多功能列車車輛總線通信網(wǎng)關(guān)研究

孟博洋，武方達，郭 浩

（1.中國礦業(yè)大學（北京），北京 100083；2.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

鐵路交通的發(fā)展對于國家經(jīng)濟來說有著極其重要的戰(zhàn)略地位。近年來，國外對于多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB）的通信網(wǎng)關(guān)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)成熟，如瑞士Duagon 公司開發(fā)了一系列多功能車輛總線MVB 的網(wǎng)卡和I/O 設備等[1]。目前，我國高度重視并加強對MVB 網(wǎng)關(guān)技術(shù)的研究，取得了諸多成果，然而，不可否認的是國內(nèi)市場中大部分MVB 網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品仍然由國外的相關(guān)技術(shù)占領(lǐng)，且由于國外技術(shù)封鎖、市場壟斷，所以現(xiàn)階段國內(nèi)MVB 網(wǎng)關(guān)和國外相比仍存在一定差距。

文中針對MVB、CAN、UART 3 種總線協(xié)議，設計出一款基于自主化核心控制芯片的多功能車輛總線通信網(wǎng)關(guān)，完成了MVB、CAN、UART 3 種網(wǎng)絡的組網(wǎng)設計，實現(xiàn)了MVB 總線與CAN、UART 兩種總線的數(shù)據(jù)交換，從而推動我國MVB 網(wǎng)關(guān)技術(shù)的研究進度。該設計中使用的自主化核心控制芯片是由中國通號設計并實現(xiàn)的多功能車輛總線控制器芯片（以下簡稱MVB 芯片），該芯片在設計上完全遵循IEC61375 協(xié)議，是國內(nèi)首顆通過IEC61375 協(xié)議一致性認證的自主芯片，可與其他遵循該協(xié)議的設備互聯(lián)互通，可應用于高速鐵路、普速鐵路、城際鐵路及地鐵線路中[2]。

1 車輛總線及網(wǎng)關(guān)功能

1.1 車輛總線MVB通信協(xié)議

列車通信網(wǎng)絡（Train Communication Network，TCN）是安裝在列車上的計算機局域網(wǎng)絡系統(tǒng)[3]，它集計算機技術(shù)、網(wǎng)絡控制技術(shù)、系統(tǒng)故障診斷技術(shù)等多種技術(shù)為一體，負責采集與傳遞列車信息、對車載設備進行控制、監(jiān)測、故障分析以及為旅客提供信息服務[4]。IEC61375-1 將TCN 劃分為絞線式列車總線（Wire Train Bus，WTB）和多功能車輛總線（MVB）[5]。WTB 是用于列車車輛間的總線，而文中研究的MVB 總線則是列車車廂內(nèi)部眾多車載設備之間進行數(shù)據(jù)交換的總線[6]。

MVB 是一種串行數(shù)據(jù)通信總線，其傳輸速率可達1.5 Mbit/s[7]，可連接多達4 095 個簡單傳感器/執(zhí)行器，為各類車載設備提供了標準的通信接口，在軌道車輛上應用廣泛。

MVB 物理層有ESD（短距離電傳輸介質(zhì)）、EMD（中距離電傳輸介質(zhì)）、OGF（光線介質(zhì)）3種傳輸介質(zhì)[8]。MVB 總線由一個或多個總線段構(gòu)成，每個總線段又分為若干段，每段可由上述傳輸介質(zhì)中的一種擔任。

在MVB 總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀可分為主幀和從幀。主幀由主設備發(fā)送，從幀由從設備發(fā)送。主設備發(fā)送主幀后，從設備響應該主幀并發(fā)送相應的從幀，這樣的主幀和從幀就構(gòu)成了一條報文[9]。一條有效的數(shù)據(jù)幀包括起始位、主幀或從幀的起始分界符和終止分界符、一個或多個8 位CRC 序列、主幀或從幀的幀數(shù)據(jù)[10]。

1.2 網(wǎng)關(guān)相關(guān)的通信協(xié)議

CAN 通信協(xié)議包含5 種幀類型，分別為數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯誤幀、過載幀、幀間隔[11]。另外，數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標準格式和擴展格式兩種格式。標準格式有11 個位的標識符，擴展格式有29 個位的ID。數(shù)據(jù)幀一般由7 個段構(gòu)成。

