CN103684999A

CN103684999A - 一种基于mpc860的mvb-wtb网关

Info

Publication number: CN103684999A
Application number: CN201210328520.6A
Authority: CN
Inventors: 武斌; 朱懿; 侯玮玮; 李绍杰; 张仕超; 李明树; 赵琛
Original assignee: Institute of Software of CAS
Current assignee: Institute of Software of CAS
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-09-06
Also published as: CN103684999B

Abstract

本发明公开了一种基于MPC860的MVB-WTB网关，属于网关通信领域。本网关包括WTB卡、MAU卡、转接卡和MVB卡；其中，WTB卡、MAU卡和MVB卡通过转接卡连接；WTB卡负责WTB总线所连接的WTB设备的数据采集和传输，MAU卡负责提供网关与其他网关通信的接口，MVB卡负责MVB总线所连接的MVB设备的数据采集和传输，转接卡负责MVB和WTB之间的数据转换。与现有技术相比，本发明网关既具有WTB过程数据功能、消息数据功能和总线管理功能，又具有MVB主权转移、事件、设备状态查询的传输控制等功能。

Description

一种基于MPC860的MVB-WTB网关

技术领域

本发明涉及一种基于MPC860的MVB-WTB网关，属于网关通信领域，广泛适用于符合国际列车通讯网络TCN标准IEC1375和UIC556协议的各种车辆、设备的通信，包括高速列车、动车等各种轨道车辆。

背景技术

国际列车通讯网络TCN标准IEC61375-1是专门针对轨道车辆制定的、符合多国铁路制造商、运营商需求的列车网络通讯标准。列车通信网络具有分层控制、开放性、实时性与高可靠性的特点。各车之间的重联控制，控制单元联网通信与信息资源共享是其控制网络的重要功能。根据列车控制的特点，TCN网络分为两层总线，分别是连接各个车厢的WTB总线以及连接车内设备的MVB总线。TCN标准定义的这两种形式的总线，制定了一个开放的通信系统，从而使得各种类型的铁路机车车辆能够互相联挂，不同厂商生产的设备可以互联互通。

WTB与MVB是两个独立的通信子网，WTB负责列车车辆之间的数据通信，MVB负责车辆内部的数据通信。它们采用不同的协议，之间通过一个WTB节点连接，这个节点就是网关，负责两种不同协议的网络区域之间的协议转换。

目前现有的网关技术大多只涉及WTB总线和MVB总线的一种，采用其他总线来代替WTB或MVB总线设备，并未真正实现TCN网络中WTB与MVB子网的协议转换，自然也不能在具有WTB过程数据功能、消息数据功能和总线管理功能的同时，也兼顾MVB主权转移、事件、设备状态查询的传输控制等功能。所以目前并没有真正意义上具有自主知识产权的MVB-WTB网关。而且，现有的网关大多采用ARM芯片，处理器工作在小端模式，在数据的收发过程中需要对数据进行大小端转换处理，增加了软件设计的难度和工作量；而本文发明的网关采用MPC860处理器，性能优于ARM处理器，且可以工作在大端模式，使得数据组织和网络上的数据一致，从而降低了软件设计的难度和复杂度。同时，由于本技术涉及WTB总线和MVB总线，既具有WTB过程数据功能、消息数据功能和总线管理功能的同时，又具有MVB主权转移、事件、设备状态查询的传输控制等功能。因此，基于MPC860的MVB-WTB网关的研制成功对实现WTB和MVB之间的协议转换、数据通信起到了重要的作用，对我国铁路机车车辆行业的技术创新具有现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于MPC860的MVB-WTB网关及其工作方法。为实现网关设备的自主知识产权，本发明设计出的基于MPC860的MVB-WTB网关符合国际列车通讯网络TCN标准IEC1375和UIC556协议的各种车辆、设备的通信。MPC860处理器工作在大端模式，可以使收发的数据组织与网络中的数据一致，通过FPGA实现WTB协议链路层，并为上层RTP协议等提供接口，可实现WTB列车级网络和MVB车辆级网络间的相互通信，在降低了软件设计复杂度的同时，提高了数据通信的准确性和可靠性。

本发明的技术方案为：

一种基于MPC860的MVB-WTB网关，其特征在于包括WTB卡、MAU卡、转接卡和MVB卡；其中，WTB卡、MAU卡和MVB卡通过转接卡连接；WTB卡负责WTB总线所连接的WTB设备的数据采集和传输，MAU卡负责提供网关与其他网关通信的接口，MVB卡负责MVB总线所连接的MVB设备的数据采集和传输，转接卡负责MVB和WTB之间的数据转换。

