李红[1]2006年在《MVB1类设备控制器的FPGA设计》文中研究指明基于分布式控制系统的列车通信网络(TCN)包括连接列车内不同车辆的铰链式列车总线(WTB)和连接车辆内固定设备的多功能车辆总线(MVB)。在MVB产品中，实现数据链路层协议的核心芯片MVB设备控制器是MVB技术的关键，其功能是实现MVB与其物理设备之间的通信。目前MVB控制器的技术被国外的几个公司垄断，致使在国内购买该芯片价格昂贵，并且我国对引进技术的理解消化和二次开发都做的不够，这些因素严重阻碍了MVB在国内机车上的推广使用，同时也不利于研制具有自主知识产权的列车通信网络产品和日后制定中国自己的列车通信网络标准。 正是基于这些原因，本文对TCN中的MVB技术进行了仔细研究，并在深入了解MVB的通信机制的基础上，提出了采用FPGA替代MVB控制器专用芯片的解决方法。根据TCN协议，连接在MVB上的设备可以分为5类，其中1类设备可以在不需要CPU的基础上实现自动通信，最为常用。本设计的目的就是采用FPGA替代MVB1类设备控制器。 本文采用自顶向下的模块化设计方法，根据MVB1类设备控制器要实现的功能，将设计划分为3个模块：发送模块、接收模块和MVB1类模式控制模块。其中发送模块又划分为位控制单元、CRC生成单元、FIFO单元和曼彻斯特编码单元等。接收模块又划分为帧起始检测单元、时钟恢复单元、帧分界符检测单元、数据译码单元、CRC校验单元、译码控制单元和长度错误检测单元等。MVB1类模式控制模块又划分为报文错误处理单元、主帧寄存器单元、TM控制单元和主控单元等。上述各模块的RTL级设计都是采用硬件描述语言Verilog实现的。 在完成RTL级设计的基础上，进一步构建了整个系统的功能仿真平台，在该平台上验证了设计的正确性。针对Xilinx公司的XC2S200芯片，利用ISE集成工具对本设计进行了综合及时序仿真，验证了其收／发帧及报文分析等功能，得到了符合IEC61375-1协议的帧波形。
张大波, 李红, 邱志坚[2]2007年在《MVB1类设备控制器的FPGA设计》文中指出以Xilinx公司的ISE为开发平台,采用Xilinx Spartan2e XC2S200-5PQ2081芯片,实现了MVB1类设备控制器的功能,并搭建了测试模型,在Modelsim中仿真了其收/发帧及报文分析等功能,得到了符合IEC61375协议的帧波形。
魏宜军[3]2007年在《列车通信网中多功能车辆总线一类设备的FPGA实现》文中提出多功能车辆总线一类设备是一个在列车通信网(TCN，TrainCommunication Network)中普遍使用的网络接口单元。目前我国的新式列车大多采用列车通信网传输列车中大量的控制和服务信息。但使用的列车通信网产品主要为国外进口，因此迫切需要研制具有自主知识产权的列车通信网产品。论文以一类设备控制器的设计为核心，采取自顶向下的模块设计方法。将设备控制器分为同步层和数据处理层来分别实现对帧的发送与接收处理和对帧数据的提取与存储处理。同步层包含帧的识别模块、曼彻斯特译码模块、曼彻斯特编码与帧封装叁个模块。帧识别模块检测帧的起始位并对帧类型进行判断。译码模块根据采集的样本值来判断曼彻斯特编码的值，采样的难点在于非理想信号带来的采样误差，论文使用结合位同步的多点采样法来提高采样质量。帧分界符中的非数据符不需要进行曼彻斯特编码，编码时在非数据符位关闭编码电路使非数据符保持原来的编码输出。数据处理层以主控单元(MCU，Main Control Unit)和通信存储器为设计核心。MCU是控制器的核心，对接收的主帧进行分析，判断是从通信存储器相应端口取出应答从帧并发送，还是准备接收从帧并存入通信存储器。