（微电子学与固体电子学专业论文）多功能车辆总线控制器（mvbc）的研究与fpga设计.pdf

摘要 摘要 随着列车车辆对其可靠性、安全性、通讯实时性以及成本有更高的要求，铁 路和其它公共交通系统的操作者和制造者正在面临巨大的挑战。但是计算机技术 和现场总线技术的高速发展很好的解决了这个问题，它将现代列车通信的过程控 制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。i e c - 6 1 3 7 5 列车通讯网络( t c n ) 标准就是一个规范车载设备数据通讯的标准，它包括用 于连接各节可动态编组的车辆的列车级通讯网络w t b 总线和用于连接车辆内固定 设备的车辆通讯网络m v b 总线。其中多功能车辆总线m v b 是目前最为先进的车辆内 部设备控制总线，它的数据处理过程包括曼彻斯特编码和c r c 校验，并根据实际的 应用要求能提供不同的数据支持，能为在总线上的各个设备提供通讯接口和通讯 服务。 本文首先对列车通讯网络的基本原理和多功能车辆总线的基本原理进行了简 要的概述；然后对多功能车辆总线控制器m v b c 的功能以及功能模块的划分设计 进行了详细的分析；最后对该系统功能实现的验证策略以及f p g a 实现进行了细致 的阐述。 该m v b c 系统设计采用业界最为先进的自上而下的e d a 设计方法，电路逻辑 实现采用v e f i l o g h d l 硬件语言描述，功能和时序验证的动态仿真采用s y n o p s y s 公 司的v c s ，而逻辑综合与f p g a 实现采用a l t e r a 公司的集成开发环境q u a r t u s i i 软件 以及目前最为先进的f p g a 器件s t r a t i xi ie p 2 s 1 5 。 列车车辆的智能化控制的发展趋势使多功能车辆总线( m v b ) 有着广泛的应用 前景。而本设计正好在该领域内填补了国内的空白，为我国实现先进的列车通讯 网络的自主开发形成了一个突破口。 关键字：多功能车辆总线列车通讯网络曼彻斯特码f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h em o r eh i g l lr e q u i r e m e n to f r e l i a b i l i t y ，s e c u r i t y ，r e a l i t ya n dl e s sc o s to f m o d e m t r a i n ，t h eo p e r a t o r sa l ef a c i n gf l i n t yc h a l l e n g e h o w e v e rt h ed e v e l o p m e n to f t h e t e c h n o l o g yo f e m b e d d e dm i c r oc o n t r o la n df i e l db u sh a v er e s o l v e dt h i sp r o l e m ，s ot h a t t h ep r o c e s sc o n t r o lo f m o d e mt r a i nh a sd e v e l o p e df r o mc o n c e n t r a t e dd i r e c td i g i t a l c o n t r o ls y s t e mt od i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mb a s i n go nn e t w o r k t r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ( t c n ) s t a n d a r d ( i e c 一6 1 3 7 5 ) i su s e dt os t a n d a r d et h ec o m m u n i c a t i o no f d e v i c e d a t ao nt r a i n ，t c ni sd i v i d e di n t ot r a i n1 e v e lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k w t bw h i c hi s u s e df o rc o n n e c t i n ge a c hd y n a m i c a l l yo r g a n i z e dv e h i c l ea n dv e h i c l el e v e l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k n bw h i e hi su s e df o rc o n n e c t i n gf i xd e v i c e si nv e h i c l e 。 