MVB-CAN網(wǎng)關(guān)設(shè)計

趙 科

(大連交通大學電氣信息工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著車載通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，用戶對其開放性、靈活性及應(yīng)用多樣性等方面提出了更高的要求，使得具有不同特點的現(xiàn)場總線被引入列車總線網(wǎng)絡(luò)。如何有效地實現(xiàn)總線間的數(shù)據(jù)通信正成為研究的熱點。

多功能車輛總線(multifunction vehicle bus，MVB)是針對列車網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)的專用網(wǎng)絡(luò)，具有實時性好、通信速率高等特點[1]。但國外長期壟斷MVB網(wǎng)關(guān)及其他MVB總線設(shè)備的市場，使得MVB總線設(shè)備成本較高[2]?？刂破骶钟蚓W(wǎng)絡(luò)(controller area network，CAN)總線具有極高的可靠性、實時性及性價比等特點[3]，且國內(nèi)對CAN總線的應(yīng)用較成熟，使其應(yīng)用在鐵路上得到專注。CAN總線接入MVB車輛總線存在數(shù)據(jù)交換問題，故設(shè)計靠性高、實時性好的MVB-CAN網(wǎng)關(guān)，組建CAN總線和MVB總線的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，可解決CAN接口的設(shè)備與列車MVB網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通問題，推動國內(nèi)列車通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

1 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

1.1 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計

MVB-CAN網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。設(shè)備主要由CPU板卡、MVB通信網(wǎng)卡、電源板卡、機箱、網(wǎng)絡(luò)連接器及線纜等組成。

圖1 MVB-CAN網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)關(guān)設(shè)計符合IEC 61375、ISO 14229、EN 50121-1、EN 50155、TB/T 1333.1-2002、TB/T 1333.1-2002等規(guī)范，具有良好電磁兼容性、擴展性、可移植性和可維護性等優(yōu)點。網(wǎng)關(guān)設(shè)備既可以插入標準的3U機箱，也可以設(shè)計成盒式結(jié)構(gòu)，方便機架安裝及攜帶。機箱或盒式結(jié)構(gòu)均采用U型鋁材并經(jīng)過氧化處理[4]。為了提高電磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)性，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。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，外殼均通過電容接地。

1.2 網(wǎng)關(guān)硬件電路設(shè)計

由CPU板卡通過PC/104接口對MVB通信網(wǎng)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(fā)管理器MAX3485、隔離變壓器T60403-Y4021-X123與MVB通信介質(zhì)相連，進行MVB數(shù)據(jù)收發(fā)；由CPU板卡通過內(nèi)部總線控制CAN控制器，再通過CAN收發(fā)器與CAN通信介質(zhì)相連，進行CAN數(shù)據(jù)收發(fā)；CPU板卡中主控制器CPU實現(xiàn)MVB和CAN兩種總線數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)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(shè)計了電平轉(zhuǎn)換電路。電源板卡車輛110 V直流電轉(zhuǎn)換為直流5 V，從而為CPU板卡和MVB通信板卡提供穩(wěn)定可靠的電源。MVB-CAN網(wǎng)關(guān)硬件電路如圖2所示。

圖2 MVB-CAN網(wǎng)關(guān)硬件電路圖

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(存儲器擴展、復(fù)位電路、看門狗電路和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(時序控制和電平轉(zhuǎn)換)、擴展功能模塊(背板連接器)及板卡供電電路模塊[5]。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)[6]，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(tǒng)SRAM以及高達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、實時及可靠等性能要求，以及數(shù)據(jù)量比較大，在STM32F207芯片外圍通過FSMC總線進行SRAM、NandFlash和EEPROM存儲擴展。CPU板卡上設(shè)計了開發(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，用來實現(xiàn)MVB-CAN網(wǎng)關(guān)的調(diào)試以及系統(tǒng)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(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門的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標準的ADM3053BRWZ芯片。該芯片數(shù)據(jù)傳輸速率高達1 Mbit/s，直流5 V電源供電。CAN總線收發(fā)器提高了總線驅(qū)動能力，具有高頻干擾信號抑制作用，EMC滿足 EN 50155標準[7]。

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、通信存儲器、雙通道冗余的收發(fā)管理器等組成，可以實現(xiàn)MVB主動式網(wǎng)卡的全部功能。網(wǎng)卡與CPU板卡的數(shù)據(jù)通信采用PC/104并行總線接口。在本文設(shè)計的MVB-CAN通信網(wǎng)關(guān)測試中，MVB網(wǎng)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(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，再加上外圍時鐘電路、復(fù)位電路、擴展存儲電路、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)計與CPU板卡上STM32F207ZGT6芯片的外圍電路設(shè)計類似，在此不再贅述。MVB網(wǎng)卡和軟件功能滿足MVB的1類、2類、3類、4類設(shè)備的功能要求，電氣接口能提供ESD+、EMD、OGF 等總線接口，并實現(xiàn)介質(zhì)冗余功能[8]。