通信存储器存储设备的通信数据，合适的地址分配能简化MCU的控制程序，论文固定了通信存储器端口大小使MCU可以根据一个固定的公式进行端口的遍历从而简化了MCU程序的复杂度。数据在传输中由于受到干扰和冲突等问题而出现错误，论文采用循环冗余检验码结合偶检验扩展来对传输数据进行差错控制。最后，使用FPGA和硬件描述语言Verilog HDL开发出了MVB一类设备。目前该一类设备已运用在SS4G电力机车的制动控制单元(BCU，Brake Control Unit)中并在铁道科学研究院通过了TCN通信测试。一类设备的成功研制为列车通信网中总线管理器等高类设备的开发奠定了坚实的基础。
幸柒荣[4]2009年在《基于FPGA的MVB2类设备控制器设计》文中认为列车高速化发展成为必然的趋势,这就对其可靠性、安全性、通讯实时性以及成本有了更高的要求。大力发展列车通信网络技术,开发出先进的列车通信网络设备具有广阔前景与重大意义。列车通讯网络(TCN)包括用于连接各节可动态编组的绞线式列车总线(WTB)和用于连接车辆内固定设备的多功能车辆总线(MVB)。其中MVB是目前最为先进的车辆内部设备控制总线,多功能车辆总线控制器(MVBC)是MVB总线上的核心处理器,独立于物理层和功能设备,为在总线上的各个设备提供通讯接口和通讯服务。MVBC是MVB总线上的核心技术,该技术被国外垄断,严重阻碍了MVB技术在国内机车上的推广使用。所以研究TCN协议与MVB技术,开发出自己的MVBC具有深远意义。本文首先对多功能车辆总线的基本原理进行了简要的概述,接着对其实时协议进行了分析,然后对MVB2类设备控制器的功能及其功能模块的划分设计进行了详细的分析;最后对各功能模块进行了编程实现,并给出了仿真验证波形。该设计采用典型的自顶而下的EDA设计方法,根据MVB2类设备控制器要实现的功能将设计划分为以下7大模块:发送模块、接收模块、报文分析模块、配置寄存器模块、通信存储器控制模块、仲裁器模块和主控单元。然后对各模块进行逐一设计。在Altera公司的集成开发环境QuartusⅡ软件上用VHDL硬件描述语言进行程序编译、仿真与综合。采用FPGA开放代替MVBC专用芯片对打断国外在MVBC核心技术上的垄断,推动我国列车通信网络技术发展,以及研发出具有自主知识产权的MVB产品具有非常重要的意义。
余雷[5]2009年在《TCN多功能车辆通信总线的FPGA设计》文中研究表明随着列车自动化控制和现场总线技术的发展,基于分布式控制系统的列车通信网络技术TCN(IEC-61375)在现代高速列车上得到广泛应用。TCN协议将列车通信网络分为绞线式列车总线WTB和多功能车辆总线MVB,其中WTB实现对开式列车中的互联车辆间的数据传输和通信,MVB实现车载设备的协同工作和互相交换信息。本文介绍了国内外列车通信网络的发展情况和各自优势,分析了MVB一类设备底层协议。研究利用FPGA实现MVB控制芯片MVBC,用ARM作为微处理器实现MVB一类设备的嵌入式解决方案。其中,在FPGA芯片中主要采用自顶向下的设计方法,RLT硬件描述语言实现MVB控制芯片MVBC一类设备的主要功能,包括帧编码器、帧解码器和逻辑接口单元。ARM主要完成了软件程序的编写和实时操作系统的移植。在eCos实时操作系统上,完成了驱动和上层应用程序,包括端口初始化、端口配置、帧收发指令和报文分析。为了验证设计的正确性,在设计的硬件平台基础上,搭建了MVB通信网络的最小系统,对网络进行系统功能测试。测试结果表明:设计方案正确,达到了设计的预期要求。
