基于X86及PCIE的MVB通信網(wǎng)卡設(shè)計(jì)

寧壽輝 石小磊

摘要：簡(jiǎn)要介紹多功能車輛總線（MVB ）總線及PCIE總線的特點(diǎn)，給出了基于X86處理器、PCIE總線接口的MVB通信網(wǎng)卡的硬件架構(gòu)及設(shè)計(jì)方法，MVB網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)軟件、通信軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程。

關(guān)鍵詞：MVB;PCIE;X86;通信網(wǎng)卡;驅(qū)動(dòng);通信

中圖分類號(hào)：TP334.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）01-0142-03

0 引言

目前，符合TCN標(biāo)準(zhǔn)的通信產(chǎn)品在鐵路上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，該標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種用于列車車載數(shù)據(jù)通信的現(xiàn)場(chǎng)總線：絞線式列車總線（WTB）和多功能車輛總線（MVB）。MVB總線將車廂內(nèi)，即機(jī)車內(nèi)、客車車輛內(nèi)或貨車車輛內(nèi)的設(shè)備連在一起構(gòu)成一個(gè)局域網(wǎng)。其中，以基于PC/104架構(gòu)的MVB通信設(shè)備應(yīng)用最為廣泛。隨著PCI總線技術(shù)向工業(yè)控制領(lǐng)域滲透，以支持熱插拔操作為顯著特征的PCI總線的MVB通信設(shè)備擁有良好的應(yīng)用前景。PCI總線技術(shù)具有無(wú)法忽視的優(yōu)點(diǎn)，如更高的總線頻率、獨(dú)立于處理器、支持突發(fā)讀寫傳輸、自動(dòng)配置、支持自動(dòng)的設(shè)備檢測(cè)與配置及低功耗等。PCI-Express （PCIE）作為最新一代的總線接口，其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行設(shè)計(jì)以及雙通道高帶寬的傳輸模式，大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，它的廣泛應(yīng)用將全面取代PCI、AGP等總線。本文設(shè)計(jì)了一種基于X86及PCIE總線的MVB通信網(wǎng)卡，并完成軟硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

1 MVB網(wǎng)卡硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體硬件架構(gòu)

MVB網(wǎng)卡硬件架構(gòu)如圖1所示，MVB網(wǎng)卡由現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列FPGA和MVB物理接口單元兩部分組成。現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列FPGA完成PCIE總線數(shù)據(jù)編解碼、MVB數(shù)據(jù)幀收發(fā)以及PCIE總線與MVB核之間的數(shù)據(jù)交互，MVB物理接口單元完成MVB數(shù)據(jù)的編解碼（RS485格式）和符合IEC61375-1標(biāo)準(zhǔn)的TCN網(wǎng)絡(luò)物理接入。

1.2 MVB接口單元設(shè)計(jì)

MVB接口單元完成MVB差分信號(hào)隔離、RS485信號(hào)編解碼和收發(fā)器控制，接口標(biāo)準(zhǔn)符合IEC61357-1協(xié)議。

接口單元硬件原理如圖2所示，隔離變壓器采用PULSE公司X-1729NL，RS485收發(fā)器采用MAX3088，LCDA05完成差分信號(hào)的過(guò)壓鉗位保護(hù)。

1.3 PCIE轉(zhuǎn)MVB單元設(shè)計(jì)

PCIE轉(zhuǎn)MVB單元硬件原理如圖3所示， XILINX公司FPGA完成PCIE協(xié)議轉(zhuǎn)換和MVB核設(shè)計(jì)，PCIE協(xié)議轉(zhuǎn)換完成PCIE總線控制命令解析，MVB核完成MVB數(shù)據(jù)幀解析和收發(fā)功能。

2 MVB網(wǎng)卡軟件設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用X86工控機(jī)及Windows7操作系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)τ贛VB網(wǎng)卡的控制操作，需要開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。這里選用WDK7.1開(kāi)發(fā)工具軟件，結(jié)合VS2013進(jìn)行PCIE驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)。WDK是微軟推出的一款完全集成的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具，它包含Windows DDK，用于測(cè)試Windows驅(qū)動(dòng)器的可靠性和穩(wěn)定性，是專門為開(kāi)發(fā)人員推出的，支持Win7以上所有操作系統(tǒng)。

