CN110351173A - 多功能列车总线检测设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多功能列车总线检测设备及方法,可实现对多功能列车总线的实时通讯数据记录及分析、通讯波形实时记录及分析、仿真列车总线的数据传输和模拟列车总线的网络控制。本发明中包括了上位机分析控制软件、处理器控制模块、电源及锂电池控制模块、MVB传输控制模块和MVB波形采集控制模块,方法包括存储MVB网络数据方法、设置发送主帧数据方法、设置发送从帧数据方法、读取MVB网络波形数据方法和读取存储的MVB网络数据方法。利用本发明可进一步对多功能列车总线的状态监测、故障诊断和一致性测试,以及在车载设备的研发和调试过程中,模拟多功能列车总线的数据传输过程。
Description
技术领域
本发明涉及列车网络通讯领域,尤其涉及多功能列车总线MVB的检测设备及方法。
技术背景
MVB(Multifunction Vehicle Bus,多功能车辆总线)是一种主要用于有互操作性和互换性要求的互联设备之间的串行数据通信总线,是TCN(Train Communication Net,列车通信网)的一部分,遵循IEC61375-1《列车通信网络》(简称TCN标准)标准。随着我国高铁和城市轨道交通的快速发展,满足TCN标准的MVB产品被越来越多的应用到列车控制当中。
为了对多功能列车总线的状态监测、故障诊断和一致性测试,以及在车载设备的研发和调试过程中,模拟多功能列车总线的数据传输过程,本发明提供了一种多功能列车总线检测设备及方法。
发明内容
本发明所提供的检测设备和方法,可实现对多功能列车总线的实时通讯数据记录及分析、通讯波形实时记录及分析、仿真列车总线的数据传输和模拟列车总线的网络控制。
为实现以上技术目的,本发明提供一种软硬结合、严格遵循TCN标准规定、操作方便、实时性好的基于嵌入式技术的检测设备。本发明的技术目的,可以通过以下技术方案实现:
一种多功能列车总线检测设备及方法,其特征在于,包括:上位机分析控制软件、处理器控制模块、电源及锂电池控制模块、MVB传输控制模块和MVB波形采集控制模块。所述上位机分析控制软件,通过USB或Internet网络与检测设备链接,其具备的功能包括设备MVB网络地址设置、设置发送主帧数据、设置发送从帧数据、MVB网络数据读取及分析、MVB网络波形数据读取及分析、设备状态和锂电池电量实时显示。所述处理器控制模块,其功能包括与上位机分析软件实时通信、MVB网络通讯数据存储、MVB网络波形数据存储、锂电池电量监控和MVB数据传输控制。所述的MVB传输控制模块由MVB解码功能模块、MVB编码功能模块、MVB数据缓存、MVB数据发送和接收控制、MVB数据发送和接收状态监测功能模块组成,所述的MVB解码功能模块引用了专利(专利号:201810234274.5)的设计。所述的MVB波形采集控制模块由波形数字滤波模块、波形电平采集模块、波形电平宽度测量模块、数据缓存模块和采集数据传输控制模块组成。所述的电源及锂电池控制模块,为系统提供所需的5V和3.3V电源,由2节3.6V串联的锂电池为系统提供不间断电源,并对其充放电控制,具有防止过充和过放的保护线路,同时系统具有过流保护的功能。
所述的MVB网络通讯数据和波形数据,以FAT32文件形式实时存储到SD卡中。所述的微处理器以SPI的通讯方式,对SD卡进行读写操作。所述的MVB传输控制模块和MVB波形采集控制模块,其功能是利用通用FPGA芯片开发实现的。所述微处理器利用数据总线、地址总线和读写控制线,对FPGA芯片进行操作控制,从而实现MVB传输控制和MVB波形采集的功能。所述微处理器利用USB和Internet网络两种通讯方式,与所述的上位机控制软件通讯,实现对MVB网络的在线实时检测和数据分析,同时也可以实现离线情况对所存储的数据读取和分析。
本发明具有以下技术优点:
1、软硬结合、可靠性高。系统充分融合了嵌入式处理器、FPGA技术、上位机分析软件、USB通讯和Internet网络通信的技术优势,实现了从软件到硬件,从底层驱动到上层应用的全方位设计;与MVB总线接口设计,完全遵循TCN标准规定;系统整体采用冗余结构设计,具备设备状态实时监测和对设备保护的功能;采集的通信数据和波形数据实时存储到SD卡中,并由上位机软件进行分析,数据不可修改,利用USB和Internet的高可靠性通信方式,保证了数据的可靠性。
2、操作方便、实时性好。上位机控制软件操作界面简单、易懂,数据分析全面,便于查看;系统利用锂电池提供不间断电源,并配有大容量的SD卡便于数据存储,设备可随车安装,可在线操作也可离线分析。
附图说明
图1多功能列车总线检测设备系统框图;
图2 MVB编码模块功能实现状态示意图;
图3 MVB传输控制功能结构示意图;
