MVB 網絡輸入輸出單元設計

李洋濤，柳初萌，徐 磊

(同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

1 引言

通信技術的迅速發展給傳統軌道交通行業帶來前所未有的變革。當今的動車組及城市軌道車輛的車載設備控制與通信，無不采用列車通信網絡技術。基于IEC61375 列車通信網絡國際標準的TCN 技術自推出十余年來得到了廣泛的應用。其中用于車輛級的通信網絡稱之為多功能車輛總線，即MVB(Multifunction Vehicle Bus)。

TCN 標準推出后得到了廣泛支持，MVB 也成為目前應用尤為廣泛的網絡形式。眾多國際大公司都提供MVB的相關產品，如西門子，龐巴迪，FARSYSTEM、EKE、DUAGON 等［1］。因為MVB 產品技術門檻高，造價不菲，并非所有車載設備供應商都能夠提供具有MVB 通信能力的產品。如果將分散的車載設備接入MVB 網絡，則需要具有MVB 通信功能的輸入輸出單元作為中間環節。基于此，對列車網絡控制系統中的輸入輸出單元進行了設計和實現，設計完成的MVB 節點負責采集輸入數據信息，以及輸出控制數據信息，除了用于一般現場設備的數字量、模擬量I/O 接口單元外，還具有獨立的電源和車輛總線MVB 接口，可以實現分布式安裝，易于連接到MVB 列車網絡控制系統中，對MVB的研究應用具有重要的現實意義和實際應用價值。

2 MVB 網絡結構

列車網絡控制系統是保證列車可靠運行的核心部件。TCN 列車通信網絡是專門為列車通信而量身定制的，能滿足在復雜的列車環境下實時、可靠的通信。MVB 作為TCN 網絡中的車輛級網絡，其數據傳輸速度達1.5M/s，由RTP 協議保證實時性，采用總線冗余提高通信網絡的可靠性，物理層可采用三種傳輸介質［2］。

MVB 實現一節車廂或者幾節車廂內的可編程設備互連，將分布于車廂各處的以各種功能控制為目標的控制單元以及傳感器或者執行器連成網絡，構成各控制單元以及設備之間信息交換的通道，成為分布式控制網絡的重要紐帶。MVB 網絡的拓撲結構可以表示如圖1 所示。

圖1 MVB 網絡拓撲結構示意圖

MVB 列車網絡一般采用總線結構，總線上各節點具有固定的地址，介質訪問控制采取一對多點的主從方式，擁有網絡管理權的主設備按照預定的順序輪詢總線上的從設備。在輪詢周期內，總線管理器擁有對MVB 網絡節點設備訪問總線的控制權。總線上一般設置多個總線管理器，介質訪問控制的主權在多個總線管理器之間轉移，但在同一時間內，只能有一個總線管理器是主動的，其他管理器作為備份以提高防故障能力。

網絡中的各個功能控制單元(如中央控制單元、牽引控制單元等)作為網絡中的節點，通過MVB 實現資源共享、信息通信，協同實現對列車車載設備的控制，保證列車可靠運行。輸入輸出單元是作為MVB網絡的一個重要節點，是MVB 網絡中控制單元與執行機構、傳感器之間的中間環節。一方面，它通過輸入輸出接口與傳感器相連接，采集現場數據并將采集到的數據通過MVB 網卡發送到列車網絡上;另一方面，它接收網絡上的數據，將相關的數據發送到執行機構。借助MVB，處理器可以通過一根電纜完成信號數據的采集和輸出，這樣便使得I/O 模塊能夠分散地布置于車廂各執行單元和傳感器附近，大大縮短配線長度，既體現了靈活性，又提高了可靠性。

3 輸入輸出單元設計

設計的MVB 網絡輸入輸出節點主要負責采集輸入數據信息以及輸出控制信息。輸入輸出單元內部結構如圖2 所示。在該節點中，帶有獨立的CPU，能實現數據自動采集與收發，除了用于一般現場設備的數字量、模擬量I/O 接口單元外，還具有MVB網卡及接口，可以實現分布式安裝，易于連接到具有MVB 網絡接口的列車控制系統中。設計中還為節點配置了獨立的電源模塊，可利用列車輔助電路提供110V 直流電壓，轉化為單元內部電路所需的5V直流電。

圖2 輸入輸出單元結構示意圖

本單元主要由以下部件組成:

(1)輸入輸出板卡

分為數字量I/O 板卡與模擬量輸入板卡，該板卡設有PC104 插座與MVB 網絡接口。

車輛的信號主要有數字信號與模擬信號，因此分別設計了數字量I/O 接口電路板與模擬量輸入接口電路板，用于采集現場設備信息并輸出控制信息。接口電路采用光電隔離設計方法，用以消除外部復雜的電氣工作環境對控制系統的影響。

為了完善網絡節點的功能，以及能夠實時采集和處理列車控制系統中有關的輸入輸出數據，本設計在I/O 接口單元中采用了標準的PC104 總線，通過其實現接口電路與嵌入式CPU 板卡及MVB 網卡的連接。同時，在接口電路板卡上設計了MVB 網絡接口，以便于連接到列車網絡系統中。

(2)MVB 網卡

是本單元的核心部件，主要實現MVB 網絡物理層和鏈路層的功能，并提供鏈路層訪問接口。

MVB 網卡主要實現對過程數據通信的控制邏輯，包括產生和識別1.5Mbit/s的Manchester 碼，進行信號質量檢測，自動報文分析處理，幀超時處理，改變設備地址，提供應用層接口等。