首先要進(jìn)行開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建。在Windows7操作系統(tǒng)中，依次安裝Visual Studio 2013及WDK7.1開(kāi)發(fā)工具。安裝結(jié)束后，要完成WDK7.1編譯環(huán)境的配置，選擇checked build環(huán)境編譯包含debug信息的驅(qū)動(dòng)。

整個(gè)WDF驅(qū)動(dòng)程序工程共包含3個(gè)源文件（Driver.c， Device.c， Queue.c）。device.c源碼文件主要包含設(shè)備創(chuàng)建、設(shè)備資源獲取和釋放的功能代碼。PortIODeviceCreate（）為設(shè)備創(chuàng)建函數(shù)，供PNP調(diào)用。PortIODeviceGetHw（）為硬件資源獲取函數(shù)，供PNP調(diào)用，順序獲取PCI/PCIE設(shè)備所使用的IO和Memeoy空間資源并對(duì)memory空間進(jìn)行映射，PortIODeviceReleaseHw（）為硬件資源釋放函數(shù)，供PNP調(diào)用，對(duì)已映射的memory空間進(jìn)行釋放。

driver.c源碼文件主要功能為生成驅(qū)動(dòng)對(duì)象。DriverEntry DriverEntry（）為驅(qū)動(dòng)程序入口函數(shù);PortIOEvtDeviceAdd（）為設(shè)備添加函數(shù)。

queue.c源碼文件創(chuàng)建用于與客戶應(yīng)用程序通訊的IO隊(duì)列對(duì)象，PortIOEvtIoDeviceControl（）回調(diào)函數(shù)對(duì)于用戶操作進(jìn)行分發(fā)處理。

將以上源代碼通過(guò)VS2013+WDK7.1編譯就能生成相應(yīng)PCIE硬件板卡的Windows驅(qū)動(dòng)程序genport.sys文件。安裝驅(qū)動(dòng)程序后，應(yīng)用程序可以調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口與硬件設(shè)備進(jìn)行通信。

驅(qū)動(dòng)程序調(diào)度流程如圖4所示，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1）首先通過(guò)Win32API函數(shù)GP_LoadDev打開(kāi)設(shè)備。

（2）然后調(diào)用GP_GetIOResourceInfo函數(shù)獲取設(shè)備資源列表情況。資源列表信息保存在RESINFO結(jié)構(gòu)體中。

typedef struct {

ULONG PortBase[6];? //基地址列表

ULONG PortCount[6];? //基地址段長(zhǎng)度列表

ULONG PortMemoryType[6];//基地址的類型，1表示是IO空間，0表示是Memory空間

ULONG PortMemoryResourceCount;//有效的基地址數(shù)量

} RESINFO， *PRESINFO;

（3）接下來(lái)調(diào)用GP_SetBusInterfaceData函數(shù)完成PCIE配置空間的配置。

（4）最后調(diào)用GP_WritePort及GP_ReadPort函數(shù)實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)程序通信，即讀寫數(shù)據(jù)，當(dāng)應(yīng)用程序退出時(shí)，調(diào)用GP_CloseDev函數(shù)關(guān)閉設(shè)備。

2.2 通信軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)MVB設(shè)備的分類標(biāo)準(zhǔn)，MVB設(shè)備按性能可分為5類。本文設(shè)計(jì)的MVB網(wǎng)卡支持過(guò)程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、監(jiān)視數(shù)據(jù)的收發(fā)，也具備總線管理能力，實(shí)現(xiàn)了MVB4類設(shè)備的全部功能。設(shè)計(jì)中沒(méi)有采用傳統(tǒng)的利用MVB專用通訊控制器的設(shè)計(jì)方法，而是采用了當(dāng)今流行的FPGA代替MVB專用通訊控制器的方案。

