多功能車輛總線實時監控與時序分析

蔣紅果，王業泰

（1 中車南京浦鎮車輛有限公司， 南京 210031；2 南京中車浦鎮海泰制動設備有限公司， 南京 211800）

我國高速鐵路近年來蓬勃發展，而列車通信網絡（TCN）作為動車組核心技術之一成為了研究的熱門問題。TCN 的層次結構被IEC 61375 標準分成了絞線式列車總線（WTB）和多功能車輛總線（MVB）兩級總線，MVB 用于連接車輛內部各種設備，是將位于車輛中的標準設備連接到TCN 上的一種總線［1］。對于列車系統運行的可靠性和實時控制等要求MVB 均可滿足，是標準數據的傳輸載體，無論是控制信息還是乘客服務信息，均能可靠地在列車上交換數據和傳輸數據［2］。

目前，對MVB 數據幀的采集、解碼和分析方面的研究，都是在MVB 數據的基礎上實現總線分析，其分析的都是MVB 數據幀信息，并未將MVB數據進行實時性的存儲，對設備的線下維護和檢修造成諸多不便［3-6］。因此，建立一個既能實時對MVB 數據進行存儲又能將MVB 數據實時且可靠地傳送到上位機的系統，實現司機室對數據實時監視的同時為數據的安全性提供保障，且可為線下檢修維護提供大量的數據基礎具有重要意義。

文中在深入理解嵌入式系統原理、MVB 總線和IEC 61375 協議的基礎上，分析了MVB 的通信協議，提出了一種基于嵌入式系統MVB 數據實時監控程序和數據時序分析程序的設計方案，測試了MVB 數據采集、過程數據主幀與基本周期的識別以及MVB 周期輪詢表的解析等模塊功能的實現情況，驗證了設計方案的正確性。

1 MVB 概述

MVB 是將位于同一或不同車輛中的各種標準內設備連接到TCN 上的一種總線，MVB 總線協議主要分為2 個部分：過程變量協議與消息協議。變量服務主要傳輸具有固定傳輸周期和傳輸延遲的終端數據，其包括應用層接口（AVI）和數據鏈路層接口（LPA）；消息服務主要傳輸長度不定、不緊迫、不頻繁、發送時延必須短但允許變化的數據，其包括應用層接口（AMI）和數據鏈路層接口（LMA）。

MVB 報文主要由主幀和從幀2 部分構成，并分為消息數據報文、過程數據報文和監視數據報文3 種類型［7］。MVB 的控制方式為單一的總線主控制，規定可以存在多個主設備，但在同一時刻只能有1 個主設備擁有控制權，其遵循確定的機制在能夠成為主設備的設備間輪流給予控制權［8］。主設備將1 個輪回周期劃分4 個時間片，該輪回周期稱為“基本周期”，由周期相、監視相、事件相和保護相組成。主設備在周期相內輪詢周期數據。周期輪詢表的構成有如下幾點規則：通過特征周期對周期數據進行分類；在1 個循環中，把具有相同特征周期的周期性數據編成1 組，其組名用其特征周期為基本周期的倍數表示；1 個宏循環是由1 個宏周期內的所有循環組成，如果特征周期為1 ms時，則其為1 024 個基本周期［9］。在1 個基本周期中也可將監視相、事件相和保護相稱作偶發相，偶發相傳送的是監視數據和消息數據，處于2 個周期相之間。

2 MVB 數據實時監控和時序分析設計

2.1 MVB 數據實時采集功能

MVB 數據監控程序完成的功能主要為：嵌入式系統通過USB 讀取FPGA 解析好的MVB 數據，并轉換為十六進制，為后續存儲數據、處理數據和上位機觀察數據提供方便；嵌入式系統將轉碼后的MVB 數據存儲到以系統時間命名的文本文件中，方便后續數據時序分析程序進行數據分析以及停車離線檢修維護時的數據收集統計；將嵌入式系統和上位機設置為同一網段，嵌入式系統建立UDP 服務器端，將轉換后的MVB 鏈路層數據通過以太網接口發送至上位機；將數據讀取模塊、數據存儲模塊、數據轉發模塊設置為多線程，并通過信號量控制線程的運行順序以及線程間數據的同步與互斥問題。具體系統架構如圖1 所示。

圖1 系統架構

使用Linux 系統中基于libusb 庫的USB 文件系統的驅動開發，并將其應用到嵌入式系統中以提高程序開發效率。文中結合設備描述符、配置描述符、接口描述符和端點描述符的結構體，使用libusb 的API 函數，實現數據采集的功能。使用libusb 的API 接口函數從USB 讀出數據的流程如圖2 所示。

