基于MVB的中央控制模擬單元的研究

都淑明

（遼寧鐵道職業技術學院，遼寧 錦州 121000）

0 前言

隨著生活水平的不斷提高，旅客對乘坐列車的舒適性以及對旅行中的娛樂和資訊的需求也越來越大。因此，在世界高速鐵路列車運行速度達到300km/h以后，發展列車網絡控制技術和提高旅客乘車的環境成為各個國家機車車輛發展的另一個重要的技術方向[1]。

1999年 6月，IEC/TC9/WG22在 ABB公司的 MICAS、西門子(Siemens)公司的DIN43322和意大利的CD450等的基礎上，制定了列車通信網絡 (TCN)標準—IEC61375協議。在2002年，我國也將IEC61375正式確認為我們國家的列車通信網絡技術標準[2]。

目前，TCN網絡技術在國際范圍內得到了廣泛的應用，并且還得到了歐盟范圍內一些機車車輛零部件公司的技術支持。Siemens的SIBAS32系統和ADtranz的MICAS-S2系統都是符合TCN標準的相關產品，另外芬蘭的EKE電子公司、意大利的Far-system公司以及捷克的Unicontrol公司也都研發出了自己的符合TCN標準的網關產品，瑞士的Duagon等公司則開發出了基于FPGA的系列MVB網卡和I/O設備。用戶可以通過購買這些網絡部件來完成對列車通信網絡系統應用開發[3-9]。

1 多功能車輛總線MVB

MVB(Multifunction Vehicle Bus)是將在同一車廂或者不同車廂中的設備連接到列車通信網絡上的車輛總線。它提供了兩種連接：一是可編程設備之間的互相連接；二是將可編程設備與它們的傳感器和執行機構之間互相連接。MVB最多能夠尋址4095個設備，其中有256個設備是能參與消息通信的站。MVB在機車車輛上的應用如圖1所示。

圖1 機車車輛上的多功能車輛總線Fig.1 MVB of locomotive vehicle

MVB能夠傳輸三種類型的數據：一是，進程數據，用于進行源尋址數據的周期性廣播，其最快的周期為1ms；二是，消息數據，它可以根據需要用于目標尋址的單播或廣播；三是，監視數據，主要用于事件分解、總線主權傳送和設備狀態傳送這三個目的數據交換[10-11]。

2 中央控制模擬單元系統描述

中央控制單元是TCN通信網絡中的四類設備，在TCN網絡控制系統中起到了至關重要的作用。中央控制單元幾乎監督和控制列車上所有的其他系統，例如門、HVAC、牽引等。中央控制單元作為MVB總線的主管理器，還可以存儲診斷數據，與智能顯示單元進行通信。

2.1 中央控制模擬單元系統硬件描述

中央控制模擬單元機箱的硬件主要分為五部分：MVB板、MVB接口板、電源板、電源接口板、背板。其核心部件為MVB板，MVB板的硬件架構如圖2所示，該模塊的主CPU芯片為Freescale公司的MPC5200B微控制器，它是一款緊湊型、低功耗的嵌入式處理器。該芯片采用MPC603e為內核，主頻為 400MHz，在-40℃～85℃的溫度范圍內處理速度達760MIPS，適于在惡劣的環境下高效地運行[3，9]。同時它還集成了16K指令緩沖存儲器，16K數據緩沖存儲器，雙倍精度浮點運算單元，可同時與其他關鍵任務高速地進行復雜的數學運算。它還有指令和數據存儲器管理單元，具有臨界中斷的能力。此外MPC5200B集成了豐富的外設接口，帶有一個SDRAM/DDR存儲控制器、一個靈活的外部總線接口、一個總線標準控制器、一個通用串行總線USB、一個以太網接口Ethernet、六個可編程的串聯控制器PSC、一個定時器Timers、一個通用輸入輸出接口GPIO、一個高速同步串行口SPI等。

