MVB网络输入输出单元设计

文章编号：１００８－７８４２（２０２０）０２－００１０－０４具有犜犚犇犘和犕犞犅功能的输入输出模块设计夏好广１，２，王立文１，２，余　健２，张　明２（１　中国铁道科学研究院集团有限公司　机车车辆研究所，北京１０００８１；２　北京纵横机电科技有限公司，北京１０００９４）摘　要　针对高速动车组列车控制网络对输入输出设备的要求，提出了一种具有ＴＲＤＰ和ＭＶＢ功能的输入输出模块设计方案。

该模块主要包含主控制板卡、ＭＶＢ板卡和多个输入输出板卡，其中主控板卡通过以太网接口可实现ＴＲＤＰ协议的数据传输，也可以通过并行总线访问ＭＶＢ板卡实现ＭＶＢ数据传输。

上述两种模式可通过软件配置实现切换。

主控制板卡通过串行总线对输入输出板卡进行管理。

通过试验验证，该模块方案可自动识别板卡类型及数目，便于准确地查找故障，输入输出通道数目具有很强的扩展性，ＭＶＢ和ＴＲＤＰ的控制方式灵活切换，ＴＲＤＰ通信质量满足现场要求。

关键词　列车控制网络；ＴＲＤＰ；输入输出模块；现场总线中图分类号：Ｕ２６６．２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－７８４２．２０２０．０２．０３ 现代化高速动车组普遍采用列车网络控制管理系统对车辆进行检测、控制和诊断［１］，作为动车组的神经中枢，列车网络系统可以控制和管理列车的牵引、制动、车门及照明等各个子系统。

包括中央控制单元、中继器、人机交互界面及输入输出模块等多个设备。

其中输入输出模块数目最多，分布于每节车厢的电器柜内，主要完成网络系统与车辆侧非智能设备接口。

大量车辆内子系统的控制和信号采集都通过硬线汇总到每节车厢的电气柜，然后通过输入输出模块完成与动车网络的相互通信，输入输出模块的性能直接关系到列车中央控制单元对各车辆单元设备状态的监控。

当前动车组主要采用基于ＴＣＮ的列车网络系统，车辆级通信采用ＭＶＢ总线。

随着通信技术的迅速发展，动车组对数据量传输的要求也不断提升，以太网通信技术逐渐成熟，基于以太网的车辆网络是未来一个重要技术。

CAN总线概述1.CAN总线的产生与发展控制器局部网（CAN—CONTROLLERAREANETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑'环境控制等众多部门。

控制器局部网将在我国迅速普及推广。

随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。

由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。

分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。

这类系统是以微型机为核心，将5C技术--COMPUTER（计算机技术）'CONTROL（自动控制技术）'COMMUNICATION（通信技术）'CRT （显示技术）和CHANGE（转换技术）紧密结合的产物。

它在适应范围'可扩展性'可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。

典型的分散式控制系统由现场设备'接口与计算设备以及通信设备组成。

现场总线（FIELDBUS）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。

现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。

尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。

同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。

控制器局部网CAN（CONTROLLERAERANETWORK）正是在这种背景下应运而生的。

由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。

为此，1991年9月PHILIPSSEMICONDUCTORS制订并发布了CAN技术规范（VERSION）。

MVB简介从70年代开始，国外许多大公司就开始了车载微机的研究，并相继制定了自己的机车总线标准，为了能有一个相对一致的标准，同时也考虑到列车车载微机的进一步发展，国际电工技术委员会IEC的第九技术委员会TC9的第二十二工作组WG22特别制定了列车通信网络的国际标准IEC61375-1,即所谓的TCN标准，在国内这一标准也被列入铁标。

在TCN标准规定的数据流中主要规定了两种用户数据流：消息数据和过程数据，目前，国内的电力机车上，主要应用的是过程数据，信息与控制研究中心的“一类网卡”正是为了适应国内电力机车工业发展的现状和需要而研发生产的。

在研发一类网卡的过程中，借鉴了国内外众多相关公司的经验，并根据用户的实际需求增加了许多新的特性，如：单端口地址访问：本网卡只占用主机的一个IO端口地址，方便用户集成。

