CN103731343A - 基于lpc2468的mvb-wtb网关及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LPC2468的MVB-WTB网关及其工作方法，属于机车通信领域。本网关包括MVB网卡和WTB网卡；WTB包括WTB-ARM、WTB-FPGA模块，MVB包括MVB-ARM、MVB-FPGA模块；WTB-ARM模块采用LPC2468处理器对网关协议栈的网络层和链路层数据解析；WTB-FPGA模块用于对WTB与其他网关通信数据的收发，以及WTB与MVB之间通信数据的收发；MVB-ARM模块负责网卡上协议栈的执行；MVB-FPGA模块用于收集通过MVB总线进行传输的MVB设备的过程、消息数据，以及与网关内的WTB之间通信数据的收发。本发明加快了网关之间的通信速度，增强了可靠性。

Description

基于LPC2468的MVB-WTB网关及其工作方法
技术领域
基于LPC2468的MVB-WTB网关属于机车通信领域，涉及一种基于LPC2468的MVB-WTB网关及其工作方法。网关是列车通信中最重要的环节，它的实时性、稳定性与可靠性对列车的安全运行有着至关重要的作用。
背景技术
MVB-WTB网关是一种实现机车通信的方式。根据列车控制的特点，TCN(列车通信网络)分为两层总线，分别是连接各个车厢的WTB总线(绞线式列车总线)以及连接车内设备的MVB总线(多功能车辆总线)。WTB与MVB是两个独立的通信子网，采用不同的协议，他们之间通过一个WTB节点连接，这个节点就是网关，他负责两种协议的转换。也就是说，MVB网络与WTB网络通过网关进行通信。
现有网关存在的问题和不足：
1)现有网关的硬件结构为WTB和MCB架构，其中MCB又包括中央处理器、MVB单元、MVBCS01协议控制器等，同时MVB还需要MVB-MAU的支持，结构设计复杂。同时复杂的硬件结构设计，必然造成数据交换机制、软件设计需要考虑更多的内容，成本增加。
2)使用软件控制周期性数据发送和偶发性数据发送的时间，由于软件本身执行需要一定的时间，且在多任务过程中相互切换占用系统时间，其他任务执行占用时间等问题，使得控制发送数据帧的进程的时间计算并不准确，从而引起冲突等情况。
3)现有TCN网关在网关和网关之间的数据通信时，存在着丢帧的情况。一旦数据丢失，即便是多次发送该数据，也会给列车运行的安全就带来隐患。此外，现有网关的纠错能力还有待加强，一旦出现丢失数据的情况，需要网关来判断是通信出现过程中问题还是其他网关节点本身出现问题，这两种情况对列车的安全运行有着极为重要的影响。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于LPC2468的MVB-WTB网关及其工作方法；本发明的网关符合UIC556协议，从用户应用的角度出发，制定了关于在列车通信网络所传送信息的标准。不同厂家生产的车辆、设备，只要所使用的通信接口与UIC556所制定的通信接口一致或进行简单的接口协议转换，都可以实现数据通信。
本发明的技术方案为：
一种基于LPC2468的MVB-WTB网关，其特征在于包括MVB网卡和WTB网卡，所述WTB网卡包括WTB-ARM模块、WTB-FPGA模块，所述MVB网卡包括MVB-ARM模块、MVB-FPGA模块；所述WTB网卡与所述MVB网卡通过数据总线连接；其中，WTB-ARM模块采用LPC2468处理器对网关协议栈的网络层和链路层数据进行解析；WTB-FPGA模块用于对WTB网卡与其他网关通信数据的收发，以及WTB网卡与网关内的MVB网卡之间通信数据的收发；MVB-ARM模块负责网卡上协议栈的执行；MVB-FPGA模块用于收集通过MVB总线进行传输的MVB设备的过程、消息数据，以及MVB网卡与WTB网卡之间通信数据的收发。
在所述WTB网卡初运行过程中，所述WTB-ARM模块用于配置网关的主帧表，并且将所述主帧表写入所述WTB-FPGA模块中。
所述WTB-ARM模块根据收到的各个WTB节点申请的特征周期和过程数据长度配置所述主帧表。
在所述WTB网卡初始运行之后，所述WTB-ARM模块用于将上层应用接收到的数据写入WTB-FPGA模块中；所述WTB-FPGA模块用于根据WTB-FPGA中配置的时间来确定何时发送过程数据和消息数据，并通过所述数据总线上将其发送到所述MVB-FPGA模块。
所述WTB-FPGA模块在周期相通过所述主帧表轮询各个MVB-WTB网关节点；所述WTB-FPGA模块在偶发相发送监视数据到WTB总线上。
