MVB控制器（精选四篇）
MVB控制器 篇1
关键词：多功能总线控制器,编码器,循环冗余校验,先进先出
0 引言
TCN是面向控制的一种连接车载设备的数据通信系统，是分布式列车控制系统的核心组成部分。TCN集高速列车控制系统、故障检测与诊断系统以及旅客信息服务系统三大系统为一体，以车载微机为主要手段，将这些系统产生的大量列车信息转换为统一的数字信息进入车载微机并在网上交换。
1 总体研究方案
发送模块主要完成主、从帧数据的曼彻斯特编码以及CRC校验序列的生成与发送等，这些由主控单元MCU来控制。该模块的具体任务如下：
(1)从缓冲区中把储存的并行数据提取出来；
(2)将并行输入数据转换为适于MVB通信的串行数据；
(3)为即将发送的数据添加分界符，包括起始位、主帧起始分界符、从帧起始分界符和终止分界符；
(4)根据待发数据的长短添加一个或多个8位CRC校验码，CRC校验码可以由数据生成，或直接采用系统配置的固定CRC校验码。CRC校验码紧跟待发数据附在数据帧中。当数据多于64位时，每64位数据后就要附上一个CRC校验码,当数据少于64位时，则只需在数据后面附上一个CRC校验码就可以了。
(5)对待发数据进行曼彻斯特编码，提高通信的质量。发送模块主要由位控制单元、数据并串转换单元、帧分界符单元、FIFO单元、多路选择器单元、CRC生成单元和曼彻斯特编码单元组成。
位控制单元对其他各单元的运作起着控制作用。FIFO单元是对输入数据的缓冲。帧分界符单元主要是给数据帧添加上起始位、主帧起始分界符或从帧起始分界符和终止分界符。数据并串转换单元负责数据转换，它将从缓冲区中读出来的并行数据转换成串行通信数据。曼彻斯特编码单元则对通信数据进行编码。CRC生成单元是对待发的数据生成CRC校验码，多路选择器单元则是在数据输出时对起始分界符、待发数据和CRC校验码的选择。
帧分界符单元、数据并串转换单元和CRC生成单元经过一个多路选择器后将数据送给曼彻斯特编码单元。
2 位控制单元
位控制单元是发送模块中的核心部分，它控制着发送模块中其他单元的运作，本设计中的位控制单元的具体功能如下：
(1)时钟分频，产生需要的时钟信号，提供给以下单元模块：数据并串转换单元、帧分界符单元、FIFO单元、多路选择器单元、CRC生成单元和曼彻斯特编码单元；
(2)通过位计数来控制多路选择器何时选通数据，何时选通帧分界符单元和CRC校验码，并送至曼彻斯特编码单元进行编码；
(3)控制帧分界符单元何时发送何种分解符，即发送主帧分解符还是发送从帧分解符。
(4)控制何时将FIFO中的数据取出来；
(5)控制CRC校验码的嵌入，根据帧的长短，来判定在何时加入，是加入一个还是多少个CRC校验码。
位控制单元由24MHZ系统时钟clk分别产生一个8分频的3MHZ的时钟信号clk＿8div和一个16分频的1.5MHZ的串行数据速率的时钟信号clk＿16div，相当于综合了一个时钟生成单元在里头。时钟信号clk＿8div是给帧分界符单元和多路选择器单元提供时钟的，而1.5MHZ的时钟信号clk＿16div则是给数据并串转换单元、CRC生成单元和曼彻斯特编码单元提供时钟的，而这也正是MVB总线数据通信的时钟频率。位控制单元通过delimiter＿format控制帧分界符的格式，即控制它发主帧起始分界符还是从帧起始分界符，通过send＿delimiter控制帧分界符单元开始发送分界符。端口SF是给物理层提供的驱动控制信号。manch＿en,crc＿shift＿en,multi＿en,data＿shift＿en分别是给曼彻斯特编码单元，CRC生成单元，多路选择器单元和数据并串转换单元的使能信号，控制各单元的运作。
3 FIFO单元
FIFO单元主要用来对总线上传输数据的暂存或者说缓冲，FIFO中的数据存取遵循队列的“先进先出”原则[30]。FIFO单元分为存储数据的data＿fifo和存储固定CRC校验码的crc＿fifo两个部分。其中data＿fifo宽度为16位，深度为16个字，通过pdata＿in＿count和pdata＿out＿count指针指示数据的存取；crc＿fifo宽度为8位，深度为4个字节，通过pcrc＿in＿count和pcrc＿out＿count指针指示数据的存取。
