基于STM32 的MVB-CAN 通信網關設計與實現

趙 科

（大連交通大學 電氣信息工程學院，大連116028）

隨著車載通信網絡的快速發展以及應用范圍的不斷擴大，用戶對其開放性、靈活性以及開發與應用多樣性等方面都提出了更高的要求，使得具有不同特點的現場總線技術不斷被引入列車總線網絡，這樣就不可避免地會發生不同總線之間的數據交換與傳輸，而如何有效地實現這些總線之間的數據通信，已成為當前研究的熱點之一。MVB 是專門針對列車通信網絡而開發的專用網絡，具有實時性好、通信速率高等特點[1]。MVB 總線技術在國外已經成熟，但在國內還有待提高，這就直接導致國外廠家長期壟斷了MVB 網關以及其他MVB 總線設備的龐大市場，使得國內使用MVB 總線設備的成本較高。而對于CAN 總線技術的研究與應用在國內已經很成熟，CAN 總線技術以其突出的可靠性、 實時性、靈活性以及極高的性價比等特點[2]，使其在鐵路上得到了越來越廣泛的使用。且CAN 總線技術開發相對容易，成本低，周期短，因此國內在一些高速列車車載設備的研發中僅使用了CAN 接口技術，如一些廠商開發的PIS（passenger information system）系統、ATP（automatic train protection）系統、GPS（global positioning system）設備以及煙火探測器等，這些設備在實際應用中都需要接入MVB 車輛總線，就存在MVB 總線和CAN 總線數據的交換問題。因此，本文開發設計了一款結構新穎、可靠性高、靈活性強的車載MVB-CAN 通信網關，用于組建CAN 總線和MVB 總線共同組成的異構網絡，解決了帶有CAN 接口的車載設備與列車MVB 網絡的互聯互通問題，推動了我國列車通信網絡技術的發展。

1 網關硬件設計

1.1 網關結構設計

網關設備結構如圖1 所示，主要由CPU 板卡、MVB通信網卡、電源板卡、機箱、網絡連接器及線纜等組成。網關設計符合IEC61375、ISO14229、EN50121-1、EN50155、TB/T1333.1-2002 TB/T 1333.1-2002 等 規范，具有良好電磁兼容性、擴展性、可移植性和可維護性等優點。網關設備可以插入標準的3U 機箱，也可以設計成盒式結構，方便機架安裝及攜帶。機箱或盒式結構均采用U 型鋁材并經過氧化處理[3]，為了提高EMC（電磁兼容），邊緣處帶有電磁屏蔽彈片，并設置了安全接地。板卡設計均采用3U 結構，板卡間采用PC/104 接口連接，并增加了銅支撐柱固定連接，提高抗震能力及接地保護。CPU 主板還保留了背板連接器，方便與3U 機箱背板連接。各連接器均采用專用連接器，保證連接可靠，及外殼均通過電容接地。

圖1 MVB-CAN 網關結構設計Fig.1 Design of MVB-CAN gateway structure

1.2 網關硬件電路設計

網關硬件電路設計如圖2 所示，由CPU 板卡通過PC/104 接口對MVB 通信網卡中的總線控制器MVBC 進行配置，總線控制器MVBC 通過總線收發管理器MAX3485、隔離變壓器T60403-Y4021-X123與MVB 通信介質相連，進行MVB 數據收發；由CPU 板卡通過內部總線控制CAN 控制器，再通過CAN 收發器與CAN 通信介質相連，進行CAN 數據收發；CPU 板卡中主控制器CPU 實現MVB 和CAN兩種總線數據相互轉換及存儲。CPU 通過CPLD 時序控制對PC/104 接口進行I/O 模式訪問，CPU 與PC/104 之間設計了電平轉換電路。電源板卡實現車輛110 V 直流電轉換為直流5 V，為CPU 板卡和MVB 通信板卡提供穩定可靠的電源。