所述数据总线为PC104总线；所述MVB网卡通过PC104总线与所述WTB网卡连接；每一网关还包括一用于与其他网关之间通信的MAU卡，所述MAU卡与WTB总线连接；还包括一WTB串口接口，一MVB串口接口；所述MVB串口接口用于提供MVB网卡的维护和调试，所述WTB串口接口用于提供WTB网卡的维护和调试；还包括一MVB手动复位键，用于提供手动复位键对MVB进行复位操作；一WTB手动复位键，用于提供手动复位键对WTB进行复位操作；一电源接口，用于MVB-WTB网关装置供电。
一种基于LPC2468的MVB-WTB网关的工作方法，其特征在于在所述WTB网卡初运行过程中，所述WTB-ARM模块根据其上层应用收到的各个MVB-WTB网关节点申请的特征周期和过程数据长度配置配置网关的主帧表，并且将所述主帧表写入所述WTB-FPGA模块中；在所述WTB网卡初始运行之后，所述WTB-ARM模块将上层应用接收到的数据写入WTB-FPGA模块中，所述WTB-FPGA模块根据WTB-FPGA中配置的时间来确定发送过程数据和消息数据的时间，并将其发送到数据总线上；所述MVB-FPGA模块从所述数据总线读取数据，并告知所述MVB-ARM模块。
所述WTB-FPGA模块在周期相通过所述主帧表轮询各个MVB-WTB网关节点；所述WTB-FPGA模块在偶发相发送监视数据。
所述WTB-FPGA模块中设置一等待队列，用于存储所述WTB-FPGA模块的上层应用未能及时处理的数据；当所述WTB-FPGA模块的上层应用期待接收下一个数据的时候，如果当前期待的数据类型和所述WTB-FPGA模块从所述等待队列中读取的数据类型相同，则认为是上层应用当前期待的，接收或更新此数据；如果当前读取的数据类型和上层应用当前期待的不同，则从所述等待队列中读取下一个数据，直到读取的数据是最近一次接收到的与期待数据类型相同的数据为止。
在所述WTB-FPGA模块中设置一通用寄存器GEN_buf和一消息寄存器MD_buf，用于保存最近两次写入的数据；所述WTB-FPGA模块中设有一过程寄存器PD_buf，用来存放过程数据。
主要从两个方面介绍网关，分别是硬件系统和软件系统。
在硬件方面，基于LPC2468的MVB-WTB网关包括：WTB-ARM模块、WTB-FPGA模块、MVB-ARM模块、MVB-FPGA模块、MAU板卡、PC104总线、MVB接口、MAU接口、WTB串口接口、MVB串口接口、MVB手动复位键、WTB手动复位键、电源接口。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总线与WTB板卡相连，数据经由PC104总线由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总线相连，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1表示的是基于LPC2468的MVB-WTB网关的硬件结构，各模块和接口功能如下：
1)WTB-ARM模块：该部分的核心是LPC2468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。
2)WTB-FPGA模块：该模块的功能分为两个部分，一是负责网关的WTB部分与其他网关通信数据的收发，二是负责网关的WTB部分和内部MVB网卡之间通信数据的收发。
3)MVB-ARM模块：负责MVB网卡上RTP协议栈的执行(运行)。
4)MVB-FPGA模块：负责内部MVB网卡与本网关上的WTB部分通信数据的收发。
5)MAU板卡：负责网关和网关数据的传输。
6)PC104总线：负责MVB和WTB之间的数据传输。
7)MVB接口：提供网关和其他网卡通信的接口。
8)MAU接口：提供网关和其他网关通信的接口。
9)WTB串口接口：用于WTB部分的维护和调试。
10)MVB串口接口：用于MVB部分的维护和调试。
11)MVB手动复位键：可以通过手动复位键对MVB进行复位操作。
12)WTB手动复位键：可以通过手动复位键对WTB进行复位操作。
13)电源接口：用于MVB-WTB网关装置供电。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
A：我们将基于LPC2468硬核的WTB FPGA芯片板卡和MVB板卡集成到一起，使用FPGA进行通信，使得通信更加稳定。在WTB和WTB的通信过程中，我们利用了FPGA快速响应的特点，加快了网关之间的通信速度，并增强了可靠性。