receive＿data、receive＿crc、trans＿data和trans＿crc均为控制单元给出的控制信号，用来控制FIFO单元的数据或CRC校验码的存取。其中，receive＿data信号用来控制FIFO单元将总线上传输的16位数据存入data＿fifo，数据超过16位时，分多次依次存入receive＿crc信号用来控制FIFO单元将总线上传输的8位CRC校验码存入crc＿fifo中；trans＿data信号则用来控制FIFO单元将data＿fifo中的数据取出来并将其送至数据并串转换单元；而trans＿crc信号就是用来控制FIFO单元将crc＿fifo中的数据将被CRC校验码取出来。
FIFO单元对应在发送模块和接收模块各有一个，分别是txbuffer和rxbuffer，在本发送模块中的FIFO单元即是txbuffer，用来暂存发送的数据与CRC校验码。
4 帧分界符单元
帧分界符单元的主要功能是在位控制单元的控制下于恰当的时机给待发数据添加上相应的起始分界符和终止分界符。待发数据分主帧和从帧，分界符也因此各不相同，给主帧和从帧的起始分界符与终止分界符分别规定如下：
主帧的9位起始分界符序列（包含起始位“1”）为：{“1”，“NH”，“NL”，“0”，“NH”，“NL”，“0”，“0”，“0”}，如图1所示。
5 数据并串转换单元
数据并串转换单元主要是在位控制单元控制下将来自FIFO单元的并行数据转换成串行通信数据，它通过内部的移位寄存器将其按位移出，因为MVB通信中是串行通信的，且以1.5Mbit/s的速度传输，而这个速度可以由1.5MHZ的时钟信号clk＿16div来控制。
6 CRC生成单元
在MVB通信中，根据MVB的帧数据的长短，采用一个或多个8位CRC校验码，帧数据在64位以内只需用一个CRC，当帧数据为128和256位时则分别附上2个和4个CRC。MVB中的8位校验序列是采用一个7位的CRC再经偶校验扩展而来的，7位CRC校验序列的生成多项式公式如下：，生成的7位CRC校验码再经偶校验扩展得到的8位数据取反发送，即得所需的8位CRC校验序列。
7 曼彻斯特编码单元
曼彻斯特编码单元主要是完成主、从帧数据的编码由数据并串转换单元、CRC生成单元和帧分界符单元经多路选择器产生的串行数据与1.5MHZ的16分频时钟clk＿l6div进行异或，然后在24MHZ的系统时钟clk的上升沿通过一个一阶寄存器后再将已编码的数据输出。虽然这样要比串行输入晚一个时钟周期，但却保证了输出信号的稳定。
8 结束语
从所采用的研究方法和测试手段上分析，我们的项目正是在该技术国内的空白和巨大的市场需求背景下而设立，以及使用VHDL完成MVB各功能模块的设计和仿真验证已经有了大量的前期研究。从技术上看是可行的。新一代总线控制器其多功能性能使其支持MVB的所有工作模式（Class1,2,3,4、设备主、设备从），从而提高自身的可复用性，可显著降低列车设备的成本。
由于所设计的基于TCN的总线控制器是我国铁路网络化机车国产化的关键设备，所以具有良好的市场前途，因此在经济前景上是可行的。
参考文献
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MVB控制器 篇2
随着生活水平的不断提高, 旅客对乘坐列车的舒适性以及对旅行中的娱乐和资讯的需求也越来越大。因此, 在世界高速铁路列车运行速度达到300km/h以后, 发展列车网络控制技术和提高旅客乘车的环境成为各个国家机车车辆发展的另一个重要的技术方向[1]。
1999年6月, IEC/TC9/WG22在ABB公司的MICAS、西门子 (Siemens) 公司的DIN43322和意大利的CD450等的基础上, 制定了列车通信网络 (TCN) 标准—IEC61375协议。在2002年, 我国也将IEC61375正式确认为我们国家的列车通信网络技术标准[2]。