龚娟[6]2013年在《基于FPGA的MVB1类设备的研究与设计》文中指出分析了MVB协议的通信原理,比较了MVB 6类设备的功能,对开发列车通信网设备的主要方法进行对比后,提出了用FPGA实现一类节点控制器的思想,给出了MVB一类节点硬件实现框图。
周胜[7]2008年在《具有总线管理功能的MVB四类设备关键技术的研究与实现》文中研究表明列车通信网络TCN是我国应用最广的列车通信网络标准。TCN按功能分为WTB(绞线式列车总线)和MVB(多功能车辆总线)。具有总线管理功能的MVB四类设备是MVB的技术核心,进行MVB四类设备关键技术的研究对开发具有自主知识产权的MVB产品十分关键。本文在对MVB协议和MVB四类设备结构进行深入分析的基础上,探讨开发MVB四类设备中的关键技术即MVB四类设备总线控制器的研制和协议栈模块的任务调度问题。根据MVB四类设备总线控制器的功能将其划分为:存储器控制模块TMC、主控单元MCU、编解码单元,采用自顶向下开发模式,在FPGA里实现MVB四类设备总线控制器功能。MVB通信具有很强的实时性,周期相与偶发相任务各具特点,单一的任务调度算法不能满足要求。论文设计了双层选择任务调度算法,上层根据所处相选择任务调度算法,下层根据任务调度算法选择任务,解决了协议栈中任务模块实时调度的问题。对MVB协议栈结构划分,在Linux平台下运用C编程实现变量传输的功能与总线管理的功能,在链路层通过内存映象的方式实现系统访问共享内存的底层接口,在应用层针对不同应用实现单个变量访问、集合访问和群集访问的功能,采用定时器实现链路介质分配,通过先序遍历事件仲裁二叉树实现事件仲裁等。建立MVB设备测试平台。该平台由标准的MVB测试设备,MVB总线管理单元、MVB协议分析仪及被测设备组成,通过MVB协议分析仪对被测设备进行分析,测试表明四类设备的关键技术功能与标准设备兼容性良好,符合IEC61375标准。
赵麦丽[8]2011年在《基于FPGA的MVB总线管理器设计与研究》文中研究表明随着车载数据通信技术的发展,以绞线式列车总线(WTB)和多功能车辆总线(MVB)为主要组成的列车通信网络(TCN)专用标准,近年来已作为车载数据通信的国际标准,被广泛应用于互操作性和控制实时性要求较高的动车组以及地铁列车等轨道交通领域。在TCN网络中,具有总线管理功能的MVB四类设备网络接口在MVB网络中发挥着关键作用。然而,国外对列车通信网络核心技术的垄断导致MVB在国内的推广和应用遭到很大的阻力,研究和开发具有自主知识产权的MVB四类设备网络接口产品成为我国车载数据通信网络的迫切需要。本文在深入分析MVB协议和MVB四类设备网络接口的结构和功能的基础上,采用FPGA作为硬件载体、Verilog HDL语言和C语言作为开发语言,基于SOPC技术对MVB总线管理器进行了研究和开发。本文所设计的总线管理器分为硬件和软件两部分,系统硬件又被划分为叁个功能模块：主控模块、编码模块和解码模块。本文首先采用Verilog HDL硬件描述语言完成了编码模块、解码模块、编码接口模块以及解码接口模块的设计,用于实现MVB有效帧的生成、发送、接收、检测、译码、校验及存储等功能,并对编码和解码模块进行了仿真,得到了正确的仿真结果；然后使用SOPC Builder工具构建了一个包含NiosⅡCPU、定时器、FLASH、编码接口模块以及解码接口模块等组件的NiosⅡ处理器系统,将其作为主控模块与编解码模块在顶层原理图中进行连接,完成了系统硬件的设计；其次,以NiosⅡIDE作为软件开发平台,完成了总线管理器报文传输、介质分配、主权转移等功能软件的编写及调试。最后对整个系统的MVB过程数据报文传输进行了实际测试,测试结果表明所设计的MVB总线管理器能够正确完成符合MVB总线协议规定的过程数据报文传输过程。此外,本文还对总线碰撞问题进行了较为深入的研究,提出了较为有效的仲裁方案,为研究的进一步深入奠定了良好的基础。