图4 MVB波形采集控制功能结构示意图;
图5系统功能实现方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和方法更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
图1是多功能列车总线检测设备系统框图,包括:
微处理器选用Microchip公司PIC24F系列16位处理器,利用其SPI接口操作SD存储卡、控制Internet驱动芯片和驱动控制USB2.0接口;利用其PMP(并行总线控制模块)驱动控制FPGA芯片;利用AD接口实时采集锂电池电量;启动其内部定时器,实现对程序和传输间隔时间的控制。其实现的功能包括与上位机分析软件,通过USB或Internet接口实时通信;控制FPGA芯片的功能实现,与FPGA芯片数据交互,进而实现MVB网络地址设置、发送主帧数据、发送从帧数据、MVB网络数据读取和MVB网络波形数据读取的功能。
系统框图中MVB传输控制和波形采集控制,是利用FPGA芯片实现,芯片选用Altera公司EP1C系列FPGA芯片。利用FPGA芯片实现的功能包括:MVB解码、MVB编码、接收和发送数据FIFO存储、MVB总线波形数字滤波、波形采集、工作状态反馈和逻辑功能控制。
系统所需电源为:10W,直流电压9---12V。2节3.6V串联的锂电池为系统提供不间断电源,系统具有锂电池充电控制电路、充放电保护和系统过载保护功能。
图2是MVB编码模块功能实现状态示意图,该模块在FPGA内利用状态机方式实现,模块工作时钟频率为24Mhz。考虑到MVB通信编码的特点,将每一位数据分为两个位元,每个位元为8个工作时钟周期,即:数据“1”,按序分为逻辑1和0;数据“0”,按序分为逻辑0和1。将初始状态定义为SET:该状态下,将模块各变量和输出设置为初始值,时钟的上升沿采集Star(传输开始)信号,Star为“0”仍处于SET状态,Star为“1”转入下一状态Star_bit;Star_bit状态:控制输出8个工作时钟周期的“0”电平,在第8个时钟上升沿采集MorS(主/从帧标志)信号,MorS为“1”转入Master状态,MorS为“0”转入Slave状态;Master状态:控制输出主帧帧头序列,序列顺序“1、1、0、0、0、1、1、1、0、0、0、1、0、1、0、1”,每一位逻辑位元为8个工作时钟周期,16个位元序列传输结束后转入Data_tr状态;Slave状态:控制输出从帧帧头序列,序列顺序“1、0、1、0、1、0、0、0、1、1、1、0、0、0、1、1”,每一位逻辑位元为8个工作时钟周期,16个位元序列传输结束后转入Data_tr状态;Data_tr状态:将发送缓冲区FIFO内数据,以字节为单位,每一个字节转为16位位元,高字节先发,逐位位元移位输出,直到FIFO内数据为空转入End_tr状态;End_tr状态:控制输出16个工作时钟周期的“0”电平,做为帧结束标志位,传输结束后转入初始状态SET。
图3是MVB传输控制功能结构示意图,微处理器通过地址总线、数据总线和读写控制线,控制FPGA芯片实现对MVB通信的传输。在FPGA芯片内,该部分功能实现主要包括发送数据FIFO、接收数据FIFO、指令译码、状态寄存器、控制寄存器、MVB编码和解码。其中,发送数据FIFO、接收数据FIFO、状态寄存器和控制寄存器与微处理器数据总线连接,地址总线连接指令译码,根据不同的指令地址选通相应的功能模块。状态寄存器存放的状态包括发送数据FIFO空、接收数据FIFO空、MVB编码忙、MVB解码忙和接收帧数据主从帧标志。控制寄存器实现的功能包括复位、清零发送数据FIFO、清零接收数据FIFO、发送开始和发送主从帧控制。
图4是MVB波形采集控制功能结构示意图,微处理器通过地址总线、数据总线和读写控制线,控制FPGA芯片实现对MVB波形的采集。在FPGA芯片内,该部分功能实现主要包括波形数据FIFO、控制寄存器、状态寄存器、指令译码、波形数字滤波、电平采集、电平宽度采集和分频器。系统工作时钟频率是24Mhz,数字滤波器利用系统工作时钟对MVB波形滤波和整形,采集时钟频率分为10Mhz和20Mhz,不同的工作频率由分频器实现。波形采集功能触发后,电平采集功能模块在采集时钟的上升沿对波形电平进行采集,并将波形电平“0”或“1”记录在波形数据的最高位;同时,电平宽度采集模块出发计数器,计数电平宽度的时钟周期,将周期数存储在波形数据的低7位;存储在FIFO内的波形数据以字节为单位,字节的最高位(第8位)表示波形的逻辑电平,字节的低7位(第1到7位)表示电平宽度的周期数。波形数据FIFO、状态寄存器和控制寄存器与微处理器数据总线连接,地址总线连接指令译码,根据不同的指令地址选通相应的功能模块,状态寄存器存放的状态包括FIFO半满和采集工作忙,控制寄存器实现的功能包括复位、清零数据FIFO、采集开始和采集频率选择位。
