基于STM32 的MVB-CAN 通信網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙 科

（大連交通大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，大連116028）

隨著車(chē)載通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展以及應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，用戶對(duì)其開(kāi)放性、靈活性以及開(kāi)發(fā)與應(yīng)用多樣性等方面都提出了更高的要求，使得具有不同特點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不斷被引入列車(chē)總線網(wǎng)絡(luò)，這樣就不可避免地會(huì)發(fā)生不同總線之間的數(shù)據(jù)交換與傳輸，而如何有效地實(shí)現(xiàn)這些總線之間的數(shù)據(jù)通信，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。MVB 是專(zhuān)門(mén)針對(duì)列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)而開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，具有實(shí)時(shí)性好、通信速率高等特點(diǎn)[1]。MVB 總線技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)成熟，但在國(guó)內(nèi)還有待提高，這就直接導(dǎo)致國(guó)外廠家長(zhǎng)期壟斷了MVB 網(wǎng)關(guān)以及其他MVB 總線設(shè)備的龐大市場(chǎng)，使得國(guó)內(nèi)使用MVB 總線設(shè)備的成本較高。而對(duì)于CAN 總線技術(shù)的研究與應(yīng)用在國(guó)內(nèi)已經(jīng)很成熟，CAN 總線技術(shù)以其突出的可靠性、 實(shí)時(shí)性、靈活性以及極高的性價(jià)比等特點(diǎn)[2]，使其在鐵路上得到了越來(lái)越廣泛的使用。且CAN 總線技術(shù)開(kāi)發(fā)相對(duì)容易，成本低，周期短，因此國(guó)內(nèi)在一些高速列車(chē)車(chē)載設(shè)備的研發(fā)中僅使用了CAN 接口技術(shù)，如一些廠商開(kāi)發(fā)的PIS（passenger information system）系統(tǒng)、ATP（automatic train protection）系統(tǒng)、GPS（global positioning system）設(shè)備以及煙火探測(cè)器等，這些設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中都需要接入MVB 車(chē)輛總線，就存在MVB 總線和CAN 總線數(shù)據(jù)的交換問(wèn)題。因此，本文開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)新穎、可靠性高、靈活性強(qiáng)的車(chē)載MVB-CAN 通信網(wǎng)關(guān)，用于組建CAN 總線和MVB 總線共同組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，解決了帶有CAN 接口的車(chē)載設(shè)備與列車(chē)MVB 網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通問(wèn)題，推動(dòng)了我國(guó)列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。

1 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

1.1 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由CPU 板卡、MVB通信網(wǎng)卡、電源板卡、機(jī)箱、網(wǎng)絡(luò)連接器及線纜等組成。網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)符合IEC61375、ISO14229、EN50121-1、EN50155、TB/T1333.1-2002 TB/T 1333.1-2002 等 規(guī)范，具有良好電磁兼容性、擴(kuò)展性、可移植性和可維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以插入標(biāo)準(zhǔn)的3U 機(jī)箱，也可以設(shè)計(jì)成盒式結(jié)構(gòu)，方便機(jī)架安裝及攜帶。機(jī)箱或盒式結(jié)構(gòu)均采用U 型鋁材并經(jīng)過(guò)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(shè)置了安全接地。板卡設(shè)計(jì)均采用3U 結(jié)構(gòu)，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(hù)。CPU 主板還保留了背板連接器，方便與3U 機(jī)箱背板連接。各連接器均采用專(zhuān)用連接器，保證連接可靠，及外殼均通過(guò)電容接地。

圖1 MVB-CAN 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Design of MVB-CAN gateway structure

1.2 網(wǎng)關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)如圖2 所示，由CPU 板卡通過(guò)PC/104 接口對(duì)MVB 通信網(wǎng)卡中的總線控制器MVBC 進(jìn)行配置，總線控制器MVBC 通過(guò)總線收發(fā)管理器MAX3485、隔離變壓器T60403-Y4021-X123與MVB 通信介質(zhì)相連，進(jìn)行MVB 數(shù)據(jù)收發(fā)；由CPU 板卡通過(guò)內(nèi)部總線控制CAN 控制器，再通過(guò)CAN 收發(fā)器與CAN 通信介質(zhì)相連，進(jìn)行CAN 數(shù)據(jù)收發(fā)；CPU 板卡中主控制器CPU 實(shí)現(xiàn)MVB 和CAN兩種總線數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)。CPU 通過(guò)CPLD 時(shí)序控制對(duì)PC/104 接口進(jìn)行I/O 模式訪問(wèn)，CPU 與PC/104 之間設(shè)計(jì)了電平轉(zhuǎn)換電路。電源板卡實(shí)現(xiàn)車(chē)輛110 V 直流電轉(zhuǎn)換為直流5 V，為CPU 板卡和MVB 通信板卡提供穩(wěn)定可靠的電源。