m v bi sa l la d v a n c e db u su s e dt oc o n t r o lf i xd e v i c e si nt r a i n s ，w h i c hu s e sr e l i a b l e m a n c h e s t e rc o d i n ga n dc r cc h e c kc o d i n g ；a n ds u p p l i e sm o r et w ot y p eo f d a t a a c c o r d i n gt od i f f e r e n tt i m e - c r i t i c a ln e e d s a n dm v bs u p p l i e se v e r yd e v i c ew i t ht h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n dc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e t 1 l i sp a p e ri n t r o d u c e st c na n dm v bi nb r i e f , t h e ni ta n a l y s e st h ef u n c t i o no f m v b ca n dd i s c u s s g sd e s i g nm e t h o d o l o g yo f e v e r ym o d u l eo f m v b c a tl a s tj t d i s c u s s e st e s tt h ef u n c t i o n ，t i m i n go f t h em v b cs y s t e ma n dr e a l i z a t i o nb yf p g a t h i sd e s i g nf o rm v b cs y s t e ma d o p t st o p d o w ne d aa d v a n c e dd e s i g nf l o w c i r c u i td e s i g na d o p t sv e r i l o g h d lc o d i n gd e s c r i p t i o n f u n c t i o ns i m u l a t i o na n d t i m i n g v e r i f i c a t i o na d o p t ss i m u l a t i o nt o o lv c so fs y n o p s y si n c ，t h el o g i cs y n t h e s i st o o la n d f p g a p r o g r a m m i n gt o o la r et h eq u a r t u s i io f a l t e r ai n c ，a n dt h ea d v a n c e df p g a a d v i c es t r a t i xi ie p 2 s 1 5 m v bh a st h ef o r e g r o u n do f w i d ea p p l i c a t i o nb yt h et r e n do f m o d e m d e v e l o p m e n t o f t r a i na n dv e h i c l e n i sd e s i g ns u p p l i e sa g a pi nt h ed o m a i no f t c n i no u rc o u n t r y a n da c t sag a t ef o rt h er e a l i z a t i o no f i n d e p e n d e n td e v e l o p i n gt c n k e yw o r d s ：m ：v bt c nm a n c h e s t e rc o d ef p g a i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：主查叁日期：加6 年f 月哂日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 裼裳 导师签名：当i 孟 日期：6 年f 月l 7 日 第一章引言 第一章引言 1 1 机车通讯现状 随着机车通讯技术的发展，对机车通讯数据的可靠性、安全性和实时性都有 了更高的要求，因此怎样让车辆上的电子设备既能满足更快、更舒适的要求，又 能为社会节约更多成本已经成为列车电子设备工程师的最大难题。但是幸运的是 计算机控制技术和现成总线控制技术都有了飞速的发展，将汽车自动化和工业自 动化的技术标准应用在铁路领域已变成现实，将现代列车的过程控制从集中型的 直接数字控制系统发展成为基于网络的分布式控制系统也变成了现实。而列车通 讯网络t c n 标准( m c 6 1 3 7 5 ) 就是一个于规范车载设备数据通讯的标准，它包括 用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通讯网络w t b 总线和用于连接车辆内固 定设备的车辆通讯网络m v b 总线。