MVB網(wǎng)卡的通信采用客戶端-服務(wù)器模式，如圖5所示。主機(jī)也稱作上位機(jī)，是指可以直接發(fā)出控制命令的計(jì)算機(jī)設(shè)備，可以通過(guò)界面顯示各種變化信號(hào)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互。下位機(jī)為MVB網(wǎng)卡，將接收到的主機(jī)命令解釋成為時(shí)序信號(hào)，直接來(lái)控制相應(yīng)的硬件設(shè)備，并且實(shí)時(shí)讀取設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，將此狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)反饋給主機(jī)。本論文中，主機(jī)軟件就是應(yīng)用程序，其功能是實(shí)現(xiàn)與硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信，發(fā)送指令并接收由硬件設(shè)備傳遞來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。主機(jī)軟件采用VS2013軟件工具來(lái)進(jìn)行編程，采用面向?qū)ο蟮腃++語(yǔ)言，在與硬件驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信的同時(shí)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在主機(jī)界面上，實(shí)現(xiàn)硬件與軟件的協(xié)同工作。服務(wù)器端的驅(qū)動(dòng)程序由MVB網(wǎng)卡中的FPGA實(shí)現(xiàn)。

主機(jī)與MVB網(wǎng)卡的接口采用UART仿真（UART Emulation）模式，即利用一種類似于通用異步收發(fā)器UART16C450的基本通信模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，在這種模式下，數(shù)據(jù)“仿佛是通過(guò)一根串行線路”進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)以高速連續(xù)方式發(fā)送和接收。主機(jī)對(duì)MVB鏈路層的接口訪問(wèn)主要通過(guò)使用UART寄存器組的方式實(shí)現(xiàn)。主機(jī)使用發(fā)送指令的方式訪問(wèn)UART寄存器組。MVB控制器將處理分析指令中的信息，從而對(duì)MVB進(jìn)行相關(guān)的操作。主機(jī)用戶應(yīng)用程序與MVB通信協(xié)議棧之間的接口由應(yīng)用程序接口API實(shí)現(xiàn)，如過(guò)程數(shù)據(jù)鏈路層接口LPI、過(guò)程數(shù)據(jù)應(yīng)用層接口AVI及消息數(shù)據(jù)應(yīng)用層接口AMI等。

MVB通信軟件調(diào)度流程如下：首先讀取MVB配置文件進(jìn)行配置信息解析;然后完成MVB監(jiān)視數(shù)據(jù)接口初始化、過(guò)程數(shù)據(jù)接口初始化、通信存儲(chǔ)器初始化、過(guò)程數(shù)據(jù)端口配置;之后啟動(dòng)MVB設(shè)備;最后就可以進(jìn)行MVB過(guò)程數(shù)據(jù)收發(fā)及處理。

MVB數(shù)據(jù)的接收指主機(jī)從MVB網(wǎng)絡(luò)上讀取數(shù)據(jù)，用于相應(yīng)的應(yīng)用。MVB數(shù)據(jù)的發(fā)送指應(yīng)用通過(guò)主機(jī)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送至MVB網(wǎng)絡(luò)。主機(jī)與MVB網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成MVB數(shù)據(jù)的收發(fā)，其收發(fā)流程如圖6所示。進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)之前首先讀取狀態(tài)寄存器，判斷發(fā)送緩沖區(qū)為空還是接收緩沖區(qū)為空，當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)為空時(shí)，先傳遞發(fā)送指令，然后將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，結(jié)束本次發(fā)送。接收過(guò)程與發(fā)送過(guò)程類似。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在研究多功能車輛總線（MVB）的基礎(chǔ)上，提出了一種基于PCIE總線接口、FPGA通信控制器、X86處理器的MVB通信網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)方法，并完成了最終實(shí)現(xiàn)。利用Visual Studio 2013及WDK7.1開(kāi)發(fā)工具，完成了WDF模型驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。完成了基于客戶端-服務(wù)器模式及UART仿真技術(shù)的MVB通信軟件設(shè)計(jì)。在Windows7操作系統(tǒng)下，驅(qū)動(dòng)程序和通信軟件能夠穩(wěn)定運(yùn)行。利用該類網(wǎng)卡組成的地鐵車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)信息傳遞的可靠性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，以及與其他產(chǎn)品的兼容性。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的基于PCIE接口的MVB網(wǎng)卡可以很好地滿足地鐵車輛控制系統(tǒng)要求。目前該網(wǎng)卡已研制成功并批量裝車使用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，已成為地鐵車輛控制的關(guān)鍵設(shè)備。

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