MVB多功能車輛總線是在國際標準IEC61375列車通信網(wǎng)絡(TCN)中被詳細定義的一種現(xiàn)場總線，按照TCN標準，列車通信網(wǎng)分為兩級，第一級絞線式列車總線實現(xiàn)車輛間的數(shù)據(jù)通信，第二級多功能車輛總線MVB主實現(xiàn)同車輛內各個功能控制單元之間的數(shù)據(jù)通信。MVB以其高實時性、高可靠性及可管理性等多方面的優(yōu)勢而廣泛應用在列車總線控制當中。但是由于MVB是專門針對列車通信網(wǎng)絡而開發(fā)的，其實用范圍、供貨商、經(jīng)濟型均不如CAN總線。CAN總線作為現(xiàn)場設備級的通信總線具有很高的可靠性和性價比。目前很多機車車輛的列車通信網(wǎng)絡系統(tǒng)都采用MVB總線和CAN總線共同組成的異構網(wǎng)絡。因此，本文提出了一種基于μC/OS-Ⅱ的ARM7內核芯片LPC2294的MVB-CAN雙向通信模塊。
1 MVB多功能車輛總線
MVB是國際標準IEC61375-1的車輛總線部分，它主要用于具有互操作性和互換性要求的互聯(lián)設備之間通信的串行數(shù)據(jù)總線。MVB采用主幀/從幀應答方式，可以實現(xiàn)設備和介質冗余，實時性靠RTP實時協(xié)議保證。MVB介質分為3種：電氣短距離介質為RS 485差分傳輸導線對，傳輸距離為20 m;電氣中距離介質為雙絞屏蔽線，傳輸距離為200 m;電氣長距離介質為光纖，傳輸距離為2 km。
MVB作為主從方式的串行通訊總線，是可以實現(xiàn)過程控制優(yōu)化的總線。MVB具有良好的實時響應，一般用作車輛內部設備之問的數(shù)據(jù)通信，其采用曼徹斯特編碼方式，數(shù)據(jù)傳輸速率為1.5 MHz。MVB多功能車輛總線主要由通信介質、MVBC協(xié)議控制器和MVB鏈路軟件3部分構成。
MVB具有2種幀格式，一種是只能由總線主設備發(fā)送的主設備幀，簡稱主幀;另一種是為響應主幀而由從設備發(fā)送的從設備幀，簡稱從幀?？偩€主設備在每一個特征周期里通過發(fā)主幀的方式對進程數(shù)據(jù)進行輪詢，相應地從設備發(fā)送從幀進行真正的數(shù)據(jù)傳輸。報文由主幀和響應此主幀而送出的從幀組成。一個主幀應以主起始分界符開始，其后為16 b幀數(shù)據(jù)，接著為8 b校驗序列。
一個從幀應以從起始分界符開始;接著為(16，32，64，128或256)b幀數(shù)據(jù)，在每64個數(shù)據(jù)位包含一個8 b的校驗序列，當幀數(shù)據(jù)只有16 b或32 b時將一個8 b的校驗序列附加其后。
2 CAN總線
控制器局域網(wǎng)(Conteoller Area Network，CAN)是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，最早由德國BOSCH公司推出，是一種用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，CAN總線作為一種技術先進，可靠性高，功能完善，成本合理的遠程網(wǎng)絡通信控制技術，CAN總線已被廣泛應用于各個領域。它為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各功能節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供強有力的技術支持。其報文結構可以分為2種不同的幀格式，兩種幀格式的不同之處為標識符的長度不同：具有11位標識符的幀稱為標準幀，具有29位標識符的幀稱為擴展幀。本設計中主要考慮標準幀的情況。標準幀的報文由4種不同類型的幀構成表示：數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀和超載幀。以數(shù)據(jù)幀為例：數(shù)據(jù)幀由7個不同部分構成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應答場和幀結束。
3 通信網(wǎng)關模塊硬件設計
網(wǎng)關模塊的硬件框圖如1所示。
網(wǎng)關通信模塊研制" src="http://files.chinaaet.com/images/2012/08/25/5e7d45d3-3458-4a54-bcf8-52b43644eb41.jpg" />
處理器采用基于ARM7的LPC2294。LPC2294是一款基于16 b/32 b ARM7TDMI-S內核，內帶16 KB RAM和256 KB高速FLASH的微處理器，最大時鐘速率60 MHz。內帶2路CAN通道，其CAN控制器集成了數(shù)據(jù)鏈路層功能，符合CAN2.0A和CAN2.0B的規(guī)范。
CAN收發(fā)器采用Philips PCA82C250。主要提供對總線的差分發(fā)送能力和對CAN控制器的差動分接收能力。微處理器對CAN控制器進行相應配置后，收發(fā)器自動完成相應的CAN總線動作。