m v b 总线是目前最为先进的车内设备总线，它 采用了冗余的总线连接技术和曼彻斯特编码方式，并根据实际的应用要求能提供 不同的数据支持，能为在总线上的各个设备提供通讯接口和通讯服务。m v b 总线 可以使用三种不同的介质媒体，它们都可以在统一的1 5 m b s 速度下进行访问工作， 它不仅可以作为车辆问的通讯的总线，而且还可以作为整个列车领域的总线，具 有广阔的应用前景。 1 2 设计任务 多功能车辆总线控制器m c 作为m v b 总线上的核心处理器，是m v b 设备上 不可缺少的组成部分之一，也是m v b 设备上的唯一专用器件。在未来的l o n 2 0 年 内虽然有巨大的应用市场，但是目前国内厂商对m v b 的应用主要是通过国外进口 m v b c 芯片来实现，并没有掌握m v b c 的核一t b 技术。因此自主掌握该芯片技术迫在 眉睫，该项目正是在该技术国内的空白和巨大的市场需求背景下而设立的，主要 工作是使用v e r i l o g h d l 硬件描述语言完成m v b c 各功能模块的设计和仿真验证工 作，最后采用f p g a 实现硬件。 本文首先对列车通讯网络t c n 的原理进行简要叙述，然后根据m v b c 的功能 要求对m v b c 的设计进行了详细的论述，同时论述了系统设计的验证方案和硬件 设计的实现。第二章讲述列车通讯网络原理；第三章分析了多功能车辆总线的通 讯原理；第四章阐述了多功能车辆总线控制系统的原理；第五章论述了多功能车 辆总线控制系统的设计；第六章论述了多功能车辆总线控制系统的系统验证；第 第一章引言 第一章引言 1 1 机车通讯现状 随着机车通讯技术的发展，对机车通讯数据的可靠性、安全性和实时性都有 了更高韵要求，因此怎样让车辆上的电子设备既能满足更快、更舒适的要求，叉 能为社会节约更多成本已经成为列车电子设备工程师的最大难题。但是幸运的是 计算机控制技术和现成总线控制技术都有了飞速的发展，将汽车自动化和工业自 动化的技术标准应用在铁路领域已变成现实，将现代列车的过程控制从集中型的 直接数字控制系统发展成为基于网络的分布式控制系统也变成了现实。而列车通 讯网络t c n 标准( i e c 6 1 3 7 5 ) 就是一个于规范车载设备数据通讯的标准，它包括 用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通讯网络w t b 总线和用于连接车辆内固 定设备的车辆通讯网络m v b 总线。m v b 总线是目前最为先进的车内设备总线，它 采用了冗余的总线连接技术和曼彻斯特编码方式，并根据实际的应用要求能提供 不同的数据支持，能为在总线上的各个设备提供通讯接口和通讯服务。m v b 总线 可以使用三种不同的介质媒体，它们都可以在统一的1 5 m b s 速度下进行访问工作， 它不仅可以作为车辆间的通讯的总线，而且还可以作为整个列车领域的总线，具 有广阔的应用前景。 1 2 设计任务 多功能车辆总线控制器m v b c 作为m v b 总线。j ：的核心处理器，是m v b 设备上 不可缺少的组成部分之，也是m v b 设备上的唯一专用器件。在未来的l o n 2 0 年 内虽然有巨大的应用市场，但是目前国内厂商对m v b 的应用主要是通过国外进口 m v b c 芯片来实现，并没有掌握m v b c 的核一t b 技术。因此自主掌握该芯片技术迫在 眉睫，该项目正是在该技术国内的空白和巨大的市场需求背景下而设立的，主要 工作是使用v e r i l o g h d l 硬件描述语言完成m v b c 各功能模块的设计和仿真验证工 作，最后采用f p g a 实现硬件。 本文首先对列车通讯网络 i c n 的原理进行简要叙述，然后根据m v b c 的功能 要求对m v b c 的设计进行了详细的论述。同时论述了系统设计的验证方案和硬件 设计的实现。第二章讲述列车通讯网络原理；第三章分析了多功能车辆总线的通 讯原理；第四章阐述了多功能车辆总线控制系统的原理；第五章论述了多功能车 辆总线控制系统的设计；第六章论述了多功能车辆总线控制系统的系统验证；第 辆总线控制系统的设计；第六章论述了多功能车辆总线控制系统的系统验证；第 电子科技大学硕士学位论文 七章论述了多功能车辆总线控制系统的f p g a 实现。 第二章列车通讯网络原理 第二章列车通讯网络原理 i e c 一6 1 3 7 5 标准规定了位于一个车辆内的设备的数据通讯接口和车辆间的数 据通讯接口，列车通讯网络t c n 的结构为两层总线结构，分别是用于连接各节可 动态编组的车辆的列车级通讯网络w t b 总线和用于连接车辆内固定设备的车辆通 讯网络m v b 总线。 2 1t o n 网络组织结构 列车通讯网络t c n 由两种标准总线( w t b 总线和m v b 总线) ( 如图2 1 所示) 和上层通讯的实施协议( r t p ) 组成。 w t bwrb佃 1 强2 - 歹蛸粼网绍结构 1 多功能车辆总线m v b m v b 总线主要是作为有互操作性和互换性要求的互联设备之间的串行数据 通讯总线。