CN2819315Y - 基于arm7核微处理器的mvb四类设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于ARM7核微处理器的MVB四类设备，其特征在于包括32位处理器、处理器外围电路和MVB接口电路，所述的处理器通过接口电路与MVB网络相连接。本实用新型应用于基于TCN标准的MVB网络控制系统，是MVB网络的最高级别设备。它具有全部设备状态性能，过程数据性能、消息数据性能和总线管理性能。通过嵌入式实时操作系统、实时协议栈软件及用户应用软件实现MVB四类设备的各项功能，通过RS485/RS232串行通信接口或以太网通信接口实现程序的监控、调试及与外部设备通信。本设备可广泛用于铁路机车、动车组及电厂、矿山等实时性要求较高的工业控制领域。
Description
技术领域
本实用新型应用于基于TCN标准的MVB网络控制系统，是MVB网络的最高级别设备。广泛应用于铁路机车、动车组及电厂、矿山等实时性要求较高的工业控制领域。
背景技术
IEC61375-1《列车通信网络》(简称TCN标准)是国际标准，也是我国铁路行业标准。TCN标准是为铁路机车车辆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标准一共定义了两种总线形式：
(1)连接一个车辆内设备的多功能车辆总线(MVB)，总线工作频率为1.5Mbit/s，介质为双绞线或光纤；
(2)连接列车中各车辆的绞线式列车总线(WTB)，总线能自己组态，工作频率为1Mbit/s，介质为双绞屏蔽线。
这些总线在链路层提供了相同的两种传输服务：
(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标准规定的两种总线特点如表1所示：
表1WTB及MVB的主要特点
| 特性 | 绞线式列车总线WTB | 多功能车辆总线MVB |
| 总线结构 | 可变式结构，当组成改变时可自己组态 | 固定结构和设备地址 |
| 总线介质 | 双绞屏蔽线，特征阻抗120Ω(860m，32个节点，相当于22节UIC车辆) | 基于RS-485的双绞线(20m，32个设备)变压器耦合的双绞屏蔽线(200m，32个设备)带星耦器的光纤(2000m，2个设备) |
| 物理冗余 | 双份物理介质 | 双份物理介质 |
| 信号形式 | 有16～32位帧头的曼彻斯 | 有分界符的曼彻斯特码 |
| 特码 | ||
| 信号数据速度 | 1.0Mbit/s | 1.5Mbit/s |
| 地址区间 | 过程数据(每节点1个)和消息数据都为8位地址 | 过程数据(逻辑地址)和消息数据(物理地址)都为12位地址 |
| 物理地址 | 点对点和广播 | 点对点和广播 |
| 有效的帧长度 | 可变的4～132个八位位组 | 固定为16，32，64，128或256位 |
| 完整性 | 每帧FCS-16、帧长度检查及曼彻斯特编码 | IEC60870校验序列及帧长度检查 |
| 介质分配 | 由一个总线主分配 | 由一个总线主分配 |
| 主权转移 | 每个节点都可成为强总线主(根据命令)或弱总线主(根据默认) | 通过令牌传递总线管理器成为总线主 |
| 总线主冗余 | 初运行后，总线主权转移到另一节点 | 自动的主权转移，由令牌传递进行冗余校验 |
| 链路层服务 | 过程数据 周期性数据 按源寻址广播的数据集消息数据 偶发性数据 点对点或广播数据报文监视数据 周期性数据/偶发性数据 总线管理的数据 | |
按照TCN标准规定，连接在网络上的设备按性能可分为6类，各类设备功能如下：
(1)0类设备
0类设备无须具备表中的任何性能。0类设备包括一些特殊设备，例如中继器和星形耦合器，它们不参与或以其他方式参与(例如通过其他协议)应用数据交换。
(2)1类设备
1类设备具有设备状态性能和过程数据性能。在此类设备中，过程数据的端口地址与设备的地址有关，例如端口地址与设备地址相同。