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）串口通信協(xié)議使用的是異步，串行通信。串行通信指的是利用簡單的一條線纜將數(shù)據(jù)一位一位的按順序傳輸，異步通信指的是傳輸?shù)膯挝粸橐粋€字符。在設計中，STM32 開發(fā)板自帶的電平轉(zhuǎn)換器SP3232，使UART 用于RS232 通信。

1.3 網(wǎng)關(guān)的功能

設計的網(wǎng)關(guān)是一種基于多功能車輛總線自主化核心控制芯片的網(wǎng)關(guān)，可同時完成MVB 協(xié)議與CAN/UART 兩種協(xié)議之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。對比傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，現(xiàn)研究的新型網(wǎng)關(guān)的通信網(wǎng)絡模型如圖1 所示。該網(wǎng)關(guān)可以同時掛載具有CAN 接口、RS232 接口的車輛設備，從而減輕MVB 總線負載的壓力，節(jié)省網(wǎng)關(guān)設備，提高列車通信效率。

圖1 網(wǎng)關(guān)通信網(wǎng)絡模型對比圖

2 網(wǎng)關(guān)架構(gòu)及硬件設計

2.1 網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

MVB 通信網(wǎng)關(guān)總體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 MVB通信網(wǎng)關(guān)總體架構(gòu)圖

2.2 硬件系統(tǒng)開發(fā)

網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)主要由MVB 通信網(wǎng)關(guān)板卡、STM32H743 微控制器、電源板卡、網(wǎng)絡連接器及線纜等組成，如圖3 所示。一方面，MVB 通信網(wǎng)關(guān)板卡通過FMSC 接口控制MVB 芯片，MVB 芯片通過MVB總線收發(fā)器管理MVB 總線數(shù)據(jù)的收發(fā)；另一方面，該板卡自帶FDCAN 控制器，通過TJA1050 與CAN 通信介質(zhì)相連，進行CAN 數(shù)據(jù)的收發(fā)，串口收發(fā)器采用STM32H743 自帶的SP3232 芯片，該芯片能實現(xiàn)TTL 電平與RS232 電平的串口信號轉(zhuǎn)換；MVB 通信網(wǎng)關(guān)板卡中主控制器CPU 分別實現(xiàn)MVB 和CAN、UART 兩種總線間的數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換和存儲。電源板卡實現(xiàn)車輛110 V 直流電轉(zhuǎn)換為直流5 V，為MVB 通信網(wǎng)關(guān)板卡和MVB 芯片提供穩(wěn)定可靠的電源[12]。

另外，由中國通號自主研發(fā)的MVB 芯片是國內(nèi)首顆通過IEC6175 協(xié)議一致性認可的自主芯片，也是國內(nèi)首顆應用在高鐵、城軌列車信號控制系統(tǒng)上的核心控制芯片。它具有體積小、重量輕、集成度高、利于網(wǎng)絡的組件安裝等優(yōu)點，是作為MVB 總線控制器的最佳選擇，有利于進行組網(wǎng)規(guī)劃、便于組件安裝[13]。

該網(wǎng)關(guān)在Windows 系統(tǒng)下進行開發(fā)，軟件開發(fā)環(huán)境為keil uVision5。文中的試驗平臺主要由阿波羅STM32 開發(fā)板的底板、STM32H743 核心板、自主化MVB 芯片組成。通信測試前，先將MVB 芯片和STM32H743 開發(fā)板之間進行物理連線，然后通過ST_LINK 將程序下載至開發(fā)板。

3 網(wǎng)關(guān)功能的實現(xiàn)

3.1 網(wǎng)關(guān)軟件執(zhí)行流程

網(wǎng)關(guān)軟件的程序執(zhí)行流程如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)程序執(zhí)行流程圖

開始工作時，系統(tǒng)啟動引導程序，對所有硬件進行初始化并啟動操作系統(tǒng)內(nèi)核，對CAN 接口模塊及驅(qū)動芯片、UART 接口模塊及驅(qū)動芯片、MVB 芯片進行初始化[14]。CAN 數(shù)據(jù)報文在緩沖區(qū)中，調(diào)用CAN發(fā)送報文程序?qū)AN 報文發(fā)送到MVB 總線上，當CAN 總線上有數(shù)據(jù)到達時，調(diào)用CAN 接收報文程序，將接收的數(shù)據(jù)報文存入接收緩沖區(qū)；同理，發(fā)送和接收RS232 數(shù)據(jù)報文。MVB 總線主設備發(fā)起一個主幀作為數(shù)據(jù)請求，主設備上的總線控制器定時從TM 通信存儲器中讀取主幀并發(fā)送主幀，相應地從設備進行響應，從TM 通信存儲器中讀取從幀并發(fā)送從幀，完成對MVB 報文數(shù)據(jù)的傳輸[15]。