优点一：硬件结构设计简单，仅由MVB和WTB两个模块实现TCN网关所要求具有的功能，省去了MVB-MAU、MCB、MVBC协议控制器等；优点二：软件模块更少，由于硬件结构减少，相应的软件模块个数减少，使得软件功能集中性强，便于相互之间的协调，使得运行更加稳定。优点三：运行速度快，由于将MVB、WTB和FPGA都集成到一块板卡上，不需要使用CPCI-PC104转接卡等机制，而是直接使用板卡上的FPGA进行通信。优点四：减少成本。
B：现有的TCN网关实现机制是在操作系统上层的软件中实现发送数据周期性的控制，由于系统运行自身需要时间，再加上多任务之间的切换及响应时间，使得现有TCN网关周期性数据的发送时间并不准确。
为克服该问题，在每次初运行之前，将过程数据主帧表功能下移到WTB-FPGA内实现，WTB-ARM中的上层应用在WTB初运行过程中根据各个节点(即各个MVB-WTB网关节点，每个动车组一般有4～8个MVB-WTB网关节点)的申请的特征周期和过程数据长度，配置主帧表，并且将主帧表写到WTB-FPGA中，如图2所示。在完成初运行后，进入常规状态时，上层应用只需将接收到的数据写到WTB-FPGA中，而WTB-FPGA会根据WTB-FPGA中配置的时间来确定何时发送过程数据和消息数据，并将其发送到PC104总线上。与PC104连接的另一个MVB-FPGA会读取相应的数据，并告知其MVB-ARM中的上层应用。
在常规运行状态总线主不需要进行过程数据主帧的收发处理，WTB-FPGA会根据当前时间的状态(周期相或偶发相)来判断发送什么类型帧。在周期相，WTB-FPGA将实现轮询主帧表功能，轮询各个MVB-WTB网关节点。在偶发相，WTB-FPGA发送监视数据到WTB总线上。
C：现有网关在通信过程中容易出现丢失数据的情况，该丢失数据包括三种情况，分别是：在总线上传输过程中出错而WTB-FPGA抛弃、WTB-FPGA提供给上层应用但是上层应用没有处理、上层应用写到WTB-FPGA而WTB-FPGA没有发送出去，其中第一种情况可以通过改善通信使用的总线的质量来减少，而第二种情况就需要在软件实现上来尽量避免，这就要求软件功能的精准性。我们这里主要是减少了第二种情况引发的数据丢失的情况。
D：针对网关丢失数据的第二种情况，分析WTB-FPGA将数据提供给上层应用后，上层应用没有处理的原因包括在数据传输过程，接收到数据较多并且速度较快，两个数据帧之间相隔时间较短，在WTB-FPGA收到该帧数据后，可能节点当时在处理其他事情，没有及时响应该数据帧，这样使得数据可能会被下一帧数据所覆盖，造成丢失。
为了减少由于数据过多，新到的数据覆盖之前的数据的原因引起的数据MVB-WTB网关丢失数据帧的情况，WTB-FPGA模块在接收WTB总线上的数据帧时，使用等待队列。该等待队列在一定程度上减小了下一次到达的数据覆盖之前数据的概率。
该方法实现的困难在于如果出现了上一次收到的数据，上层应用没有及时处理，那么当上层应用期待接收下一个数据的时候，会读取上次收到的数据。如果两次数据的类型相同，这就影响到了数据的实时性更新，如果两次数据类型不同，这就会是网关任务通信出现错误，进行错误处理。对此我们采取了一种折中的处理方式，如果当前的期待的数据类型和WTB-FPGA模块从等待队列中读取的数据类型相同，则认为是上层应用当前期待的，接收或更新此数据；如果当前读取的数据类型和上层应用当前期待的不同，我们将从等待队列中读取下一个数据，直到我们读取的数据是最近一次接收到的与期待数据类型相同的数据为止。
E：针对网关丢失数据的第三种情况，我们在将数据写到WTB-FPGA后，由于两次写动作时间上太近，以至于我们将之前的数据覆盖，所以我们在WTB-FPGA中设置了缓存式结构，使得GEN_buf(通用寄存器)和MD_buf(消息寄存器)都保存至少能够保存最近两次写入的数据，而对于PD_buf(过程寄存器)来说，该缓存用来存放过程数据，发送出的数据越新越好，所以不提供存储多次写入的数据的功能。
附图说明
图1、MVB-WTB网关的硬件结构图；
图2、主帧表下移图；
图3、网关之间以及网关和外部网卡之间的连接图。
具体实施方式
A：我们的带有机载程序的网关装置，使用时需要提供5V直流电源。在列车总线层面上，本网关装置通过MAU上的RS485接口与其他网关节点进行通信。在车辆总线层面上，本网关装置通过内部网卡上的RS485接口与其他网卡设备进行通信。
B：我们将WTB和MVB集成到一块板卡上，构成一个网关节点，他们之间通过FPGA进行通信。网关节点可以通过车辆总线实现内部MVB与外部MVB进行通信，从而连通WTB网络与MVB网络。