目前, TCN网络技术在国际范围内得到了广泛的应用, 并且还得到了欧盟范围内一些机车车辆零部件公司的技术支持。Siemens的SIBAS32系统和ADtranz的MICAS-S2系统都是符合TCN标准的相关产品, 另外芬兰的EKE电子公司、意大利的Far-system公司以及捷克的Unicontrol公司也都研发出了自己的符合TCN标准的网关产品, 瑞士的Duagon等公司则开发出了基于FPGA的系列MVB网卡和I/O设备。用户可以通过购买这些网络部件来完成对列车通信网络系统应用开发[3,4,5,6,7,8,9]。
1 多功能车辆总线MVB
MVB (Multifunction Vehicle Bus) 是将在同一车厢或者不同车厢中的设备连接到列车通信网络上的车辆总线。它提供了两种连接:一是可编程设备之间的互相连接;二是将可编程设备与它们的传感器和执行机构之间互相连接。MVB最多能够寻址4095个设备, 其中有256个设备是能参与消息通信的站。MVB在机车车辆上的应用如图1所示。
MVB能够传输三种类型的数据:一是, 进程数据, 用于进行源寻址数据的周期性广播, 其最快的周期为1ms;二是, 消息数据, 它可以根据需要用于目标寻址的单播或广播;三是, 监视数据, 主要用于事件分解、总线主权传送和设备状态传送这三个目的数据交换[10,11]。
2 中央控制模拟单元系统描述
中央控制单元是TCN通信网络中的四类设备, 在TCN网络控制系统中起到了至关重要的作用。中央控制单元几乎监督和控制列车上所有的其他系统, 例如门、HVAC、牵引等。中央控制单元作为MVB总线的主管理器, 还可以存储诊断数据, 与智能显示单元进行通信。
2.1 中央控制模拟单元系统硬件描述
中央控制模拟单元机箱的硬件主要分为五部分:MVB板、MVB接口板、电源板、电源接口板、背板。其核心部件为MVB板, MVB板的硬件架构如图2所示, 该模块的主CPU芯片为Freescale公司的MPC5200B微控制器, 它是一款紧凑型、低功耗的嵌入式处理器。该芯片采用MPC603e为内核, 主频为400MHz, 在-40℃~85℃的温度范围内处理速度达760MIPS, 适于在恶劣的环境下高效地运行[3,9]。同时它还集成了16K指令缓冲存储器, 16K数据缓冲存储器, 双倍精度浮点运算单元, 可同时与其他关键任务高速地进行复杂的数学运算。它还有指令和数据存储器管理单元, 具有临界中断的能力。此外MPC5200B集成了丰富的外设接口, 带有一个SDRAM/DDR存储控制器、一个灵活的外部总线接口、一个总线标准控制器、一个通用串行总线USB、一个以太网接口Ethernet、六个可编程的串联控制器PSC、一个定时器Timers、一个通用输入输出接口GPIO、一个高速同步串行口SPI等。
通用外围电路主要包括:电压及温度监控电路、看门狗电路、存储单元和运行电路、串口通讯和以太网通信电路。其中电压及温度监控电路能监视5V、3.3V、2.5V的电压, 并监视CPU工作的温度在-25℃~70℃。CPU和FPGA各有外部硬件看门狗电路, 当系统正常运行时, 定时刷新看门狗。若系统出现运行故障, 在规定的时间内没有刷新看门狗, 则看门狗电路发出复位信号, 系统复位并重新运行。存储单元和运行电路包括132MHz并支持DDR模式的SDRAM, 为上电后运行的程序和提取的数据提供存储空间, 32M的Flash用作存储BOOTROM、Vx Works和应用程序。RS-232串行通讯接口电路波特率115200bpms, 可提供目标机与上位机的串口通讯服务功能。以太网通讯接口电路提供标准TCP/IP通信接口, 支持100M的通信模式。实时时钟芯片自带电池, 断电时能保存时钟信息。带有MVB ESD+接口, 符合IEC61375-标准。
2.2 中央控制模拟单元系统软件描述
