基于ARM7核微处理器的MVB-CAN网关

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基于ARM7核微处理器的MVB-CAN网关\n技术领域\n[0001] 本发明涉及符合TCN标准的MVB网络控制系统，是具有CAN通信能力的MVB网络通讯设备。广泛应用于铁路列车、地铁列车和城市轨道交通车辆等实时性要求较高的工业控制领域。\n背景技术\n[0002] 随着国外先进的TCN网络控制技术高速发展，我国的电力机车也开始陆续采用TCN技术，即现场所有信号的采集与控制都需要通过总线采集到集中控制计算机上。但是由于一些门控单元、监控单元等设备都采用CAN总线接口，于是MVB-CAN网关便成为MVB网络控制系统必需的关键设备，对于铁路机车行业的技术创新具有现实意义。\n[0003] IEC61375-1《列车通信网络》(简称TCN标准)，是一项国际标准，也是我国铁路行业标准。TCN标准是为铁路行业这一特殊应用领域设计的现场总线标准，它制定了一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂、不同厂商的设备能够互联。TCN标准一共定义了多功能车辆总线MVB和绞线式列车总线WTB两种形式，其中MVB总线连接一个车辆内的设备，总线工作频率为1.5Mbit/s，介质为双绞线或光纤。MVB总线在链路层提供了两种传输服务：(1)过程数据：周期性的，源寻址广播数据；(2)消息数据：按需传送的，目标寻址的数据报文。TCN标准规定的MVB总线特点如表1所示。\n[0004] CAN总线是公认的最具发展前途的现场总线之一，ISO11898标准是它的国际标准。CAN总线标准遵循ISO/OSI模型，采用了其中的物理层、数据链路层和应用层。CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制系统的串行通信网络，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN标准规定的总线特点如表2所示。\n[0005] 表1MVB总线的主要特点\n[0006] \n 特性 多功能车辆总线MVB\n 总线结构 固定结构和设备地址\n 总线介质 基于RS-485的双绞线(20m，32个设备)\n 变压器耦合的双绞屏蔽线(200m，32个设备)\n 带星耦器的光纤(2000m，2个设备)\n 物理冗余 双份物理介质\n 信号形式 有分界符的曼彻斯特码\n 信号数据速度 1.5Mbit/s\n 地址区间 过程数据(逻辑地址)和消息数据(物理地址)都为12位地址\n 物理地址 点对点和广播\n 有效的帧长度 固定为16，32，64，128或256位\n 完整性 IEC60870校验序列及帧长度检查\n 介质分配 由一个总线主分配\n 主权转移 通过令牌传递总线管理器成为总线主\n 总线主冗余 自动的主权转移，由令牌传递进行冗余校验\n 链路层服务 过程数据 周期性数据 按源寻址广播的数据集\n 消息数据 偶发性数据 点对点或广播数据报文\n 监视数据 周期性数据/偶发性数据 总线管理的数据\n[0007] 表2CAN总线的主要特点\n[0008] \n 特性 CAN\n 网络结构 串行总线\n 通信介质 双绞线、光纤\n 通信方式 CSMA/CD\n 信号数据速度 1Mbit/s\n 寻址方式 广播\n 节点数 64\n 传输距离 10km\n[0009] 目前我国铁路行业采用的MVB-CAN网关产品都是国外的标准件，虽然有自主研发的相关产品，但都只是简单的替换和代用，没有形成应用于机车车辆行业的具有自主知识产权的MVB-CAN网关。所以MVB-CAN网关的研制成功，标志着全部MVB-CAN转换技术已经攻克，填补了国内这一领域的空白，使我国的TCN网络控制技术上了一个新台阶。\n发明内容\n[0010] 本发明的目的是提供一种新型的MVB-CAN网关，主要应用于在铁路列车、地铁列车和城市轨道行业的MVB网络控制系统中，连接CAN总线接口的网络设备，既具有MVB过程数据功能、消息数据功能和总线管理功能，也具有CAN链路层管理功能和应用层功能。\n[0011] 本发明的技术解决方案是这样实现的：一种基于ARM7核微处理器的MVB-CAN网关，其特征在于包括MVB板卡、CAN板卡、CPU板卡、电源板卡和背板。