圖2 MVB-CAN 網(wǎng)關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)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(tǒng)電路模塊（存儲(chǔ)器擴(kuò)展、復(fù)位電路、看門(mén)狗電路和JTAG 接口）、通信功能電路模塊、狀態(tài)指示電路模塊、PC/104 接口電路模塊（CPLD 時(shí)序控制和電平轉(zhuǎn)換）、擴(kuò)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(nèi)核為CortexTM-M3 架構(gòu)[4]，主頻高達(dá)120 MHz，帶有片上存儲(chǔ)器，包括1 MB 的Flash存儲(chǔ)器和容量為128 KB 的系統(tǒng)SRAM 以及高達(dá)4 KB 的備用SRAM，能夠滿足絕大部分應(yīng)用需求。但考慮到網(wǎng)關(guān)的快速、實(shí)時(shí)及可靠等性能要求以及數(shù)據(jù)量比較大，在STM32F207 芯片外圍通過(guò)FSMC 總線進(jìn)行SRAM、NandFlash 和E2PROM 存儲(chǔ)擴(kuò)展。CPU 板卡上設(shè)計(jì)了開(kāi)發(fā)網(wǎng)關(guān)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(wǎng)通信電路。RS-232 電路及以太網(wǎng)電路可以完成串行數(shù)據(jù)通信和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信功能，用來(lái)實(shí)現(xiàn)MVB-CAN 網(wǎng)關(guān)的調(diào)試以及系統(tǒng)維護(hù)、 升級(jí)等功能。CAN 總線通信電路由CAN 總線控制器、CAN 總線收發(fā)器和CAN 總線接口組成，完成CAN 數(shù)據(jù)的收發(fā)。由于STM32F207 控制器芯片本身集成了專(zhuān)門(mén)的CAN 總線控制器，支持CAN 2.0B 協(xié)議通信，CAN收發(fā)器采用ANALOG DEVICES 公司的符合ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)的ADM3053BRWZ 芯片，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1 Mbps，直流5 V 電源供電。CAN 總線收發(fā)器提高了總線驅(qū)動(dòng)能力，具有高頻干擾信號(hào)抑制作用，EMC 滿足EN50155 標(biāo)準(zhǔn)[5]。

因篇幅所限，各模塊電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中充分考慮了電磁兼容性設(shè)計(jì)。

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

1.2.2 MVB 通信網(wǎng)卡

MVB 通信網(wǎng)卡由CPU 主控模塊、MVB 協(xié)議控制器、通信存儲(chǔ)器、雙通道冗余的收發(fā)管理器等組成?？梢詫?shí)現(xiàn)MVB 主動(dòng)式網(wǎng)卡的全部功能，可進(jìn)行3 種數(shù)據(jù)通信并可作為總線管理器。網(wǎng)卡與CPU 板卡的數(shù)據(jù)通信采用PC/104 并行總線接口。在本文的MVB-CAN 通信網(wǎng)關(guān)測(cè)試中MVB 網(wǎng)卡工作在從模式，由STM32F207 微控制器芯片通過(guò)PC/104 總線進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)與MVB 總線間的通信任務(wù)。網(wǎng)卡處理器采用AT91R40008 微控制器，再加上外圍時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、擴(kuò)展存儲(chǔ)電路、電源電路等，共同組成了MVB 通信網(wǎng)卡的CPU 主控模塊。MVB 網(wǎng)卡處理器AT91R40008 外圍電路的設(shè)計(jì)與CPU 板卡上STM32F207ZGT6 芯片的外圍電路設(shè)計(jì)很類(lèi)似，在此不再贅述。MVB 網(wǎng)卡和軟件功能滿足MVB 的1 類(lèi)、2 類(lèi)、3 類(lèi)、4 類(lèi)設(shè)備的功能要求，電氣接口上能提供ESD+、EMD、OGF 等總線接口，并實(shí)現(xiàn)介質(zhì)冗余功能[6]。