杨昌休[9]2012年在《多功能车辆总线MVB关键技术的研究》文中研究说明随着我国高速铁路和城市轨道交通的快速发展,列车通信网络TCN (Train Communication Network)在列车上的应用越来越广泛。TCN按功能结构分为绞线式列车总线WTB (Wire Train Bus)和多功能车辆总线MVB (Multifunction Vehicle Bus)。然而,我国对TCN的基础理论研究和应用开发相对国外都较晚,TCN的核心技术仍被国外垄断。在TCN的核心技术中,MVB链路控制协议和MVB总线管理功能的管理器是TCN核心技术中的重要部分,故研究具有总线管理功能MVB的关键技术将对开发具有自主知识产权的MVB产品十分关键。本文在分析了列车通信网络国际标准IEC61375-1基础上,对MVB关键技术及其MVB实时协议的进行了深入的探讨,探索开发了基于FPGA (Field Programmable Gate Array)的MVB控制器以及基于uCOS-II实时多任务操作系统的MVB管理器,论文主要研究内容如下：1.MVB总线的分析与总体设计。通过对列车通信网络国家标准IEC61375-1的分析,以MVB总线管理器的功能为研究对象,对MVB总线的关键技术进行了深入的研究。接着对MVB总线总体设计方案进行了探讨,同时对完成MVB总线系统设计的指标进行了分析。2.MVB控制器的设计。通过对MVB总线控制器的功能需要分析以及设计要求的分析的基础上,采用了可编程门阵列FPGA实现了MVB总线控制器数据链路层的功能；同时基于PC104总线标准完成了MVB通信板卡的硬件电路设计。3.MVB管理器的设计。根据IEC61375-1标准对MVB总线管理器的总线管理功能和过程数据传输实时性的要求,采用嵌入式实时多任务操作系统uCOS-II,完成了MVB管理器的所具有过程数据性能、设备状态管理、消息数据性能和总线管理性能的设计。4.MVB总线的实现与一致性测试。在完成了MVB控制器和MVB管理器的基础上,搭建了MVB总线通信网络,并根据IEC61375-2标准采用网络一致性测试完成了对MVB总线的测试,主要包括对了MVB链路控制协议的测试和MVB管理器管理功能通信能力的行为测试。本文采用FPGA和嵌入式实时多任务操作系统uCOS-II完成了对MVB总线的设计,达到了系统设计时的指标要求。并采用一致性完成了对MVB总线的一致性测试,测试表明：MVB链路层控制协议以及MVB管理器的管理功能的数据通信良好,设备互相兼容,达到IEC61375-1标准MVB部分的要求。
宋娟[10]2012年在《列车通信系统信道复用技术的研究》文中研究表明随着轨道车辆的高速现代化发展和对控制网络可靠性、安全性及实时性要求的不断提高,多功能车辆总线MVB已成为当代车辆的通信总线标准,它与绞线式列车总线WTB构成TCN网络的两级总线。与此同时,车载信息网络(音频广播、视频监控等)的快速发展对列车通信系统提出更高的带宽要求。而考虑列车空间的局限性及成本的要求,如何在不增设新的通信线路又能够满足原有控制网络可靠性指标的前提下设计和开发效率更高的通信系统是本文追求的目标,因此提出一种“列车控制+乘客信息系统”合一车载网络(Train Control-Passenger Information System, TC-PIS)的设计理念,在已有的列车控制网络上,采用正交频分复用(OFDM)技术同时传输多媒体信息,实现列车通信系统信道复用,通过本课题的研究有助于解决目前列车控制网络和信息网络相融合所面临的技术难题。