进一步的，所述转接卡为CPCI-PC104转接卡，所述MVB卡为带有PC104接口的MVB卡；WTB卡通过所述转接卡的PC104总线与所述MVB卡数据通信。

进一步的，所述WTB卡包括WTB-CPU模块、WTB-FPGA模块、转接模块和WTB串口接口，WTB-FPGA模块通过数据线与WTB-CPU模块连接；其中，所述WTB-CPU模块负责网关RTP协议栈的网络层和链路层部分的处理工作，以及WTB总线所连接的WTB设备的数据采集和传输；所述WTB-FPGA模块负责对WTB在WTB总线上收集接收的数据进行编码，以及对接收的数据进行解码并生成标准的并行信号传给WTB，切换网关的工作状态以及指示网关运行情况；所述转接模块用于实现MVB到WTB的数据转换，负责MVB和WTB之间的数据传输；所述WTB串口接口用于接收对WTB进行维护和调试。

进一步的，所述WTB卡以轮询的方式收集WTB总线上的WTB过程变量、消息和监视数据，并将收集的数据转换为HDLC报文的格式后传送给WTB-FPGA模块进行编码处理。

进一步的，所述WTB-FPGA模块包括数字转换接收器DCR，收发器，中断控制器，方向选择器，总线选择器；其中，所述方向选择器用于识别所述收发器中数据帧的传送方向；所述总线选择器用于识别所述收发器中数据帧的来源并将识别结果发送给所述中断处理器；所述中断处理器用于根据收到的识别结果进行处理，如果识别结果为数据帧来自MAU，则发送一个中断给MPC860，告知其接收到了WTB总线数据帧，同时告知所述收发器将数据帧发送给DCR，由DCR经EBI总线发送给MPC860进行处理；如果识别结果为数据帧来自MPC860，则告知收发器将当前数据帧发送给DCR；所述DCR用于对数据进行编码后形成HDLC数据帧，并发送给MAU。

进一步的，所述MVB卡包括MVB-ARM模块、MVB-FPGA模块、MVB串口接口，MVB-ARM模块通过数据线与MVB-FPGA模块连接；其中，所述MVB-ARM模块负责网关上RTP协议栈的实现；所述MVB-FPGA模块负责对MVB卡从MVB总线上采集到的MVB数据进行编解码；所述MVB串口接口用于接收对MVB进行维护和调试。

进一步的，所述MVB-FPGA模块中包括一MVB控制器和一PC104控制器；其中，所述MVB控制器用于对RTP协议栈与物理层之间过程数据、消息数据、主权转移、事件、设备状态查询的传输控制，以及为在MVB总线上的各个设备提供通讯接口和通讯服务，将从MVB总线上采集到的MVB设备数据发送给MVB卡的数据链路层接口；所述PC104控制器用于将从MVB总线上采集到的数据发送到PC104总线上，由PC104-CPCI转接卡将数据传送到WTB卡上。

本发明的网关包括WTB卡、MAU卡、CPCI-PC104转接卡和带有PC104接口的MVB卡；WTB卡、MAU卡和带有PC104接口的MVB卡通过CPCI-PC104转接卡连接，WTB卡负责WTB总线所连接的WTB设备的数据采集和传输，MAU卡负责介质分配(即提供网关和其他网关通信的接口)，MVB卡负责MVB总线所连接的MVB设备的数据采集和传输，CPCI-PC104转接卡负责MVB和WTB之间的数据转换。工作方法包括WTB初运行和WTB总线及MVB总线间过程数据和消息数据的处理，为在总线上的各个设备提供通讯接口和通讯服务。

CPCI-PC104转接板，为WTB和MVB提供接口服务，WTB卡与CPCI连接后，通过PC104总线与MVB卡连接起来，从而实现了WTB与MVB网络之间的数据通信，使网关具有过程数据转发和消息路由功能，并且在实现WTB总线管理功能的同时，又具有MVB主权转移、事件、设备状态查询的传输控制等功能。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明解决了绞线式列车总线WTB和多功能列车总线MVB的数据通讯问题，使本发明既具有WTB过程数据功能、消息数据功能和总线管理功能，又具有MVB主权转移、事件、设备状态查询的传输控制等功能。

附图说明

图1是本发明的整体架构图；

图2是WTB板卡架构图；

图3是MVB板卡架构图；

图4是WTB-CPU内部处理架构图；

图5是MVB数据处理架构图；

图6是MVB-WTB网关在实际应用中网络组成的拓扑框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的整体架构图，图中包含两套MVB-WTB网关。整个系统分为硬件和软件两部分。硬件部分采用一块WTB卡、一块MAU卡、一块CPCI-PC104转接卡和一块带有PC104接口的MVB网卡构成MVB-WTB网关。带有PC104接口的MVB网卡收集通过MVB总线进行传输的MVB设备的过程、消息等数据，它通过PC104-CPCI转接卡与WTB板卡相连，数据经由PC104-CPCI转接卡由MVB网卡传送给WTB。连接在WTB上的MAU卡是介质连接单元，属于网关的一部分，在电气上与WTB总线接口连接，并提供和接收二进制逻辑信号，转发来自与其相连接的WTB总线上的数据，和由WTB传送来的来自MVB网卡上的数据。通过连接两套MVB-WTB网关的MAU卡，可以建立两个网关之间的通信，从而实现两个网段间数据的互通。