圖2 MVB-CAN 網關硬件電路設計Fig.2 Design of MVB-CAN gateway hardware circuit

1.2.1 CPU 板卡

CPU 板卡電路主要包括：STM32F207 微控制器核心系統電路模塊（存儲器擴展、復位電路、看門狗電路和JTAG 接口）、通信功能電路模塊、狀態指示電路模塊、PC/104 接口電路模塊（CPLD 時序控制和電平轉換）、擴展功能模塊（背板連接器）及板卡供電電路模塊。CPU 板卡主控制器采用STM32F207ZGT6控制器，該控制器內核為CortexTM-M3 架構[4]，主頻高達120 MHz，帶有片上存儲器，包括1 MB 的Flash存儲器和容量為128 KB 的系統SRAM 以及高達4 KB 的備用SRAM，能夠滿足絕大部分應用需求。但考慮到網關的快速、實時及可靠等性能要求以及數據量比較大，在STM32F207 芯片外圍通過FSMC 總線進行SRAM、NandFlash 和E2PROM 存儲擴展。CPU 板卡上設計了開發網關所需的通信電路，包括2 組CAN 通信 電 路、1 組RS-232 串口 通信電路、1組以太網通信電路。RS-232 電路及以太網電路可以完成串行數據通信和以太網數據通信功能，用來實現MVB-CAN 網關的調試以及系統維護、 升級等功能。CAN 總線通信電路由CAN 總線控制器、CAN 總線收發器和CAN 總線接口組成，完成CAN 數據的收發。由于STM32F207 控制器芯片本身集成了專門的CAN 總線控制器，支持CAN 2.0B 協議通信，CAN收發器采用ANALOG DEVICES 公司的符合ISO 11898 標準的ADM3053BRWZ 芯片，數據傳輸速率高達1 Mbps，直流5 V 電源供電。CAN 總線收發器提高了總線驅動能力，具有高頻干擾信號抑制作用，EMC 滿足EN50155 標準[5]。

因篇幅所限，各模塊電路的詳細設計不再贅述，只給出圖3 所示的CPU 板卡的印刷電路板（PCB）圖，在PCB 設計中充分考慮了電磁兼容性設計。

圖3 CPU 板卡PCB 圖Fig.3 PCB diagram of CPU board

1.2.2 MVB 通信網卡

MVB 通信網卡由CPU 主控模塊、MVB 協議控制器、通信存儲器、雙通道冗余的收發管理器等組成。可以實現MVB 主動式網卡的全部功能，可進行3 種數據通信并可作為總線管理器。網卡與CPU 板卡的數據通信采用PC/104 并行總線接口。在本文的MVB-CAN 通信網關測試中MVB 網卡工作在從模式，由STM32F207 微控制器芯片通過PC/104 總線進行控制，實現與MVB 總線間的通信任務。網卡處理器采用AT91R40008 微控制器，再加上外圍時鐘電路、復位電路、擴展存儲電路、電源電路等，共同組成了MVB 通信網卡的CPU 主控模塊。MVB 網卡處理器AT91R40008 外圍電路的設計與CPU 板卡上STM32F207ZGT6 芯片的外圍電路設計很類似，在此不再贅述。MVB 網卡和軟件功能滿足MVB 的1 類、2 類、3 類、4 類設備的功能要求，電氣接口上能提供ESD+、EMD、OGF 等總線接口，并實現介質冗余功能[6]。

1.2.3 電源板卡

網關使用列車上110 V 直流供電，故設計了直流110 V 轉直流5 V 的電源板卡。該電源板卡通過PC/104 連接器為CPU 板卡和MVB 通信網卡供電。該電源板卡采用了PWR-CFD10-110S05 電源模塊，此模塊專為鐵路應用而研發的小型化DC-DC 轉換模塊，滿足鐵路設備標準，輸入輸出都添加了隔離保護，短路保護以及具有自恢復功能，輸出功率可達到10 W。為了有效降低對電源電路的干擾，提高電源的可靠性，該電源板卡設計中采用了輸入防雷擊浪涌保護電路、二階共模濾波電路、一階差模濾波電路、整流電路、輸出一階共模濾波電路、穩壓電路等。經電磁兼容試驗，此板卡滿足浪涌（沖擊）抗擾度英標RIA12 標準、 電快速脈沖群抗擾度GB/T17626.4 3 級、電源電壓變化和中斷GB/T25119 A級、EMI 傳導實驗GB9254 A 級、沖擊振動標準GB/T21563 1 類B 級等要求。

2 網關軟件設計

網關軟件功能包括系統軟件和應用軟件。系統軟件主要有引導程序、操作系統內核、文件系統。應用程序主要對各個接口電路及板卡進行初始化設置，實現數據收發和數據轉換功能。

MVB-CAN 網關軟件程序流程如圖4 所示，程序運行流程為網關上電后，加載引導程序（Bootloader），引導系統啟動，完成后加載μC/OS-Ⅱ操作系統內核，內核啟動后加載文件系統，最后調用網關應用程序。