3.2 軟件開發(fā)

軟件開發(fā)的目標是實現(xiàn)MVB 協(xié)議的過程數(shù)據(jù)通信，軟件設計的關(guān)鍵機制主要分為兩部分，第一部分為CAN 接口或RS232 串口和上位機通信的協(xié)議，主要包括總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換、上位機總線的控制、命令的解析、命令的發(fā)送、數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?，第二部分為MVB 總線接口驅(qū)動程序。

網(wǎng)關(guān)軟件原理模型如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)軟件原理模型

網(wǎng)關(guān)軟件主要由CAN/UART 控制模塊、MVB 控制模塊、總調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A、B 構(gòu)成[16]。以MVB-CAN 網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換為例，CAN 應用層向MVB 網(wǎng)絡發(fā)送CAN 數(shù)據(jù)時，總調(diào)度模塊監(jiān)測并指揮CAN 控制模塊接收傳來的CAN 數(shù)據(jù)，CAN 控制模塊通過解碼分析得到CAN 數(shù)據(jù)幀的標識符，根據(jù)標識符在協(xié)議轉(zhuǎn)換路由表中找出相應的MVB 端口的相關(guān)變量，并將報文中的數(shù)據(jù)提取出來發(fā)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B。隨后，總調(diào)度模塊通知MVB 控制模塊，即調(diào)用MVB 芯片驅(qū)動函數(shù)來實現(xiàn)對MVB 芯片的控制，并將封裝好的MVB 報文發(fā)送到MVB 總線上。同理，當MVB 應用層向CAN/UART 網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先，總調(diào)度模塊識別到MVB 總線上有數(shù)據(jù)傳輸，先讀取MVB 數(shù)據(jù)幀，將MVB 數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A，同時讀取端口相關(guān)的變量，查詢協(xié)議轉(zhuǎn)換路由表中所對應的CAN/UART 標識符，總調(diào)度模塊調(diào)度CAN控制模塊提取緩沖區(qū)A 中的數(shù)據(jù)并封裝打包成CAN報文/UART 報文，最后調(diào)用CAN 收發(fā)程序或UART串口收發(fā)程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到CAN 總線或者UART 總線上。

4 網(wǎng)關(guān)功能的測試

網(wǎng)關(guān)測試過程中，MVB-CAN、MVB-RS232 分別進行雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換，每種方式的協(xié)議轉(zhuǎn)換測試方法是相同的，即每隔一段固定的時間，MVB 從設備通過網(wǎng)關(guān)向CAN 節(jié)點或UART 節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，CAN節(jié)點或UART 節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，立即不加處理地返回該數(shù)據(jù)包，得到返回數(shù)據(jù)包后，計算得出延遲和報文丟失率等性能指標進而定性地描述網(wǎng)關(guān)性能。

經(jīng)過反復大量測試，得到測試結(jié)果如表1 和表2所示。

表1 MVB-CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)測試結(jié)果

表2 MVB-RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)測試結(jié)果

通過上述測試結(jié)果可知，測試過程中基本未發(fā)生丟幀和誤碼的情況，初步可判斷該網(wǎng)關(guān)能夠順利完成數(shù)據(jù)的傳輸。測試結(jié)果表明網(wǎng)關(guān)通信接口良好，達到了網(wǎng)關(guān)對于過程數(shù)據(jù)通信的基本要求。

5 結(jié)論

文中設計了一款MVB-CAN/UART 的通信網(wǎng)關(guān)，通過對網(wǎng)關(guān)功能和各相關(guān)通信協(xié)議的深入研究，對該網(wǎng)關(guān)進行軟件和硬件設計，最終實現(xiàn)了MVB 總線和CAN 總線/UART 總線的雙向數(shù)據(jù)通信及各通信協(xié)議間的轉(zhuǎn)換。測試結(jié)果表明，此網(wǎng)關(guān)能實時、可靠地完成數(shù)據(jù)交換，這為解決不同網(wǎng)絡間數(shù)據(jù)互聯(lián)互通問題提供了新思路，使得MVB 網(wǎng)關(guān)研究在國產(chǎn)化道路上取得了創(chuàng)新性成果。