MVB在半实物仿真平台中的研究与应用

邢培栋

(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200030;2.北京经纬恒润科技有限公司，上海 200235)

1 引言

随着计算机技术的发展，半实物仿真作为一种简便而成熟的技术已经被广泛的应用于航空、航天、航海、汽车电子等领域。在轨道交通领域，基于TCN标准的列车通信网络技术已经成为当今轨道交通的发展方向。在实验条件下，如能组建列车网络控制系统的仿真测试平台，并以此对列车运行环境和状态进行模拟，则能直观明了地得到仿真结果，在很大程度上减少科研经费，缩短研制周期，同时也为提高系统可靠性和稳定性提供了支持平台［1－2］。

目前，市场上主流的仿真平台都不支持列车通信网络接口，鉴于此，基于HiGale仿真计算机，成功的集成了符合TCN标准的多功能车辆总线(MVB)接口，并实现主设备、过程数据通信功能，使列控网络控制系统的半实物仿真平台的建设成为可能。

2 列车网络控制系统简介

IEC61375－1标准是规定了TCN(Train Communication Network)列车通信网络技术的国际标准，我国铁道部也将TCN纳为我国铁路行业轨道车辆网络通信标准的一种类型，并且广泛应用于各种新型的机车、动车、城市轨道车辆等车型中。

TCN标准定义了两级总线:绞线式列车总线(WTB)和多功能车辆总线(MVB)。WTB总线能够满足列车车辆频繁连挂和解连的需求;MVB总线用于构建车辆级或编组级网络，连接车辆内部各种设备。列车通信网络采用主设备控制下的总线轮询机制，根据不同需要，在链路层定义了过程数据、消息数据和监视数据3种数据服务。其中如速度、牵引力等反映列车当前状态的为过程数据，过程数据比较紧迫，需要周期性发送;消息数据，如诊断信息，要求并不紧迫，不频繁发送，按需发送;监视数据，用于网络管理，可周期性发送或按需发送［3］。

3 HiGale半实物仿真平台介绍

3.1 HiGale系统体系架构

HiGale系统是恒润科技有限公司自主研发的基于实时半实物仿真技术的控制系统开发及测试工作平台，由一系列软件工具和硬件设备组成，其系统的体系结构如图1所示。

图1 HiGale体系结构

HiGale系统仿真模型的开发工具为MathWorks公司的 MATLAB/Simulink/Real－Time－Workshop等，可以实现从系统建模、分析、离线仿真直到实时仿真的全过程。模型实现并下载到实时硬件中以后，通过HiGale的实验工具软件HiGaleView来对实验过程进行综合管理。

HiGale系统的硬件部分由一系列标准组件板构成，其中至少配置一块处理器板。所有的HiGale标准组件系统都是以X86处理器板卡为核心构造的。处理器板通过高速32位总线(PXI总线)提供到I/O板的接口;通过主机以太网提供到主机的硬件接口［4］。

3.2 系统开发流程

HiGale系统的开发一般包括以下几个步骤:

(1)建立Simulink模型并离线仿真。

(2)加入HiGale I/O，将离线模型转为实时模型。

(3)用RTW生成实时代码并下载到实时硬件中。

(4)用HiGale试验工具进行试验过程的交互操作［4］。

4 关键技术及实现

4.1 MVB通信板卡在QNX下的驱动实现

4.1.1 MVB 协议概述

MVB总线作为TCN协议推荐的车辆级总线，其网络协议分层结构的定义符合OSI模型，同时也针对具体情况对标准OSI七层结构作出了一定程度的取舍及重新规划。如图2所示。

图2 MVB的层次结构

MVB协议定义了完整的物理层及数据链路层，上层协议在TCN标准中定义为实时协议RTP(Real Time Protocol)。

MVB物理层可采用没有电气隔离的电气短距离介质、有电气隔离的电气中距离介质或者光纤介质。采用的编码形式为曼彻斯特编码。在数据链路层，将基本发送周期划分成周期相与偶发相，数据的发送在主节点的管理下进行，且主节点的主权可以不断转移。数据的寻址方式采用源地址广播以及点对点发送的形式。

RTP中定义的上层协议对于过程数据和消息数据分别作出了不同规定:对于过程数据，RTP仅略去了中间层次，数据直接由链路层到达应用层;对于消息数据，RTP则详细规定了OSI中从网络层到应用层的每一个层次。