圖2 使用libusb 的API 函數讀取數據流程

另外，嵌入式系統通過USB 接口與FPGA 通信，傳輸鏈路層數據，為保證數據傳輸的實時性，對鏈路層數據傳輸時間進行分析計算。

通過分析計算，MVB 相鄰2 組主幀傳輸最短時間間隔為47 μs。因為在FPGA 端用于暫存1 組主從幀數據的RAM 容量為320 bits，為保證幀數據通過USB 傳輸的實時性，必須在47 μs 內將320 bits的數據傳輸完畢，則滿足要求的MVB 最小傳輸速率為6.8 Mbps。對文中設計的USB 模塊進行數據采集速率測試，經試驗測試求得數據采集模塊最大傳輸速率為26.7 Mbps，則該模塊滿足實時性要求。

2.2 MVB 鏈路層數據時序分析

MVB 數據時序分析程序完成的功能主要為：將存儲在文件中的MVB 數據讀出并進行整理；通過FPGA 封裝后的MVB 數據格式，進行MVB 幀數據的識別，通過F 代碼來判斷過程數據和基本周期，并跳過從幀數據；使用KMP 算法解析出MVB周期輪詢表，并將其保存到新的文件中。

（1）MVB 幀數據篩選和周期識別

MVB 報文經過FPGA 將其重新封裝后傳送至USB，其數據傳輸格式如圖3 所示。

圖3 USB 數據傳輸格式

由于數據在重新封裝過后具有固定的識別碼幀頭，所以程序對一維數組read_buffer 使用strstr（）函數檢測“55AADD”字符串首次出現的地址，將其值賦給指針p。可以根據主幀的第1 位數據F 代碼，即指針（p+8）的值來判斷其數據類型。另外，為防止從幀數據中也含有連續的“55AADD”的數據導致strstr（）函數誤識別為幀頭數據，程序在識別完一條報文并進行處理后會根據數據類型將指針p 跳過其從幀數據。而不同F 代碼的MVB 報文長度又不相同［10］，所以必須針對不同的F 代碼來判斷指針p 需要跳過的字符數。

本程序使用switch（）選擇語句，針對過程數據，對其主幀進行存儲后再跳過相應的字符數，反之不進行存儲直接跳過相應字符數。在跳過相應的字符數后，從指針p 的位置繼續使用strstr（）函數，來查找后續的幀頭，直到其返回為空值說明報文識別完畢。

此外，利用一維數組counter 記錄出現偶發相即非過程數據前的MVB 主幀的位置，以此來記錄不同的基本周期中存在的主幀數目。識別過程數據主幀和MVB 基本周期的流程如圖4 所示。

圖4 識別過程數據主幀和基本周期流程

（2）基于KMP 算法的周期輪詢表的解析

通過比較KMP 算法和暴風算法，文中選擇效率更高的KMP 算法。對于KMP 算法的應用，其可以延伸到計算一組字符串的最小循環節的問題。而計算MVB 周期輪詢表的本質就是計算MVB 過程數據的主幀數據的最小循環節。解析周期輪詢表流程如圖5 所示。

圖5 解析MVB 周期輪詢表流程

其中，通過將儲存在二維數組tmp 中的MVB過程數據的主幀數據依次存儲在1 個一維數組S中，對數組S 中的所有主幀數據進行一次遍歷，來生成1 個關于數組S 的next 數組；并利用關于next數組的KMP 算法定理來計算一維數組S 最小循環節長度，即一維的MVB 周期輪詢表的字符長度。

2.3 MVB 網絡鏈路狀態監視

由于列車運行環境復雜，導致網絡故障原因很多，為了確定故障原因，首先應該對網絡鏈路層數據進行采集和深度分析。文中選擇丟包率和鏈路利用率作為反映MVB 網絡鏈路狀態的參數。丟包率是指測試中所丟失數據包數量占所傳輸的總數據量比值。鏈路利用率是指特定時間間隔內鏈路利用時長占總時長的百分比，反映信道平均被占用程度。MVB 鏈路狀態量統計結構框圖如圖6所示，包括A 路解碼模塊、B 路解碼模塊和狀態統計模塊組成，根據不同的觸發信號對1.5 s 內的不同狀態量進行統計并保存。

