MVB多功能车辆总线仿真与检测系统的设计及应用

王 健

(上海地铁电子科技有限公司 上海 200237)

0 引言

MVB(多功能车辆总线)作为列车通信网络(TCN)的一部分，负责一个车厢内设备或者一个固定的车辆组内设备的数据通信。具有实时性强、可靠性高、传输数据快和传输距离远等优点，目前在高铁和地铁中的应用非常广泛[1]。

为了实现对多功能列车总线的状态监测、故障诊断和一致性测试，以及在车载设备的研发和调试过程中，模拟多功能列车总线的数据传输过程，设计了一套系统，主要实现了以下功能：(1)MVB仿真发送功能；(2)总线波形实时采集功能；(3)数据分析功能；(4)Linux系统下Python控制程序设计。

1 整体设计

在MVB数据通信中，具有以下特征：通信传送方式采用主从帧应答，帧发送方式采用周期性广播，帧标识符具有帧头和帧尾标识以识别帧的开始和结束，帧编码采用曼彻斯特编码，数据传输速率为1.5Mbit/s。为了仿真MVB总线通信，需要仿真主站发送主帧数据，仿真从站发送从帧数据，仿真接收主帧数据和从帧数据。通过对MVB通信总线波形的实时采集，并进行逻辑分析，分析网络中的帧数据、帧响应时间、撞帧、丢帧、位错误及网络干扰等，从而可以实现对网络通信质量的判断和网络设备的一致性测试[2]。在该设计中，利用通用逻辑芯片FPGA实现MVB仿真和波形采集功能；在嵌入式Linux系统下，利用Python编程实现整体控制和数据分析；FPGA和嵌入式系统通过USB实现数据交互，系统结构如图1所示。

图1 系统结构

设计中，仿真功能和采集功能采用Altera公司的FPGA芯片实现；USB模块采用CY7C68013A控制芯片，实现USB2.0/3.0转并行总线的功能；嵌入式Linux系统采用beagleboard-black控制板，该控制板为ARM CortexTM-A8内核，利用其扩展的USB接口，对MVB仿真与采集板进行数据交互和控制；嵌入式Linux系统对外的USB和Internet接口，可实现数据的远程传输及上位机软件的控制。

2 仿真功能设计

仿真功能依托FPGA芯片，实现的逻辑功能包括：帧数据的发送、端口地址的设置、所发送的主帧数据和从帧数据设置、总线数据接收与端口地址比较和发送状态的反馈。仿真功能结构如图2所示。

图2 仿真功能结构

其中，接收模块和发送模块采用VerilogHDL语言设计。仿真发送的主帧和从帧数据以及状态反馈数据，均存储在各自的FIFO存储器内(FPGA内部)。所设置的端口地址，存储在RAM存储器内(FPGA内部)。

仿真功能工作方法如下：(1)接收模块实时检测MVB总线信号，当检测到数据帧起始信号时，向发送模块反馈总线忙，检测到数据帧结束信号后，向发送模块反馈总线空闲；(2)接收模块接收到MVB总线主帧数据时，将接收到的数据与所设置的端口地址进行比较，比较相同时，触发发送模块发送从帧数据；(3)在总线空闲时，发送模块不断检测主帧数据FIFO，当有要发送的主帧数据存在时，发送模块发送主帧数据，发送结束后，向状态反馈FIFO写入主帧发送成功的状态；(4)在发送模块接收到触发发送从帧信号时，读取从帧数据FIFO，若存在从帧数据，发送模块发送该从帧数据，发送结束后，向状态反馈FIFO写入从帧发送成功的状态。

2.1 接收模块

接收模块需要检测MVB总线上的帧起始位、帧结束位和主帧数据，MVB总线数据格式为：起始位+帧头序列+帧数据(包括校验)+结束位，总线传输速率为1.5 Mbit/s，每一位的数据宽度为667 ns，采用曼彻斯特编码方式[3]。

该设计中，MVB网络信号的逻辑采样频率设置为24 MHz，即一位MVB数据宽度为16个周期。将逻辑信号电平及其宽度所占周期数，作为8位分析数据元，数据的最高位为逻辑信号的电平，低7位表示为信号宽度的周期数，将编码信号转换为分析数据元。采用有限状态机方式实现接收模块的功能，其状态转移如图3所示。