通用外圍電路主要包括：電壓及溫度監控電路、看門狗電路、存儲單元和運行電路、串口通訊和以太網通信電路。其中電壓及溫度監控電路能監視5V、3.3V、2.5V的電壓，并監視CPU工作的溫度在-25℃～70℃。CPU和FPGA各有外部硬件看門狗電路，當系統正常運行時，定時刷新看門狗。若系統出現運行故障，在規定的時間內沒有刷新看門狗，則看門狗電路發出復位信號，系統復位并重新運行。存儲單元和運行電路包括132MHz并支持DDR模式的SDRAM，為上電后運行的程序和提取的數據提供存儲空間，32M的Flash用作存儲BOOTROM、VxWorks和應用程序。RS-232串行通訊接口電路波特率115200bpms，可提供目標機與上位機的串口通訊服務功能。以太網通訊接口電路提供標準TCP/IP通信接口，支持100M的通信模式。實時時鐘芯片自帶電池，斷電時能保存時鐘信息。帶有MVB ESD+接口，符合IEC61375-1標準。

圖2 中央控制模擬單元硬件架構Fig.2 Hardware architecture of CCU

2.2 中央控制模擬單元系統軟件描述

中央控制模擬單元的軟件結構復雜，其軟件架構如圖3所示。系統軟件啟動采用bootroom+VxWorks+應用程序的方式，其中VxWorks和應用程序放在文件系統中，方便調試、更新和升級。軟件系統分為三步啟動：首先啟動bootroom，初始化CPU和SDRAM，加載串口和網口的驅動，建立TFFS文件系統；然后VxWorks映像程序由bootrom.bin啟動，實時嵌入式系統接管整個系統軟件資源；最后VxWorks加載應用程序，啟動各個任務。mvb.out是MVB總線通信的驅動程序。procon.out是用Multiprog開發的應用程序的執行管理系統，該系統負責從各個PLC任務中獲取需要執行的代碼，并翻譯執行。tcpServer.o和tcpClient.o分別是TCP/IP通信服務器端程序和TCP/IP通信客戶端程序，負責PC機與中央控制單元通過TCP/IP協議進行通信。mvb_conf.dat是MVB端口配置文件，主要包括MVB主設備端口配置和從設備端口配置。startup.txt是啟動文件，包含一些啟動參數，如啟動設備、啟動路徑等。TCN協議棧軟件通過MVB應用層AVI接口跟procon.out交換數據，完成對各個PLC任務的通信。

TCN協議棧軟件由實時協議棧軟件和MVB鏈路協議棧軟件兩部分組成[12]。

1）TCN實時協議棧軟件

TCN實時協議棧軟件主要支持消息數據通信，按照功能其可分為網絡層、傳輸層、會話層和應用層四部分。應用層，為用戶的應用程序提供訪問網絡的接口。應用層直接面向用戶，提供呼叫/應答服務，同時還提供消息多播服務。會話層的基本任務是建立通信方式，實現兩臺設備之間的原始消息的傳輸。例如，有兩個配對的消息：一個是呼叫消息，由呼叫者發送給應答者，一個是應答消息由應答者發送給呼叫者，通過兩個配對消息的配合從而實現了消息數據的接收與發送。傳輸層向高層協議和底層協議提供一個通信協議接口，負責將消息從高層傳輸到低層，同時把由生產者發出的長消息分割成包，通過滑動窗口協議的流量控制和差錯恢復，實現兩層間數據的透明傳輸。在多播消息中，允許否定應答和再次傳輸。網絡層主要功能包括層次尋址機制、索引和路由選擇。

圖3 中央控制模擬單元軟件架構Fig.3 Software architecture of CCU

2）MVB鏈路協議棧軟件

MVB總線上的每個設備由其設備地址唯一地標識，鏈路層對其發送的所有的包加入其設備地址作為源設備。鏈路層主要實現MVB總線過程數據、消息數據和監視數據的鏈路通信功能。鏈路過程數據接口由MVB總線提供給上層協議的過程數據服務，實現過程數據端口初始化，規定端口之間的數據集訪問。MVB消息鏈路層用于選擇包在網絡中的傳送路徑的網絡層路由，連接一條總線的站或者終端站。MVB監視數據在總線活動基本周期的偶發相中發送，主要提供以下服務：①設備運行狀態查詢；②事件仲裁；③總線主權轉移。

3 結論

基于MVB的CCU中央控制模擬單元屬于MVB四類設備，是列車網絡通信控制系統中的關鍵設備之一。具有MVB過程數據、消息數據和監視數據通信功能、用戶可編程功能和MVB總線管理功能。用戶可利用網絡配置監視軟件配置CCU網絡通信參數，如總線管理功能配置、源宿端口地址配置等，并遠程在線監視連在MVB網絡上的各類設備狀態。

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