本论文完成的主要工作及获得的创新性成果如下：1.MVB基带传输系统的研究。分析和研究数字基带信号功率谱和误码率,在对典型基带信号功率谱建模仿真及对具有高数据传输率的以太网物理层编码的研究基础上,建立了MVB信号码元数学模型,推导出MVB帧头频谱函数,在对MVB报文进一步分析研究后,计算并仿真了MVB基带信号功率谱。采用增加带限滤波器的设计方法,在确保基带传输系统正常安全运行的同时,降低基带信号对高频载波信号的干扰,优化了MVB基带传输系统的带宽。2.MVB传输介质信道特性的研究。以MVB物理层专用屏蔽双绞线为研究对象,根据传输线理论,分析其等效电路,建立其数值模型。采用最小二乘法数值拟合的方法推导出MVB物理层介质的数值模型参数,建立RLCG数值模型,并对R、L、C和G的频率特性进行仿真分析,得出传输线的衰减特性、特征阻抗、可用带宽、信道容量等指标参数,同时分析了列车运行环境下的信道干扰情况。最后对MVB传输电缆进行大量测试实验,验证模型的正确性。3.TC-PIS仿真模型的建立。以MVB基带传输系统与信道特性为基础,建立了基于OFDM的TC-PIS系统模型,并针对该系统提出了一种基于自适应相关窗的G个连续符号的ML估计的优化同步算法。根据所设计的系统参数进行了OFDM系统各关键点的信号仿真分析,从接收信号星座图以及误码率曲线可以看出,在保持一定信噪比的情况下,系统能够正确地实现数据的调制与解调,实现数据的快速可靠传输。此外,在该系统模型的基础上对基带与载波同时传输时的抗干扰性能进行了研究和仿真分析,通过系统参数的优化设计,保证了基带与载波传输的互不干扰。4.搭建满足TC-PIS系统实验及测试需求的试验平台。建立列车控制网络TCN实验平台和列车多媒体信息系统,在此基础上,实现TC-PIS样机系统,包括叁个MVB网络设备和两个OFDM节点。采用FPGA实现OFDM收发机,并设计实现线路驱动放大及耦合电路,对整个系统进行前端EDA仿真验证之后,进行了板级调试,通过大量仿真和试验,对控制网络MVB和本文提出的TC-PIS系统的性能指标进行了测试与分析,验证本文研究的正确性和可行性。最后,在总结全文研究内容的基础上,给出了论文研究过程中得到的思考和结论,提出了一些需要进一步深入研究的问题。
参考文献：
[1]. MVB1类设备控制器的FPGA设计[D]. 李红. 大连理工大学. 2006
[2]. MVB1类设备控制器的FPGA设计[J]. 张大波, 李红, 邱志坚. 电子技术应用. 2007
[3]. 列车通信网中多功能车辆总线一类设备的FPGA实现[D]. 魏宜军. 中南大学. 2007
[4]. 基于FPGA的MVB2类设备控制器设计[D]. 幸柒荣. 华东交通大学. 2009
[5]. TCN多功能车辆通信总线的FPGA设计[D]. 余雷. 中南民族大学. 2009
[6]. 基于FPGA的MVB1类设备的研究与设计[J]. 龚娟. 电脑编程技巧与维护. 2013
[7]. 具有总线管理功能的MVB四类设备关键技术的研究与实现[D]. 周胜. 中南大学. 2008
[8]. 基于FPGA的MVB总线管理器设计与研究[D]. 赵麦丽. 西南交通大学. 2011
[9]. 多功能车辆总线MVB关键技术的研究[D]. 杨昌休. 西南交通大学. 2012
[10]. 列车通信系统信道复用技术的研究[D]. 宋娟. 北京交通大学. 2012
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