1.2.3 電源板卡

網(wǎng)關(guān)使用列車(chē)上110 V 直流供電，故設(shè)計(jì)了直流110 V 轉(zhuǎn)直流5 V 的電源板卡。該電源板卡通過(guò)PC/104 連接器為CPU 板卡和MVB 通信網(wǎng)卡供電。該電源板卡采用了PWR-CFD10-110S05 電源模塊，此模塊專(zhuān)為鐵路應(yīng)用而研發(fā)的小型化DC-DC 轉(zhuǎn)換模塊，滿足鐵路設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，輸入輸出都添加了隔離保護(hù)，短路保護(hù)以及具有自恢復(fù)功能，輸出功率可達(dá)到10 W。為了有效降低對(duì)電源電路的干擾，提高電源的可靠性，該電源板卡設(shè)計(jì)中采用了輸入防雷擊浪涌保護(hù)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(wěn)壓電路等。經(jīng)電磁兼容試驗(yàn)，此板卡滿足浪涌（沖擊）抗擾度英標(biāo)RIA12 標(biāo)準(zhǔn)、 電快速脈沖群抗擾度GB/T17626.4 3 級(jí)、電源電壓變化和中斷GB/T25119 A級(jí)、EMI 傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)GB9254 A 級(jí)、沖擊振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T21563 1 類(lèi)B 級(jí)等要求。

2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)軟件功能包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件主要有引導(dǎo)程序、操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)。應(yīng)用程序主要對(duì)各個(gè)接口電路及板卡進(jìn)行初始化設(shè)置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。

MVB-CAN 網(wǎng)關(guān)軟件程序流程如圖4 所示，程序運(yùn)行流程為網(wǎng)關(guān)上電后，加載引導(dǎo)程序（Bootloader），引導(dǎo)系統(tǒng)啟動(dòng)，完成后加載μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)內(nèi)核，內(nèi)核啟動(dòng)后加載文件系統(tǒng)，最后調(diào)用網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序。

圖4 MVB-CAN 網(wǎng)關(guān)程序流程Fig.4 Flow chart of MVB-CAN gateway program

網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序首先進(jìn)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(chuàng)建線程數(shù)據(jù)共享區(qū)，創(chuàng)建共享區(qū)互斥量，然后執(zhí)行CAN 收發(fā)線程和MVB 收發(fā)線程，循環(huán)掃描CAN 和MVB 的源端口與宿端口，當(dāng)掃描到相關(guān)端口有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)則執(zhí)行相關(guān)通信線程中的應(yīng)用程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，并在主程序的控制下通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)MVB 總線數(shù)據(jù)和CAN 總線數(shù)據(jù)通信的功能。

MVB 數(shù)據(jù)接收到CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程： 首先執(zhí)行MVB 接收線程，接收MVB 總線數(shù)據(jù)，獲取MVBCAN 數(shù)據(jù)共享區(qū)互斥，更新MVB 接收數(shù)據(jù)到MVBCAN 數(shù)據(jù)共享區(qū)，釋放MVB-CAN 數(shù)據(jù)共享區(qū)互斥。接下來(lái)執(zhí)行CAN 發(fā)送線程，獲取MVB-CAN 數(shù)據(jù)共享區(qū)互斥，更新MVB-CAN 共享區(qū)數(shù)據(jù)到CAN發(fā)送區(qū)，釋放MVB-CAN 數(shù)據(jù)共享區(qū)互斥，配置CAN 標(biāo)識(shí)，將發(fā)送數(shù)據(jù)放入發(fā)送緩沖區(qū)，調(diào)用CAN發(fā)送函數(shù)，發(fā)送CAN 數(shù)據(jù)。

CAN 數(shù)據(jù)接收到MVB 數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程： 首先執(zhí)行CAN 接收線程，調(diào)用CAN 接收函數(shù)，接收CAN總線數(shù)據(jù)，獲取CAN-MVB 數(shù)據(jù)共享區(qū)互斥，更新CAN接收數(shù)據(jù)到CAN-MVB 數(shù)據(jù)共享區(qū)，釋放CAN-MVB數(shù)據(jù)共享區(qū)互斥。接下來(lái)執(zhí)行MVB 發(fā)送線程，獲取CAN-MVB 數(shù)據(jù)共享區(qū)互斥，更新CAN-MVB 共享區(qū)數(shù)據(jù)到MVB 發(fā)送區(qū)，釋放CAN-MVB 數(shù)據(jù)共享區(qū)互斥，配置MVB 標(biāo)識(shí)及變量，將發(fā)送數(shù)據(jù)放入發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送MVB 數(shù)據(jù)。

