基于SOPC的多功能車輛息線控制器設計

　　摘要 簡要介紹傳統(tǒng)的MVB通信控制器芯片MVBC的結構及功能;通過深入研究MVB底層通信協(xié)議，設計出符合IEC-61375標準用于網(wǎng)絡連接的MVB總線訪問IP(Intellectual Property)核;基于SOPC的設計思想。利用SOPC Builder在一片F(xiàn)PGA上集成了32位NiosII軟核處理器和MVB總線訪問IP核，以及一些必需的外圍組件，并給出MVB控制器的設計實現(xiàn)方案。

　　關鍵詞 多功能車輛總線(MVB) MVBC SOPC 總線訪問IP核

　　引 言

　　基于分布式控制的MVB(多功能車輛總線)是IEC61375-l(1999)TCN(列車通信網(wǎng)絡國際標準)的推薦方案，它與WTB(絞線式列車總線)構成的列車通信總線具有實時性強、可靠性高的特點。列車車輛的現(xiàn)代化發(fā)展趨勢與可靠性、安全性、通信實時性的要求，使MVB逐漸成為下一代車輛的通信總線標準。MVB作為快速的過程控制優(yōu)化的總線，能提供最佳的響應速度.是主要用于有互操作性和互換性要求的互聯(lián)設備之間的串行數(shù)據(jù)通信總線，適合用作車輛總線，對于固定編組的列車，MVB也可以用作列車總線，如圖1所示。

　　隨著系統(tǒng)集成技術的不斷成熟，出現(xiàn)了一種新興的產(chǎn)業(yè)，即IP(Intellcctual Property，知識產(chǎn)權)產(chǎn)品及模塊化設計。在集成電路設計中，IP特指可以通過知識產(chǎn)權貿易，在各設計公司間流通的實現(xiàn)特定功能的電路模塊。IP核的奉質特征是可鶯用性，通常滿足良好的通用性、可移植性及絕對正確3個基本特征，是未來SOPC(System OnProgrammable Chit))設計的核心。要使SOPC設計成功，就要更多地采用知識產(chǎn)權(IP)復用，以快速地完成設計，得到價格低廉的硅器件，從而滿足市場需求。

　　筆者對國外傳統(tǒng)MVB通信控制器芯片MVBC以及MVB底層通信協(xié)議進行了深入的研究，在此基礎上設計了自主知識產(chǎn)權的MVB總線訪問IP核，并利用SOPC技術設計了MVB控制器。

　　1 MVBC介紹

　　MVBC(多功能車輛總線控制器)是MVB總線上的新一代核心處理器。它獨立于物理層和功能設備，為總線上的各個設備提供通信接口和通信服務。MVBC與上一代MVB通信控制器BAP15-2/3相比，在性能上有了很大的提高，是目前MVH總線上最先進的通信控制器。MVBC內部結構如圖2所示。

　　MVBC用于將來自MVB總線的串行位信號轉換為并行的數(shù)據(jù)字節(jié)，把需發(fā)送的字節(jié)交由串行化電路發(fā)送到傳輸介質上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層以及部分傳輸層的數(shù)據(jù)處理，并通過通信存儲器與上層軟件交互?？偩€控制器內部包含編解碼電路和控制通信存儲器所需的邏輯電路，用來控制幀的發(fā)送和接收(如沖突檢測、幀的前導比特處理和CRC校驗位的處理等)。

　　2 MVB總線訪問IP核的實現(xiàn)

　　總線訪問IP核用于代替現(xiàn)有MVB網(wǎng)卡的MVBC芯片實現(xiàn)應用的功能，由此IP核結合物理層的總線收發(fā)器完成總線訪問?？偩€訪問IP核可分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和與應用層的接口3部分。

　　①物理層：實現(xiàn)基帶曼徹斯特Biphase-L編解碼，介質冗余處理，介質安裝單元接口，以及用于輸入解碼的數(shù)字鎖相環(huán)的設計。

　　②數(shù)據(jù)鏈路層：包括尋址方式，F(xiàn)-code(功能代碼)的生成，主從設備幀內容的填充以及介質訪問控制(MAC)等。

　　③與應用層的接口：通常采用共享存儲器的方法，需要完成端口的定義與維護、通信存儲器的控制等，其邏輯框圖如圖3所示。

　　2.1 MVB幀結構

　　在MVB中有兩種幀格式：一種是只能由總線主設備發(fā)送的主設備幀，簡稱“主幀”;另一種是為響應主幀而由從設備發(fā)送的從設備幀，簡稱“從幀”。一個幀以9位定界符開始，主設備幀分界符和從設備幀分界符對于防止同步失敗是不相同的。圖4為MVB主從幀結構圖。

　　2.2 MVB幀發(fā)送器

　　MVB總線數(shù)據(jù)以幀為基本單位，數(shù)據(jù)幀采用了曼徹斯特碼傳輸。編碼器和解碼器不只是進行曼徹斯特編解碼，幀頭幀尾的特殊編解碼也需要在這里進行，采用傳統(tǒng)的曼徹斯特編解碼器將無法完成此項工作。在本設計中，采用結合收發(fā)器的狀態(tài)機具體狀態(tài)進行編解碼設訃的方法解決這一問題。MVB幀發(fā)送器通過控制邏輯模塊，調用曼徹斯特編碼與CRC校驗模塊，通信存儲單元模塊完成緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