中央控制模拟单元的软件结构复杂, 其软件架构如图所示。系统软件启动采用bootroom+Vx Works+应用程序的方式, 其中Vx Works和应用程序放在文件系统中, 方便调试、更新和升级。软件系统分为三步启动:首先启动bootroom, 初始化CPU和SDRAM, 加载串口和网口的驱动, 建立TFFS文件系统;然后Vx Works映像程序由bootrom.bin启动, 实时嵌入式系统接管整个系统软件资源;最后Vx Works加载应用程序, 启动各个任务。mvb.out是MVB总线通信的驱动程序procon.out是用Multiprog开发的应用程序的执行管理系统该系统负责从各个PLC任务中获取需要执行的代码, 并翻译执行。tcp Server.o和tcp Client.o分别是TCP/IP通信服务器端程序和TCP/IP通信客户端程序, 负责PC机与中央控制单元通过TCP/IP协议进行通信。mvb_conf.dat是MVB端口配置文件, 主要包括MVB主设备端口配置和从设备端口配置startup.txt是启动文件, 包含一些启动参数, 如启动设备、启动路径等。TCN协议栈软件通过MVB应用层AVI接口跟procon.out交换数据, 完成对各个PLC任务的通信。
TCN协议栈软件由实时协议栈软件和MVB链路协议栈软件两部分组成[12]。
1) TCN实时协议栈软件
TCN实时协议栈软件主要支持消息数据通信, 按照功能其可分为网络层、传输层、会话层和应用层四部分。应用层为用户的应用程序提供访问网络的接口。应用层直接面向用户, 提供呼叫/应答服务, 同时还提供消息多播服务。会话层的基本任务是建立通信方式, 实现两台设备之间的原始消息的传输。例如, 有两个配对的消息:一个是呼叫消息, 由呼叫者发送给应答者, 一个是应答消息由应答者发送给呼叫者, 通过两个配对消息的配合从而实现了消息数据的接收与发送。传输层向高层协议和底层协议提供一个通信协议接口负责将消息从高层传输到低层, 同时把由生产者发出的长消息分割成包, 通过滑动窗口协议的流量控制和差错恢复, 实现两层间数据的透明传输。在多播消息中, 允许否定应答和再次传输。网络层主要功能包括层次寻址机制、索引和路由选择。
2) MVB链路协议栈软件
MVB总线上的每个设备由其设备地址唯一地标识, 链路层对其发送的所有的包加入其设备地址作为源设备。链路层主要实现MVB总线过程数据、消息数据和监视数据的链路通信功能。链路过程数据接口由MVB总线提供给上层协议的过程数据服务, 实现过程数据端口初始化, 规定端口之间的数据集访问。MVB消息链路层用于选择包在网络中的传送路径的网络层路由, 连接一条总线的站或者终端站。MVB监视数据在总线活动基本周期的偶发相中发送, 主要提供以下服务: (1) 设备运行状态查询; (2) 事件仲裁; (3) 总线主权转移。
3 结论
基于MVB的CCU中央控制模拟单元属于MVB四类设备, 是列车网络通信控制系统中的关键设备之一。具有MVB过程数据、消息数据和监视数据通信功能、用户可编程功能和MVB总线管理功能。用户可利用网络配置监视软件配置CCU网络通信参数, 如总线管理功能配置、源宿端口地址配置等, 并远程在线监视连在MVB网络上的各类设备状态。
摘要：与国外相比, 我国对列车网络控制技术的研究起步较晚, 所以我国列车网络控制技术水平还处在相对落后的水平。因此积极开展列车网络控制产品的引进, 并不断消化吸收以及应用创新具有重大的现实意义。重点说明了中央控制模拟单元的硬件及软件架构。
关键词：列车通信网络,多功能车辆总线,中央控制模拟单元
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MVB控制器 篇3