3 網(wǎng)關(guān)通信測(cè)試

搭建如圖5 所示的MVB-CAN 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試MVB 總線和CAN 總線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。其中司控臺(tái)、VCU 控制器和HMI 顯示屏模擬列車(chē)MVB網(wǎng)絡(luò)通信，通過(guò)MVB 屏蔽線纜連接。MVB-CAN 網(wǎng)關(guān)通過(guò)MVB 接口接入MVB 網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò)CAN 接口接入CAN 通信網(wǎng)絡(luò)。CAN 總線側(cè)接入裝有PCI-CAN卡的工控機(jī)，模擬具有CAN 接口的車(chē)載設(shè)備。在工控機(jī)上開(kāi)發(fā)CAN2.0 通信應(yīng)用程序，當(dāng)PCI-CAN 板卡上電后，系統(tǒng)加載程序引導(dǎo)應(yīng)用程序啟動(dòng)后，首先對(duì)PCI-CAN 板卡的CAN1 和CAN2 接口以及通信數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行初始化、 波特率和超時(shí)時(shí)間配置，配置完成之后，板卡進(jìn)入工作模式，主程序能夠?qū)崿F(xiàn)CAN2.0 通信數(shù)據(jù)收發(fā)工作，從而實(shí)現(xiàn)PCICAN 板卡的CAN2.0 數(shù)據(jù)通信的功能。

圖5 MVB-CAN 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試平臺(tái)Fig.5 MVB-CAN network communication test platform

MVB 到CAN 的通信測(cè)試?yán)蹋?操作司控臺(tái)發(fā)出司機(jī)室激活信號(hào)、1 號(hào)車(chē)門(mén)開(kāi)信號(hào)和空調(diào)制暖信號(hào)，經(jīng)過(guò)VCU 控制器，HMI 顯示屏?xí)@示相應(yīng)的信息，通過(guò)MVB-CAN 網(wǎng)關(guān)，在工控機(jī)上通過(guò)PCI-CAN板卡數(shù)據(jù)接收程序，接收數(shù)據(jù)如圖6 所示。通過(guò)分析數(shù)據(jù)流并進(jìn)“00000001”，對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制為“01”；當(dāng)在司機(jī)室激活時(shí)發(fā)送門(mén)開(kāi)信號(hào)，第一字節(jié)的第一位和第二位發(fā)生跳變，二進(jìn)制數(shù)據(jù)為“00000011”，對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制“03”；當(dāng)在司機(jī)室激活時(shí)發(fā)送空調(diào)制暖信號(hào)，第一字節(jié)的第一位和第三位發(fā)生跳變，二進(jìn)制數(shù)據(jù)為“00000101”，對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制為“05”。驗(yàn)證了MVB 數(shù)據(jù)到CAN 數(shù)據(jù)的正確轉(zhuǎn)換與傳輸。相反，當(dāng)PCI-CAN工控機(jī)發(fā)送CAN 數(shù)據(jù)“03”，通過(guò)MVB-CAN 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)組VB 總線上，并通過(guò)HMI 顯示屏顯示司機(jī)室激活及1 號(hào)車(chē)門(mén)打開(kāi)，如圖7 所示，驗(yàn)證了CAN 數(shù)據(jù)到MVB 數(shù)據(jù)的正確轉(zhuǎn)換與傳輸。

圖6 CAN 接收數(shù)據(jù)Fig.6 CAN receiving data

圖7 MVB 接收數(shù)據(jù)Fig.7 MVB receiving data

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款MVB-CAN 網(wǎng)關(guān)設(shè)備，用于MVB 總線和CAN 總線的雙向數(shù)據(jù)通信，并通過(guò)MVB-CAN 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試平臺(tái)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明該設(shè)備可以實(shí)時(shí)、可靠地完成數(shù)據(jù)通信和轉(zhuǎn)換，解決了在列車(chē)通信異構(gòu)組網(wǎng)中MVB總線和CAN 總線的數(shù)據(jù)通信問(wèn)題，推動(dòng)了我國(guó)列車(chē)車(chē)載設(shè)備的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。