16位接口，数据吞吐量更大：主机访问本网卡时,本网卡自动通知主机以16位数据方式访问，相比传统的8位接口，数据吞吐量增加一倍。

按端口大小往源端口写入数据或从宿端口接收数据：目前，多数厂家网卡对端口数据进行操作时，无论是16位端口还是256位端口，均需按256位端口进行操作，浪费了系统资源。

用户使用本网卡时，可按实际端口大小往端口写入数据，如果是16位端口，仅需进行一次操作，提高了操作效率。

对网卡操作时不需要进行“忙等待”查询：由于MVB网卡既要处理CPU的读写操作，又要处理MVB总线上的数据，因此如何避免两方面操作的冲突是一个困难问题。

目前，多数厂家网卡均采用“MVB总线操作优先”方式，在用户对网卡进行操作时，需首先查询网卡是否处于“Busy”状态（处理MVB总线数据），因此CPU对网卡的有效操作大幅度降低，实时性也难于得到保证。

本网卡针对这一问题，在网卡内部设计了特殊的数据缓冲机制，用户对网卡进行操作不需进行“忙等待”查询，极大提高了主机的访问效率，保证了实时性。

中断功能：当源端口数据成功发送到MVB总线或宿端口从MVB总线接收到数据时，将向主机发送中断，通知主机可以往源端口放入新的数据，或宿端口中有新数据可供使用。

MVB现场总线的智能列车通信系统系统应用方案1、应用概述MVB现场总线的智能列车通信系统主要功能是通过现场总线技术，采用列车通信网络，利用网络实现对车载设备集散式监视、控制和管理，逐步实现了列车控制系统的智能化、网络化和信息化，WTB/MVB总线系统成为列车通信网络的主流，WTB作为列车通信网络，MVB作为车辆总线一起使用。

2、MVB现场总线的智能列车通信系统应用方案框图列车总线WTB通过WTB网关内容的MVB网卡（MVB-OGF）与制动控制单元（BCU）、酒吧车主控拖车计算机（IDU）、MVB-EMD与轴温报警器（AXT）、供电控制器（SUPPLY）、空调控制器（AIR）、逆变器（INV）、充电器（CHARGE）进行信息交换。

车门控制器（DOOR）、集中控制器（CONTROL）分别通过RS485与VCU直接连接。

制动控制单元（BCU）通过通讯口（RS232）与防滑器（SLIDP）连接；VTCU通过I/O接口与烟火报警装置连接。

图1MVB现场总线的智能列车通信系统构成框图系统硬件主要包括车辆控制器VTCU 、总线连接器、输入输出单元、通讯连接器COMC 、人机显示器MMI 及相关子系统。

车辆控制器VTCU 即总线控制器,每个3节车单元各一个，共由7块板组成，自带插槽和电源，是标准的模块化系统。

车辆控制单元由网关(VTCU-GW)，VCUT ，VCUA 及VTCU 的电源组成。

网关控制列车总线(WTB)和车辆总线(MVB)，并在两个总线系统间转换过程和信息数据。

列车诊断板VCUT 上有板载数据库(ODBS)，可通过RS422接口控制人机界面。

VTCU 的电源提供110V 直流电源，并与供电系统的电势隔离。

图2系统供电框图3、电源解决方案该电源解决方案是直接从机车电源上直接获取输入电压，并通过URB2405LD-20WR3系列电源模块将其转换成5VDC 的电源给后面各控制模块进行供电（如应用框图上各个模块）。

基于FPGA的MVB接收模块设计摘要:本文在研究和分析IEC61375-3-1的基础上，提出了一种MVB接收模块的状态转移图，并用verilog HDL描述了该状态机，最后用Vivado开发平台自带的isim 仿真工具进行了功能仿真。

关键词: MVB FPGA 状态机MVB（多功能车辆总线），是一种串行数据通信总线，主要用于连接列车各个车辆内的控制单元和设备，为车辆级网络设备提供信息通道，从而实现对网络设备的监控、诊断、通信等，它具有高实时性和高稳定性的优势。