列车通信网络 (TCN) 是应用在列车上的一种计算机局域网, 负责对整车各种控制信息、检测信息、诊断信息和状态信息进行采集, 并为旅客提供信息服务。TCN是一种总线型局域网, 包括绞线式列车总线 (WTB) 和多功能车辆总线 (MVB) 。WTB与MVB通过通信节点 (网关) 进行协议转换。WTB一种是连接各节车辆的串行通信总线, 每节车辆作为一个通信节点与WTB相连, 其长度可达到860m (22节车辆) , 传输速率为1Mbit/s。其最大特点是具有列车初运行和烧结 (通信连接器触点去氧化) 等功能, 能自动识别车辆在列车编组中的位置和方向, 满足开式列车需要频繁编组等特殊要求。MVB主要用于车辆内控制设备的互联。车辆设备是各种信息发源地, 它接受通信节点的命令, 将各种信息按一定的格式送往通信节点。 MVB是一种便于传感器和执行机构连接的总线, 传输速率为1.5Mbit/s, 允许设备间距在200m以内, 传输介质为双绞线或光纤。TCN网络采用基于总线管理器 (BA) 的集中式介质访问控制, 并支持介质和总线管理器的冗余, 具有增强实时性和提高可靠性等特点, 得到了众多铁路公司和设备供应商的支持。目前, TCN在欧洲得到了大量应用, 在北美有部分列车采用, 国内应用TCN技术的列车有“先锋”、“蓝箭”、“中华之星”等动车组。
图1所示是应用OPNET搭建的某动车组的列车通信网络拓扑图, 车辆总线和列车总线通过网关连接, 所有车辆内部的设备都挂在车辆总线上。
2 OPNET仿真平台简介
OPNET最早于1986年由麻省理工大学的两个博士创建, 后来发现网络模拟非常有价值, 就在1987年建立了商业化的OPNET。它是一个功能强大的综合性仿真软件, 支持LAN、WAN、ISDN、WLAN及卫星通信网等各种网络模型。OPNET中的数据传输都采用基于包的传输机制, 通过属性设置, 真实模拟实际通信网络。所有的数据包流向过程都真实反应实际网络数据的传输, 包括在网络设备间的流动和网络设备内部的处理过程。同时实际网络协议中的组包和拆包的过程也可以实现模拟。OPNET基于事件出发的有限状态机建模, 采用离散事件驱动机制模拟, 相比与时间驱动机制, 其计算效率得到了很大的提高。 OPNET提供了三层建模机制, 最上层为网络层, 反映网络拓扑结构;中间层为节点层, 由相应的功能模块构成, 反映设备特性;最底层为进程模型, 用有限状态机来描述通信的各个状态。三层模型和实际的网络、设备、协议完全对应, 全面反映了网络的相关特性 。
3 车辆总线仿真
车辆总线连接各个车厢设备, 周期性的广播用于牵引和列车控制的数据。它提供可编程设备之间的互连, 也提供可编程设备与其传感器和执行机构之间的互连。车辆总线上的设备有固定的地址和结构, 拓扑结构为一对多点的主从方式, 总线管理器负责控制整个车厢内各设备对总线的访问。车辆总线上传输过程数据、消息数据、监督数据3种数据。过程数据反应列车状态, 长度短而实践性强, 传送时间必须短而确定, 用于周期性的传输控制命令和状态信息, 传送时间必须保证在16ms内。消息数据是一些不频繁传送、非紧迫的信息, 数据长度长, 非周期的按需发送。监督数据是同一总线内主设备对从设备的状态校验、查询等数据, 只在网络初始化或重构时通信, 属于偶发性传送的数据。由于列车运行过程中干扰严重、运行环境极其恶劣, 车辆总线通信的可靠性要求极高。并且要求设备在规定的采样周期内及时响应操作, 采集机车的工况参数, 给出控制指令等, 实时性要求极高。
3.1 网络拓扑结构建模
图2是车辆网络拓扑结构, 参考某动车组的MVB区段内网络通信系统在OPNET中搭建的网络模型。该模型包括一个总线控制器 (Bus_controller) 和10个设备节点 (node_0--node_9) , 所有的节点挂在MVB总线上进行通信。
3.2 节点建模
图3为总线主节点模型, 包括gen、proc、bus_tx0、bus_rv0、sink5个对象模型, gen对象模型为数据源, 按照指定的分布函数和数据包格式生成主帧。proc对象模型负责数据处理, 把gen对象模型生成的数据发送到总线发信机对象模型, 并且监测总线的状态信息。bus_tx0为总线发信机, 负责把数据发送到总线上。bus_rv0为总线收信机, 接收总线上的数据。sink为数据池, 销毁接收到的数据。红线为记录总线状态的统计线。
图4为从设备节点模型, 同样包括总线发信机bus_tx、总线收信机bus_rx、和数据处理机data_proc对象模型。
3.3 进程建模