(3)2类设备
2类设备具有设备状态性能、过程数据性能和消息数据性能。2类设备是一种可通过总线配置的智能设备，但不可编程。
(4)3类设备
3类设备具有设备状态性能、过程数据性能、消息数据性能和用户可编程性能。
(5)4类设备
4类设备具有设备状态性能、过程数据性能、消息数据性能和总线管理性能。4类设备也可具有用户可编程性能。
(6)5类设备
5类设备具有设备状态性能、过程数据性能、消息数据性能和TCN网关性能。5类设备也可具有总线管理器性能。
高级别设备向下兼容低级别设备。
在我国，电力机车的控制一直采用集中式控制方式，即每台机车只有一台中央控制计算机，所有信号采集及控制设备都要通过硬线连接到这台计算机上。
从上世纪90年代，国外先进的TCN网络控制技术开始进入我国。国内新型号的电力机车也开始采用TCN网络控制技术。但是我国自主研发的TCN通信网络技术一直处于空白阶段。TCN网络关键设备一直依赖进口。基于ARM7核微处理器的MVB四类设备的研制成功，标志着全部MVB网络技术已经攻克。使我国的机车网络控制技术上了一个新台阶。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种新型的MVB四类设备，具有全部设备状态性能、过程数据性能、消息数据性能和总线管理性能。
本实用新型的技术方案是由硬件及系统软件组成的一种基于ARM7核微处理器的MVB四类设备，包括32位处理器、处理器外围电路及MVB接口电路，所述的处理器通过接口电路与MVB网络相连接。
所述的处理器外围电路包括串行通信接口、以太网通信接口、看门狗电路和FLASH、SDRAM及NVRAM，其中所述的串行通信接口或以太网通信接口可实现以RS485/RS232或以太网方式进行程序监控、调试及与外部设备通信；看门狗电路用以完成硬件系统的监控功能；FLASH、SDRAM及NVRAM则作为处理器工作时的程序存储和运行的物理介质。
所述的MVB接口电路由MVB物理层接口电路、MVBC02通讯控制器和TM通讯存储器所组成，32位处理器通过TM通讯存储器与MVBC02控制器进行数据交换。
该设备上的软件包含了实时操作系统、实时协议栈软件及用户应用软件，其中所述的实时操作系统完成任务调度、内存管理、任务间通信、任务的同步与互斥、中断管理和定时器功能；实时协议栈软件通过驱动模块完成MVB网络通信任务。
与现有集中式控制技术相比较，本实用新型的优点在于：
(1)实现了MVB网络通信功能，克服了机车布线多、布线复杂和故障点多的缺陷。
(2)解决了信息量小，无法实现完善的状态显示及故障处理的问题。
(3)可实现整车系统的模块化设计。
附图说明
图1是本实用新型电气结构框图。
图2是本实用新型的MVB接口电路框图。
图3是系统软件结构框图。
图4是协议栈软件结构示意图。
图中：1、微处理器 2、处理器外围电路 3、MVB接口电路
4、MVB物理层接口电路 5、MVBCO2通讯控制 6、TM通讯存储器
7、Nucleus实时操作系统 8、实时协议栈软件 9、用户应用软件
具体实施方式
如图1所示的一种基于ARM7核微处理器的MVB四类设备，其特征在于包括32位处理器1、处理器外围电路2和MVB接口电路3，所述的处理器通过接口电路与MVB网络相连接。其中所述的32位处理器选用NetSilicon公司的32位处理器NET+50，它包括：ARM7TDMI核，32位内部总线；支持所有SRAM、FD/EDO DRAM、SDRAM、Flash、EEPROM；40个可编程I/O接口引脚、16个输入接口引脚、36个可编程中断；2个完全独立的HDLC/UART/SPI串行口。本系统中，晶振频率为18.432MHz，异步访问SDRAM的周期为60ns；
处理器外围电路2包括：串行通信接口、以太网通信接口、看门狗电路、FLASH、SDRAM及NVRAM等。
在MVB 4类设备正常工作时，可以通过RS485/RS232串行通信接口或以太网通信接口进行程序的监控、调试及与外部设备通信；
