多功能車輛總線控制器芯片(MVBC)的幀收發(fā)器設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：MVB；WTB；MVBC；CRC；曼徹斯特碼
1 前言
隨著嵌入式微機(jī)控制技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代列車的過(guò)程控制已從集中型的直接數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)展成為基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)?；诜植际娇刂频腗VB（多功能車輛總線）是IEC61375-1(1999)TCN（列車通信網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）的推薦方案，它與WTB(絞線式列車總線)構(gòu)成的列車通訊總線具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。列車車輛的現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢(shì)與可靠性、安全性、通訊實(shí)時(shí)性的要求使MVB逐漸成為下一代車輛的通訊總線標(biāo)準(zhǔn)。
MVB 是主要用于有互操作性和互換性要求的互聯(lián)設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)通訊總線，除用于車輛通訊，也可用作其它現(xiàn)場(chǎng)總線。
MVB與MVBC密不可分，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(dú)立于物理層和功能設(shè)備，為在總線上的各個(gè)設(shè)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總線上最先進(jìn)的通信控制器。
MVB總線通過(guò)總線適配器與MVBC相連，根據(jù)IEC-61375，MVB總線上采用曼徹斯特碼，并每64位幀數(shù)據(jù)后加以8位CRC校驗(yàn)碼。MVB的幀分為主幀和從幀，分別由幀頭、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼以及幀尾構(gòu)成，不同幀的類型通過(guò)幀頭來(lái)判別。
MVB與MVBC之間數(shù)據(jù)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(yàn)碼的產(chǎn)生與數(shù)據(jù)校驗(yàn)。幀收發(fā)器在MVBC中起著數(shù)據(jù)鏈路層的底層數(shù)據(jù)處理的作用，是MVBC芯片的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一，該模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)MVBC的開(kāi)發(fā)有著重要的作用。
本文主要介紹位于MVBC總線物理層接口的幀收發(fā)器模塊的算法和實(shí)現(xiàn)方法。
2 MVBC簡(jiǎn)介
MVBC可通過(guò)配置應(yīng)用在IEC.TCN標(biāo)準(zhǔn)的Class1,2,3，4設(shè)備當(dāng)中?？偩€連接可編程車載電子設(shè)備，也連接一些簡(jiǎn)單的傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最多可尋址4096個(gè)設(shè)備。
MVBC把來(lái)自于MVB總線的串行化信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)字節(jié)，也把需發(fā)送的字節(jié)交由串行化電路發(fā)送到傳輸介質(zhì)上。MVBC可根據(jù)配置實(shí)現(xiàn)總線主與總線從的功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層以及一部分傳輸層的數(shù)據(jù)處理，并通過(guò)通訊存儲(chǔ)器來(lái)與上層軟件交互。總線控制器內(nèi)部包含編碼/譯碼電路和控制通信存儲(chǔ)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(cè)、幀的前導(dǎo)比特處理、CRC校驗(yàn)位的處理等）；對(duì)輸入幀譯碼并檢驗(yàn)其有效性；把數(shù)據(jù)存放到相應(yīng)的通信存儲(chǔ)器中。
圖2-1：MVBC結(jié)構(gòu)框圖
3 幀收發(fā)器的設(shè)計(jì)
MVBC中的幀收發(fā)器主要負(fù)責(zé)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(cè)碼）的產(chǎn)生與校驗(yàn)，不同類型幀的構(gòu)建與識(shí)別，以及碼錯(cuò)的識(shí)別和沖突的檢測(cè)等。其中曼徹斯特編解碼以及CRC校驗(yàn)為主要的算法。
3．1 曼徹斯特編碼、解碼器的設(shè)計(jì)
MVB總線上的串行數(shù)據(jù)采用曼徹斯特碼，曼徹斯特編碼中的每個(gè)數(shù)據(jù)位應(yīng)用以下規(guī)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：
如果曼徹斯特碼中出現(xiàn)整個(gè)位元的高電平（NH）或整個(gè)位元的低電平(NL)，則被認(rèn)為非數(shù)據(jù)符，用于特殊場(chǎng)合，如：幀頭，幀尾標(biāo)識(shí)。
（1）曼徹斯特編碼器
根據(jù)曼徹斯特碼的編碼要求，曼徹斯特編碼器其電路實(shí)現(xiàn)如圖2-5所示：
串行數(shù)據(jù)在1.5M時(shí)鐘的上升沿處從上一級(jí)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(jié)果得到與上面編碼規(guī)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(zhuǎn)變成串行的電平信號(hào)，并把串行電平信號(hào)組合成并行信號(hào)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(guī)則（由沖突或其它原因引起），譯碼器將報(bào)告錯(cuò)誤信息。
曼徹斯特譯碼器設(shè)計(jì)電路如圖3-3：
