多功能車(chē)輛總線(xiàn)控制器芯片(MVBC)的幀收發(fā)器設計
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關(guān)鍵詞：MVB；WTB；MVBC；CRC；曼徹斯特碼
1 前言
隨著(zhù)嵌入式微機控制技術(shù)和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，現代列車(chē)的過(guò)程控制已從集中型的直接數字控制系統發(fā)展成為基于網(wǎng)絡(luò )的分布式控制系統?；诜植际娇刂频腗VB（多功能車(chē)輛總線(xiàn)）是IEC61375-1(1999)TCN（列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )國際標準）的推薦方案，它與WTB(絞線(xiàn)式列車(chē)總線(xiàn))構成的列車(chē)通訊總線(xiàn)具有實(shí)時(shí)性強、可靠性高的特點(diǎn)。列車(chē)車(chē)輛的現代化的發(fā)展趨勢與可靠性、安全性、通訊實(shí)時(shí)性的要求使MVB逐漸成為下一代車(chē)輛的通訊總線(xiàn)標準。
MVB 是主要用于有互操作性和互換性要求的互聯(lián)設備之間的串行數據通訊總線(xiàn)，除用于車(chē)輛通訊，也可用作其它現場(chǎng)總線(xiàn)。
MVB與MVBC密不可分，MVBC(多功能車(chē)輛總線(xiàn)控制器)是MVB總線(xiàn)上的新一代核心處理器，它獨立于物理層和功能設備，為在總線(xiàn)上的各個(gè)設備提供通訊接口和通訊服務(wù)。MVBC與上一代MVB通信控制器BAP15-2/3在性能上有了很大的提高，是目前MVB總線(xiàn)上最先進(jìn)的通信控制器。
MVB總線(xiàn)通過(guò)總線(xiàn)適配器與MVBC相連，根據IEC-61375，MVB總線(xiàn)上采用曼徹斯特碼，并每64位幀數據后加以8位CRC校驗碼。MVB的幀分為主幀和從幀，分別由幀頭、數據、校驗碼以及幀尾構成，不同幀的類(lèi)型通過(guò)幀頭來(lái)判別。
MVB與MVBC之間數據通信在MVBC中由幀收發(fā)器來(lái)完成，包括幀的發(fā)送接收控制、曼徹斯特編解碼以及CRC校驗碼的產(chǎn)生與數據校驗。幀收發(fā)器在MVBC中起著(zhù)數據鏈路層的底層數據處理的作用，是MVBC芯片的設計難點(diǎn)之一，該模塊的設計實(shí)現對于整個(gè)MVBC的開(kāi)發(fā)有著(zhù)重要的作用。
本文主要介紹位于MVBC總線(xiàn)物理層接口的幀收發(fā)器模塊的算法和實(shí)現方法。
2 MVBC簡(jiǎn)介
MVBC可通過(guò)配置應用在IEC.TCN標準的Class1,2,3，4設備當中?？偩€(xiàn)連接可編程車(chē)載電子設備，也連接一些簡(jiǎn)單的傳感器及執行機構，最多可尋址4096個(gè)設備。
MVBC把來(lái)自于MVB總線(xiàn)的串行化信號轉換為并行的數據字節，也把需發(fā)送的字節交由串行化電路發(fā)送到傳輸介質(zhì)上。MVBC可根據配置實(shí)現總線(xiàn)主與總線(xiàn)從的功能，實(shí)現數據鏈路層以及一部分傳輸層的數據處理，并通過(guò)通訊存儲器來(lái)與上層軟件交互?？偩€(xiàn)控制器內部包含編碼/譯碼電路和控制通信存儲器所需的邏輯電路，用來(lái)控制幀的發(fā)送和接收（如沖突檢測、幀的前導比特處理、CRC校驗位的處理等）；對輸入幀譯碼并檢驗其有效性；把數據存放到相應的通信存儲器中。
圖2-1：MVBC結構框圖
3 幀收發(fā)器的設計
MVBC中的幀收發(fā)器主要負責幀的發(fā)送、接收，包括曼徹斯特碼的編碼、解碼，CRC（循環(huán)冗余檢測碼）的產(chǎn)生與校驗，不同類(lèi)型幀的構建與識別，以及碼錯的識別和沖突的檢測等。其中曼徹斯特編解碼以及CRC校驗為主要的算法。
3．1 曼徹斯特編碼、解碼器的設計
MVB總線(xiàn)上的串行數據采用曼徹斯特碼，曼徹斯特編碼中的每個(gè)數據位應用以下規范編碼：
a）一個(gè)“1”的編碼在位元的前半部分位“高”，后半部分為“低”；
b）一個(gè)“0”的編碼在位元的前半部分位“低”，后半部分為“高”；
如圖2-4所示：
圖2-4：曼徹斯特編碼規范示意圖
如果曼徹斯特碼中出現整個(gè)位元的高電平（NH）或整個(gè)位元的低電平(NL)，則被認為非數據符，用于特殊場(chǎng)合，如：幀頭，幀尾標識。
（1）曼徹斯特編碼器
根據曼徹斯特碼的編碼要求，曼徹斯特編碼器其電路實(shí)現如圖2-5所示：
串行數據在1.5M時(shí)鐘的上升沿處從上一級的移位寄存器輸出，在高、低電平時(shí)與1.5M時(shí)鐘相異或，結果得到與上面編碼規則相符的曼徹斯特碼。
（2）曼徹斯特譯碼器