看门狗电路完成硬件系统监控功能。系统软件正常运行时，将定时激活看门狗电路。如在规定的时间内，32位处理器没有给出激活信号，看门狗电路将认为系统故障，发出复位信号，使整个系统重新开始运行；
FLASH、SDRAM及NVRAM为NET+50正常工作时所需的程序存贮和运行的物理介质，FLASH容量为4M字节，SDRAM容量为16M字节，NVRAM容量为1M字节；
MVB接口电路3的电路框图如图2所示。MVBC02为MVB通信控制器。32位处理器通过通信存储器TM与MVBC02进行数据交换。通信存贮器TM选用SRAM，容量为1M字节。
本实用新型上运行的系统软件包括Nucleus实时操作系统7、实时协议栈软件8及用户应用软件9。
嵌入式实时操作系统7采用ATI公司的Nucleus PLUS。包括三个部分：板级支持包(BSP)、I/O驱动模块及实时操作系统内核。
板级支持包(BSP)介于物理硬件和实时操作系统之间，它负责CPU硬件初始化、中断处理、内存地址重映射及内存分配等工作；
I/O驱动模块包括MVB驱动模块、串口驱动模块、以太网驱动模块等，应用可以通过驱动程序接口对相应的模块进行操作；
实时操作系统内核完成任务调度、内存管理、任务间通信、任务的同步与互斥、中断管理、定时器等功能；
实时协议栈软件8是MVB 4类设备软件的核心，它在实时操作系统内核的支持下，通过MVB驱动模块完成MVB网络数据通信的任务。该协议栈软件支持过程数据、消息数据和监视数据通信。
过程数据属于源寻址数据的周期性广播，在总线活动基本周期的周期相中发送，根据进行通讯的过程数据的特征周期配置主帧表和过程数据逻辑端口，特征周期是基本周期的2n倍。用户通过过程数据应用层接口(AVI)实现应用变量的读取和写入，包括单个变量、变量集、变量簇和变量强制四种访问模式；链路层接口函数(LPI)实现数据集的读取和写入。具体过程为用户应用层调用应用层AVI接口函数，AVI函数调用链路层LPI中的函数，实现整个过程变量的读写操作。然后，通过总线管理器按照特征周期定时发送相应的过程数据主帧(根据从帧传输的数据长度的不同，共有F-code0～F-code4的五种过程数据主帧)，配置好的源端口过程数据通过从帧进行响应，从而实现过程数据的通讯。
消息数据在总线活动基本周期的偶发相中发送。消息数据通讯协议栈按照OSI模型构建，包括应用层、会话层、传送层、网络层、和链路层。各层的功能参见IEC61375-1协议。消息数据通讯过程如下：
(1)用户应用通过呼叫任务调用应用层接口函数，在应用接口函数中进行各种配置和表操作。
(2)应用接口函数调用会话层的消息发送请求函数，在消息发送请求函数中构造TCB块(message transmission control block传送层信息控制块)。
(3)消息发送请求函数调用传送层的发送连接请求函数，在该函数中构造网络地址和连接请求包(CR包)。
(4)发送连接请求函数调用网络层的发送函数，网络层发送函数通过查表操作得到网络层和链路层间的映射。
(5)网络层发送函数调用链路层消息发送请求函数，该函数给消息数据包加上链路报头，放入消息发送队列，声明事件，并参加事件仲裁(该过程在后文介绍)。当总线管理器仲裁出本站，并点名要本站发送时，MVBC控制器将消息源端口中的消息发送出去，同时产生发送中断，判断现在发送队列是否为空，如果不为空，则将从队列中取出一个包放入消息源端口中，等待发送。
(6)消息数据通过物理层到达目的站的链路层。
(7)目的站收到消息后，触发中断，将消息数据从消息宿端口拷贝到接收队列，并通知网络层有消息到达。
(8)网络层调用接收函数从链路层得到入境包(消息数据)，并将该包放到网络层和传送层之间的队列中。
(9)传送层收到连接请求包(CR包)，调用会话层接口函数。
(10)会话层根据情况建立连接，并使传送层反向传送一个连接确认包(CC包)。连接建立以后，发送数据包(DT包)。
