CN104144026A - 基于嵌入式处理器的mvb网卡模块及数据传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于嵌入式处理器MVB网卡模块及传输方法，包括ARM嵌入式处理电路单元、FPGA协议解析电路单元、MVB接口电路单元、隔离电源电路单元，MVB网卡模块通过PC104总线与TCN网关连接，1）前端数据通过MVB总线进入MVB接口电路单元进行电平转换，经过电平转化后将隔离或非隔离的差分信号转换为TTL信号后进入FPGA协议解析电路单元内；2）前端数据进行处理后通过32位并行数据接口传入ARM嵌入式处理电路单元内；3）ARM嵌入式处理电路模块对数据进行协议处理和与PC104总线的通讯控制，将数据传输至TCN网关处理器内。本发明架构清晰，应用嵌入式FLASH主控芯片，集成度高，稳定可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于嵌入式处理器的小尺寸多功能车辆总线MVB(MultifunctionVehicle Bus)网卡模块及数据传输方法,用于高速列车系统中的通信接口。
背景技术
高速列车中央控制单元CCU（Central Control Unit）由供电模块、中央处理单元CPU、TCN网关、IO模块、总线管理模块、背板等部分组成，主要作用是完成列车系统逻辑控制以及对各部件监控和保护。
列车通信网络（TCN-Train Communication Network）是铁路列车车辆之间和车辆内部可编程设备互联传送控制、监测与诊断信息的数据通信网络。随着当代列车的智能化，列车通信网络中包含更多的信息，诸如状态、控制、故障诊断、旅客信息等，如何对列车运行数据进行分析从而在早期发现列车运行时存在的风险定位列车缺陷，以保证列车的安全行驶成为一个关键性问题。
MVB多功能车辆总线（Multifunction Vehicle Bus），它是列车通信网TCN的一部分（TCN网络由MVB+WTB构成）。是一种主要用于对有互操作性和互换性要求的互连设备之间的串行数据通信总线。
MVB网卡是TCN网关的一部分，采用PC104总线接口驱动，完成列车总线的通信功能。目前国内高速列车系统研发刚刚起步，且进口MVB网卡体积较大，尚无稳定可靠的小型化MVB网卡模块。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明为高速列车CCU系统中TCN网关提供了重要的组成部分和数据传输的方法，本发明的技术方案如下：
一种基于嵌入式处理器的MVB网卡模块中数据传输方法，其步骤为：
1）当MVB网卡模块接收数据时，前端数据通过MVB总线进入所述MVB接口电路单元进行电平转换，经过电平转化后将隔离或非隔离的差分信号转换为TTL信号后进入FPGA协议解析电路单元内；
2）所述FPGA协议解析单元对前端数据进行以下一种或多种处理：链路层数据组织、帧封装或拆封、数据编码或解码，处理完成后通过32位并行数据接口传入ARM嵌入式处理电路单元内；
3）当发送数据时，所述ARM嵌入式处理电路单元对数据进行协议处理和与PC104总线的通讯控制，将数据传输至TCN网关处理器内。
更进一步，所述FPGA协议解析电路单元的数据输出信号经过高速数字隔离芯片隔离缓冲，同时数据方向信号进行高速光藕隔离后经过高速CMOS反相器调整逻辑，所述数据方向信号和数据输出信号一并进入高速物理芯片，差分处理后将差分信号输出到MVB总线。
更进一步，所述隔离电源电路优选电源范围为3.3V～5V，该处理步骤为：
a.通过电源控制芯片驱动隔离变压器；
b.该隔离变压器输出经过二极管整流及电感电容滤波后，通过LDO稳压至5V输出给所述MVB接口电路单元供电使用。
本发明还提出了一种基于嵌入式处理器的MVB网卡模块，括ARM嵌入式处理电路单元、FPGA协议解析电路单元、MVB接口电路单元、隔离电源电路单元，MVB网卡模块通过PC104总线与TCN网关连接，支持电气短距离传输ESD和电气中距离传输EMD两种物理传输介质，
所述MVB接口电路单元连接输出前端数据MVB总线；
所述隔离电源电路单元用于隔离的差分信号传输；
所述FPGA协议解析电路单元用于对前端数据进行数据组织和协议解析，处理完成后的数据通过32位并行数据接口传入ARM嵌入式处理电路单元内，
