基于ARM處理器的MVB 2類設備研究

　　1 引 言

　　列車需要傳輸大量的設備控制和旅客服務信息，隨著這些信息的數(shù)量和種類不斷地增長，迫切需要一種大容量，高速度的信息傳輸系統(tǒng)。為此，國際電工委員會(IEC)制定了一項用于規(guī)范車載設備數(shù)據(jù)通信的標準——IEC61375(列車通信網(wǎng)標準)，即TCN標準，該標準于1999年6月成為國際標準。目前國際上主要的TCN產(chǎn)品供應商是德國西門子和瑞士Duagon公司，國內的株洲電力機車研究所和大連北車集團電力牽引研究所等單位進行了大量的TCN相關研究工作并取得了豐碩的科研成果。

　　TCN標準推薦在機車上層使用絞線式列車總線WTB，在下層使用多功能車輛總線MVB。MVB總線和機車中的各種電氣設備相連，這些設備按性能可以分為5類，其中二類設備的主要特征是具有消息數(shù)據(jù)通信的功能。為了實現(xiàn)消息數(shù)據(jù)通信，需要在實時操作系統(tǒng)的支持下采用軟件編程，利用應用程序接口API等接口來調用網(wǎng)絡協(xié)議的各種功能，從而實現(xiàn)消息數(shù)據(jù)的通信。MVB 2類設備硬件核心采用ARM7內核微處理器NET+50作為主CPU實現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制，采用MVBC01芯片作為MVB通信控制器實現(xiàn)鏈路層的數(shù)據(jù)處理，軟件核心采用嵌入式實時操作系統(tǒng)Nucleus Plus來實現(xiàn)任務管理、中斷管理等上層管理。

　　2 MVB 2類設備系統(tǒng)硬件設計

　　硬件系統(tǒng)設計主要包括應用處理器模塊、通信存儲器模塊、通信控制器模塊、存儲器模塊、PC104接口模塊、物理層接口模塊等幾部分的設計，其中核心模塊是ARM處理器和MVB通信控制器MVBC01。系統(tǒng)硬件設計框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)硬件各部分電路的功能和設計方法如下：

　　2.1 應用處理器模塊

　　應用處理器采用ARM核微處理器NET+50作為核心處理器。NET十50由Netsilicon公司生產(chǎn)，屬于ARM7系列。NET+50處理器包括一個ARM7TDMI核，32位內部總線，支持所有SRAM，SDRAM，F(xiàn)LASH，E2PROM，有40個可編程I/O接口引腳，16個輸入接口引腳，36個可編程中斷，2個完全獨立的HDLC/UART/SPI串行口以及完整的以太網(wǎng)控制器。

　　2.2 存儲器模塊

　　存儲器模塊為ARM處理器NET+50正常工作時提供所需的程序存貯空間，內存空間和數(shù)據(jù)存儲空間。NET+50集成了內存控制器模塊(Memory Controller Mod-ule)，為存儲設備提供無縫連接，系統(tǒng)通過配置內存控制器模塊的控制寄存器和片選CS控制寄存器來實現(xiàn)訪問相應存儲器的信號和邏輯。

　　本設計中選用大小為16 MB的高速SDRAM為系統(tǒng)提供內存服務，選用大小為512 kB的NVRAM為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲空間，選用大小為4 MB的FLASH為系統(tǒng)提供程序存儲空間。使用ARM處理器的地址線、數(shù)據(jù)線以及相應的片選、讀/寫、時鐘線完成對存儲器的尋址。

　　2.3 通信控制器模塊

　　通信控制器MVBC是MVB總線上的新一代核心處理器，他獨立于物理層和功能設備，為在總線上的各個設備提供通訊接口和通訊服務，可通過配置應用在符合TCN標準的1，2，3，4類設備中。MVBC把來自于MVB總線的串行化信號轉換為并行的數(shù)據(jù)字節(jié)，也把需發(fā)送的字節(jié)交由串行化電路發(fā)送到傳輸介質上。MVBC可實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層以及一部分傳輸層的數(shù)據(jù)處理，并通過通訊存儲器來與上層軟件交互。

　　本系統(tǒng)中MVB通信控制器采用MVBC01 ASIC專用芯片，符合IEC61375-1國際標準。MVBC01專用芯片采用16位數(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)議中鏈路層及以下的功能。