1.2.3 電源板卡

網(wǎng)關(guān)使用列車上110 V直流供電，故設(shè)計了直流110 V轉(zhuǎn)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(wǎng)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(yīng)用而研發(fā)的小型化DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，滿足鐵路設(shè)備標準，輸入輸出都添加了隔離保護，短路保護以及具有自恢復(fù)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(shè)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(wěn)壓電路等。經(jīng)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/T 25119 A級、EMI傳導試驗 GB 9254 A級、沖擊振動標準 GB/T21563 1類B級等要求。

2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

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

MVB-CAN網(wǎng)關(guān)程序流程圖如圖3所示。

圖3 MVB-CAN網(wǎng)關(guān)程序流程圖

程序運行流程為：網(wǎng)關(guān)上電后，加載引導程序(Bootloader)，引導系統(tǒng)啟動，完成后加載μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)內(nèi)核[9]，內(nèi)核啟動后加載文件系統(tǒng)，最后調(diào)用網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序。

網(wǎng)關(guān)應(yīng)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(chuàng)建線程數(shù)據(jù)共享區(qū)，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。當掃描到相關(guān)端口有數(shù)據(jù)到達時，則執(zhí)行相關(guān)通信線程中的應(yīng)用程序，進行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，并在主程序的控制下通過數(shù)據(jù)存儲區(qū)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，從而實現(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)送過程如下。首先，執(zhí)行MVB接收線程，接收MVB總線數(shù)據(jù)，獲取MVB-CAN數(shù)據(jù)共享區(qū)互斥，更新MVB接收數(shù)據(jù)和MVB-CAN數(shù)據(jù)共享區(qū)，釋放MVB-CAN數(shù)據(jù)共享區(qū)互斥。接著，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標志，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。接著執(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標志及變量，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)通信測試

MVB-CAN網(wǎng)關(guān)測試平臺如圖4所示。

圖4 MVB-CAN網(wǎng)關(guān)測試平臺

測試MVB總線和CAN總線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。其中，司控臺、VCU控制器和HMI顯示屏模擬列車MVB網(wǎng)絡(luò)通信，通過MVB屏蔽線纜連接。MVB-CAN網(wǎng)關(guān)通過MVB接口接入MVB網(wǎng)絡(luò)，再通過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，模擬具有CAN接口的車載設(shè)備。在工控機上開發(fā)CAN2.0通信應(yīng)用程序。當PCI-CAN板卡上電后，系統(tǒng)加載程序引導應(yīng)用程序啟動后，首先對PCI-CAN板卡的CAN1和CAN2接口以及通信數(shù)據(jù)存儲區(qū)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?qū)崿F(xiàn)CAN2.0通信數(shù)據(jù)收發(fā)、PCI-CAN板卡的CAN2.0數(shù)據(jù)通信的功能。

MVB到CAN的通信測試例程為：操作司控臺發(fā)出司機室激活信號1號車門開信號和空調(diào)制暖信號，經(jīng)過VCU控制器，HMI顯示屏會顯示相應(yīng)的信息，通過MVB-CAN網(wǎng)關(guān)。在工控機上通過PCI-CAN板卡數(shù)據(jù)接收程序，接收到CAN數(shù)據(jù)。通過分析數(shù)據(jù)流并進行解析，當MVB發(fā)送司機室激活信號時第一字節(jié)的第一位發(fā)生跳變，二進制為“00000001”，對應(yīng)十六進制為“01”；當在司機室激活時發(fā)送門開信號，第一字節(jié)的第一位和第二位發(fā)生跳變，二進制數(shù)據(jù)為“0000 0011”，對應(yīng)十六進制“03”；當在司機室激活時發(fā)送空調(diào)制暖信號，第一字節(jié)的第一位和第三位發(fā)生跳變，二進制數(shù)據(jù)為“00000101”，對應(yīng)十六進制為“05”。驗證了MVB數(shù)據(jù)到CAN數(shù)據(jù)的正確轉(zhuǎn)換與傳輸。相反，當PCI-CAN工控機發(fā)送CAN數(shù)據(jù)“03”，通過MVB-CAN網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)組VB總線上，并通過HMI顯示屏顯示司機室激活及1號車門打開，驗證了CAN數(shù)據(jù)和MVB數(shù)據(jù)的正確轉(zhuǎn)換與傳輸。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款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MVB-CAN網(wǎng)絡(luò)通信測試平臺對該設(shè)備進行系統(tǒng)測試。測試結(jié)果表明該設(shè)備可以實時、可靠地完成數(shù)據(jù)通信和轉(zhuǎn)換，解決了在列車通信異構(gòu)組網(wǎng)中MVB總線和CAN總線的數(shù)據(jù)通信問題，推動了我國列車車載設(shè)備的開發(fā)進程。