曼徹斯特碼輸入后經(jīng)過(guò)三級(jí)寄存器同步，消除亞穩(wěn)態(tài)。如果總線在空閑狀態(tài)之后出現(xiàn)下降沿，則被認(rèn)為幀的開(kāi)始位，總線上再出現(xiàn)高電平時(shí)使能16位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。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(shù)據(jù)采樣1處得到的采樣值即為曼徹斯特編碼前的原數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣2是用來(lái)幀頭幀尾檢測(cè)；總線沖突檢測(cè)的原則為：總線上曼徹斯特碼的半個(gè)bit周期之內(nèi)的電平應(yīng)一致，前后半個(gè)周期電平應(yīng)相異，否則被認(rèn)為碼錯(cuò)。
3．2 CRC校驗(yàn)
CRC的全稱為Cyclic Redundancy Check，中文名稱為循環(huán)冗余校驗(yàn)。它是一類重要的線性分組碼，編碼和解碼方法簡(jiǎn)單，檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力強(qiáng)，在通信領(lǐng)域廣泛地用于實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制。在各種通信系統(tǒng)中，CRC有bit型算法、字節(jié)型算法以及基于查找表的算法。前者適合串行數(shù)據(jù)通信的校驗(yàn)，后兩者常用于高速并行通訊領(lǐng)域。
MVBC可以獨(dú)立的完成CRC校驗(yàn)碼的產(chǎn)生與數(shù)據(jù)的校驗(yàn)而無(wú)需軟件參與。其中：
G(x) = x7+x6+x5+x2+1
電路實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)串行發(fā)出的同時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)帶有異或單元的移位寄存器產(chǎn)生CRC校驗(yàn)碼，實(shí)際電路圖如圖3-5：
串行數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)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 總線接口模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
總線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(gòu)建幀頭幀尾；
（2）按照傳輸層指示進(jìn)行CRC校驗(yàn)；
（3）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼；
（4）實(shí)現(xiàn)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(dāng)前配置允許發(fā)送，且控制模塊告訴Encoder有幀要發(fā)送，以及幀類型、幀長(zhǎng)度，則Encoder先將配置好的幀頭發(fā)送，然后將幀數(shù)據(jù)、產(chǎn)生的CRC校驗(yàn)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(xiàn)如圖3-6所示：
3．3．2 Decoder
MVB總線采用冗余介質(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(jù)選擇各自完成信號(hào)檢測(cè)（信任線）或冗余檢測(cè)（冗余線）功能，完成各自幀數(shù)據(jù)的起始位判定、數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)解碼和數(shù)據(jù)移位功能；
（2）Decoder從信任線上接收數(shù)據(jù)，并監(jiān)視冗余線；
（3）判斷幀類型，從幀中提取數(shù)據(jù)和校驗(yàn)序列（非CRC校驗(yàn)，可選）并存入RXBuffer中；
（4）實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)，并報(bào)告接收狀態(tài)。
初始化時(shí)ICA，ICB分別置為信任線和冗余線（LAA=1），如果信任線超時(shí)、寂靜，或用戶強(qiáng)制，則信任線與監(jiān)視線互相交換。接收幀的同時(shí)，ICA、ICB兩個(gè)線路上的Decoder將是否接到幀、何種幀類型、接收是否完成、結(jié)果對(duì)錯(cuò)等信息告訴線路控制模塊，該模塊將這些信息與哪一個(gè)BUFFER有效上報(bào)至上層模塊進(jìn)行報(bào)文分析。Decoder線路控制圖如圖3-8：
4 總線接口模塊的驗(yàn)證
驗(yàn)證的思想是通過(guò)不同的控制信號(hào)，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(shù)據(jù)、幀類型、CRC碼的正確性。驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4-1所示：
控制模塊將一幀數(shù)據(jù)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(jiān)控Encoder、Decoder的狀態(tài)，當(dāng)接收完成后，控制模塊將解收到的數(shù)據(jù)從Rxbuffer讀出，從Decoder的接收狀態(tài)來(lái)驗(yàn)證幀的屬性：幀是否有效、幀類型、幀長(zhǎng)度，并從讀出的數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性。
5 結(jié)束語(yǔ)
MVB總線伴隨著下一代列車通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)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總線接口部分的幀收發(fā)器模塊的算法分析、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證方案。通過(guò)作者近期對(duì)該模塊進(jìn)行的FPGA驗(yàn)證，充分論證了該設(shè)計(jì)工作和驗(yàn)證方案的可行性。
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