MVBC（多功能车辆总线控制器）是MVB总线通信的核心，也是MVB设备上不可缺少的组成部分。

它独立于物理层和功能设备，为总线上的各个设备提供通讯接口和通讯服务。

由于起步晚及以及国外企业的垄断，MVBC技术一直掌握在西门子、ABB、庞巴迪等行业巨头手中。

随着可编程逻辑器件在电子行业的广泛应用，为基于FPGA实现MVBC的功能提供了可能。

同时Dugon公司在基于FPGA实现MVB通信卡方面的成功也为国内开发MVBC提供了可借鉴的经验。

1.MVB帧协议MVB的数据采用曼彻斯特编码，从低到高为“0”，从高到低为“1”，同时增加了两个非数据符编码“NH”和“NL”。

它有两种帧类型，一种是总线主设备发布的主帧；另一种则是由从设备响应主帧而发送的从帧。

一条主帧和其对应的从帧组成一个报文。

主帧的长度固定为33位，主帧数据的内容包括：9位主起始分界符、16位数据(包括4位F code和12位的地址或参量)以及8位校验序列。

所有设备都对主帧进行译码，随后被寻址的源设备响应一个从帧，该从帧可被几个其他的设备所接收。

从帧可能有五种长度：33、49、81、153或者297位，它是由主帧中的4位F代码所决定的，其中包括9位从起始分界符和16--256位的数据。

每隔64位序列有一个8位校验序列。

主帧和从帧的格式如下图1所示：在一个MVB网络中，所有的网络设备都配置了相同数量和大小的数据端口。

基于MVB网络的TCMS系统控制内容摘要：本文基于CRH-1型动车组，具体分析TCMS系统中的TC CCU（主计算机）的功能与作用，并分析TC CCU的信号传输过程。

研究TCMS系统网络，了解各个系统与TCMS系统中的TC CCU的通讯方式，以及MVB的控制与监控方式。

利用现有车型以及DCUTerm软件相关指令，完成相关调试工作。

为未来动车组多元化的开发设计提供了一个新的选择的机会。

关键词：TCMS系统网络控制诊断1.绪论1.1研究背景及意义随着高速动车组技术日益成熟，和谐号动车组已经为中国乘客服务近20年。

关于和谐号动车组设计及网络通讯是非常值得我们研究的课题。

本文的研究题目为“基于MVB网络的TCMS系统控制”。

MVB网络中控制命令的收发和网络信息的实时监控是由TCMS系统处理。

在1992年6月，TC9 WG22以委员会草案CD （Committee Draft）的形式向各国发出列车通信网TCN的征求意见稿，该稿件分成四个部分：第一部分为总体结构，第二部分为实时协议，第三部分为多功能车辆总线MVB，第四部分为绞式列车总线WTB；总体结构把列车通信网规定为由多功能车辆总线MVB和绞式列车总线WTB组成。

其中多功能车辆总线MVB以ABB的MICAS车辆总线MVB为蓝本，WTB以西门子的DIN 43322和意大利的CD 450为蓝本；MVB的传输介质可以是双绞线，也可以是光纤。