圖6 MVB 鏈路狀態量統計

3 測試和驗證

為驗證MVB 數據實時采集功能能夠正常穩定運行，以及鏈路層數據時序分析程序功能的正確性，在實驗室環境下搭建測試平臺，并通過實車采集的數據進行了測試試驗。

3.1 MVB 數據實時采集功能驗證

該程序功能驗證試驗是在實驗室環境下，使用1 個主設備來發送主幀以及1 個從設備來響應該主幀，以此來模擬實際列車運行環境中MVB 總線上的數據情況。在總線上連接示波器觀察其主幀數據，與嵌入式系統讀到的數據和上位機接收到的數據做對比，以驗證該程序功能正確實現。

該試驗平臺的實際搭建圖如圖7 所示。其中，主設備使用中央控制單元CCU，從設備為標準UIC 網關，嵌入式板卡鑲嵌在MVB 協議分析裝置上，嵌入式的宿主機和其上位機為同一臺個人電腦。

圖7 實際測試平臺

從示波器中收到的MVB 波形數據如圖8 所示，通過該波形可以讀出主幀為“44 45”，而從幀數據為“00 01 00 01 01 69 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00”，其經過FPGA 封裝過后為的數據為“55 AA DD 22 44 45 00 01 00 01 01 69 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00”。

圖8 MVB 物理波形

（1）MVB 數據采集功能驗證

為了驗證程序通過USB 接口正確的采集到FPGA 封裝好的數據，在程序中添加打印語句，在每次轉碼后都打印出轉碼后的數據，與FPGA 中讀到的數據做比對，即驗證該程序數據采集功能能否成功采集數據。嵌入式系統打印出讀到的數據并顯示在超級終端上如圖9 所示，與上述示波器中顯示的主幀數據和從幀數據一致。

圖9 讀取的數據

（2）數據流實時性驗證

對于數據流實時性的驗證，通過在上位機系統中使用Wireshark 軟件對嵌入式系統發送的數據進行抓包，并對這些數據的時間進行分析，計算出其具體時延，以確定整個數據流的實時性。將整個數據讀取、存儲和轉發設置為有限的50 次循環，查看Wireshark 抓包的時間與上次抓包的時間間隔，統計該時間間隔的平均值，以驗證其符合實時性要求。使用Wireshark 軟件抓包的結果如圖10 所示，其總共抓取了50 次。

圖1 0 Wireshark 軟件抓包

3.2 鏈路層數據時序分析功能驗證

試驗使用列車實際運行過程中采集并經過FPGA 封裝后的一段數據來對該程序功能進行驗證。首先我們先人工分析該段數據中主幀、基本周期和周期輪詢表，之后與程序分析出的各數據進行比較，以驗證該程序各功能的正確性。

該數據中1 個宏周期的MVB 鏈路層數據如圖11 所示，其中藍色標注為每個數據幀的幀頭，波浪下劃線的部分為過程數據報文；紅色標注為過程數據的主幀，雙下劃線的部分為非過程數據報文。

算例所形成的MVB 周期輪詢表如圖12所示。

圖1 2 周期輪詢表結果

圖1 1 宏周期數據分析

（1）過程數據主幀與基本周期的識別功能驗證

該功能的驗證方法是對讀取到主幀數據的二維數組tmp 進行打印，以及計數器counter 記錄到基本周期數據之間的斷點時，在超級終端中的換行輸出。運行數據分析程序后超級終端的打印信息如圖13 所示，由圖13 可知該程序成功識別了6 個宏周期中所有過程數據的主幀，且基本周期的拆分也完全正確，此試驗驗證了該功能的可實現性。

圖1 3 過程數據主幀和基本周期識別

（2）MVB 網絡鏈路狀態監視功能

選取丟包率作為反映鏈路狀態指標，取正常通信，串聯阻抗20、50、100、200 Ω，間歇性斷路等6種工況下1 000 組丟包率特征量指標，取均值后做歸一化處理。隨著串聯阻抗增大，物理層波形惡化愈加嚴重，丟包率也有明顯的增大趨勢如圖14所示。由此表明，該功能能夠準確反映MVB 網絡鏈路狀態，為MVB 故障排查提供依據。

圖1 4 不同工況丟包率統計圖

4 結 論

為保障MVB 數據傳輸的可靠性和實時性，文中設計了對總線信號不會造成影響的基于嵌入式的MVB 數據監視軟件及數據分析軟件，實現了對總線數據的實時監控以及時序分析。文中所設計的程序能夠為故障分析提供直觀可靠的支持，對相關故障預測與診斷具有一定借鑒意義。