各段m v b 总线在网关的连接下连接到列车的w t b 总线，如图2 2 所示。 图2 2m v b 总线结构 2 绞线式列车总线( w t b ) w t b 总线是一种串行数据通讯总线，主要是用于经常相互连挂和解连的重联 车辆，如图2 3 所示。 电于抖技大字坝士字位论又 w t bw t bwtb、tb 图2 3w t b 总线结构 3 实时协议r t p ( 1 ) 实时协议r t p 规定了列车通讯网络t c n 提供的应用接口和两种主要的应用 通讯服务： a ：变量服务：它服务的是具有确定传输延时的短数据，包括过程数据链 路层接口( l p i ) 和变量的应用层接口( a v i ) 。 b ：消息服务：它服务于可能冗长但不频繁的数据项，并且如果按照应用的 要求数据项可以被拆分成小包发送，主要应用包括包括： i ：消息数据链路层接口( l m i ) i i ：配对呼叫消息和应答消息的会话层 ：数据流控制和差错恢复的传送层 ：点到点的服务 v ：多播消息服务 ：消息的应用层接口( a m i ) ( 2 ) r t p 规定了处理特定路由选择，流量控制及差错恢复的传送协议。 ( 3 ) r t p 规定了总线期望提供给传送协议的接口。 2 2t c n 网络组态类型 列车通讯网络t c n 应用于不同的领域可以采用不同的组织模式，主要包括开 式列车，闭式列车和多单元列车，如图2 4 所示。 1 开式列车 开放式列车组态表明了需要自动组态的开式列车，w t b 总线作为标准的列车 总线，它最多支持3 2 个节点，每个机车车辆可没有节点或只有1 个节点，或有更多 的节点。但是每个节点最多可挂1 5 个m v b 车辆总线。 2 多单元列车 4 第二章列车通讯网络原理 多元列车的组态表明了几个相连的闭式列车，当这些闭式列车需要经常连接 和解连时，可使用w t b 总线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 v b 来代替，并且车辆总线可以穿越几个车辆。 3 闭式列车 闭式列车的组态表明了在闭式列车上，m v b 既可以作为列车总线，也可作为 车辆总线。 并冀y , i 辛 笋单元， 车 2 撸革辆0 垃 f j i 吐埘覃 图2 4t c n 组态类型 卜 电子科技大学硕士学位论文 第三章多功能车j 聪线通讯原理 3 1 多功能车辆总线结构 一个m v b 总线结构可以包括一个或多个总线段，在图3 1 的m v b 总线的拓扑结 构中，e s d 总线段包括一个总线管理器，多个物理设备和一个网关。e m d 总线段 包括一个总线管理器和多个物理设备。o g f 总线段也包括有多个物理设备。每个 总线段都可以被重复使用以提高实用性，并且三种介质可以通过中继器直接连接， 工作在相同速度下和传送相同的信号。 图3 - 1w b 总线拓扑结构 ( 1 ) e s d 总线段：是指电气短距离介质，它是依照r s 4 8 5 标准的差分传输。 ( 2 ) 导线对；e m d 总线段：是指由屏蔽双绞线组成的电气中距离介质。 ( 3 ) o g f 总线段：是指光纤介质。 第三章多功能车辆总线通讯原理 3 2 多功雒车辆总线的数据格式 m v b 总线的数据传输格式有两种：一种是主帧格式，只有主设备发出：另一 种是从帧格式，与主帧相应为源的从设备发出。 每种帧数据的主体数据都是由曼彻斯特码构成，并且根据应用要求可以选择 是否应用c r c 校验模式。 3 2 1 曼彻斯特码编码原理 曼彻斯特码编码原理的( 如图3 2 所示) ：如果编码前为高电平“l ”的数据 编码后的数据变为“1 0 ”；如果编码前为高电平“0 ”的数据编码后的数据变为“0 1 ”； 其中编码后的数据速率变为编码前的2 倍。 编码前 i l l 躺后hi mr | 图3 - 2 曼彻斯特码编码原理 3 2 2 帅数据的帧格式 1 有效帧的定义 m v b 的有效帧应包括：一个起始分界符，曼彻斯特编码数据符和一个终止分 界符，其中数据c r c 检验数据可选择。例如个1 6 位的有效帧如图3 3 ： 所示 图3 - 31 6 位m v l 3 有效帧信号图 2 帧起始分界符的定义 主帧的起始分界符为：”l 】”，”o o ”，”0 1 “，。1 ”0 0 ”，0 1 ”，”o l ”，”o l ”，如图3 4 电子科技大学硕士学位论文 所示： 图3 4m v b 主帧帧头信号 从帧的起始分界符为：”1 0 ”，”1 0 ”，”1 0 ”，”0 0 ”，”1 1 ”，”1 0 ”，”0 0 ”，”1 1 ”，如图3 5 图3 5m v b 从帧帧头信号 3 帧终止分界符的定义 在有效帧数据结束的时候，将依据介质的不同必须包括一个帧终止分界符： ( 1 ) 当介质为e s d 时，帧终止分界符为一个“n l ”编码，表示停止发送； ( 2 ) 当介质为e m d 时，帧终止分界符是在“n l ”编码之后添加一个“n f i ” 编码，表示停止发送； ( 3 ) 当介质为o g f 时，帧终止分界符是一个“n l ”编码，表示停止发送。 