所述ARM嵌入式处理电路单元用于电平转换，将隔离或非隔离的差分信号转换为TTL信号。
更进一步，所述ESD为单线结构用于短距离传输的电介质，最长可传输20.0m。
更进一步，所述EMD为用于中距离传输的电介质，最长可传输200.0m。
更进一步，所述FPGA协议解析电路单元选用高速数字隔离芯片ADUM120x对数据信号隔离缓冲。
更进一步，所述ARM嵌入式处理电路单元选用嵌入FLASH的ARM芯片。
更进一步，所述FPGA协议解析电路单元选用嵌入FLASH的FPGA。
更进一步，FPGA协议解析电路单元中还包括高速光藕HCPL-0611隔离器件以及高速485物理芯片MAX3062。
本发明的有益效果
本发明架构清晰，应用嵌入式FLASH的主控芯片，集成度高，稳定可靠。体积仅为传统MVB板卡的四分之一，经实测,此网卡全负荷功耗为2.3w,是传统网卡全负荷功耗4.5w的二分之一左右。本发明的小尺寸MVB网卡模块提供完善的MVB网络接口，支持ESD和EMD物理接口。本发明中MVB板卡同时也是TCN网关中的关键组成部分。
附图说明
图1是本发明基于嵌入式处理器的MVB网卡模块中数据传输模块一实施例中的模块原理框图；
图2是本发明基于嵌入式处理器的MVB网卡模块中数据传输模块MVB接口电路原理框图；
图3是本发明基于嵌入式处理器的MVB网卡模块中数据传输模块一实施例中隔离电源电路原理框图。
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。
本发明为高速列车CCU系统中TCN网关的重要部分，提供一种基于嵌入式处理器的小尺寸MVB网卡模块（体积约为标准MVB网卡尺寸的四分之一）。该模块由4部分组成：ARM嵌入式处理电路单元、FPGA协议解析电路单元、MVB接口电路单元、隔离电源电路单元。
本发明提出了一种基于嵌入式处理器的MVB网卡模块，包括ARM嵌入式处理电路单元、FPGA协议解析电路单元、MVB接口电路单元、隔离电源电路单元。其中，MVB网卡模块通过PC104总线与TCN网关连接，支持电气短距离传输ESD和电气中距离传输EMD两种物理传输介质，MVB接口电路单元连接输出前端数据MVB总线；隔离电源电路单元用于隔离的差分信号传输；FPGA协议解析电路单元用于对前端数据进行数据组织和协议解析，处理完成后的数据通过32位并行数据接口传入ARM嵌入式处理电路单元内，ARM嵌入式处理电路单元用于电平转换，将隔离或非隔离的差分信号转换为TTL信号。
MVB网卡模块通过PC104总线与TCN网关连接，模块支持ESD和EMD两种物理传输介质，其中
ESD:单线结构用于短距离传输的电介质。[标准RS-485总线物理接口，最长可传输20.0m]；
EMD:用于中距离传输的电介质。[变压器耦合物理接口，最长可传输200.0m]。
MVB网卡模块的机械尺寸为：48x50mm。
本发明中MVB网卡作为TCN网关的接入前端，提供2路ESD通讯接口及2路EMD通讯接口。
当数据接收时，MVB总线上传来的数据经过MVB接口电路单元的电平转换，将隔离或非隔离的差分信号转换为TTL信号后进入FPGA协议解析电路单元内，FPGA单元内对于前端数据进链路层数据组织,帧的拆封,进而进行数据解码处理完成后的数据通过32位并行数据接口传入ARM嵌入式处理电路单元内，ARM嵌入式处理电路单元对数据进行网络层数据解析与PC104总线的通讯控制，进而数据传输至TCN网关处理器内。
当数据发送时，TCN网关的数据和控制指令通过PC104总线传输至MVB网卡模块内，MVB网卡模块中ARM芯片控制FPGA进行数据组织及协议转换，进而串行数据通过MVB接口电路电平转换进行隔离或非隔离的差分信号传输。
本发明提出的小型化MVB网卡中选用高性能嵌入FLASH的小体积FPGA及ARM芯片。节省了传统网卡的FPGA及ARM芯片的外围FLASH。同时选用高密度隔离芯片ADuM120x系列芯片，进一步减小了传统MVB网卡中网络变压器占用的体积。