图2是WTB板卡架构图。主要包括以下组成部分：

1)WTB-CPU模块：该部分的核心是MPC860处理器，其承担了网关RTP协议栈的网络层和链路层部分的处理工作，负责WTB总线所连接的WTB设备的数据采集和传输，实现网关的主要功能。

2)WTB-FPGA模块：实现曼彻斯特编解码，切换网关的工作状态(初运行、常规)，指其示运行情况。WTB通过轮询的方式，将在WTB总线上获取的WTB过程变量、消息和监视数据等，转换为HDLC报文的格式，传送给FPGA进行编码处理，生成曼彻斯特码；FPGA对曼彻斯特码进行解码处理后，生成标准的并行信号传给WTB。WTB-FPGA模块通过数据线与WTB-CPU模块连接。

3)PC104-CPCI转接模块：实现MVB到WTB的数据转换，负责MVB和WTB之间的数据传输。

4)MAU接口：提供网关与MAU板卡相连的接口。

5)WTB串口接口：用于接收对WTB部分的维护和调试。

6)电源接口：用于MVB-WTB网关装置供电。

图3是MVB板卡架构图。主要包括以下组成部分：

1)MVB-ARM模块：负责MVB网卡上RTP协议栈的实现。

2)MVB-FPGA模块：实现对MVB卡从MVB总线上采集到的MVB设备数据进行曼彻斯特编解码。MVB-ARM模块通过数据线与MVB-FPGA模块连接。

3)MVB接口：提供网关和与MVB总线的互联通信的接口。

4)MVB串口接口：用于接收对MVB部分的维护和调试。

软件部分主要采用在WTB-CPU卡上MPC860加FPGA的多芯片实现，以及在MVB卡上ARM和FPGA中的实现。

MPC860集成通信控制器(PowerQUICC)是MVB-WTB网关通信管理的核心部分。它是Motorola公司推出的针对嵌入式系统应用的32位嵌入式微处理器，其核心是基于MotorolaPowerPC结构的微处理器内核，具有128MB的SDRAM和4MB的FLASH。

图4是WTB-CPU内部处理架构图。MPC860通过对串行DMA通道(SDMA)的管理，可以实现串行通信控制器(SCC)与FPGA之间的数据交换。FPGA模块主要包括数字转换接收器(DCR)，收发器(Transceiver)，中断控制器(INTC)，方向选择器(Direction Switchover)，总线选择器(Bus SwitchC)和LED灯控器(LED txr)等。当收发器中存在数据帧时，方向选择器和总线选择器会判断数据帧的来源和传送方向。如果数据帧来自MAU，即来自其他WTB设备，则中断处理器会发送一个中断给MPC860，告知其接收到了WTB总线数据帧，同时收发器将数据帧发送给DCR，由DCR经外部总线接口(EBI)发送给MPC860，进行处理；如果数据帧来自MPC860，则其由EBI总线发送给收发器，经曼彻斯特编码后，形成高级链路数据控制(HDLC)帧，发送给MAU，继而向其他WTB设备发送。

MPC860通过脉码调制(GPCM)与WTB缓冲区进行交互，CPCI-PC104模块主要通过IP核控制、内核控制WTB和MVB缓冲区，对WTB和MVB的数据读写进行控制。

WTB通过轮询的方式，将在WTB总线上获取的WTB过程变量、消息和监视数据等，转换为HDLC报文的格式，传送给FPGA进行编码处理，生成曼彻斯特码；FPGA对曼彻斯特码(即MVB卡从MVB总线上采集到的MVB设备数据编码后发送过来的曼彻斯特码)进行解码处理后，生成标准的并行信号传给WTB。WTB将要发送到MVB的数据发送给PCI，由CPCI-PC104转接卡发送给MVB；将要发送给其他网关的数据发送到MAU上，进行网段之间的数据通信。

图5是MVB数据处理架构图。FPGA中的MVB控制器(MVBC)是RTP协议栈与物理层之间过程数据、消息数据、主权转移、事件、设备状态查询的传输控制的主控器，为在MVB总线上的各个设备提供通讯接口和通讯服务，它将从MVB总线上采集到的MVB设备数据发送给ARM中的MVB数据链路层接口。MVB数据链路层上层主要分为MVB驱动部分、TM驱动部分和IRQ驱动三部分，和MVBC一同实现RTP与物理层之间过程数据、消息数据、主权转移、事件、设备状态查询的传输控制。FPGA中的PC104控制器将从MVB总线上采集到的数据发送到PC104总线上，由PC104-CPCI转接卡，将数据传送到WTB上。