图3 接收模块状态转移

S0：接收数据帧起始位，接收到有效的帧起始位后，状态转移至S1，同时总线忙信号有效。接收到有效的帧结束位后，总线空闲信号有效。

S1：接收主帧帧头序列，接收到有效的主帧帧头后，状态转移至S2，否则，状态转移至S0。

S2：接收主帧数据，成功接收主帧数据后，状态转移至S3，若出现数据位错误或数据校验错误，状态转移至S0。

S3：接收帧结束位，接收到有效的帧结束位，状态转移至S4，同时总线空闲信号有效，否则，状态转移至S4。

S4：比较接收到的主帧数据与设置的端口地址数据，相同则触发发送从帧数据信号，状态转回S0。

2.2 发送模块

发送功能实现的方式如下：将8位数据，从最高位到最低位移位输出，移位频率为3 MHz。对待发送的帧数据(字节为单位)，进行编码转换[4]。采用有限状态机方式实现发送模块的功能，其状态转移如图4所示。

图4 发送模块状态转移

S0：发送模块在MVB总线空闲时，检测主帧FIFO，检测到有效的主帧数据后，状态转入S1；在发送从帧信号有效的状态下，检测从帧FIFO，检测到有效的从帧数据后，状态转入S3。

S1：读取主帧FIFO数据并发送，结束后，转入状态S2。

S2：向状态反馈FIFO写入主帧发送成功的状态，状态转回S0。

S3：读取从帧FIFO数据并发送，结束后，转入状态S4。

S4：向状态反馈FIFO写入从帧发送成功的状态，状态转回S0。

3 采集功能设计

采集功能由FPGA芯片实现，对MVB网络通信波形进行数据采集，采样频率为24 MHz，采样的数据以字节为单位，数据的最高位为逻辑信号的电平，低7位表示为信号宽度的周期数，采集功能结构如图5所示。

图5 采集功能结构

采集功能工作方法如下：(1)系统工作频率为48 MHz，采样频率是24 MHz。在每个采样周期，对MVB网络波形进行逻辑采样；(2)当逻辑电平变化时，记录前一电平状态及所持续的周期数，形成一个字节的采样数据。同时清零计数，开始新的计数周期；(3)当电平周期数达到0x7F时，记录电平状态及周期数，形成一个字节的采样数据。同时清零计数，开始新的计数周期；(4)网络采样数据按照先入先出的原则，存入数据存储FIFO。

4 系统控制设计

系统控制是在嵌入式Linux系统中，利用Python语言编程实现。系统控制主要完成的功能如下：仿真设置设备端口地址、仿真设置发送主帧数据、仿真设置发送从帧数据、仿真帧数据发送次数设置、采集网络数据分析、采集网络帧数据提取、采集网络质量分析和系统工作状态监测[5]。

4.1 仿真控制程序设计

系统程序通过将仿真设备端口地址数据写入端口地址RAM，实现设置端口地址功能；通过将仿真发送主帧数据写入主帧数据FIFO，实现发送主帧功能；通过将仿真发送从帧数据写入从帧数据FIFO，实现发送从帧功能；通过读取状态FIFO数据，实现仿真帧数据发送次数控制[6]。

4.2 采集分析程序设计

系统程序通过读取采集数据存储FIFO内的波形数据，可分析网络帧数据、帧响应时间、撞帧、杂波、丢帧、数据位错误和帧校验错误等，从而可实现对网络质量的判断。数据分析采用有限状态机方式实现。

5 试验与应用

5.1 仿真功能逻辑设计试验结果

采集功能采用Altera公司的FPGA芯片实现，为了验证该功能，利用QuartusII的仿真软件，模拟发送主帧数据，触发发送从帧数据，仿真结果如图6所示。该结果图为采集功能所采集到的帧数据波形，第一帧数据为发送的主帧数据；第二帧数据为接收到主帧数据后，触发发送的从帧数据。

图6 发送主从帧数据仿真波形

实际调试试验利用开发的上位机软件，设置发送主帧数据设备端口号和从帧数据，仿真发送主帧数据，设备端口号与接收到的主帧数据中端口号相同时，触发发送从帧数据。

5.2 实际应用

利用仿真功能，对上海地铁4号线VCU控制器进行了离线测试，模拟发送主帧数据功能，对所有地址进行扫描，成功扫描到VCU系统设备地址，并可读取其设备状态。

仿真设备通过MVB通信线与VCU设备连接，上位机软件控制发送主帧数据，同时，记录通信总线数据。对所有端口地址扫描后，分析系统记录的总线数据，可得到VCU设备地址及其反馈的状态数据。

6 结束语

MVB网络在高铁和地铁车辆控制领域应用得非常广泛，本文所设计的仿真与检测系统，为MVB网络调试、网络设备检测和维修、网络设备一致性测试和网络质量的判断，提供了一种智能的方法。同时，为网络协议分析和设备开发提供了手段，也为MVB网络应用的推广提供了参考。