圖4 MVB-CAN 網關程序流程Fig.4 Flow chart of MVB-CAN gateway program

網關應用程序首先進行MVB 初始化及配置MVB 板卡信息，初始化CAN 接口，配置波特率等信息。MVB 和CAN 初始化后，創建線程數據共享區，創建共享區互斥量，然后執行CAN 收發線程和MVB 收發線程，循環掃描CAN 和MVB 的源端口與宿端口，當掃描到相關端口有數據到達時則執行相關通信線程中的應用程序，進行數據的接收與發送，并在主程序的控制下通過數據存儲區實現數據交換，從而實現網關MVB 總線數據和CAN 總線數據通信的功能。

MVB 數據接收到CAN 數據發送過程： 首先執行MVB 接收線程，接收MVB 總線數據，獲取MVBCAN 數據共享區互斥，更新MVB 接收數據到MVBCAN 數據共享區，釋放MVB-CAN 數據共享區互斥。接下來執行CAN 發送線程，獲取MVB-CAN 數據共享區互斥，更新MVB-CAN 共享區數據到CAN發送區，釋放MVB-CAN 數據共享區互斥，配置CAN 標識，將發送數據放入發送緩沖區，調用CAN發送函數，發送CAN 數據。

CAN 數據接收到MVB 數據發送過程： 首先執行CAN 接收線程，調用CAN 接收函數，接收CAN總線數據，獲取CAN-MVB 數據共享區互斥，更新CAN接收數據到CAN-MVB 數據共享區，釋放CAN-MVB數據共享區互斥。接下來執行MVB 發送線程，獲取CAN-MVB 數據共享區互斥，更新CAN-MVB 共享區數據到MVB 發送區，釋放CAN-MVB 數據共享區互斥，配置MVB 標識及變量，將發送數據放入發送緩沖區，發送MVB 數據。

3 網關通信測試

搭建如圖5 所示的MVB-CAN 網絡通信測試平臺，測試MVB 總線和CAN 總線數據的轉換。其中司控臺、VCU 控制器和HMI 顯示屏模擬列車MVB網絡通信，通過MVB 屏蔽線纜連接。MVB-CAN 網關通過MVB 接口接入MVB 網絡，再通過CAN 接口接入CAN 通信網絡。CAN 總線側接入裝有PCI-CAN卡的工控機，模擬具有CAN 接口的車載設備。在工控機上開發CAN2.0 通信應用程序，當PCI-CAN 板卡上電后，系統加載程序引導應用程序啟動后，首先對PCI-CAN 板卡的CAN1 和CAN2 接口以及通信數據存儲區進行初始化、 波特率和超時時間配置，配置完成之后，板卡進入工作模式，主程序能夠實現CAN2.0 通信數據收發工作，從而實現PCICAN 板卡的CAN2.0 數據通信的功能。

圖5 MVB-CAN 網絡通信測試平臺Fig.5 MVB-CAN network communication test platform

MVB 到CAN 的通信測試例程： 操作司控臺發出司機室激活信號、1 號車門開信號和空調制暖信號，經過VCU 控制器，HMI 顯示屏會顯示相應的信息，通過MVB-CAN 網關，在工控機上通過PCI-CAN板卡數據接收程序，接收數據如圖6 所示。通過分析數據流并進“00000001”，對應十六進制為“01”；當在司機室激活時發送門開信號，第一字節的第一位和第二位發生跳變，二進制數據為“00000011”，對應十六進制“03”；當在司機室激活時發送空調制暖信號，第一字節的第一位和第三位發生跳變，二進制數據為“00000101”，對應十六進制為“05”。驗證了MVB 數據到CAN 數據的正確轉換與傳輸。相反，當PCI-CAN工控機發送CAN 數據“03”，通過MVB-CAN 網關進行數據轉換，傳輸到MVB 總線上，并通過HMI 顯示屏顯示司機室激活及1 號車門打開，如圖7 所示，驗證了CAN 數據到MVB 數據的正確轉換與傳輸。

圖6 CAN 接收數據Fig.6 CAN receiving data

圖7 MVB 接收數據Fig.7 MVB receiving data

4 結語

本文設計了一款MVB-CAN 網關設備，用于MVB 總線和CAN 總線的雙向數據通信，并通過MVB-CAN 網絡通信測試平臺對該設備進行系統測試。測試結果表明該設備可以實時、可靠地完成數據通信和轉換，解決了在列車通信異構組網中MVB總線和CAN 總線的數據通信問題，推動了我國列車車載設備的開發進程。