所述的MVB板卡、CAN板卡和CPU板卡都是通过背板上的背板总线相连接，而电源板卡为MVB板卡、CAN板卡和CPU板卡提供工作电压；所述的CAN板卡负责CAN总线设备的数据采集和传输；所述的MVB板卡负责MVB总线设备的数据采集和控制；所述的CPU板卡负责CAN总线和MVB总线设备数据的中央处理以及生成ETHERNET和RS232监控数据流。\n[0012] 所述的CAN总线板卡包括FPGA逻辑处理器、CAN协议控制器、CAN隔离光耦和CAN总线收发器。所述的设备数据流从背板总线传送到FPGA逻辑处理器中和CAN协议控制器转化为链路报文，通过CAN隔离光耦变成隔离的信号电平，经CAN总线收发器调制成差分信号传送到CAN总线上去；所述CAN总线板卡还可以接收CAN总线上的传输数据，经过处理后回传到背板的背板总线上。\n[0013] 所述的MVB总线板卡包括MVB共享RAM、MVB协议控制器、MVB总线驱动器和MVB差分滤波器。所述的设备数据流从背板总线经MVB协议控制器允许，传入MVB共享RAM，然后读入MVB协议控制器中，再通过MVB总线驱动器和MVB差分滤波器的信号隔离调整，传送到车辆总线上去；所述MVB总线板卡还可以接收车辆总线上的传输数据，经过处理后回传到背板的背板总线上。\n[0014] 所述的CPU总线板卡包括中央处理器、以太网协议控制器和RS232协议控制器。所述的中央处理器分别传送CAN总线和MVB总线数据流，经过背板的背板总线传入CAN总线板卡和MVB总线板卡，同时中央处理器将采集的数据信息生成用于列车车辆诊断分析的数据流，从以太网和RS232接口输出。\n[0015] 所述的MVB协议控制器以查询方式读取共享RAM的MVB过程数据、消息数据或监视数据，转化为曼彻斯特码信号，传入MVB总线驱动器中组成标准电气信号，或者将来自MVB总线驱动器的曼彻斯特码信号，解析为标准信号数据，写入共享RAM。\n[0016] 所述的MVB总线驱动器将来自MVB协议控制器的曼彻斯特信号转化为标准的差分信号，经MVB差分滤波器传到MVB网络，或者将来自MVB网络的滤波差分信号转化为MVB协议控制器可识别的曼彻斯特信号。\n[0017] 所述的FPGA逻辑处理器是将来自背板总线的应用数据流转化为分时复用的电平信号，送入CAN协议控制器，或者将来自CAN协议控制器的分时复用报文，转化为应用数据流传送到背板总线。\n[0018] 所述的CAN协议控制器是将来自FPGA逻辑处理器的数据流转化为链路报文格式的电平信号，送入CAN隔离光耦，或者将来自CAN隔离光耦的链路报文，转化为标准的数据流传送到FPGA逻辑处理器。\n[0019] 所述的CAN总线收发器是将来自CAN隔离光耦的隔离电平信号转化为差分电平信号传送到CAN总线上，或者将来自CAN总线上的差分信号，转化为电平信号传送到CAN隔离光耦。\n[0020] 所述的背板总线结构将各种板卡组合成一个整体设备，电源板卡采用模块化设计提供整个试验平台的供电。\n[0021] 本系统是将一种基于IEC61375-1和ISO11898标准的MVB-CAN网络控制技术应用到铁路行业控制领域，具有设计新颖、高可靠性、高灵活性和成本低廉的特点，具有广泛的应用前景。\n附图说明\n[0022] 图1为本发明的结构框图；\n[0023] 图2为本发明的CPU板卡结构框图；\n[0024] 图3为本发明的CAN总线板卡结构框图；\n[0025] 图4为本发明的MVB总线板卡的结构框图；\n[0026] 图5为本发明CPU板卡中ARM及其外围电路接口电路图；\n[0027] 图6为本发明的CAN总线板卡中FPGA逻辑处理器和CAN总线协议控制器的电路连接图；\n[0028] 图7为本发明的MVB总线板卡中MVB协议控制器的电路连接图；\n[0029] 图8为本发明的MVB总线板卡中MVB总线驱动器和MVB差分滤波器的电路连接图；\n[0030] 图9为本发明的网络拓扑图；\n[0031] 图1为本发明的说明书摘要附图。\n[0032] 图中：1、MVB总线板卡，2、CAN总线板卡，3、CPU板卡，4、电源板卡，5、背板，6、中央处理器，7、以太网协议控制器，8、RS232协议控制器，9、FPGA逻辑处理器，10、CAN协议控制器，11、CAN隔离光耦，12、CAN总线收发器，13、MVB共享RAM，14、MVB协议控制器，15、MVB总线驱动器，16、MVB差分滤波器。