曼徹斯特譯碼過(guò)程主要是將串行曼徹斯特碼轉變成串行的電平信號，并把串行電平信號組合成并行信號輸出，以便進(jìn)一步處理。如果輸入的碼字不符合曼徹斯特碼編碼規則（由沖突或其它原因引起），譯碼器將報告錯誤信息。
曼徹斯特譯碼器設計電路如圖3-3：
曼徹斯特碼輸入后經(jīng)過(guò)三級寄存器同步，消除亞穩態(tài)。如果總線(xiàn)在空閑狀態(tài)之后出現下降沿，則被認為幀的開(kāi)始位，總線(xiàn)上再出現高電平時(shí)使能16位計數器計數。如果把曼徹斯特碼每個(gè)bit周期分為16個(gè)部分，如圖3-4：
則在數據采樣1處得到的采樣值即為曼徹斯特編碼前的原數據，數據采樣2是用來(lái)幀頭幀尾檢測；總線(xiàn)沖突檢測的原則為：總線(xiàn)上曼徹斯特碼的半個(gè)bit周期之內的電平應一致，前后半個(gè)周期電平應相異，否則被認為碼錯。
3．2 CRC校驗
CRC的全稱(chēng)為Cyclic Redundancy Check，中文名稱(chēng)為循環(huán)冗余校驗。它是一類(lèi)重要的線(xiàn)性分組碼，編碼和解碼方法簡(jiǎn)單，檢錯和糾錯能力強，在通信領(lǐng)域廣泛地用于實(shí)現差錯控制。在各種通信系統中，CRC有bit型算法、字節型算法以及基于查找表的算法。前者適合串行數據通信的校驗，后兩者常用于高速并行通訊領(lǐng)域。
MVBC可以獨立的完成CRC校驗碼的產(chǎn)生與數據的校驗而無(wú)需軟件參與。其中：
G(x) = x7+x6+x5+x2+1
電路實(shí)現方法上我們選擇bit型算法，CRC發(fā)生電路采用LFSR，主體由一組移位寄存器和模2加法器(異或單元)組成即在數據串行發(fā)出的同時(shí)，數據經(jīng)過(guò)帶有異或單元的移位寄存器產(chǎn)生CRC校驗碼，實(shí)際電路圖如圖3-5：
串行數據的CRC校驗電路也與CRC發(fā)生電路一樣，不同的是前者CRC電路在移位寄存器之前，而后者在后。
3．3 總線(xiàn)接口模塊的設計實(shí)現
總線(xiàn)接口模塊包括上述的Encoder、Decoder。
3．3．1 Encoder
Encoder模塊主要有以下功能：
（1）構建幀頭幀尾；
（2）按照傳輸層指示進(jìn)行CRC校驗；
（3）對數據進(jìn)行曼徹斯特編碼；
（4）實(shí)現主、從幀的發(fā)送；
在Class 1 mode以及其它Class mode下，Encoder分別由Class1模塊和MCU控制。
如果當前配置允許發(fā)送，且控制模塊告訴Encoder有幀要發(fā)送，以及幀類(lèi)型、幀長(cháng)度，則Encoder先將配置好的幀頭發(fā)送，然后將幀數據、產(chǎn)生的CRC校驗碼移位后經(jīng)曼徹斯特編碼輸出，最后發(fā)送幀尾，這樣完成主、從幀的發(fā)送。電路實(shí)現如圖3-6所示：
圖3-6：Encoder模塊結構圖
3．3．2 Decoder
MVB總線(xiàn)采用冗余介質(zhì)，因此MVBC需要冗余的接收模塊來(lái)完成幀的接收。
（1）兩個(gè)Decoder根據選擇各自完成信號檢測（信任線(xiàn)）或冗余檢測（冗余線(xiàn)）功能，完成各自幀數據的起始位判定、數據采樣、數據解碼和數據移位功能；
（2）Decoder從信任線(xiàn)上接收數據，并監視冗余線(xiàn)；
（3）判斷幀類(lèi)型，從幀中提取數據和校驗序列（非CRC校驗，可選）并存入RXBuffer中；
（4）實(shí)現CRC校驗，并報告接收狀態(tài)。
4 總線(xiàn)接口模塊的驗證
驗證的思想是通過(guò)不同的控制信號，來(lái)模擬不同的工作環(huán)境下，幀的收發(fā)正確性：曼徹斯特編碼、幀頭、幀尾以及幀數據、幀類(lèi)型、CRC碼的正確性。驗證實(shí)現結構如圖4-1所示：
控制模塊將一幀數據寫(xiě)入Txbuffer，并控制Encoder開(kāi)始發(fā)送，此時(shí)Encoder發(fā)送的幀被Decoder接收；控制模塊同時(shí)監控Encoder、Decoder的狀態(tài)，當接收完成后，控制模塊將解收到的數據從Rxbuffer讀出，從Decoder的接收狀態(tài)來(lái)驗證幀的屬性：幀是否有效、幀類(lèi)型、幀長(cháng)度，并從讀出的數據來(lái)驗證數據的正確性。
5 結束語(yǔ)
MVB總線(xiàn)伴隨著(zhù)下一代列車(chē)通信系統的廣泛應用將被普遍采用，同時(shí)MVBC也將具有巨大的市場(chǎng)前景。本文主要介紹MVBC與MVB總線(xiàn)接口部分的幀收發(fā)器模塊的算法分析、設計實(shí)現及驗證方案。通過(guò)作者近期對該模塊進(jìn)行的FPGA驗證，充分論證了該設計工作和驗證方案的可行性。
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