MVB通信控制器采用MVBC02專用芯片，它采用16 b數(shù)據(jù)總線，提供了豐富的接口控制信號，簡化了與各種宿主CPU以及通信存儲器的接口設計，支持MVB協(xié)議中鏈路層及物理層的功能。MVB物理層接口采用電氣短距離介質ESD+接口，系統(tǒng)信號通道使用光耦實現(xiàn)主系統(tǒng)與外界的電隔離，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。使用RS 485芯片LTC1485I作為收發(fā)器，并使用過壓保護模塊以防止瞬間過壓對器件造成損壞。MVB物理層接口電路如圖2所示。
4 軟件實現(xiàn)方案
在本設計中，關鍵是實現(xiàn)MVB總線和CAN總線之間的數(shù)據(jù)交換，它具有MVB檢測和接入功能，以及CAN總線檢測和接入功能，通過處理器控制數(shù)據(jù)幀的解析和重新封裝，實現(xiàn)符合CAN總線V2.0規(guī)范和MVB標準格式幀的相互轉換。因此從CAN側接收到的數(shù)據(jù)要通過MVB傳輸，就需要按照一定的格式把CAN幀中的數(shù)據(jù)組合成MVB幀的數(shù)據(jù)格式;同樣從MVB側接收到的數(shù)據(jù)要通過CAN傳輸，也需要按照一定的格式對MVB幀中的數(shù)據(jù)進行分幀處理。另外，為了實現(xiàn)透明傳輸需要在MVB端口中將各種變量的含義按照一定的規(guī)則和CAN總線側幀的標識符等信息對應，從而形成一個表格，同樣在CAN總線側也將CAN側的標識符與MVB側的過程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集進行對應形成表格。
軟件主要由主函數(shù)調度模塊、MVB控制模塊、CAN控制模塊以及2個數(shù)據(jù)緩沖組成。當CAN應用層有數(shù)據(jù)要發(fā)送到MVB網(wǎng)絡時，主函數(shù)需調度模塊得到CAN數(shù)據(jù)傳輸后調度CAN控制模塊接收數(shù)據(jù)，解碼分析獲取標識符，依據(jù)標識符查詢索引表找出對應MVB端口相關變量，后將報文中的相關數(shù)據(jù)提取出來發(fā)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B。主函數(shù)調度模塊通知MVB控制模塊從緩沖區(qū)B中提取數(shù)據(jù)，并進行完整的MVB報文封裝，發(fā)送到MVB總線上，釋放緩沖區(qū)B。反過來，當MVB應用層有數(shù)據(jù)要發(fā)送到CAN節(jié)點時，首先，數(shù)據(jù)發(fā)送到MVB上，主函數(shù)調度模塊檢測MVB上是否有數(shù)據(jù)傳輸，通知MVB控制模塊接受數(shù)據(jù)，并對信息解碼分析，從中獲取端口相關變量，依據(jù)端口相關變量查詢索引表找出對應CAN標識符，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A。此時，總調度模塊通知CAN控制模塊從緩沖區(qū)A中提取數(shù)據(jù)，并進行完整的CAN報文封裝，發(fā)送到CAN總線上，釋放緩沖區(qū)A。CAN控制模塊主要負責從CAN數(shù)據(jù)包中解析出完整CAN協(xié)議報文，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B。同時，將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A中的CAN數(shù)據(jù)封裝成完整的CAN協(xié)議報文后發(fā)送到CAN總線上。MVB控制模塊主要負責從MVB數(shù)據(jù)包中解析出完整MVB協(xié)議報文，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A。同時，將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中的MVB數(shù)據(jù)封裝成完整的MVB協(xié)議報文后發(fā)送到MVB上?？傉{度模塊主要起到綜合調度和監(jiān)控作用，同時，它還用于整個傳輸過程中的中斷響應。
圖3說明了軟件流程框圖。
5 結語
本文描述了基于ARM7處理器LPC2294的MVB-CAN通信模塊的實現(xiàn)方法，概述了MVB網(wǎng)絡和CAN總線網(wǎng)絡的報文結構，提出通信模塊的硬、軟件實現(xiàn)方法。通過考核該通信模塊實現(xiàn)了MVB與CAN總線間的數(shù)據(jù)傳遞，其性能穩(wěn)定，可靠性高。各種現(xiàn)場總線都有各自應用特點及優(yōu)勢。所以，多類型總線異構組網(wǎng)方式在列車通信網(wǎng)絡中的應用越來越廣泛。MVB及CAN總線的異構組網(wǎng)方式具有廣闊的市場前景。MVB-CAN通信模塊的設計為列車通信網(wǎng)絡的多元化發(fā)展提供了支持，也為其他網(wǎng)絡異構組網(wǎng)(例如：RS 485/RS 422-MVB，HDLC-MVB等)方式的網(wǎng)絡通信模塊設計提供了參考。