总线主节点的gen模型为数据源, 模拟总线控制器发送主帧命令。主帧仅由单个总线控制器生成, 指定从设备的总线控制权。主帧的包格式在包格式编辑器定义, 为33位的整型数据, 包括9位的起始分界符、4位的F代码、12位的地址和8位的校验序列。F代码指定各种数据存放的端口类型, 包括物理端口和逻辑端口。逻辑端口 (F_code 0..4) , 每个设备实现若干个逻辑端口, 典型的是256个。在配置阶段, 分别将它们设置为源端口或流端口, 其尺寸规定为16、32、64、128或256 bits。这些端口由12-bit的逻辑地址标识 (F_code=0 ..4) 。逻辑端口为过程数据提供基础通信。物理端口 (F_code 8..15) , 每个设备实现8个物理端口, 用于监督数据和消息数据。除了消息数据端口外, 其他端口的尺寸都为16bits。物理端口通过12-bit设备地址和F_code=8..15寻址。256-bit消息端口 (F_code=12) 仅用于Message_Data (消息数据) 。只有Master_Frame (主设备帧) 指定的设备才能作为Message_Data (消息数据) 的源。所有其他设备将监视从设备帧, 若自身的设备地址在Slave_Frame (从设备帧) 的帧头中出现则接收该帧。与其它端口相反, 消息端口的内容不会被改写, 因为消息端口在以前内容未取走时, 拒绝接受新帧。12位地址指定拥有总线控制权的从设备地址。从设备帧是获得总线权的从设备发送的数据帧, 9-bit Slave_Start_Delimiter (从设备源分界符) ;16到256 bits的数据;对应各64bits序列的8-bit Check_Sequence (校验序列) 。所有的设备都对Master_Frame (主设备帧) 译码。被寻址源设备用其Slave_Frame (从设备帧) 回答, 该从设备帧可被多个其他设备接收。
总线主节点的proc的进程模型负责对生成的包处理, 包含四个状态。模型运行时进入init状态, 用一个分布函数为主帧的生成一个设备地址, 然后转入idel状态, 等待输入流中断且总线为空闲的条件成立时, 跳入tx_bus状态, 执行发送数据包的命令。如果流中断到来而总线忙时, 进入wt_bus_free状态, 等总线空闲再跳入tx_bus状态, 其他情况下都工作在idel状态。
从设备的数据处理机的进程模型比较简单, 只有一个idle状态, 当发生流中断时执行功能函数route () 。该函数先复制包, 提取包的地址和本节点的地址对比, 相同时创建从帧, 通过总线发信机发送出去, 然后销毁复制的包和创建的包, 释放内存;地址不同时这直接销毁复制的包, 继续处于idle状态。
4 仿真结果分析
在OPNET中建立图2 的网络仿真工程, 设置仿真场景的参数。数据包生成的时间间隔设成0.4ms, MVB总线支持的数据格式为33位的主帧和296位的过程数据, 传输速率为1.5Mbit/s, 仿真开始时间10s, 其他的选项都按默认设置。设置仿真要收集的统计量, 包括链路的吞吐量、链路的利用率、ETE-DELAY。运行仿真后, 仿真结果如下:
图5为链路数据统计, 从上至下的曲线分别表示仿真时间内链路的比特流、包流和链路的利用率。图6为仿真时间内端到端时延的平均值。图7统计了设备5收发的数据包, 左面的曲线为收包曲线, 右面的为发包曲线。由图可知, 链路的吞吐量为1000packet/s (150k bit/s) , 链路的利用率为10%左右, 端到段的时延是0.11ms, 设备5收信机收到的数据包是1000 packet/s, 发送的数据包是50 packet/s。
网络数据的传输时延包括源节点发送时延、链路传输时延、宿节点通信处理时延。链路时延主要取决于传输距离和传输速度, 由于MVB采用双绞线、光纤等作为介质, 节点间距离小, 链路时延非常小, 可以忽略, 设置为0。仿真结果显示处理时延为0.11ms, 小于主帧与响应它的从帧时间间隔4ms, 满足实时性要求。链路的吞吐量由总线主控制器发送主帧的速度和从帧的数据大小决定, 在发送速度为500 packet/s的速度和最大从帧数据的情况下, 链路的利用率为10%, 还存在较大的可用空间。设备5的数数据包统计可以知道, 设备5在仿真期间获得总线主控制权频率为50次/s, 接收所有来总线上广播的数据包。