4 主帧格式定义 正确的主帧应该传送1 6 位数据字，首先发送的数据字的第一位应为它的最高 有效位，主帧数据的内容包括：1 6 位字中最高有效前四位应为fc o d e ，次有效的 后1 2 位应表示f _ c o d e 所指定的地址或参数。如图3 - 6 所示： i 主帧其始分界符 f c o d e 地址校验序列 ( 1 + 8 位) ( 4 位) ( 1 2 位)( 8 位) 图3 - 6m v b 主帧数据格式 5 从帧格式定义 正确的从帧的数据应该以从帧的起始分界符开始，紧接着的是1 6 、3 2 、6 4 、 1 2 8 或2 5 6 位帧数据，最后在每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 位时就将一个8 位的校验序列附在其后。从帧数据格式中包含9 b i t 的从帧分界符，数据段长度跟主帧内功能码有关， 其中每6 4 b i t 数据后面附 j 1 1 8 b i t 第三章多功能车辆总线通讯原理 校验码，长的从帧会使用两个或四个6 4 + s b i t 数据段。 6 校验序列定义 m v b 的帧数据采用一个或多个8 位的c r c 校验序列来进行保护检测，而由于 帧数据的内容被处理成6 4 位的代码字( 不包括起始分界符和终止分界符) ，这个 代码字和紧跟随后的c r c 校验序列应作为最高有效的数据位首先发送。而数据的 校验序列则按被其保护的1 6 ，3 2 或6 4 位数据的循环冗余校验计算。校验序列的运 算公式应符合i e c6 0 8 7 0 5f o r m a tc l a s sf t 2 中的规定，校验序列产生多项式公式为 g ( x 1 = ) 【7 + x 6 + x 5 + x 2 + l ，7 位余数的结果应用一个偶校验位扩展，所有的8 位数据取 反发送。 3 3 多功能车辆总线的通讯模式 3 3 1w b 总线通讯数据的类型 m v b 总线通讯数据有两种：过程变量数据和消息变量数据。 ( 1 ) 过程变量数据 过程变量反映的是列车的状态信息。它的通讯数据的传输必须是短的、确定 性的和周期性的，以满足列车控制的实时性的要求。 ( 2 ) 消息变量数据 消息变量数据反映的是出现频率低的且相对较长的通讯信息，它的数据长度 从几个字节到几千个字节不等，在应用上甚至可以允许该信息延后几秒，这种实 时性要求不是很高的性质让m v b 总线在需要的时候才发送消息数据。 3 3 2w b 总线通讯的周期划分 m v b 总线上的事件周期的划分是由m v b 上的主设备来控制完成的，主设备 将一个轮回周期划分为固定的时间片，这个时间片称为“基本周期”，一个基本 周期分为4 个相( 如图3 8 所示) ：周期相：是指主设备在此时域论询周期数据：监 视相：是指主设备利用该相进行设备扫描和主权转移；事件相：是指主设备在此 时域进行对间查询：保护相：被作为提供下一周期相的开始。 9 电子科技大学硕士学位论文 ：周期相。一监视相一一事件相。一保护相：周期相i 监视相一一事件相一保护相： 数据1数据2数据3数据4数据1数据2 数据3数据4 图3 8m v b 总线数据的基本周期 3 3 3 怊总线通讯报文的原理 ( 1 ) 通讯报文的组成 一个完整正确的m v b 报文( 如图3 - 9 所示) 的组成：个主帧数据和一个响应主 帧的从帧数据。 阡朦 厂一徽黼揣踏。 1 b 3 2 讲5 4 n ii ：些e 互亘正堕 塑二亟二二笪：二犟 _ 堕芝+ k 塑! 墨型坐塑塑韭s + t 。卜 聋麴鲤型堕塑塑墅塑坚塑墅! 堕韭堑塑塑! 型啦塑塑! ! 玛昌 图3 9 一个完整的报文 ( 2 ) 报文通讯的流程 主设备上的总线控制器定期从t m 中读取主帧并发送主帧，而地址相关的从设 备源响应主帧，并从t m 读取从帧并发送从帧，地址相关的从设备宿接收从帧，这 就是一次基本的通信过程( 如图3 1 0 所示) 。 a ：主帧数据通讯流程 主帧数据的长度为1 6 b i t ，其中包含一组4 b i t 的表示命令和规定了从帧大小的功 能码数据，以及 2 b i t 的地址或参数空间数据。总线上的所有设备都对接收的主帧 数据进行译码( 包括主设备) ，而地址匹配且为源的设备端口回复从帧数据，而 该从帧也被所有设备接收，地址匹配且为宿的设备端口响应并接收该从帧。 1 0 第三章多功能车辆总线通讯原理 图3 1 0m v b 报文通讯流程 b ：从帧数据通讯流程 从帧的数据格式为“数据+ 校验码”方式，因为这个格式可以提高通讯的效率 降低码错的发生，但其帧数据需要应用工具在数据被使用之前定义好帧的格式和 论询表，且将源和宿数据储存在t m 通讯存储器中。 因为数据仅仅是通过它们的源地址来识别，所以配置工具就可以把每个设备 作为源或宿端口。在从帧接收端，主帧与响应从帧的间隔时间不小于4 u s ，为了使 一个从帧在这段时间内响应，从帧数据在发送之前已被提前准备好。端口的属性 提供一种方式来控制访问，数据更新以及中断。每个设备都拥有一定数量的端口， 根据性质被配置成为源端口或者宿端口。 3 3 48 v b 总线的操作地址 m v b 总线支持两种数据操作端口：逻辑端口( 包括逻辑地址和设备地址) 和 物理端口。