　　2.4 通信存儲器模塊

　　通信存儲器地址空間保存MVBC01的所有數(shù)據(jù)和信息，既可以被MVBC01訪問又可以被ARM處理器訪問。本系統(tǒng)中采用兩片512 kB大小的SRAM cy62148擴展成1 MB的尋址空間。通信存儲器的尋址空間劃分為4部分，分別為Logical AddreSS Space(LA)，Device AddressSpace(DA)，Service Area(1 kB)和Miscellany。

　　通信存儲器分別通過數(shù)據(jù)線，地址線和ARM處理器以及MVBC01相連，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和地址尋址，ARM處理器、MVBC01和通信存儲器的連接示意圖如圖2所示。

　　MVBC01內部集成Traffic Memory Controller(TMC)模塊，負責控制通信存儲器的訪問模式，TMC與仲裁控制器和邏輯地址密切相關。TMC模塊負責控制3種存儲器訪問模式，分別是：ARM CPU訪問通信存儲器;ARM CPU訪問MVBC內部寄存器;MVBC01訪問通信存儲器。TMC模塊還對ARM處理器和MVBC同時訪問通信存儲器所產(chǎn)生的訪問沖突做出仲裁。

　　2.5 MVB物理層接口電路模塊

　　物理層接口電路模塊的設計如圖3所示。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)與外界得電隔離以提高系統(tǒng)可靠性，使用RS 485芯片作為收發(fā)器，并使用過壓保護模塊來防止瞬問過壓對器件的損壞。

　　圖3所示的MVBC端口ICA(MVB Input Data Chan-nel A)和ICB(MVB Input Data Channel B)分別為MVB輸入數(shù)據(jù)通道A和輸入數(shù)據(jù)通道B，來自物理層收發(fā)器的MVB信號由此端口送入MVB通信控制器MVBC01中;MVBC端口OC(MVB Output Data Channel)是MVB數(shù)據(jù)輸出端口，數(shù)據(jù)經(jīng)由此端口將發(fā)送至物理層收發(fā)器;MVBC端口SF(Send Frame)為輸出端口，輸出信號可作為物理層的使能信號，該信號有效時表示一個報文正在通過MVBC端口OC(MVB Output Data Channel)輸出。

　　2.6 其他

　　在MVB設備正常運行時，可以通過RS 485/RS 232通信接口進行程序的監(jiān)控和調試。系統(tǒng)可以通過跳線選擇RS 485/RS 232接口是工作在RS 485還是RS 232下。

　　其他還有諸如看門狗、JTAG接口、時鐘、電源、PC104接口等模塊，本文不再詳述。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　3.1 系統(tǒng)軟件體系結構

　　MVB 2類設備軟件體系采用典型的嵌入式軟件體系結構，包括驅動層、操作系統(tǒng)層、應用軟件層，其中操作系統(tǒng)層是軟件體系的核心。系統(tǒng)的軟件結構如圖4所示。

　　系統(tǒng)軟件結構各部分功能如下：

　　3.1.1 驅動層

　　驅動層是直接和硬件相聯(lián)系的一層，他對操作系統(tǒng)和應用提供所需的驅動支持。該層主要包括3種類型的程序：板級支持BSP、系統(tǒng)級驅動和應用級驅動。

　　板級支持BSP 在用戶的應用程序啟動之前，完成對系統(tǒng)的初始化必須有專門的一段啟動代碼，即板級支持BSP。板級支持BSP介于物理硬件和實時操作系統(tǒng)之間，在系統(tǒng)上電后，初始化系統(tǒng)的硬件環(huán)境，包括初始化ARM處理器、初始化中斷控制器、初始化存儲器、初始化堆棧等。NucleusPlus操作系統(tǒng)的BSP初始化程序流程如圖5所示。

　　系統(tǒng)級驅動 與系統(tǒng)軟件相關的驅動，這類驅動是操作系統(tǒng)和中間件等系統(tǒng)軟件所需的驅動程序，他們的開發(fā)要按照系統(tǒng)軟件的要求進行。