来自WTB总线的数据和MVB总线的数据通过PC104-CPCI转接卡进行交互，从而实现了WTB总线和MVB总线信息的互联互通，既具有WTB过程数据功能、消息数据功能和总线管理功能，又具有MVB主权转移、事件、设备状态查询的传输控制等功能。

图6是MVB-WTB网关在实际应用中网络组成的拓扑框图。MVB-WTB网关通过MAU接口与其他网关的MAU接口相连，连接的总线即为WTB总线。MVB-WTB网关通过MVB接口与其他MVB设备接口相连，连接的总线即为MVB总线。根据图6所示的拓扑结构框图即可实现WTB总线和MVB总线之间的数据传输和交互。

本设计方案可以为实现WTB总线和MVB总线上的协议转换、数据传输提供易于被计算机软件控制的方法，为实现列车数据通信的网络控制提供便捷的条件。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims

1.一种基于MPC860的MVB-WTB网关，其特征在于包括WTB卡、MAU卡、转接卡和MVB卡；其中，WTB卡、MAU卡和MVB卡通过转接卡连接；WTB卡负责WTB总线所连接的WTB设备的数据采集和传输，MAU卡负责提供网关与其他网关通信的接口，MVB卡负责MVB总线所连接的MVB设备的数据采集和传输，转接卡负责MVB和WTB之间的数据转换。

2.如权利要求1所述的MVB-WTB网关，其特征在于所述转接卡为CPCI-PC104转接卡，所述MVB卡为带有PC104接口的MVB卡；WTB卡通过所述转接卡的PC104总线与所述MVB卡数据通信。

3.如权利要求1或2所述的MVB-WTB网关，其特征在于所述WTB卡包括WTB-CPU模块、WTB-FPGA模块、转接模块，WTB-FPGA模块通过数据线与WTB-CPU模块连接；其中，所述WTB-CPU模块负责网关RTP协议栈的网络层和链路层部分的处理工作，以及WTB总线所连接的WTB设备的数据采集和传输；所述WTB-FPGA模块负责对WTB在WTB总线上收集接收的数据进行编码，以及对接收的数据进行解码并生成标准的并行信号传给WTB，切换网关的工作状态以及指示网关运行情况；所述转接模块用于实现MVB到WTB的数据转换，负责MVB和WTB之间的数据传输。

4.如权利要求3所述的MVB-WTB网关，其特征在于所述WTB卡还包括一WTB串口接口，用于接收对WTB进行维护和调试。

5.如权利要求3所述的MVB-WTB网关，其特征在于所述WTB卡以轮询的方式收集WTB总线上的WTB过程变量、消息和监视数据，并将收集的数据转换为HDLC报文的格式后传送给WTB-FPGA模块进行编码处理。

6.如权利要求3所述的MVB-WTB网关，其特征在于所述WTB-FPGA模块包括数字转换接收器DCR，收发器，中断控制器，方向选择器，总线选择器；其中，所述方向选择器用于识别所述收发器中数据帧的传送方向；所述总线选择器用于识别所述收发器中数据帧的来源并将识别结果发送给所述中断处理器；所述中断处理器用于根据收到的识别结果进行处理，如果识别结果为数据帧来自MAU，则发送一个中断给MPC860，告知其接收到了WTB总线数据帧，同时告知所述收发器将数据帧发送给DCR，由DCR经EBI总线发送给MPC860进行处理；如果识别结果为数据帧来自MPC860，则告知收发器将当前数据帧发送给DCR；所述DCR用于对数据进行编码后形成HDLC数据帧，并发送给MAU。

7.如权利要求1或2所述的MVB-WTB网关，其特征在于所述MVB卡包括MVB-ARM模块、MVB-FPGA模块，MVB-ARM模块通过数据线与MVB-FPGA模块连接；其中，所述MVB-ARM模块负责网关上RTP协议栈的实现；所述MVB-FPGA模块负责对MVB卡从MVB总线上采集到的MVB数据进行编解码。

8.如权利要求7所述的MVB-WTB网关，其特征在于所述MVB卡还包括一MVB串口接口，用于接收对MVB进行维护和调试。

9.如权利要求7所述的MVB-WTB网关，其特征在于所述MVB-FPGA模块中包括一MVB控制器和一PC104控制器；其中，所述MVB控制器用于对RTP协议栈与物理层之间过程数据、消息数据、主权转移、事件、设备状态查询的传输控制，以及为在MVB总线上的各个设备提供通讯接口和通讯服务，将从MVB总线上采集到的MVB设备数据发送给MVB卡的数据链路层接口；所述PC104控制器用于将从MVB总线上采集到的数据发送到PC104总线上，由PC104-CPCI转接卡将数据传送到WTB卡上。