关于共享内存的MVB 与LON 总线网关设计研究

引言

控制网络技术作为现代列车的关键技术, 在世界范围内得到了越来越广泛的应用。M VB 是IEC61375 -1 (1999) TCN(列车通信网络国际标准) 的推荐方案, 它与WTB (绞线式列车总线) 构成的列车通信总线具有实时性强、可靠性高的特点。我国机车设备间通信大量采用MVB 网络, 如 和谐号HXD1 、 中华之星 , 中原之星 , SS3B重型电力机车 等。LON 现场总线是由美国Echelon 公司推出的一种现场总线技术, 由于LON 控制网络的开放性、高速性和互操作性, 它已广泛应用于工业、楼宇、家庭、办公设备、交通运输、能源等自动化领域。随着对列车控制网络的开放性、性价比等要求的提高, 以及基于网络的远程诊断与维护, 旅客信息及舒适度等新需求的提出, 控制网络在列车上的应用将呈现出多种技术并存、相互竞争和融合的局面, 有可能出现车辆总线采用MVB, 而I/ O 各控制子系统采用LON 总线, 这样对列车设备间通信和无线通信系统等也提出了更高的要求, 要么分别针对MVB 总线与LON 总线设计两套无线通信系统, 要么设计MVB 总线与LON 总线数据转换网关, 实现两种总线间数据传输, 只需要在MVB 总线或者LON 总线设置一套无线通信系统, 可以节省成本。

本文提出一种基于共享内存的MVB 总线与LON 总线网关,通过双口RAM 实现数据的共享, 根据数据源来设定共享存储区域的读写权限, 从而实现MVB 总线与LON 总线间信息相通。

1 MVB-LON 网关硬件结构设计

M VB -LON 网关硬件分为两部分, 一部分是以Neuron神经元处理器芯片为核心构建LON 智能通信节点, 一部分以FPGA 为核心, 构建MVB 通信网卡, 两者以双口RAM 共享内存实现数据通信,

1.1 LON 智能通信节点设计

LON 智能节点完成与LON 总线数据通信的功能, 硬件电路包括神经元芯片Neuron3150、收发器、EEPROM、双口RAM 、译码电路和Service 电路等。以神经元芯片构成网络节口, 由它通过LonTalk 协议与网上的其它智能节点通信, 并通过双口RAM 的访问实现与其它网络的数据交换。节点中用双口RAM 充当不同网络通信过程中现场信息的接收、发送缓冲区, 完成最近发送到达的交换数据的存储转发功能, 缓解和避免系统缓存紧张和瓶颈的产生。用非易失性存储器EEPROM 存放LonTalk 网络协议固件、多任务调度程序、网络适配器通信管理程序以及网络配置信息等。

1.2 MVB 通信网卡设计

MVB 通信网卡只进行数据的转换和传输, 不进行处理, 因此可以单独用FPGA 和简单外围的电子电路实现网络传输与控制功能。采用FPGA 实现MVB 底层逻辑相对简单, 数据端口可按用户需求灵活配置,对双口RAM 可以方便地进行读写, 还可实现简单的控制变换。

2 MVB-LON总线网关软件设计

MVB-LON 总线网关软件分为两部分, 一部分为LON 通信设计, 另一部分为MVB 通信节点设计, 均为独立的网络应用,互不影响。MVB 总线与LON 总线通过共享内存实现数据传输,因而需要定义MVB 总线与LON 总线间数据转换方式。

2.1 LON 智能节点软件设计

在LON 总线程序设计中使用Neuro n C 语言。Neuron C是一种基于ANSI C 且带有网络通信和高级硬件设备接口扩展语句的高级语言。它增加了对I/ O、事件处理、消息传递和分散数据目标的支持, 扩充了包括软定时器、网络变量、显示消息、一个多任务调度程序以及其它各具特点的函数等。采用Neuro n C 语言开发的应用程序, 可直接在LonBuilder 神经元仿真器上进行调试, 因此应用程序的开发可独立于硬件设计进行。

2.2 MVB 通信网卡软件设计

MVB 通信网卡软件采用硬件描述语言VHDL 编程, 主要是设计MVB 底层逻辑和双口RAM 访问接口, 底层逻辑包括MVB 物理层与数据链路层, 按功能分为曼彻斯特编解码器、控制逻辑,

2.3 MVB-LON 数据转换

数据转换是M VB -LON 网关设计的难点, LON 总线与M VB 总线采用不同的总线协议, MVB 总线采用主从帧应答的方式, 而LON 总线采用载波监测方式, 无法将两种协议融合在一起, 因而考虑将两种网络数据进行转换, 本文采用数据共享的方式实现数据转换。

LON 总线与M VB 总线采用双口RAM 实现数据共享,LON 智能通信节点与MVB 通信网卡在各自的网络传输中是独立的, 互不影响。为避免MVB 总线与LON 总线读写冲突,按照MVB 网络或LON 网络数据来源确定读写, 即如果数据来源是MVB 网络, 则M VB 通信网卡部分对该数据的存储地址为可写, LON 智能节点部分则仅为可读, 反之亦然。

3 系统测试

分别搭建MVB 与LON 两种总线网络, 中间以MVB -LON 网关相连。在MVB 网络中, 总线采用仲裁者-生产者-消费者的模式, 因而在MVB 端采用瑞士DUAGON 公司符合IEC61375 -1 标准的D412 设备作为主设备及自主开发的M VB1 类设备作为从设备。在LON 网络中, 总线采用载波检测, 因而在LON 网络中采用一个由PCLTA -20 节点构成,由PCLTA -20 节点单独即可与MVB -LON 网关节点构成网络实现通信。测试网络如图书, 测试中采用2 个测试项目。

3.1 MVB至LON 数据传输功能测试

该功能测试是测试MVB 网络的数据通过MVB -LON 网关传送到LON 网络, 即从MVB1 类设备中将数据传送至PCLTA-20 的LON 节点。MVB1 类设备设置源端口, MVB-LON 在MVB 网络部分设置一个宿端口, 在LON 总线部分设置一个显式网络变量, MVB -LON 网关为网络变量输出,PCLTA-20 节点为网络变量输入。在本功能测试中MVB 源端口与宿端口地址设为0x101, 数据长度为16 位, LON 总线网络变量NV MVB。

4 结论

针对平均分区的EDF 调度算法存在的量化误差问题, 本文引入指数分区提出了一种改进的基于EDF 调度算法。该算法很好地解决了当CAN总线网络资源不足、传输信息相对截至期过大时, 由于量化误差所造成的信息传输任务不可调度的问题。由于EDF 调度算法被广泛地应用到CAN 总线通信优化中, 因此本文对CAN 总线系统的设计有着指导作用。同时如何将改进后的EDF 调度算法在实际的CAN 节点中实现, 也是本文以后主要的研究方向。