5 结束语
本文基于TCN标准, 在网络仿真软件OPNET环境下对MVB总线仿真建模, 对网络中的时延、吞吐量和从设备占用总线率进行了统计, 一定程度上验证了该模型的正确性, 为进一步研究TCN和半实物仿真提供了一定的基础。
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终端电阻在MVB通信系统中的应用 篇4
关键词：终端电阻,MVB,信号传输
0 引言
MVB是轨道车辆专门开发的专用网络, 采用的介质为双绞线或光纤, 传输速率为1.5 Mbit/s。为了确保MVB网络传输的可靠性, 必须在终端考虑反射的问题。因为信号传输电路中的各种传输线都有其特性阻抗。当信号在传输线中传输至终端时, 如果它的终端阻抗和特性阻抗不同时, 将会造成反射, 而使信号波形失真。为避免此现象, 在信号传输的终端需增加终端电阻, 避免信号失真。下面将在简单介绍MVB结构及其连接器的基础上, 分析其终端电阻的作用及其取值。
1 MVB网络的基本结构
一个MVB结构应包括一个或多个总线段, 这些总线段主要由下述两种介质构成:
ESD:电气短距离介质是依照RS-485标准的差分传输导线对, 在无需电气隔离的情况下在20 m的传输距离内最大可支持到32个设备。
EMD:由屏蔽双绞线组成的电气中距离介质。在200 m的传输距离内最大可支持32个设备, 允许使用变压器作电气隔离。
在图1的MVB结构中, ESD段包括一个总线管理器, 几个在机箱内或外的设备及一个网关。EMD段包括一个总线管理器和几个其他设备。总线段之间通过中继器相互连接。图中多次出现的连接器用于连接有源器件, 传输电流或信号。它在国内亦称作插头或插座。处于终端的连接器必须有终端电阻, 以保证信号的正常传输。
2 MVB连接器
MVB连接器实物如图2所示。其中BRA、BRB为绑定在连接器上的终端电阻, 即使连接器与设备断开, 终端电阻也能可靠地接入, 更进一步地保证了网络系统的可靠运行。
每个MVB设备均配备两个9针Sub-D 9的连接器。定义名称为连接器1和连接器2, 每个连接器内设置有A通道和B通道。在实际外部布线时, 连接器1仅使用MVB—A通道, 连接器2仅使用MVB—B通道, 两路通道分开走线。MVB专用连接器连接示意图见图3。
图3中M1、M5为MVB网络A线终端设备连接器, M3为MVB网络A线中间设备连接器。终端连接器M1和M5插头需要将BRB剪断, 保留BRA;而中间设备连接器M3插头需要将BRA和BRB都剪断。图中M2、M6为MVB网络B线终端设备连接器, M4为MVB网络B线中间设备连接器。终端连接器M2和M6插头需要将BRA剪断, 保留BRB;而中间设备连接器M4插头需要将BRA和BRB都剪断。
如果漏剪或多剪终端电阻, 将会导致网络通讯故障。可见终端电阻在维持通讯稳定中的重要作用, 而其取值大小也将受到严格限制。下面将详细介绍使用终端电阻的原因及如何取值。
3 终端电阻
高频信号传输时, 信号波长相对传输线较短, 信号在传输线终端会形成反射波, 干扰原信号, 所以需要在传输线末端加电阻, 使信号到达传输线末端后不反射。而对于低频信号, 在长线信号传输时, 一般为了避免信号的反射和回波, 也需要在接收端接入匹配电阻。此电阻即终端电阻。
3.1 使用终端电阻的原因
终端电阻在通信中的作用是为了消除在通信电缆中的信号反射。一般在通信过程中, 有两种原因导致信号反射:阻抗不连续和阻抗不匹配。
1) 阻抗不连续:信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有, 信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理, 与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法, 就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻, 使电缆的阻抗连续。