每个网关节点带有一块MAU板卡，MAU板卡承担着网关硬件信号传输的任务，网关收发数据的工作由FPGA进行处理。网关和网关之间通过车辆总线进行通信，图3表示的是网关之间以及网关和外部网卡之间的连接图；两个网关之间通过WTB总线相连，MVB总线的数据通过MVB网卡传输给WTB网卡然后由一边的WTB网卡传输的另一端的WTB网络，另一边的WTB网卡收到数据后再通过与自身相连的MVB网卡，将数据传输给本网络的MVB设备，这样实现两个网络(网段)的数据通信。

Claims (10)

1.一种基于LPC2468的MVB-WTB网关，其特征在于包括MVB网卡和WTB网卡，所述WTB网卡包括WTB-ARM模块、WTB-FPGA模块，所述MVB网卡包括MVB-ARM模块、MVB-FPGA模块；所述WTB网卡与所述MVB网卡通过数据总线连接；其中，WTB-ARM模块采用LPC2468处理器对网关协议栈的网络层和链路层数据进行解析；WTB-FPGA模块用于对WTB网卡与其他网关通信数据的收发，以及WTB网卡与网关内的MVB网卡之间通信数据的收发；MVB-ARM模块负责MVB网卡上协议栈的执行；MVB-FPGA模块用于收集通过MVB总线进行传输的MVB设备的过程、消息数据，以及MVB网卡与WTB网卡之间通信数据的收发。
2.如权利要求1所述的网关，其特征在于在所述WTB网卡初运行过程中，所述WTB-ARM模块用于配置网关的主帧表，并且将所述主帧表写入所述WTB-FPGA模块中。
3.如权利要求2所述的网关，其特征在于所述WTB-ARM模块根据收到的各个MVB-WTB网关节点申请的特征周期和过程数据长度配置所述主帧表。
4.如权利要求2所述的网关，其特征在于在所述WTB网卡初始运行之后，所述WTB-ARM模块用于将上层应用接收到的数据写入WTB-FPGA模块中；所述WTB-FPGA模块用于根据WTB-FPGA中配置的时间来确定何时发送过程数据和消息数据，并通过所述数据总线上将其发送到所述MVB-FPGA模块。
5.如权利要求1至4任一所述的网关，其特征在于所述WTB-FPGA模块在周期相通过所述主帧表轮询各个MVB-WTB网关节点；所述WTB-FPGA模块在偶发相发送监视数据到WTB总线上。
6.如权利要求5所述的网关，其特征在于所述数据总线为PC104总线；所述MVB网卡通过PC104总线与所述WTB网卡连接；每一网关还包括一用于与其他网关之间通信的MAU卡，所述MAU卡与WTB总线连接；还包括一WTB串口接口，一MVB串口接口；所述MVB串口接口用于提供MVB网卡的维护和调试，所述WTB串口接口用于提供WTB网卡的维护和调试；还包括一MVB手动复位键，用于提供手动复位键对MVB进行复位操作；一WTB手动复位键，用于提供手动复位键对WTB进行复位操作；一电源接口，用于MVB-WTB网关装置供电。
7.一种如权利要求1所述网关的工作方法，其特征在于在所述WTB网卡初运行过程中，所述WTB-ARM模块根据其上层应用收到的各个MVB-WTB网关节点申请的特征周期和过程数据长度配置配置网关的主帧表，并且将所述主帧表写入所述WTB-FPGA模块中；在所述WTB网卡初始运行之后，所述WTB-ARM模块将上层应用接收到的数据写入WTB-FPGA模块中，所述WTB-FPGA模块根据WTB-FPGA中配置的时间来确定发送过程数据和消息数据的时间，并将其发送到数据总线上；所述MVB-FPGA模块从所述数据总线读取数据，并告知所述MVB-ARM模块。
8.如权利要求7所述的工作方法，其特征在于所述WTB-FPGA模块在周期相通过所述主帧表轮询各个MVB-WTB网关节点；所述WTB-FPGA模块在偶发相发送监视数据。
9.如权利要求7所述的工作方法，其特征在于所述WTB-FPGA模块中设置一等待队列，用于存储所述WTB-FPGA模块的上层应用未能及时处理的数据；当所述WTB-FPGA模块的上层应用期待接收下一个数据的时候，如果当前期待的数据类型和所述WTB-FPGA模块从所述等待队列中读取的数据类型相同，则认为是上层应用当前期待的，接收或更新此数据；如果当前读取的数据类型和上层应用当前期待的不同，则从所述等待队列中读取下一个数据，直到读取的数据是最近一次接收到的与期待数据类型相同的数据为止。
10.如权利要求7所述的工作方法，其特征在于在所述WTB-FPGA模块中设置一通用寄存器GEN_buf和一消息寄存器MD_buf，用于保存最近两次写入的数据；所述WTB-FPGA模块中设有一过程寄存器PD_buf，用来存放过程数据。
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