(11)当接收到全部消息后，会话层调用应用层接受确认接口函数，明确消息接收完毕。
监视数据在总线活动基本周期的偶发相中发送，主要负责三种数据通讯：①设备状态查询、②事件仲裁、③总线主权转移。
设备状态查询：设备状态查询通过F-code15设备状态请求主帧及其相应的从帧实现，主帧通过主帧表或者主帧槽(MFS：Master Frame Slot)发送，从帧的内容按照IEC61375协议中关于设备状态信息的描述在MVBC协议控制器的FC15物理端口中定义。当被查询的设备收到来自总线管理器的设备状态查询请求帧后，将发送源端口FC15中的内容，完成设备状态查询过程。该功能还配合主权转移请求F-code8完成主权转移过程。
事件仲裁：事件仲裁主要用于消息数据通讯，当有两个以上设备同时有消息数据需要发送时，会产生多个消息事件，此时主设备需要对各个设备的响应次序进行仲裁，以保证消息数据的正常收发。消息事件仲裁需要三种类型的事件请求(主帧)和相应的事件标识响应(从帧)参与，包括F-code9一般事件请求、F-code13组事件请求、F-code14单一事件请求及其对应的从帧。仲裁算法由链路层和物理层实现，通过MVBC协议控制器收发上面提到的三种监视主帧及其从帧实现事件仲裁过程。
总线主权转移：为增强网络可靠性，在MVB总线上可以根据具体的应用需要设定具有总线管理功能的几个设备，以令牌方式在具有总线管理功能的设备上传递总线管理主权。该功能利用MVBC协议控制器的F-code8(主权转移请求)和F-code15(设备状态轮询)两种主帧及其相应的从帧配合实现。
用户应用层调用协议栈过程数据、消息数据及监视数据的应用层接口函数，利用本地和网络通信得到的数据，进行相应的控制操作。应用控制程序软件由C语言编写完成。
Claims (3)
1、一种基于ARM7核微处理器的MVB四类设备，其特征在于包括32位处理器(1)，处理器外围电路(2)和MVB接口电路(3)，所述的处理器通过接口电路与MVB网络相连接。
2、根据权利要求1所述的基于ARM7核微处理器的MVB四类设备，其特征在于所述的处理器外围电路包括串行通信接口、以太网通信接口、看门狗电路和FLASH、SDRAM及NVRAM，其中所述的串行通信接口或以太网通信接口可实现以RS485/RS232或以太网方式进行程序监控、调试及与外部设备通信；看门狗电路用以完成硬件系统的监控功能；FLASH、SDRAM及NVRAM则作为处理器工作时的程序存储和运行的物理介质。
3、根据权利要求1所述的基于ARM7核微处理器的MVB四类设备，其特征在于所述的MVB接口电路由MVB物理层接口电路(4)、MVBC02通讯控制器(5)和TM通讯存储器(6)所组成，32位处理器通过TM通讯存储器与MVBC02控制器进行数据交换。
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20090410 Address after: No. 51, middle The Strip, Shahekou District, Liaoning, Dalian Province, China: 116022 Patentee after: Dalian Electric Traction Research & Development Center of China North Locomotive Co., Ltd. Address before: Beijing City, Fengtai District Fong City Park District building 15, zip code: 100076 Patentee before: China CNR Corporation Limited |
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20060920 Termination date: 20100520 |