一種高效可靠的MVB總線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

謝立國馬振球，2

（1.北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

一種高效可靠的MVB總線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

謝立國1馬振球1，2

（1.北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

不同的MVB總線物理層存在兩方面的差異：ESD+和EMD波形的差異；單路A線和A/B冗余總線的差異。波形的差異會導(dǎo)致總線無法互聯(lián)互通，單路和冗余總線的差異會導(dǎo)致B路冗余總線失效，降低整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性。對上述差異進(jìn)行詳細(xì)分析，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種MVB總線網(wǎng)關(guān)，測試結(jié)果證明所設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)的高效性和可靠性。

MVB；列車控制；網(wǎng)關(guān)；總線冗余

1 概述

列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN已形成國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61375-1［1］，其包括多功能車輛總線（MVB）和絞線式列車總線（WTB）兩大部分［2-3］。MVB總線用于車輛控制，WTB用于列車控制。MVB總線的物理層有3種。電的短距離：ESD+，傳輸介質(zhì)使用雙絞屏蔽線，按照隔離RS-485電平標(biāo)準(zhǔn)傳輸，最多支持32個(gè)設(shè)備，最大總線距離20 m。電的中距離：EMD，傳輸介質(zhì)使用雙絞屏蔽線，使用變壓器耦合，最多支持32個(gè)設(shè)備，最大總線距離200 m。長距離：OGF，傳輸介質(zhì)使用光纖，總線距離可達(dá)2.0 km。另外，根據(jù)使用場合的可靠性要求，物理層可采用單獨(dú)A線，或者A/B雙線的冗余機(jī)制。上述物理層的多樣性帶來不同MVB總線之間的互連性問題。例如單獨(dú)A線系統(tǒng)與A/B冗余總線系統(tǒng)之間的互聯(lián)，ESD+總線與EMD總線的互聯(lián)。OGF應(yīng)用場合較少，本文不作討論。

目前，大多數(shù)文獻(xiàn)關(guān)注于第1～4類MVB設(shè)備本身的實(shí)現(xiàn)［4-7］，關(guān)于解決上述MVB互聯(lián)問題的文獻(xiàn)較少。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種高效可靠的MVB總線網(wǎng)關(guān)，解決了該互聯(lián)問題。測試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)完全滿足預(yù)期指標(biāo)要求。

2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)原則

MVB總線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)主要面對兩個(gè)問題：1）單獨(dú)A線系統(tǒng)和A/B冗余總線系統(tǒng)的差異性；2）物理層ESD+和EMD波形的差異性。

對于單獨(dú)A線系統(tǒng)，系統(tǒng)僅使用A線電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。若A線通信質(zhì)量下降，則導(dǎo)致整個(gè)通信系統(tǒng)的性能下降或中斷，因此這種工作方式通常應(yīng)用于通信環(huán)境較好的場合。對于A/B冗余總線系統(tǒng)，系統(tǒng)同時(shí)使用A/B總線。在任意時(shí)刻，系統(tǒng)選擇其中某一線路作為當(dāng)前工作線路，另一路作為備選線路。若檢測到工作線路通信質(zhì)量較差，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)當(dāng)前工作線路與備選線路的自動切換。A/B冗余總線系統(tǒng)可大大提高整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性，其通常應(yīng)用于通信環(huán)境較差的場合。單獨(dú)A線系統(tǒng)與A/B冗余總線系統(tǒng)互聯(lián)時(shí)，若簡單地將單獨(dú)A線系統(tǒng)直接連接到A/B冗余總線系統(tǒng)的A線，這將導(dǎo)致失去其原有的冗余備份功效，降低整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性。

ESD+和EMD波形的差異性主要體現(xiàn)在如下方面。

1）總線空閑電平

ESD+時(shí)，通過總線首末節(jié)點(diǎn)的上下拉電阻，總線的空閑電平為低電平。EMD時(shí)，由于采用變壓器隔離，總線的空閑電平為浮動的，體現(xiàn)在接收端所接收到的信號既可能為邏輯高，也可能為邏輯低。

2）數(shù)據(jù)幀起始波形

ESD+和EMD數(shù)據(jù)幀起始波形分別如圖1所示［1］。雖然標(biāo)準(zhǔn)給出的兩種情況接收方收到的波形是相同的，但在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，為防止噪聲干擾，接收端一般采用斯密特接收器，圖1中EMD時(shí)接收端收到的起始電平信號為總線空閑時(shí)的電平狀態(tài)，根據(jù)不同情況，接收端對該電平的處理既可能為高，也可能為低。因此ESD+和EMD數(shù)據(jù)起始幀波形存在差異。

3）數(shù)據(jù)幀結(jié)束波形

ESD+和EMD數(shù)據(jù)幀結(jié)束波形分別如圖2、3所示［1］，兩者存在較大的不同。如圖2所示，ESD+的波形較為簡單，發(fā)送完最后一個(gè)bit后，發(fā)送端簡單地將發(fā)送使能置為無效，使得總線恢復(fù)為空閑低電平狀態(tài)。如圖3所示，對于EMD波形，發(fā)送完最后一個(gè)bit后，發(fā)送端需要再次發(fā)送1 bit寬度的低電平和1 bit寬度的高電平。