在后一种场合下，其跨距为2000m，最多可联结256个智能总线站。

数据划分为过程数据、消息数据和监管数据，对过程数据的传输进行优化，发送的基本周期是1ms或2ms。

TCMS系统与MVB/WTB协议转换卡结合，共同构成了MVB总线网络上的一个节点，通过上位机程序我们可以对MVB总线网络进行实时监控并且模拟机车上的设备。

可以灵活的模拟一些现实状况。

1.2动车组网络概述列车基本单元，列车车组可分为三个列车基本的单元。

这主要是按照影响供电和列车计算机系统结构进行的功能分组。

MVB网络输入输出单元设计李洋涛;柳初萌;徐磊【期刊名称】《微处理机》【年(卷),期】2012(33)2【摘要】Multifunction Vehicle Bus used for vehicle equipment distributed controlling as part of Train Communication Network is a communications technology of real - time, high reliability and high security. A design of intelligent I/O unit based on MVB is given as a convenient method for the realization of on - board devices connected to the MVB network. The structure of the intelligence unit is designed as a modular with embedded technology of which the microcontroller board, MVB network interfaceunit and the I/O interface board are connected via the PC 104 bus standard. This I/O unit is of versatility that a device can access the train communication network and only by connecting to the unit via the I/O interface. A network communication experiment has been performed in laboratory, which testified the reliability and flexibility of the design.%多功能车辆总线MVB是TCN列车通信网络技术中用于车辆级设备分布式控制的实时、高可靠、高安全的通信技术.为实现车载设备便捷地连入MVB网络,给出一种基于MVB总线的智能输入输出单元设计方法.采用嵌入式及模块化设计,微控制器与MVB网卡以及输入输出板卡之间通过标准的PC104接口连接.所设计的单元具有通用性,仅需要通过I/O接口与设备连接即可接入既有的列车通信网络实现MVB通信,通过联网测试实验,表明具有较高的可靠性和较强的灵活性.【总页数】4页(P45-48)【作者】李洋涛;柳初萌;徐磊【作者单位】同济大学铁道与城市轨道交通研究院,上海201804;同济大学铁道与城市轨道交通研究院,上海201804;同济大学铁道与城市轨道交通研究院,上海201804【正文语种】中文【中图分类】TP368.1;U285.45【相关文献】1.具有MVB接口的输入输出设备的分析 [J], 张顺广;王欣;张翔2.MVB网络接口单元的FPGA实现 [J], 蔡颖;诸昌钤3.MVB网络接口单元的应用研究 [J], 刘海新;谢维达;徐晓松4.MVB网络接口单元的SOC解决方案 [J], 蔡颖5.具有TRDP和MVB功能的输入输出模块设计 [J], 夏好广; 王立文; 余健; 张明因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

HXD1型电力机车微机网络控制系统浅析摘要：交流传动技术的应用离不开系统控制技术的发展，由于交流传动系统固有的强弱电纵横交叉出现的电磁干扰,对系统控制提出了苛刻要求，尤其是在控制策略、控制方法、控制手段、控制软件的研发上特别重要。

机车微机控制系统是机车的核心部件，它包括以实现各种功能控制为目标的单元控制机和实现信息交换的通信网络。

关键词：HXD1型电力机车网络控制模块功能前言网络控制系统采用列车级和车辆级控制，列车控制级采用绞线式列车总线WTB，车辆控制级采用多功能车辆总线 MVB。

网络控制系统采用分布采集及执行，中央集中控制与管理的模式。

由WTB/MVB网关模块 GWM、车辆控制模块 VCM、事件记录模块ERM、数字量输入输出模块 DXM、数字量输入模块DIM、模拟量输入输出模块AXM和智能显示装置IDU等组成，通过 MVB与传动控制单元 TCU、辅助变流器控制单元ACU、制动控制单元BCU等进行通信。

一、HXD1型电力机车微机网络控制系统的组成及作用机车微机网络控制系统主要由机车控制层、功能控制层和设备控制层三部分。

机车控制层控制机车的运行速度,根据约束条件进行综合处理并形成最终的结果,机车应该以何种方式或何种速度运行，并将这个决策贯彻到整个机车控制系统的每一个控制单元上。

功能控制层根报机车层给出的命令对各功能系统进行调控，在各个功能级上(如牵引、制动控制等)，保证运行要求的实现,即控制策和控料手段的实现，数字模型化的控制方法和传统的PID调节在机车控制中已经获得了重要的成果,实时控制，其响应时间必须小于机车控制层的响应。

设备控制层直接面向现场完成I/O处理或者是能实现直接数字控制的智能装置,将现场的各种过程变量实现数字化转换并将这些变量送往功能层的相应控制子系统，在某些场合下也能完成一些局部的单一的自动控制。

二、HXD1型电力机车微机网络控制系统的结构HXD1型电力机车采用SIBAS 32控制系统和TCN通信网络，分为中央控制系统CCU和牵引控制系统TCU两大系统。