數據接收時，由串行輸入信號將Manchester 碼引入MVB 協議控制器的譯碼單元。譯碼單元在24MHz 采樣時鐘作用下，把數據幀的起始分界符和CRC 校驗位去除，將有效的數據送入接收緩沖區緩存。同時將接收幀的類型、大小、信號質量等控制信號提交給報文分析單元。報文分析單元根據這些信號決定對幀的處理，并將處理辦法提交主控單元(MCU)。最終由主控單元控制下一步的動作。

數據發送時，由主控單元將控制信號送入報文分析單元，同時將有效數據放入發送緩沖區緩存。編碼單元以時鐘單元產生的1.5Mbit/s時鐘信號為基準，根據報文分析單元給出的幀類型、有效數據大小等信號將幀起始分界符、CRC 校驗位，以及發送緩沖區中的有效數據組裝成幀，由串行輸出引腳發送出去，同時置發送使能信號有效。

(3)CPU 板卡

是整個單元的核心之一，主要有兩個功能:第一，控制MVB 網卡的運行;第二，控制和處理輸入輸出相關數據信息。

該節點CPU 板卡采用的是盛博公司的SysCentreModule－6230 型號的CPU 板卡。SysCentreModule－6230是一種高度集成的PC104 CPU 模塊，可方便與其它周邊設備及模塊構成完整系統的核心部件。其尺寸小，+5V 供電，工作溫度范圍寬，在一般PC/AT 機的母板基礎上擴展了嵌入式控制的特有功能，可作為獨立的PC/AT 引擎，與設計中的MVB網卡、輸入輸出板卡共同構成單元設計方案中的主體部分［3］。

(4)電源板卡

主要由電源轉換模塊、前向濾波電路、過電流保護等組成，該板卡的核心部件是一塊PH50S110－5電源模塊，輸入電壓DC110V，輸出電壓DC5V，為整個節點單元供電。

以上即為輸入輸出單元的主要部件，將CPU 板卡與MVB 網卡插接到I/O 電路板PC104 接口上，并與電源板連接，整體裝入機箱。機箱采用了一個符合工業控制計算機機箱標準的6U 尺寸鋁合金機箱。機箱是內部板卡的支架，也可以起到屏蔽電磁干擾的作用。由此該設計構成了獨立的具有MVB通信功能的輸入輸出單元節點，如圖3 所示。MVB接口與網絡中其他節點相互之間以屏蔽電纜進行連接，通過I/O 接口與現場設備連接，即可實現現場設備與網絡上各控制節點的信息交互，并可于列車車廂內靠近現場設備的部位安裝以滿足分布式控制要求。

圖3 輸入輸出單元實物圖

4 通信測試

設計完成后，在實驗室的MVB 網絡平臺上進行了通信實驗，如圖4 所示。以原MVB 網絡中的中央控制單元為主設備，數字量I/O 單元和模擬量輸入單元作為兩個從節點，并分別為每個節點分配了網絡地址，三個單元之間通過屏蔽雙絞線電纜連接構成MVB 網絡。將一個列車司機臺作為終端設備，分別將司機臺控制面板上的車門開關、鳴笛、電制動、SIV 啟動、客室燈等數字量輸入信號以及超速報警、故障指示、車門狀態、發車指示、發車蜂鳴器等數字量輸出信號與數字量I/O 單元連接，將司機臺手柄以及用來模擬速度、網壓等傳感器的電位器與模擬量輸入單元相連接。

圖4 實驗室列車網絡系統

MVB 網絡發送的報文有16種類型［4］，本設計中采用含有256 位過程數據的報文形式。對報文每一位進行了定義，如模擬量輸入一共有五路，每一路為12 位，占用2個字節，即定義256 位中的前80 位為5 路模擬量信息。同理，按位對數字量信號進行了定義，需要輸入的信息按位算共計33個，分配5個字節，需要輸出的信息共12個，分配2個字節，對其他沒有用到的信息位設置為“0”。

實驗在Turbo C 環境下進行了程序設計，由CPU 控制數據采集與收發，并由外接顯示器觀察、校核數據發送正確與否。經過逐一測試司機臺各開關、按鍵、手柄等狀態，與各節點上接收發送的數據一致。如將代表速度傳感器的電位器調到分壓為最大，此時模擬量輸入單元采集到的“速度”信息為最大值(0X0FFF)，對應報文數據信息中的第1～2 字節，司機臺上行駛方向旋鈕打到前進檔(狀態為“1”)，對應報文數據第11 字節第0 位。此時因速度超過設定的安全值，司機臺超速報警蜂鳴器報警，超速報警燈點亮(控制信息均為“1”)，分別對應報文數據第16 字節的第3 位及第4 位，其余信息位均置為“0”狀態。模擬量輸入單元、數字量I/O 單元及中央控制單元收發的數據依次如圖5 各子圖所示。

圖5 MVB 網絡各節點收發數據

經過反復測試驗證，MVB 各節點收發的數據與司機臺信息一致，實現了可靠的網絡通信。

5 結束語

此設計符合IEC61375 列車通信網絡國際標準，基于當前主流的TCN 標準MVB 總線形式，采用MVB 網卡、MVB 接口及屏蔽雙絞線實現了網絡連接。設計的基于MVB 網絡的輸入輸出單元，作為獨立的模塊，配備獨立的控制單元、MVB 網卡、電源模塊，易于實現分布式安裝，便于將相應執行機構或傳感器等接入列車網絡，為一般設備接入列車通信網絡以及網絡的擴展提供了靈活可行的方案。

［1］趙紅衛，朱廣超，黃根生.MVB 通信網卡的研制與開發［J］.鐵道機車車輛，2009(8):30－33.

［2］倪文波，王雪梅.高速列車網絡與控制技術［M］.成都:西南交通大學出版社，2008:97－100.

［3］深圳市盛博科技嵌入式計算機有限公司.SysCentreModuleTM－6230 技術手冊［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.