　　應用級驅動 與應用程序相關的驅動，和操作系統(tǒng)無關，由應用決定。

　　3.1.2 操作系統(tǒng)層

　　操作系統(tǒng)層足嵌入式軟件的核心，是系統(tǒng)的軟件支持平臺。主要包括實時操作系統(tǒng)內核、文件系統(tǒng)、電源管理、嵌入式GUI系統(tǒng)、嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)。其中嵌入式內核是基礎和必備的部分，主要完成任務調度、內存管理、任務間通信、任務的同步與互斥、中斷管理、定時器等功能。本系統(tǒng)采用Nucleus Plus嵌入式操作系統(tǒng)，能完全滿足MVB對于實時性、可靠性、完整性和有效性的要求。NucleusPlus采用了軟件組件的方法，每個組件具有單一而明確的目的，包括任務控制管理、內存控制管理、定時器管理、中斷、系統(tǒng)診斷、I/O驅動管理等16個組件。

　　3.1.3 應用軟件層

　　應用軟件層主要由多個相對獨立的應用任務組成，每個應用完成一個特定的工作，這里主要包括MVB協(xié)議棧軟件。MVB協(xié)議棧軟件在實時操作系統(tǒng)內核的支持下，通過MVB驅動模塊完成MVB網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信任務。用戶應用可以利用MVB協(xié)議棧的接口函數(shù)訪問需要的數(shù)據(jù)集，并利用收到或者發(fā)送的數(shù)據(jù)進行相應的控制或其他數(shù)據(jù)處理工作。

　　3.2 實時協(xié)議

　　每個網(wǎng)絡都要有與之相應的網(wǎng)絡軟件在其上運行，這些軟件被稱為協(xié)議。在互聯(lián)網(wǎng)上運行的協(xié)議我們稱之為TCP/IP協(xié)議，在列車通信網(wǎng)上運行的類似TCP/IP的協(xié)議我們稱之為實時協(xié)議(Real Time Protocol，RTP)，實時協(xié)議為一個應用與另一個應用在列車通信網(wǎng)上的通信提供協(xié)議和服務。

　　實時協(xié)議分層結構如圖6所示。由圖中的分層結構可知MVB實時協(xié)議包括過程變量通訊和消息數(shù)據(jù)通訊兩部分。由圖可知變量的協(xié)議和服務包括過程數(shù)據(jù)鏈路層接口(LPI)和變量的應用層接口(AVI)。消息協(xié)議和服務包括消息數(shù)據(jù)鏈路層接口(LMI)、網(wǎng)絡層、傳送層、會話層、應用層接口(AMI)。其中鏈路層接口又稱為低層接口，他規(guī)定來自總線的服務，應用層接口又稱為高層接口，他規(guī)定提供給應用的應用層接口。

　　3.3 消息通信機制及其實現(xiàn)

　　MVB 2類設備的主要特征是實現(xiàn)消息數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。消息通信中實時協(xié)議是由信使執(zhí)行的，他是作為獨立的進程與應用并行運行。實時協(xié)議的網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層是由信使來執(zhí)行并實現(xiàn)的，信使與應用層有一個消息應用層接口(AMI)，通過這個接口應用可以調用信使的服務。同時信使與鏈路層也有一個接口：消息鏈路層接口(LMI)，鏈路層通過這個接口向信使提供服務。在編程實現(xiàn)消息通信時，只需要使用消息應用層接口。

　　用戶開發(fā)程序來實現(xiàn)消息通信，就是使用消息應用層接口中的接口函數(shù)來調用信使的各項功能，實現(xiàn)消息通信的應用程序就是按照這個順序編寫和執(zhí)行的。消息數(shù)據(jù)的實現(xiàn)程序的流程如圖7所示。

　　4 結 語

　　使用符合TCN標準的產(chǎn)品是開發(fā)下一代新式列車的重要發(fā)展趨勢，本文通過對IEC61375-1列車通訊網(wǎng)絡標準的研究，提出了MVB 2類設備軟硬件的設計方案并完成了系統(tǒng)硬件各功能模塊設計和上層軟件的部分設計，對MVB實時協(xié)議RTP和消息通信的機制也做了深入的研究，并給出了消息通信的編程實現(xiàn)方法。通過對基于ARM處理器的MVB 2類設備的深入研究和功能設計實現(xiàn)，不但為以后開發(fā)更高類別的MVB設備積累了經(jīng)驗，而且為進一步自主開發(fā)其他符合TCN標準的MVB產(chǎn)品提供了借鑒。