一種高效可靠的MVB總線網關設計

謝立國馬振球，2

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

一種高效可靠的MVB總線網關設計

謝立國1馬振球1，2

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

不同的MVB總線物理層存在兩方面的差異：ESD+和EMD波形的差異；單路A線和A/B冗余總線的差異。波形的差異會導致總線無法互聯互通，單路和冗余總線的差異會導致B路冗余總線失效，降低整個通信系統的可靠性。對上述差異進行詳細分析，設計并實現一種MVB總線網關，測試結果證明所設計網關的高效性和可靠性。

MVB；列車控制；網關；總線冗余

1 概述

列車通信網絡TCN已形成國際標準IEC61375-1［1］，其包括多功能車輛總線（MVB）和絞線式列車總線（WTB）兩大部分［2-3］。MVB總線用于車輛控制，WTB用于列車控制。MVB總線的物理層有3種。電的短距離：ESD+，傳輸介質使用雙絞屏蔽線，按照隔離RS-485電平標準傳輸，最多支持32個設備，最大總線距離20 m。電的中距離：EMD，傳輸介質使用雙絞屏蔽線，使用變壓器耦合，最多支持32個設備，最大總線距離200 m。長距離：OGF，傳輸介質使用光纖，總線距離可達2.0 km。另外，根據使用場合的可靠性要求，物理層可采用單獨A線，或者A/B雙線的冗余機制。上述物理層的多樣性帶來不同MVB總線之間的互連性問題。例如單獨A線系統與A/B冗余總線系統之間的互聯，ESD+總線與EMD總線的互聯。OGF應用場合較少，本文不作討論。

目前，大多數文獻關注于第1～4類MVB設備本身的實現［4-7］，關于解決上述MVB互聯問題的文獻較少。本文設計并實現一種高效可靠的MVB總線網關，解決了該互聯問題。測試結果表明所設計網關完全滿足預期指標要求。

2 網關設計原則

MVB總線網關設計主要面對兩個問題：1）單獨A線系統和A/B冗余總線系統的差異性；2）物理層ESD+和EMD波形的差異性。

對于單獨A線系統，系統僅使用A線電纜進行數據通訊。若A線通信質量下降，則導致整個通信系統的性能下降或中斷，因此這種工作方式通常應用于通信環境較好的場合。對于A/B冗余總線系統，系統同時使用A/B總線。在任意時刻，系統選擇其中某一線路作為當前工作線路，另一路作為備選線路。若檢測到工作線路通信質量較差，系統實現當前工作線路與備選線路的自動切換。A/B冗余總線系統可大大提高整個通信系統的可靠性，其通常應用于通信環境較差的場合。單獨A線系統與A/B冗余總線系統互聯時，若簡單地將單獨A線系統直接連接到A/B冗余總線系統的A線，這將導致失去其原有的冗余備份功效，降低整個通信系統的可靠性。

ESD+和EMD波形的差異性主要體現在如下方面。

1）總線空閑電平

ESD+時，通過總線首末節點的上下拉電阻，總線的空閑電平為低電平。EMD時，由于采用變壓器隔離，總線的空閑電平為浮動的，體現在接收端所接收到的信號既可能為邏輯高，也可能為邏輯低。

2）數據幀起始波形

ESD+和EMD數據幀起始波形分別如圖1所示［1］。雖然標準給出的兩種情況接收方收到的波形是相同的，但在實際實現時，為防止噪聲干擾，接收端一般采用斯密特接收器，圖1中EMD時接收端收到的起始電平信號為總線空閑時的電平狀態，根據不同情況，接收端對該電平的處理既可能為高，也可能為低。因此ESD+和EMD數據起始幀波形存在差異。

3）數據幀結束波形

ESD+和EMD數據幀結束波形分別如圖2、3所示［1］，兩者存在較大的不同。如圖2所示，ESD+的波形較為簡單，發送完最后一個bit后，發送端簡單地將發送使能置為無效，使得總線恢復為空閑低電平狀態。如圖3所示，對于EMD波形，發送完最后一個bit后，發送端需要再次發送1 bit寬度的低電平和1 bit寬度的高電平。

單獨A線系統和A/B冗余總線的差異，物理層ESD+和EMD波形的差異共同決定兩種不同的MVB總線無法直接實現互聯互通，需要設計網關進行數據處理。

3 網關系統設計

單獨A線系統和A/B冗余總線系統的差異性以及ESD+和EMD波形的差異性決定設計的總線網關不能基于MVB的物理層，而應該基于鏈路層或更高的應用層，這樣才能消除波形差異性所帶來的影響，同時確保B線冗余線路所帶來的通信可靠性提升。總線網關基于MVB通信鏈路層，其設計原則為對每個MVB支路單獨管理，每個支路均具備獨立完整的數據發送和接收功能，可獨立處理不同物理層的MVB總線數據，例如ESD+或EMD，單線或雙線冗余等，網關結構設計如圖4所示。核心數據交換模塊接收各個支路收到的總線數據，并對數據進行判斷比較，若收到的數據是全新的，則將該數據拷貝到對應的目標支路發送出去，以此方式完成數據的轉發操作，實現各條MVB支路的互聯互通。

