基于FPGA的MVB总线分析控制器研究设计

Abstract To insure compatibility and inter-operability among the MVB equipment, it requires that the data transmitted in the bus need to be collected, and correctness and reliability of data transmission of the MVB network should be analyzed. According to the characteristic of the MVB protocol, this paper proposes an approach of analysis controller for MVB bus based on IEC61735 criterion. In the approach, it uses bit synchronization multi-point sampling algorithm to capture the data and then writes it to memorizer, and provides interface to access memorizer for position machine. The experiment proves that this analysis-controller can record the whole data on the bus, thus it has realized the function of bus analysis.
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2009 年第 3 期
研究与开发
有效主帧
接收帧
处理主帧
有效从帧 处理从帧
存储帧
无效帧
处理无效帧
图 3 控制逻辑状态转移图 3.3 存储模块
通信存储器是 MVB 总线分析控制器的重要组成
部分，它负责存储 MVB 总线通信的数据，因此 MVB
控制器与上位机通过 PC/104 接口模块会频繁的访问
通信存储器进行数据的读操作。实现通信存储器有三
存
接
储
口
模
模
块
块
图 1 系统设计总体框图
译码模块采集总线上的数据，将数据传送给控 制模块，控制模块则根据帧的不同情况写入存储模 块，存储模块用于存储帧数据，而对上位机提供 PC/104 接口。 3.1 译码模块
在 MVB 网络中采用曼彻斯特编码，数据传输 速率为 1.5Mb/s，采样频率为数据传送频率的 16 倍 频率即 24MHz（周期为 41.67ns），因而一个完美 的数据波形应为 8 个低电平和 8 个高电平，如图 2 （a）所示。在非理想的状态下，曼彻斯特码高低电 平的持续时间会在一个有限的范围内随机的变化， 当这种变化是连续的变长或者连续的变短时，就有 可能造成计数器的失步，如图 2（b）所示。
研究与开发
基于 FPGA 的 MVB 总线 分析控制器研究设计
张 涛 1 黄志武 2 周 胜 2
（1.大秦有限责任公司湖东机务段技术科，山西 大同 037000； 2.中南大学信息科学与工程学院，湖南 长沙 410075）
摘要 为确保多功能车辆总线设备的兼容性和互操作性，须采集 MVB 总线上传输的数据，分析 其传输的正确与可靠性。在分析了 MVB 协议特点的基础上提出基于 IEC61375 标准的 MVB 总线分析 控制器方案，采用位同步的多点采样算法采集总线上的数据写入存储器中，对上位机提供 PC/104 访 问存储器的接口。实验证明该总线分析控制器能完整记录总线上数据，从而实现总线分析的功能。
关键词：多功能车辆总线；总线分析控制器；位同步解码算法；控制逻辑
Research and Design of Bus Analysis Controller for Multifunction Vehicle Bus Based on FPGA
Zhang Tao1 Huang Zhiwu2 Zhou Sheng2 （1.Hudong Locomotive Depot, Technology Section, Shanxi, Datong 037000； 2.School of Information Science and Engineering, Central South University, Hunan Changsha 410075）
说明 地址总线 数据总线
读信号 写信号 高位地址锁存信号 设备忙闲信号 中断信号 中断信号
4 仿真验证与应用
在实验室里搭建的 MVB 网络如图 4，MVB 网
络由 MVB 主设备 DUAGON 公司的总线管理器
D412，MVBC01 芯片设计的 MVB 一类设备 1 与
FPGA 设计的 MVB 一类设备 2 与设备 3。
线 接 口 ， 设 备 可 以 连接 到 PC104 总 线 上 并 作 为