由于MVB不同层次的应用，按其功能完备及智能程度可以将MVB设备划分成6类，协议中规定的0类～5类设备，功能及智能程度渐次提高。本文中采用的MVB通信卡可支持所有六类设备的功能，针对其总线管理开发了驱动程序，并能实现过程数据通信过程的仿真功能［3］。

4.1.2 MVB 驱动开发流程图

(1)主设备驱动程序开发

主设备驱动开发流程图如图3所示，首先调用QNX关于PCI驱动的系统接口函数，完成硬件设备的探测、内存分配、中断挂载等功能;利用dpr寄存器在初始化时的特殊值，对MVBC的激活状态进行判断;初始化板载内存，经数据存储区域清零;对于主设备，设置一个基本周期的时间为1ms，使能定时器中断，每1ms重新加载主帧数据;初始化端口表，最多支持4096个端口，至此，该板卡的配置工作全部完成，接着为端口读写，实现数据通信。

(2)从设备驱动开发

从设备的驱动程序与主设备的驱动程序大致相同，其主要区别在于不对主设备寄存器设置，同时因从设备在主设备控制下进行响应，因此也不进行使能定时器中断及定时刷新主帧表的操作。

4.2 MVB通信板卡在Matlab/Simulink下驱动接口实现

仿真机与MVB板卡通过IO接口函数进行数据交换，本设计采用Matlab的工具S－函数进行IO接口模块的驱动开发。可以生成面向硬件平台的实时可执行代码的S函数有3种类型:非内联型S函数，封装S函数和全内联S函数。其中全内联S函数可直接调用TLC语言来实现IO接口程序，效率最高［5］，因此本设计采用全内联的方式实现 MVB接口模块的驱动。

仿真机与MVB板卡之间的接口函数包括三个部分:用于MVB板卡配置的Setup函数，用于读取MVB板卡端口数据的ReadPort函数，用于对MVB板卡端口写入数据的WritePort函数，其建立的S函数模型如图5所示。建立模型后，采用Matlab的RTW工具箱，根据硬件平台需要，生成相应的可执行C代码。

图5 MVB驱动函数开发

4.3 MVB接口模块的GUI

在模块封装过程中使用Matlab的GUI技术，提供MVB的相关配置参数输入的人机界面。根据MVB通信的特点，提供了3个关于MVB的接口模块，分别为配置模块，读端口模块、写端口模块，如图6所示。

其中配置模块，实现硬件探测、内存分配、初始化端口表，如果是主设备则实现定时器中断、设置主帧表等功能;写端口模块，按照系统的步长设置，定时的将一定字节的数据写入到MVB板载内存相应的物理地址中去;读端口模块，按照设置的采样步长，定时的将一定字节的数据从MVB板载内存相应的物理地址读取出来。

图6 MVB的接口模块

5 结束语

通过以上开发建立了MVB网卡、HiGale平台与Matlab/Simulink的连接，调用MVB接口模块创建MVB网络通信模型，通过RTW自动代码生成，将生成的可执行文件下载到仿真计算机中运行，来验证MVB驱动接口模块的逻辑正确性。利用试验管理软件HiGaleView创建实验管理项目，通过在线调参功能，在线修改WritePort模块输入的数值，同时实时观察 ReadPort模块的输出变化，结果表明，ReadPort的数值会随WritePort的变化而变化，验证了其正确性。

通过以上开发建立了MVB网卡、HiGale平台与Matlab/Simulink的连接，研发的成功为实现基于TCN标准的列车通信网络应用的测试与仿真提供了支持，具有很好的应用价值和发展前景。

［1］李亮，陈宁宁.CBTC软件仿真辅助开发系统的研究与实现［J］.铁道通信信号，2010，46(增刊):50 －51.

［2］薛定宇，陈阳泉.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用［M］.北京:清华大学出版社，2002.

［3］International Electrotechnical Commission.IEC61375 －1，1999，Electric Railway Equipment － Train Bus Part－1:Train Communication Network［S］.Geneva:IEC，1999.

［4］北京经纬恒润科技有限公司.HiGale产品技术手册［Z］，2011.

［5］张大波，王建.MVB总线实时协议实现及其试验研究［J］.机车电传动，2005(2):33 －36.

［6］王子健，张军，罗喜伶.面向VxWorks的半实物仿真平台的研究和实现［J］.计算机工程，2007，33(14):257－259.