圖2 ESD+數據幀結束波形

圖3 EMD數據幀結束波形

圖4 總線網關系統結構圖

基于上述設計結構，圖5所示為一個具體的MVB總線網關設計實例。網關與三路總線互聯，分別為：

圖5 總線網關實現結構圖

MVB EMD CCU總線支路，該支路采用A/B冗余總線。

MVB EMD DMI總線支路，該支路采用單路A總線。

MVB ESD+TSG總線支路，該支路采用單路A總線。

設計主CPU采用MPC8358E芯片，各MVB支路均采用MVBC01芯片作為總線控制器，實現對MVB總線的控制管理和數據收發。主CPU負責按周期輪詢對各MVB總線端口進行輪詢，若查詢到新的端口數據，則將數據轉發至目標MVB總線支路。3個MVB支路可實現對所有端口的無縫全映射，例如，若MVB EMD CCU支路存在0x354端口，可將該端口映射到MVB ESD+TSG支路上，MVB ESD+TSG支路上的設備可以像訪問自身總線上的端口一樣對0x354端口進行讀寫訪問，所獲得的數據實際為MVB EMD CCU支路上的數據。

值得說明的是，上述實現結構會帶來數據傳輸的延遲，即某一端口的數據從某一條MVB支路經過網關傳輸到另一條MVB支路會存在時間延遲，正常情況下時間延遲Tdelay為：

式中，Tpoll表示端口的輪詢周期，Tgateway表示網關處理數據所帶來的延遲。

4 實際測試結果

針對上述實現的總線網關，制作了測試工裝進行性能測試，其測試原理如圖6所示。測試工裝模擬產生原始總線數據，經過某條總線發送給被測網關。被測總線網關按照配置將接收到的數據從其他總線支路回傳給測試工裝。在收到回傳的總線數據后，測試工裝和原始數據進行對比，判斷數據是否正確以及數據延遲是否滿足規定要求。

圖6 MVB總線網關測試結構圖

表1給出總線端口配置和對應的測試結果，測試結果表明在網關處理延遲T_gateway為30 ms的情況下，所設計的網關數據未發生丟失，各端口數據傳輸的最大延遲滿足預設指標。

表1 MVB總線網關測試結果

5 總結和展望

分析和指出了MVB總線物理層存在兩方面的差異：1）ESD+和EMD波形的差異；2）單路A線和A/B冗余總線的差異。其中，波形的差異會導致總線無法互聯互通，單路和冗余總線的差異會導致B路冗余總線失效，降低整個通信系統的可靠性。針對上述問題，設計并實現一種MVB總線網關，測試結果證明所設計網關的高效性和可靠性。

［1］ IEC.Electric railway equipment-Train bus-Part 1：Train communication network IEC61375［S］.1999.

［2］路向陽.列車通信網絡的發展與應用綜述［J］.機車電傳動，2002（1）：5-9.

［3］ Hubert D.Kirrmann，Ulrich Claessen.IEC列車通信網絡［J］.機車電傳動，1999（5）：4-9.

［4］楊緒紅，趙明元，譚南林.列車通信網的方案研究［J］.計算機系統應用，1999（9）：30-31.

［5］張元林，范祚成，梁波.基于MVBC的分布式智能I/O模塊的研究［J］. 機車電傳動，2000（4）：15-18.

［6］李紅.MVB1類設備控制器的FPGA設計［D］.大連：大連理工大學，2006.

［7］蔡穎.多功能車廂總線控制器（MVBC）的研究與設計［D］.成都：西南交通大學，2005.

There are two differences in the MVB bus physical layer. One is the waveform difference between ESD+ and EMD， and the other is the difference between single-channel bus line and A/B redundant bus line. The waveform difference will lead to the bus connectivity problems. The difference between the single-channel bus and A/B redundant bus will cause B bus line failure to reduce the reliability of the whole communication system. The paper introduces the design of MVB bus gateway based on the analysis of the two differences. The test result proves that the gateway has high effi ciency and reliability.

MVB； train control； gateway； bus redundancy

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.05.008

中國鐵路總公司科技研究開發計劃重大課題項目（YK-2012K19）

（2016-07-19）