PC104 总线上的一个标准设备使用。上位机（CPU）
可以通过 PC104 总线访问设备和通信存储器。一类
设备只是 CPU 控制的设备之一，因而分配的内存空
间有限制的。内存空间为 0xD0000～0xE0000，需要
地址译码将设备的通信存储器映射到 CPU 的该内
MVB 网络上传输的过程变量数据是通过主从 帧应答与周期性广播的形式，总线分析控制器可连 接在 MVB 网络中时刻监听 MVB 网络中传输的帧数 据。MVB 总线分析控制器包括译码模块、控制模块、 存储模块和 PC/104 接口模块四个部分，系统设计总 体框图如图 1。
译
控
MVB接口 码
制
模
模
块
块
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱPC/104
消息服务协议则包含了 OSI 定义的 7 层完备模 型结构，实现网络管理信息、故障诊断信息、维修 服务信息和旅客服务信息的非实时传输。消息数据 作为偶发性数据采用目标寻址方式按需传输，数据 从源设备发向目标设备或同一总线上的所有设备， 总线上每个设备有两个队列，分别用来接收和发送 消息数据。
3 MVB 协议分析控制器结构设计
MVB设备
MVB总线管理器
MVB总线分析控 制器
MVB设备
MVB设备
图 4 MVB 总线分析控制器应用
在 MVB 网络里连接 MVB 总线分析控制器，通
过 PC/104 总线读取 MVB 总线分析控制器存储模
块，MVB 总线分析控制器完整存储了总线上数据，
存储数据如表 2。
表 2 MVB 总线分析控制器存储数据
存区。PC104 采用堆栈式结构，单列双排插针和插
孔，P1：64 针，P2：40 针，合计 104 个总线信号，
接口引脚定义如表 1 所示。
表 1 PC104 接口主要引脚定义
引脚 PC104_addr[19..0] PC104_data[7..0]
PC104_RD PC104_WR PC104_BALE PC104_IOCHRDY PC104_INT9 PC104_INT10
此导致电路变的复杂，增加了不稳定性的同时也带来
了外部寄存器的访问延迟问题。经过比较，选用
FPGA 内部 RAM 实现通信存储器是较好的方案。 3.4 PC104 接口模块
PC104 接口有四种访问方式：8 位存储器、16
位存储器、8 位 IO 和 16 位 IO。这里是 8 位存储器
方式，逻辑实现和布线都相对简单。通过 PC104 总
2 MVB 协议简介
MVB 在物理层可以使用 3 种不同的物理介质：
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研究与开发
无隔离的短距离电气介质 ESD、有隔离的中距离电 气质 EMD 和长距离光纤介质 OGF，所有的介质均 采用 1.5 Mb/s 的传输速率。MVB 对总线的介质访问 采用集中控制、周期性分配的主-从方式，由总线上 惟一的总线管理器即主设备集中控制介质的存取。 工作时主设备将总线带（每个基本周期）分为周期 性预先分配（周期相）和非周期性按需分配（偶发 相）两部分。周期相用于紧迫性、时性要求高且短 小的周期性过程变量数据的传输，速度、电机电流、 司机命令等；偶发相则用于传输冗长但不频繁的非 周期性的消息数据，如设备诊断或旅信息。为满足 MVB 在链路层上提供的两类数据通信服务的要求， TCN 标准在 MVB 上定义了与总线类无关的实时协 议 RTP。从应用层看，RTP 提供了两种类型的通信 服务：过程变量和消息服务。过程变量服务的协议 只包含物理层、链路层（分为质存取控制 MAC 子 层和逻辑链路控制 LLC 子层）应用层 3 个层次，用 以传输周期性的控制命令和控制变量，以实现控制 的实时性要求。其中链路层主要通过链路过程数据 接口 LPI 处理端口和通信缓存的操作，完成协议大 部分的工作；应用层则通过应用变量接口 AVI 处理 过程变量的访问。
MVB 相关产品的国产化研究和自主研发工作。为了 确保不同设备制造厂家生产设备的兼容性，也为了验 证我们研发的 MVB 产品的协议一致性，必须对各个 MVB 设备进行协议一致性测试，以提高 MVB 设备互 连的成功率。在 MVB 的设计和实施过程中，正确地 分析出 MVB 总线运行状态是一个重要的工作。特别 当系统在建立时或建成后，能正确分析出 MVB 网络 各设备之间的互操作性与一致性，因此对 MVB 网络 进行分析是进一步研究 MVB 技术的必备手段。
主从帧
完整否
帧序列 帧数据
(主帧：0 从帧 1) (0：完整，1 不完整)
0 0xF001
0
0
1 0x4380
1
0
2 0xF00A
0
0
3 0x0080
1
0
5 结论
本文在研究 MVB 多功能车辆总线的基础上， 开发了具有 PC104 总线接口的 MVB 协议分析控制 器。该 MVB 控制器已经实现了记录 MVB 网络的所 有数据，该 MVB 控制器的开发有利于更深一步掌 握 MVB 总线技术，并为验证 MVB 网络设备互连与 互操作性做好准备。