其中每个设备端口在各设备中的关系如图3 1 l 所示： d e v i c ba d 劓缸晕b d e y l e eco 训 l o o dd a so n l y 搴l r 讧p o , t s ) 1 2 2 2 5 2 2 2 2 3 二 p o a a l p h a e 兰二 je 圭j 、 二j 嬲黧。 二二二 二二二 i = = = p o r l d e l l a l k 删i sk f c e p 州sp 。 i r o n n o t d 时删聃d e 咖。c 图3 - 1 1 设备端口的分类 1 逻辑端口 逻辑端口为过程数据提供基本的通讯通道，它们可以被看成总线数据的窗口。 总线上每个特定的端口都被总线上至少两个设备所支持使用，其中仅有一个设备 中的该端口被定义为源端口，其他的设备上的该端口被定义为宿( 数据的使用者) 。 逻辑端口在功能码为0 4 时的格式长度可以是1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 和2 5 6 b i t s ，与从帧 一 恤 电子科技大学硕士学位论文 的格式长度相同。与逻辑端口相对应主帧为：功能码0 - 4 + 1 2b i t 的逻辑地址。每个 设备根据属性配置了异地数量的逻辑端口，典型是2 5 6 个。初始化时这些端口被配 置成源或宿。 2 物理端口 物理端口是使用功能码为8 ，1 5 + 1 2 b i t 设备地址的主帧。每个设备配有8 个物 理端口，用来实现监控数据( 1 6 b i t s ) 和消息数据( 2 5 6 b i t s ) 。功能码1 0 ( 监控数 据) 与1 1 ( 消息数据) 预留。其中不同的功能码对应的不同的操作如下： ( 1 ) 8 主设备传输：匹配地址的从接收或拒绝。 ( 2 ) 9 一开始事件论询( 主帧的1 2 - b i t 用来传送参数，而不是地址) ：所有相 关的从设备响应。 ( 3 ) 1 2 消息论询：地址匹配的从响应2 5 6b i t 的数据，所有其它设备将监视 该数据并( 如果自身地址出现在从帧头当中) 接收。 ( 4 ) 1 3 ，1 4 群组事件论询和个别事件论询：一组从或单个从对主帧响应。 其中用户分配逻辑端口地址来作为应用软件虚拟终端。物理端口地址分配只 是作为特殊功能来使用，比如“设备诊断”。设备中的端口存在于通信存储器( t m ) 当中，共享的存储空间可以被应用软件处理器( c p u ) 和总线控制器( m v b c ) 来 访问。 1 2 第四章多功能车辆总线控制系统原理 第四章多功能车辆总线控镧系统原理 多功能车辆总线控制器m v b c 是m v b 总线上的核心处理器，在m v b 的协议层 次中它主要完成链路层的功能，依靠物理层发送和接收的信号，为网络层提供过 程数据和消息数据的变量接口，而该接口采用共享通讯存储器t m 的方式来实现 的。m v b c 它独立于物理层和外部终端设备，为在总线上的各个设备提供通讯接 口和通讯服务。图4 1 是m v b c 总线控制器与物理层总线和应用层c p u 的连接示意 图：m v b c 控制器通过物理层提供的双线冗余连接m v b 总线，同时接收c p u 对t m 、 m v b c 配置寄存器的访问控制，从而实现在m v b 总线上获取和发送设备数据和通 过访问监视数据实现对m v b 总线的管理控制。 m v b 总线 二圆军 【v b c 二匦十 图4 1m v b c 连接物理层和应用层 4 1w 陷控制器的特性要求 m v b c 总线控制器的特性主要有：支持处理数据、消息数据和监控数据的处 理；提供总线管理与监控1 6 位数据总线和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功能。 1 ：m v b c 基本通讯特点 ( 1 ) 1 5 m b p s 的数据传输率、曼彻斯特编码。 ( 2 ) 信号质量检测、汉明距离为8 。 ( 3 ) 信号错误及冲突检测、通讯活动对话的检测。 ( 4 ) 】6 位容量1 6 k 1 m 的通讯存储器的数据访问。 ( 5 ) 报文的逻辑地址和设备地址最大支持4 0 9 5 个端口。 ( 6 ) 消息队列的自动处理。 ( 7 ) 自动报文分析和状态转换。 ( 8 ) 两级优先级的事件检测。 电子科技大学硕士学位论文 ( 9 ) 提供端口数据的刷新超时监控。 ( 1 0 ) 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。 2 ：m v b c 主设备的特殊功能 ( 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。 4 2 吣控制器软件界面 m v b c 控制器需要的所有信息和数据都保存在t m 通讯存储器的地址空间当 中，该存储空间对m v b c 和c p u 同时开放，t m 组成部分如图禾2 所示。 t t a t r 辩暂脯。呵 器僻篱”“| r = = 一鲨塾塑 h i 磊丽丽 ll ! 望兰! ：! 鎏 睫受要耍 面百丽蕊 麓搿臀” 。 嚣嚣鬈“i 【= = h 鳖 h 丽丽丽i i ii ! 