信号在传输线传播时, 其路径上的每一步都有相应的瞬态阻抗。如果互连线的阻抗是可控的, 那么瞬态阻抗就等于线的特性阻抗。无论什么原因使瞬态阻抗发生了改变, 部分信号都将沿着与原传播方向相反的方向反射, 而另一部分将继续传播, 但幅度有所变化。反射的量由瞬态阻抗的突变量决定, 如图4所示。
如果第一个区域的瞬态阻抗是Z1, 第二个区域的是Z2, 则反射信号与入射信号的幅值之比为:
其中, Vreflected:反射电压;Vincident:入射电压;Z2:信号进入区域2时的瞬态阻抗;Z1:信号最初所在区域的瞬态阻抗;ρ:反射系数。可见两个区域的阻抗差异越大, 反射信号量越大。
产生反射信号是为了协调两个重要的边界条件。信号到达瞬态阻抗不同的两个区域 (区域1和2) 的交界面时, 在信号和返回回路的导体中仅存在一个电压和电流回路, 而在交界面两侧的电压和电流都是相同的。边界面处不可能出现电压不连续, 否则此处会有一个无限大的电场;也不可能出现电流不连续, 否则会有一个无限大的磁场。当交界面两侧阻抗不一致时, V1=V2, I1=I2, I1=V1/Z1, I2=V2/Z2不可能同时成立。
为了使整个系统协调稳定, 区域1产生了一个反射回源端的电压。反射的唯一目的就是吸收入射信号和传输信号之间不匹配的电压和电流。如此, 交界面两侧的电压和电流才可以相等, 交界面处的电压和电流才是连续的, 整个系统才是平衡的。只要在信号传输路径上出现瞬态阻抗改变, 信号就会发生反射。
2) 阻抗不匹配:引起信号反射的另外一个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。电磁波为横波, 其速度等于光速c。在空间传播的电磁波, 距离最近的电场 (磁场) 强度方向相同, 其量值最大两点之间的距离, 就是电磁波的波长λ, 电磁波每秒钟变动的次数便是频率f。三者之间的关系可通过公式:c=λf。当信号的频率很高时, 则信号的波长就很短, 当波长短得跟传输线长度可以比拟时, 反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不匹配时, 在负载端就会产生反射。这种原因引起的反射, 主要表现在通讯线路处在空闲方式时, 反射信号触发了接收器输入端的比较器, 使接收器收到了错误的信号, 导致CRC校验错误或整个数据帧错误, 引起整个网络数据混乱。
3.2 终端电阻的取值
其终端匹配电阻值取决于传输线的特征阻抗, 而传输线的特征阻抗是由传输线的结构以及材料决定的, 而与传输线的长度, 以及信号的幅度、频率等无关。在实际配置时, MVB网络在电缆的两个终端节点上, 即最近端和最远端, 各接入一个终端电阻。
传输电缆主要有双绞线、同轴电缆、光缆等。不同的电缆的特性阻抗计算方式大同小异, 以MVB网络中采用的双绞线为例, 特性阻抗通常计算方法如下。图5为双绞线的几何结构。
设d为导体直径, s为导线中心之间的距离, (s>d) , εr为有效相对介电常数 (对于分得很开的导线, εr=1, 对于用绝缘体的导线, 用绝缘材料的介电常数) , 设z0为特性阻抗, 根据传输线理论可推导出:
现场采用的双绞线d为2.2 mm, s约为3 mm, 由上述公式可推算出z0值为120Ω。
4 结语
在观察地铁项目时, 发现有工人剪断某些MVB插头中的电阻, 为此探究并分析了其原因。发现剪断的电阻名为终端电阻, 且MVB插头未处在终端时全部剪断, 而处在终端的插头A通道剪断BRB, B通道剪断BRA。这是为了防止因特性阻抗不同而引起的信号反射, 它的值与传输线的特性阻抗相等。但是此类MVB网络连接器终端电阻剪断后就不可恢复, 可以借鉴PROFIBUS总线连接器通过一个开关方便地接通或断开其终端电阻, 以提高连接器的灵活性。
参考文献