j t _ s t n l c 眦o f m ce o d c fm o d i n e 编码器工作过程如下：m v b 总线控制器的主控制模块将数据写入发送缓冲区 后，向编码器发出发送命令，发送命令检测模块用来检测主控制单元的发送命令， 要求数据读取控制模块从发送缓冲区读出数据。数据读取控制模块产生时序正确 的地址信号，读信号，使能信号等控制信号。读出的数据被保存在临时寄存器中， 校验运算模块从临时寄存器中读出数据，按顺序进行c r c 运算，奇偶校验运算， 取反，形成校验序列。输出控制模块在发送时钟c l k 的作用下，向m 、，b 总线驱 动器发出输出允许信号，同时e n c o d c r 控制电路控制依次发送帧头、数据、校验码 2 0 北京交通大学硕士学位论文5m 虻内部子模块的设计与实现 和结束标志。中间每6 4 位数据后面要求插入8 位校验序列。 c r c 校验序列的发送是可选的，如设置成发送c r c ，在数据发送结束之后， 移位数据经过c r c 发生器，产生的c i 屺校验码依次移位曼彻斯特编码输出；如 果设置成用户自定义校验码，则在数据发送最后位时读取。 c r c 发生电路采用u 峪r ，即在数据串行发出的同时，数据经过带有异或单元 的移位寄存器产生c r c 校验码，实际电路图如图5 - 2 ： 图5 - 2 串行数据c r c 电路图 f i g 5 2 m cc l 仃d 枷no f c r c 根据t c n 标准，校验运算模块包括如下功能：c r c 运算，余数偶校验扩展， 发送序列取反。其中，c r c 校验运算使用的多项式为：g ( 】【) = x 7 + ) ( 6 + x 5 + x 2 + 1 。 得到的结果用偶校验扩展，成为8 位的序列，然后，将这8 位序列取反，得到最 后得校验序列，交给输出控制模块，和其它数据一起，组成数据帧，发往m v b 总 线。 5 2 译码模块( d e c o d e r ) 5 2 1d e c o d e r 功能描述 解码器从总线接收正确的m ；帧后，从中取出其它设备传来的数据，解码器 以和编码器相同的速率接收数据，解码过程包括同步，检查帧头判断帧类型，校 验，检错，冲突检测，提取数据等步骤，在没有出错的情况下，正确的数据被存 入接收缓冲区，解码器通知主控制单元，将数据取走。 5 2 2d e c o d c r 设计实现 解码器模块内部包含两个相对独立的译码单元分别针对两条总线，两个解码 单元各自完成对信任线或冗余线的检测，m c 从信任线上接收数据，并监视冗 余线，解码器模块有检错功能并且根据一定的规则进行线切换，单个d c c o d e r 单元 北京交通大学硕士学位论文 5m 虻内部子模块的设计与实现 内部电路结构图如图5 3 所示： 图5 - 3 单个d e d 盯单元内部电路结构图 f i g 5 - 3 岫c l e c l r i c a lc i r i t - s t n l c t 嗽o f as i n 出d c d e r 曲d l l l e 解码器执行的操作如下： 1 系统初始化设置检测寄存器、位判决寄存器和复位移位寄存器等； 2 检测帧起始位，运用1 6 倍的时钟节拍监测信号的第一个由1 到o 的跳变， 当监测到后通知m c u ，由m c u 启动对应d e c o d 盯接收数据； 3 对第3 ，1 2 个节拍采样到的信号进行取样，当分别为1 、0 时即译码为1 ，当 分别为o 、1 时即为o ，其余为编码错误； 4 通过时钟使能信号控制，数据移位输入内部1 7 位的移位寄存器中； 5 c r c 检测与e l l c o d c r 中的c r c 发生器结构相同； 6 用单独计数器接收完帧起始标志后，由帧长判断数据和c r c c s 的实际位 置，分别存放到b u 侬柚，b u f f c l ；最后根据有无错误来决定是否清除b u f f c r o ，b u f f