蔓型：翌! ：垡i 菌五弑蕊 i ，一 t * 二鬻，龇性 5 ：啦； 蛤十惜l f c ：啦! l 图4 2t h 的组成鄙分 从图年2 中可以看出，t m 存储器中还有消息指针，它指向消息队列的位置， 在m v b c 处理消息数据的时候需要访问它们；而主帧表和主帧槽是主帧的存储空 间，m v b c 作为主设备时在该处读取主帧。 m v b c 操作数据信息的工作流程为：读端口索引信号( p i t ) ) 读端口属 性信号( p c s ) ) 读写端口数据信息( 如属性匹配) ，同时m v b c 还提供数据 4 谨鬻崖熬 第四章多功能车辆总线控制系统原理 强制机制( 可选) ，如需强制，在读写端口数据之前将需要强制的数据位替换为 强制数据，如图4 3 所示。外部设备地址空间作为设备端1 3 数据的缓冲区，它没有 数据强制机制；其中物理端口是唯一的，它没有端口索引( p i t ) ，其端口属性与 数据保存在t m 中的固定位置。 图4 - 3m v b c 数据操作流程 4 3 垤c 控制器的工作原理 4 3 1 w 的主设备工作流程 m v b c 总线控制器作为主设备时的工作流程如图4 - 4 所示： 图4 4m v b c 主设备工作流程 电子科技大学硕士学位论文 4 3 2w 的从设备工作流程 m v b c 总线控制作为从设备的时候工作流程如图4 - 5 所示： 图4 5m v b c 从设各工作流程 4 3 3t w b c 的端口预处理流程 1 当m v b 的主帧数据f c o d e = 9 时( 表示事件论询) ，端口预处理就不需要 读取p c s 信息，而是直接根据事件标志就可以给出预处理结果，具体的流程如图4 6 所示： 第四章多功能车辆总线控制系统原理 图4 - 6事件轮询开始端口预处理流程 2 当m v b 的主帧数据f c o d e = 1 3 、1 4 时，根据f c o b e = 9 时的e t 的数据进行预 处理，具体流程如图4 - 7 所示： 图4 7 事件轮询应答端口预处理流程 3 m v b 的主帧数据f c o d e 为其他值时，则需要根据p c s ( 端口控制状态) 和 s c r ( 状态控制寄存器) 一起做预处理，其功能流程图如图4 8 所示： 电子科技大学硕士学位论文 4 3 4i i i v b c 的端口后处理流程 图4 8 其它端口预处理流程 m v b c 控制器的端口后处理过程包括处理端口的t a c k 信号更新、以及p c s 相关位 的更新。如果处理了消息队列数据则需要进行消息队列的后处理，如果事件轮循 一次结束也要进行事件的后处理。端口后处理流程如图4 9 所示。其中消息队列具 体包含链接表结构( l l r ) 和队列数据空间，且所有的队列被访问都要经由位于 t m q b s e v i c em e a 的队列描述表( q d t ) ，该表包含了指向所有三种消息队列的指 第四章多功能车辆总线控制系统原理 针，零指针表示一个不存在的队列，而队列后处理流程如图4 1 0 所示。 图4 9 端口后处理流程图 1 9 电子科技大学硕士学位论文 图4 1 0 队列后处理流程 第五章多功能车辆总线控制系统硬件设计 第五章多功能车辆总线控制系统硬件设计 根据m v b 总线协议的定义，m v b c 系统可以采用多总线的方式加以实现，结 构框图如图5 1 所示： 埘蝴番蚍窟_ 寸| 言号1 l 耐端f 言号 图5 - 1 b c 功剿觉鼢 系统中主要模块的功能描述如下： ( 1 ) e n c o d e r 模块 在报文分析单元1 a u 和主控单元m c u 的控制下完成主、从帧数据的曼彻斯特 编码，打包以及相应校验序列的产生和发送。 ( 2 ) d e c o d e r 模块 它包括两个d e c o d e r 接收核心模块，实现总线冗余控制，在t a u 单元的监视下 接收主、从帧和其校验序列，以及检测其帧结构、信号质量等各种错误，并上报 配置寄存器、t a u 和m c u 等单元。 ( 3 ) t x b u f 模块 f i f o1 6 1 6 和f i f o8 1 6 ，存储要发送的帧和校验序列。 ( 4 ) r x b u f 模块 ，1 咀于科技大学颂士学位论文 2 + ( f i f o1 6 1 6 和f i f o8 1 6 ) ，存储接收到的帧和校验序列。 ( 5 ) i n t e r n a lr e g i s t e r 阵列单元 该模块实现m v b c 对各个配置寄存器的位读和写，及其c p u 对每个寄存器的读 写，同时还实现如中断逻辑等需自动状态更新的功能。 ( 6 ) 报文分析单元( t a u ) 该模块对报文进行分析，对接收的各种错误的主、从帧进行处理，并通过准 确的定时控制信号控制整个系统的主、从帧的发送和接收，以及各种超时处理。 ( 7 ) 主控制单元( m a i n c o n t r o l u n i t ) 该模块接收来自t a u 单元的控制命令，完成主帧的获取、端口预处理、数据 传输和端口后处理，以及t a u 的命令反馈等操作，它是整个芯片的控制核心。 ( 8 ) 通讯存储器控制模块( t m c ) 它主要接收来自m c u 模块和c p u 的各种端口对t m 的访问请求，实现链路层和 网络层的通信，同时还将实现自动数据比较、数据强制和宿时间管理等功能。 ( 9 ) 仲裁器( a r b t r a t i o n ) 它解决- m c u 单元和c p u 对t m 的访问仲裁，决定t m c 的访问模式和对地址逻辑 的译码方式。 ( 1 0 ) 地址逻辑单元( a d d r e s sl o g i c ) 接受t m c 的控制，实现m c u 对t m 访问的地址解析和译码；实现c p u 对t m 和 配置寄存器访问的地址编、译码。 ( 1 1 ) c l a s s l 模块( c l a s s i 协议控制模块) 完成c l a s s lt 作模式下的数据通信，此模式下只作为从设备工作，且没有网络 层的访问，对错误的帧不进行处理。 ( 12 ) c l o c k g e n e r a t o r ( 时钟发生器) 该模块产生系统内部需要的各种频率的时钟信号。 5 1 曼彻斯特编码模块 5 1 1e n c o d e r 模块逻辑功能描述 e n c o d e r 模块主要的功能包括有： ( 1 ) 产生帧头和帧尾数据。 ( 2 ) 产生c r c 校验数据( 可选择) 。 第五章多功能车辆总线控制系统硬件设计 ( 3 ) 对数据进行曼彻斯特编码。 ( 4 ) 实现主、从帧的有序发送。 根据不同的应用要求，由于帧类型的不同，e n c o d e r 受不同报文模式控制，同 时也受报文分析模块的发送状态控制信号的控制。如果当前配置允许发送且控制 模块告诉e n e o d e r 有帧要发送，以及帧类型、帧长度，贝j j e n c o d e r 先将配置好的帧头 发送，然后将帧数据和产生的c r c ( 或应用软件配置的校验码) 移位后经曼彻斯 特编码输出，最后发送帧尾，这样完成主、从帧的发送。其基本数据操作流程如 图5 2 ： 图5 - 2e n c o d e r 模块功能流程图 5 1 2e n e o d e r 模块硬件设计实现 e n c o d e r 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。e n c o d e r 模块电路结构图如图5 3 所示： e n c o d e r 在功能启动时，一旦出现发送请求且有帧要发送( 报文分析模块t a u 发出) ，此时m c u 已经控制将需要发送的帧预置在发送缓冲区( t x b u f f e r ) ，e n c o d e r 控制电路控制依次开始发送帧头，帧数据，校验码和结束标志，具体实现如下： 电子科技大学硕士学位论文 i h f 一卜 位蝴 _ | 一卜 选 一一f 一卜 一 择 控制单元 q l - 器 一卜 + j p 卤 8 f 栅 l 嘶扫玎 图5 - 3 日啪d e 磷魁姆盥融捆 1 在状态控制信号和帧模式信号的控制下，通过两级的缓冲寄存器来构成沿 采集电路，用来监测发送请求信号的上升沿，如果监测到上升沿，且帧数据信号 有效，则开启时钟发生器，用于产生编码操作的时钟的信号。 2 由于帧头有不规则编码n l ，n h ，所以采用直接发送0 0 ，1 1 的方式，当第 一个时钟d c l k 2 沿到来时，开始发送1 8 位的帧头数据( 9 位帧头，以半个d c l k 2 周期发送，发送1 8 次，计数器计数控制) 。 3 当帧头发送最后一位时，e n c o d e r 读取t x b u 圩e r 的1 6 位数据写入1 7 位移位 寄存器( 多出的一位用于在发送最后一位数据时读取下一次数据) ，在帧头结束 发送后，进行移位发送，数据经过曼彻斯特编码器使其逻辑0 和1 分别以 0 1 ”， “1 0 ”( 曼彻斯特编码) 发出。如果数据不1 1 - 1 6 位，在前一次数据发送最后一位 数据时，从b u f f e r 读取下一次要发的数据，以此类推，直到发完为止。 4 如果设置成发送自动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 r c 校验码依次移位曼彻斯特编码输出：如果设置成发送用户自定义 c r c ，则在数据发送最后时从h f o x 8 中读取( 此数据m c u 控制1 m c 写入) 。 5 c r c 发生电路采用l f s 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 4 所示： 第五章多功能车辆总线控制系统硬件设计 图5 q 串行数据c r c 电路图 6 总体上则用专门的计数器来记数m a n c h e s t e r 编码的数据位数。根据计数 器的值来判断数据传输的过程，即发送帧数据的哪一部分，帧头：s d ；数据：d a t a ： 校验码：c s ；结束：e d 。 7 1 个输入时钟为1 ，5 m h z 的模2 计数器( e l kd i v ) ，用以产生0 7 5 m h z 的内部数 据收发时钟，如图5 5 所示。此时钟在接收到有效低控制信号