單獨(dú)A線系統(tǒng)和A/B冗余總線的差異，物理層ESD+和EMD波形的差異共同決定兩種不同的MVB總線無法直接實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，需要設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單獨(dú)A線系統(tǒng)和A/B冗余總線系統(tǒng)的差異性以及ESD+和EMD波形的差異性決定設(shè)計(jì)的總線網(wǎng)關(guān)不能基于MVB的物理層，而應(yīng)該基于鏈路層或更高的應(yīng)用層，這樣才能消除波形差異性所帶來的影響，同時(shí)確保B線冗余線路所帶來的通信可靠性提升?？偩€網(wǎng)關(guān)基于MVB通信鏈路層，其設(shè)計(jì)原則為對每個(gè)MVB支路單獨(dú)管理，每個(gè)支路均具備獨(dú)立完整的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能，可獨(dú)立處理不同物理層的MVB總線數(shù)據(jù)，例如ESD+或EMD，單線或雙線冗余等，網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。核心數(shù)據(jù)交換模塊接收各個(gè)支路收到的總線數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷比較，若收到的數(shù)據(jù)是全新的，則將該數(shù)據(jù)拷貝到對應(yīng)的目標(biāo)支路發(fā)送出去，以此方式完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)操作，實(shí)現(xiàn)各條MVB支路的互聯(lián)互通。

圖2 ESD+數(shù)據(jù)幀結(jié)束波形

圖3 EMD數(shù)據(jù)幀結(jié)束波形

圖4 總線網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于上述設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，圖5所示為一個(gè)具體的MVB總線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)例。網(wǎng)關(guān)與三路總線互聯(lián)，分別為：

圖5 總線網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

MVB EMD CCU總線支路，該支路采用A/B冗余總線。

MVB EMD DMI總線支路，該支路采用單路A總線。

MVB ESD+TSG總線支路，該支路采用單路A總線。

設(shè)計(jì)主CPU采用MPC8358E芯片，各MVB支路均采用MVBC01芯片作為總線控制器，實(shí)現(xiàn)對MVB總線的控制管理和數(shù)據(jù)收發(fā)。主CPU負(fù)責(zé)按周期輪詢對各MVB總線端口進(jìn)行輪詢，若查詢到新的端口數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)MVB總線支路。3個(gè)MVB支路可實(shí)現(xiàn)對所有端口的無縫全映射，例如，若MVB EMD CCU支路存在0x354端口，可將該端口映射到MVB ESD+TSG支路上，MVB ESD+TSG支路上的設(shè)備可以像訪問自身總線上的端口一樣對0x354端口進(jìn)行讀寫訪問，所獲得的數(shù)據(jù)實(shí)際為MVB EMD CCU支路上的數(shù)據(jù)。

值得說明的是，上述實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)會帶來數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，即某一端口的數(shù)據(jù)從某一條MVB支路經(jīng)過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)搅硪粭lMVB支路會存在時(shí)間延遲，正常情況下時(shí)間延遲Tdelay為：

式中，Tpoll表示端口的輪詢周期，Tgateway表示網(wǎng)關(guān)處理數(shù)據(jù)所帶來的延遲。

4 實(shí)際測試結(jié)果

針對上述實(shí)現(xiàn)的總線網(wǎng)關(guān)，制作了測試工裝進(jìn)行性能測試，其測試原理如圖6所示。測試工裝模擬產(chǎn)生原始總線數(shù)據(jù)，經(jīng)過某條總線發(fā)送給被測網(wǎng)關(guān)。被測總線網(wǎng)關(guān)按照配置將接收到的數(shù)據(jù)從其他總線支路回傳給測試工裝。在收到回傳的總線數(shù)據(jù)后，測試工裝和原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，判斷數(shù)據(jù)是否正確以及數(shù)據(jù)延遲是否滿足規(guī)定要求。

圖6 MVB總線網(wǎng)關(guān)測試結(jié)構(gòu)圖

表1給出總線端口配置和對應(yīng)的測試結(jié)果，測試結(jié)果表明在網(wǎng)關(guān)處理延遲T_gateway為30 ms的情況下，所設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)未發(fā)生丟失，各端口數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笱舆t滿足預(yù)設(shè)指標(biāo)。

表1 MVB總線網(wǎng)關(guān)測試結(jié)果

5 總結(jié)和展望

分析和指出了MVB總線物理層存在兩方面的差異：1）ESD+和EMD波形的差異；2）單路A線和A/B冗余總線的差異。其中，波形的差異會導(dǎo)致總線無法互聯(lián)互通，單路和冗余總線的差異會導(dǎo)致B路冗余總線失效，降低整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性。針對上述問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種MVB總線網(wǎng)關(guān)，測試結(jié)果證明所設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)的高效性和可靠性。

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［3］ Hubert D.Kirrmann，Ulrich Claessen.IEC列車通信網(wǎng)絡(luò)［J］.機(jī)車電傳動，1999（5）：4-9.

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［5］張?jiān)?，范祚成，梁?基于MVBC的分布式智能I/O模塊的研究［J］. 機(jī)車電傳動，2000（4）：15-18.

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［7］蔡穎.多功能車廂總線控制器（MVBC）的研究與設(shè)計(jì)［D］.成都：西南交通大學(xué)，2005.

There are two differences in the MVB bus physical layer. One is the waveform difference between ESD+ and EMD， and the other is the difference between single-channel bus line and A/B redundant bus line. The waveform difference will lead to the bus connectivity problems. The difference between the single-channel bus and A/B redundant bus will cause B bus line failure to reduce the reliability of the whole communication system. The paper introduces the design of MVB bus gateway based on the analysis of the two differences. The test result proves that the gateway has high effi ciency and reliability.

MVB； train control； gateway； bus redundancy

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.05.008

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃重大課題項(xiàng)目（YK-2012K19）

（2016-07-19）