\n具体实施方式\n[0033] 如图1～9所示，一种基于ARM7核微处理器的MVB-CAN网关，其特征在于包括MVB总线板卡1、CAN总线板卡2、CPU板卡3、电源板卡4和背板5，所述的MVB总线板卡1、CAN总线板卡2和CPU板卡3通过背板5上的背板总线相连接；所述的电源板卡4安装在背板\n5上对MVB总线板卡1、CAN总线板卡2和CPU板卡3进行统一供电；所述的MVB总线板卡1负责采集和控制MVB总线上设备的数据流；所述的CAN总线板卡2负责采集和控制CAN总线上设备的数据流；所述的CPU板卡1负责CAN总线和MVB总线设备数据的中央处理以及生成ETHERNET和RS232监控数据流。\n[0034] MVB总线板卡1包括MVB共享RAM 13、MVB协议控制器14、MVB总线驱动器15和MVB差分滤波器16。所述的设备数据流从背板5的背板总线经MVB协议控制器14允许，传入MVB共享RAM 13，然后读入MVB协议控制器14中，再通过MVB总线驱动器15和MVB差分滤波器16的信号隔离调整，传送到车辆总线上去；所述MVB总线板卡还可以接收车辆总线上的传输数据，经过处理后回传到背板5的背板总线上。MVB差分滤波器16为高频信号滤波器，具有高频干扰信号抑制作用，EMC满足EN50155标准。\n[0035] CAN总线板卡2包括FPGA逻辑处理器9、CAN协议控制器10、CAN隔离光耦11和CAN总线收发器12。所述的设备数据通过背板5的背板总线传入FPGA逻辑处理器9中转化为分时复用数据流，再通过CAN协议控制器10形成链路报文，经CAN隔离光耦11信号隔离，在CAN总线收发器12中变成差分信号传送到CAN总线上去；所述CAN总线板卡还可以接收CAN总线上的传输数据，经过处理后回传到背板5的背板总线上。\n[0036] CPU总线板卡3包括中央处理器6、以太网协议控制器7和RS232协议控制器8。\n所述的中央处理器6分别传送CAN总线和MVB总线数据流，经过背板5的背板总线传入MVB总线板卡1和CAN总线板卡2，同时中央处理器6将采集的数据信息生成用于列车车辆诊断分析的数据流，分别经过以太网控制器7和RS232控制器8对外输出。另外，中央处理器6外围还配置工作电源、实时时钟和复位电路。\n[0037] 其中MVB协议控制器14为MVBC01、MVB总线驱动器15为LCT1485、MVB差分滤波器16为CM04RC04、FPGA逻辑处理器9为Sartan2-100、CAN协议控制器10为SJA1000、CAN隔离光耦11为6N137、CAN总线收发器12为82C250；中央处理器6为ARM7主控制器是整个系统的核心部分，它由两部分组成：即硬件和软件。硬件的作用主要是负责CAN总线和MVB总线数据的中央处理及两种总线数据流的交换，以及以太网和RS232数据流的生成。软件则完成网络协议栈功能和应用控制功能。CAN协议控制器10是CAN网络的核心器件，它负责将FPGA逻辑处理器9中要传输的应用数据转化成CAN网络协议所规定的链路报文数据流送到CAN隔离光耦11形成电气隔离信号，或者将CAN隔离光耦11送来的电气隔离信号解析成标准数据并将其存入FPGA逻辑处理器9，随之引发中断请求信号，以供中央处理器6读取。每个板卡与板卡之间的连接为背板总线，该背板总线遵循了标准的外存访问总线，背板总线插座是将上述板卡连接起来的物理结构，它将板卡间的信号安照特殊的要求进行走线和电平匹配，同时提供了整个MVB-CAN网关的110V外电源供电接口。所述的背板设计是根据铁路行业现场电气环境的特点设计的，背板总线信号具有高的可靠性、良好灵活性能和可扩展性能；电源板卡4采用的是模块化设计的方法，使用的核心电源模块为日本COSEL公司生产电源模块芯片，目的是将+110V电压转换为+5V电源，供给机箱内板卡使用，是一个十分稳定的电源。\n[0038] 由上述四块板卡所构建的MVB-CAN网关，与列车内部CAN网络设备相连接，这样CAN网络设备上的列车信息可以和MVB网络进行数据流的交换。如果列车内需要更多的CAN网络，那么每个CAN网络内就需要一套这样的设备。典型系统构架图如图9所示，由MVB总线板卡、CAN总线板卡以及CPU板卡组成MVB-CAN网关，同时连接MVB网络和CAN网络。CAN网络还包括带有CAN总线接口的DX、AX等板卡组成CAN网络的采集执行单元。CAN最底层板卡为数字量和模拟量板卡，它将数据交给CAN总线板卡，生成CAN数据格式报文，然后由CPU板卡和MVB总线板卡传送到MVB总线上的其他设备上。同时反过来也是将MVB其他设备的数据发送到CAN最底层的板卡。整个系统的数据流如上所述。当然，根据MVB网络系统的要求还可以带很多其他设备，比如中央控制单元、智能显示单元、牵引制动单元、压缩机单元等。