图1是本发明具体实施例的系统框图；如图1所示，MVB网络数据通过MVB接口电路的电平转换，由隔离或非隔离的差分信号转换为TTL电平信号进入FPGA协议解析电路单元内，FPGA协议解析电路单元内对于前端数据进行数据组织和部分协议解析，处理过的数据通过并行数据接口传入ARM嵌入式处理电路单元内，ARM嵌入式处理电路单元对数据进行进一步的协议处理和与PC104总线的通讯控制，进而数据传输至TCN网关处理器内；TCN网关的数据和控制指令通过PC104总线传输至MVB网卡内，MVB网卡中ARM芯片控制FPGA进行数据组织及协议转换，进而串行数据通过MVB接口电路电平转换进行隔离或非隔离的差分信号，传输至MVB总线上。
图2是本发明MVB接口电路原理框图；FPGA协议解析电路单元的数据信号输出经过高速数字隔离芯片ADUM120x的隔离缓冲，数据方向信号经过高速光藕HCPL-0611的隔离后经过高速CMOS反相器调整逻辑，一并进入高速485物理芯片MAX3062，差分信号输出到MVB总线。
图3是本发明一实施例中隔离电源电路原理图；优选3.3V电源经电源控制芯片LM2731驱动隔离变压器，隔离变压器输出经过二极管整流及电感电容滤波后，通过LDO稳压至5V输出给MVB接口电路供电使用。
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 (10)
1.一种基于嵌入式处理器的MVB网卡模块中数据传输方法，其步骤为：
1）当MVB网卡模块接收数据时，前端数据通过MVB总线进入所述MVB接口电路单元进行电平转换，经过电平转化后将隔离或非隔离的差分信号转换为TTL信号后进入FPGA协议解析电路单元内；
2）所述FPGA协议解析单元对前端数据进行以下一种或多种处理：链路层数据组织、帧封装或拆封、数据编码或解码，处理完成后通过32位并行数据接口传入ARM嵌入式处理电路单元内；
3）当发送数据时，所述ARM嵌入式处理电路单元对数据进行协议处理和与PC104总线的通讯控制，将数据传输至TCN网关处理器内。
2.如权利要求1所述的基于嵌入式处理器的MVB网卡模块中数据传输方法，其特征在于，所述FPGA协议解析电路单元的数据输出信号经过高速数字隔离芯片隔离缓冲，同时数据方向信号进行高速光藕隔离后经过高速CMOS反相器调整逻辑，所述数据方向信号和所述数据输出信号一并进入高速物理芯片，差分处理后将差分信号输出到MVB总线。
3.如权利要求1所述的基于嵌入式处理器的MVB网卡模块中数据传输方法，其特征在于，所述隔离电源电路优选电源范围为3.3V～5V，该处理步骤为：
a.通过电源控制芯片驱动隔离变压器；
b.该隔离变压器输出经过二极管整流及电感电容滤波后，通过LDO稳压至5V输出给所述MVB接口电路单元供电使用。
4.一种基于嵌入式处理器的MVB网卡模块，其特征在于，包括ARM嵌入式处理电路单元、FPGA协议解析电路单元、MVB接口电路单元、隔离电源电路单元，所述MVB网卡模块通过PC104总线与TCN网关连接，支持电气短距离传输ESD和电气中距离传输EMD两种物理传输介质，
所述MVB接口电路单元连接输出前端数据MVB总线；
所述隔离电源电路单元用于隔离的差分信号传输；
所述FPGA协议解析电路单元用于对前端数据进行数据组织和协议解析，处理完成后的数据通过32位并行数据接口传入ARM嵌入式处理电路单元内，
所述ARM嵌入式处理电路单元用于电平转换，将隔离或非隔离的差分信号转换为TTL信号。
5.如权利要求4所述的基于嵌入式处理器的寸MVB网卡模块，其特征在于，所述ESD为单线结构用于短距离传输的电介质，最长可传输20.0m。
6.如权利要求4所述的基于嵌入式处理器的MVB网卡模块，其特征在于，所述EMD用于中距离传输的电介质，最长可传输200.0m。
7.如权利要求4所述的基于嵌入式处理器的MVB网卡模块，其特征在于，所述FPGA协议解析电路单元选用高速数字隔离芯片ADUM120x对数据信号隔离缓冲。
8.如权利要求4所述的基于嵌入式处理器的MVB网卡模块，其特征在于，所述ARM嵌入式处理电路单元选用嵌入FLASH的ARM芯片。
9.如权利要求4所述的基于嵌入式处理器的MVB网卡模块，其特征在于，所述FPGA协议解析电路单元选用嵌入FLASH的FPGA。
10.如权利要求4所述的基于嵌入式处理器的MVB网卡模块，其特征在于，所述FPGA协议解析电路单元中还包括高速光藕HCPL-0611隔离器件以及高速485物理芯片MAX3062。
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