图5是系统功能实现方法流程图,主程序以中断方式接收上位机控制指令,当上位机向系统发送控制指令数据时,触发微处理器中断,在中断处理程序中,处理器对所接收到的数据包进行解析,根据解析的指令调用相应的进程。上位机软件与系统之间的通信数据格式为:数据头+控制字+数据长度+数据+校验。具体方法及实施步骤如下:
1)默认进程为存储MVB网络数据,其实施步骤:
步骤一:循环读取MVB接收FIFO状态,直到其非空,代表接收到有效的MVB网络数据;
步骤二:读取MVB传输控制模块的状态寄存器,判断数据为主/从帧数据,并将标有主/从帧标志、帧序列和帧数据存入到相应的缓存内;
步骤三:计算缓存区内数据长度,转入步骤一循环执行以上过程。
2)发送主帧数据进程,实施步骤:
步骤一:接收上位机所要发送的主帧数据,根据主帧数据格式和通信数据校验位,判断主帧数据是否有效;
步骤二:根据所要发送的主帧数据,计算MVB数据校验位数据;
步骤三:将主帧数据和MVB校验位数据,写入到MVB发送FIFO内;
步骤四:读取MVB传输控制模块的状态寄存器,判断发送模块是否空闲,忙等待,直到其空闲;
步骤五:设置MVB传输控制模块的控制寄存器,触发主帧数据发送;
步骤六:循环到步骤四执行,直到接收到上位机发送的停止发送主帧指令;
步骤七:停止该进程,转入主程序。
3)发送从帧数据进程,实施步骤:
步骤一:接收上位机所要发送的从帧数据,根据从帧数据格式和通信数据校验位,判断从帧数据是否有效;
步骤二:根据所要发送的从帧数据,计算MVB数据校验位数据。同时,根据上位机所发数据设置设备MVB网络地址;
步骤三:将从帧数据和MVB校验位数据,写入到MVB发送FIFO内;
步骤四:读取MVB网络主帧数据;
步骤五:将所读取的MVB网络主帧数据中地址,与设备地址比较,不相同则转入步骤四,直至相等;
步骤六:读取MVB传输控制模块的状态寄存器,判断发送模块是否空闲,忙等待,直到其空闲;
步骤七:设置MVB传输控制模块的控制寄存器,触发从帧数据发送;
步骤八:循环到步骤六执行,直到接收到上位机发送的停止发送从帧指令;
步骤九:停止该进程,转入主程序。
4)读取MVB网络波形数据进程,实施步骤:
步骤一:读取MVB波形采集控制状态寄存器,判断波形数据缓存区是否为空;若为空,发送数据空响应,并返回主程序;
步骤二:计算读取数据长度,同时计算数据的校验值;
步骤三:数据打包,发送给上位机软件,返回到步骤一执行。
读取所存储的MVB网络数据,与方法(4)读取MVB网络波形数据步骤一样,只是控制指令不同。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种多功能列车总线检测设备及方法,其结构特征在于,包括:
上位机分析控制软件、处理器控制模块、电源及锂电池控制模块、MVB传输控制模块和MVB波形采集控制模块。
所述上位机分析控制软件,通过USB或Internet网络与检测设备链接,其具备的功能包括设备MVB网络地址设置、设置发送主帧数据、设置发送从帧数据、MVB网络数据读取及分析、MVB网络波形数据读取及分析、设备状态和锂电池电量实时显示;
所述处理器控制模块,其功能包括与上位机分析软件实时通信、MVB网络通讯数据存储、MVB网络波形数据存储、锂电池电量监控和MVB数据传输控制;
所述的MVB传输控制模块由MVB解码功能模块、MVB编码功能模块、MVB数据缓存、MVB数据发送和接收控制、MVB数据发送和接收状态监测功能模块组成;
所述的MVB波形采集控制模块由波形数字滤波模块、波形电平采集模块、波形电平宽度测量模块、数据缓存模块和采集数据传输控制模块组成;
所述的电源及锂电池控制模块,为系统提供所需的5V和3.3V电源,也可为系统提供不间断电源,具有防止过充和过放的保护线路,同时系统具有过流保护的功能。
2.根据权利要求1所述的一种多功能列车总线检测设备及方法,其特征在于,所述的MVB传输控制模块包括发送数据FIFO、接收数据FIFO、指令译码、状态寄存器、控制寄存器、MVB编码和解码。
3.根据权利要求1所述的一种多功能列车总线检测设备及方法,其特征在于,所述的MVB波形采集控制模块包括波形数据FIFO、控制寄存器、状态寄存器、指令译码、波形数字滤波、电平采集、电平宽度采集和分频器。
4.根据权利要求1所述的一种多功能列车总线检测设备及方法,其特征在于,包括:存储MVB网络数据方法、设置发送主帧数据方法、设置发送从帧数据方法、读取MVB网络波形数据方法和读取存储的MVB网络数据方法。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20191018 |