　　下面說明發(fā)送器的狀態(tài)機FSM(Finite State Machine)的設計。發(fā)送器的一項主要功能是實現(xiàn)并串轉換和組幀。MVB總線數(shù)據(jù)在收到發(fā)送置位信號后開始進行數(shù)據(jù)發(fā)送;當數(shù)據(jù)存入通信存儲單元后，等待控制邏輯模塊的置位信號;然后進入幀的發(fā)送狀態(tài)，通過時鐘信號的觸發(fā)完成各個狀態(tài)之問的轉移，實現(xiàn)一組有效的幀數(shù)據(jù)發(fā)送。發(fā)送器的狀態(tài)機FSM如圖5所示。

　　2.3 MVB幀接收器

　　接收器實現(xiàn)的關鍵是有效數(shù)據(jù)幀的識別，實現(xiàn)思路類似于發(fā)送器，根據(jù)編碼校驗可以實現(xiàn)。另一個問題是與總線的接口方式，本設計采用了8位并行數(shù)據(jù)寬度輸出，加序號標識的方法可以接收任意給定長度的有效數(shù)據(jù)。接收器的狀態(tài)機如圖6所示。

　　2.4 Avalon總線接口

　　采用Altera公司開發(fā)的Avalon交互式片上系統(tǒng)總線作為本總線訪問IP核的內聯(lián)總線，連接IP核內各個模塊。如圖7所示，總線訪問IP核結構包括：編碼器模塊、解碼器模塊、宿端口刷新時間監(jiān)控模塊、一類設備邏輯控制模塊。總線訪問IP核內共有4個Avalon從端口，其中NiosII主控制器上設置了一個Avalon總線主端口，其他各個模塊上面均設置了Avalon總線從端口，由主控制器控制總線上的數(shù)據(jù)流傳輸實現(xiàn)各個模塊的協(xié)同工作，其邏輯框圖如圖7所示。

　　3 SOPC片上系統(tǒng)MVB控制器設計

　　3.1 總線訪問IP核與NiosII的系統(tǒng)集成

　　利用QuartersII的SOPC Builder工具，集成了1個32位NiosII軟核處理器、4 KB的片內RAM、MVB總線訪問IP核(包括編碼器和解碼器)以及LCD控制模塊，在Altera的CycloneII FPGA上構成了一個能實現(xiàn)MVB一類網(wǎng)絡節(jié)點功能的片上系統(tǒng)，如圖8所示。圖9為SOPCBuilder中各個功能模塊的凋用情況。

　　3.2 NiosII處理器上的軟件設計

　　基于上述SOPC系統(tǒng)，設計了一個基本的MVB節(jié)點，以實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)傳輸。該節(jié)點將Oxl4地址設置為源端口。當主幀輪詢0x14地址時，本節(jié)點將此端口里的數(shù)據(jù)打包成從幀發(fā)送到總線上面，以刷新0x14地址的宿端口。

　　MVB模塊頭文件altera_avalon_mvb.h的設計，包括總線訪問IP核寄存器讀寫的宏定義。

　　在主函數(shù)里置MVB總線接收允許位，循環(huán)等待接收MVB主控制器發(fā)過來的主幀。節(jié)點在接收到主幀之后，程序進入中斷處理程序。在巾斷程序里提取接收到的主幀里的端口地址，并與自身預設的端幾地址碼進行比較。如果地址碼相符，則節(jié)點將本端口的數(shù)據(jù)通過MVB發(fā)送器發(fā)到總線上，實現(xiàn)端口數(shù)據(jù)刷新操作。

　　主循環(huán)代碼節(jié)選：

　　4 仿真與實測波形

　　4.1 仿真波形

　　在本實驗中，對實驗室設計的MVB板卡進行了功能仿真和FPGA驗證.通過對過程數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收驗證了所搭建的MVB系統(tǒng)。對MVB總線控制器發(fā)送過程的主從幀仿真結果如圖10所示。發(fā)送的主從幀數(shù)據(jù)都為0x0055，包含1個幀頭及8位CRC校驗數(shù)據(jù)。

　　4.2 實測波形

　　編好程序后，再編譯一遍QuartersII工程文件，將得到的.pof文什下載至FPGA內。上電后用示波器測輸出引腳，便可觀察到MVB從幀波形，實測波形如圖11所示。對照IEC-61375協(xié)議標準，可以判斷出該渡形為符合標準的正確波形，并且源端口節(jié)點上收到了正確的數(shù)據(jù)，從而證明該過程數(shù)據(jù)端口成功刷新。

　　結語

　　由于MVB的適用范圍、供貨商、經(jīng)濟性均不如其他幾種通用現(xiàn)場總線，尤其是所有與MVB連接的設備都需要通過MVB網(wǎng)絡接口單元訪問MVB，而國外公司對該網(wǎng)卡的核心芯片——MVB通信控制器芯片MVBC的壟斷，給國內機車推廣使用該標準和開發(fā)基于此標準的其他應用帶來了極大的困難。同時，由于當時制造工藝和設計技術的限制導致MVB網(wǎng)卡實現(xiàn)方法過于復雜，造價偏高。因此，設計自主知識產(chǎn)權的MVB總線訪問IP核，很有現(xiàn)實意義。目前，MVB控制器實現(xiàn)了實驗室環(huán)境中過程變量的正確接收和發(fā)送。本總線訪問IP核實現(xiàn)的功能與MVBC相當，但是由于采用了先進的SOPC設計技術，其體系結構大大簡化，設計難度也大大降低，在通用性方面有了很大的提高。