多功能車輛總線控制器芯片(MVBC)的幀收發(fā)器設計

關鍵詞：MVB；WTB；MVBC；CRC；曼徹斯特碼

1 前言

隨著嵌入式微機控制技術和現場總線技術的發(fā)展，現代列車的過程控制已從集中型的直接數字控制系統發(fā)展成為基于網絡的分布式控制系統。基于分布式控制的MVB（多功能車輛總線）是IEC61375-1(1999)TCN（列車通信網絡國際標準）的推薦方案，它與WTB(絞線式列車總線)構成的列車通訊總線具有實時性強、可靠性高的特點。列車車輛的現代化的發(fā)展趨勢與可靠性、安全性、通訊實時性的要求使MVB逐漸成為下一代車輛的通訊總線標準。

MVB 是主要用于有互操作性和互換性要求的互聯設備之間的串行數據通訊總線，除用于車輛通訊，也可用作其它現場總線。

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，它獨立于物理層和功能設備，為在總線上的各個設備提供通訊接口和通訊服務。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總線上最先進的通信控制器。

MVB總線通過總線適配器與MVBC相連，根據IEC-61375，MVB總線上采用曼徹斯特碼，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，不同幀的類型通過幀頭來判別。

MVB與MVBC之間數據通信在MVBC中由幀收發(fā)器來完成，包括幀的發(fā)送接收控制、曼徹斯特編解碼以及CRC校驗碼的產生與數據校驗。幀收發(fā)器在MVBC中起著數據鏈路層的底層數據處理的作用，是MVBC芯片的設計難點之一，該模塊的設計實現對于整個MVBC的開發(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)器模塊的算法和實現方法。

2 MVBC簡介

MVBC可通過配置應用在IEC.TCN標準的Class1,2,3，4設備當中?？偩€連接可編程車載電子設備，也連接一些簡單的傳感器及執(zhí)行機構，最多可尋址4096個設備。

MVBC把來自于MVB總線的串行化信號轉換為并行的數據字節(jié)，也把需發(fā)送的字節(jié)交由串行化電路發(fā)送到傳輸介質上。MVBC可根據配置實現總線主與總線從的功能，實現數據鏈路層以及一部分傳輸層的數據處理，并通過通訊存儲器來與上層軟件交互?？偩€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）的產生與校驗，不同類型幀的構建與識別，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總線上的串行數據采用曼徹斯特碼，曼徹斯特編碼中的每個數據位應用以下規(guī)范編碼：

a）一個“1”的編碼在位元的前半部分位“高”，后半部分為“低”；

b）一個“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(guī)范示意圖

如果曼徹斯特碼中出現整個位元的高電平（NH）或整個位元的低電平(NL)，則被認為非數據符，用于特殊場合，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現如圖2-5所示：

串行數據在1.5M時鐘的上升沿處從上一級的移位寄存器輸出，在高、低電平時與1.5M時鐘相異或，結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過三級寄存器同步，消除亞穩(wěn)態(tài)。如果總線在空閑狀態(tài)之后出現下降沿，則被認為幀的開始位，總線上再出現高電平時使能16位計數器計數。如果把曼徹斯特碼每個bit周期分為16個部分，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是用來幀頭幀尾檢測；總線沖突檢測的原則為：總線上曼徹斯特碼的半個bit周期之內的電平應一致，前后半個周期電平應相異，否則被認為碼錯。

3．2 CRC校驗

CRC的全稱為Cyclic Redundancy Check，中文名稱為循環(huán)冗余校驗。它是一類重要的線性分組碼，編碼和解碼方法簡單，檢錯和糾錯能力強，在通信領域廣泛地用于實現差錯控制。在各種通信系統中，CRC有bit型算法、字節(jié)型算法以及基于查找表的算法。前者適合串行數據通信的校驗，后兩者常用于高速并行通訊領域。

MVBC可以獨立的完成CRC校驗碼的產生與數據的校驗而無需軟件參與。其中：

G(x) = x7+x6+x5+x2+1

電路實現方法上我們選擇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，數據經過帶有異或單元的移位寄存器產生CRC校驗碼，實際電路圖如圖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 總線接口模塊的設計實現

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）構建幀頭幀尾；

（2）按照傳輸層指示進行CRC校驗；

（3）對數據進行曼徹斯特編碼；

（4）實現主、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，以及幀類型、幀長度，則Encoder先將配置好的幀頭發(fā)送，然后將幀數據、產生的CRC校驗碼移位后經曼徹斯特編碼輸出，最后發(fā)送幀尾，這樣完成主、從幀的發(fā)送。電路實現如圖3-6所示：

圖3-6：Encoder模塊結構圖

3．3．2 Decoder

MVB總線采用冗余介質，因此MVBC需要冗余的接收模塊來完成幀的接收。

（1）兩個Decoder根據選擇各自完成信號檢測（信任線）或冗余檢測（冗余線）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從信任線上接收數據，并監(jiān)視冗余線；

（3）判斷幀類型，從幀中提取數據和校驗序列（非CRC校驗，可選）并存入RXBuffer中；

（4）實現CRC校驗，并報告接收狀態(tài)。

初始化時ICA，ICB分別置為信任線和冗余線（LAA=1），如果信任線超時、寂靜，或用戶強制，則信任線與監(jiān)視線互相交換。接收幀的同時，ICA、ICB兩個線路上的Decoder將是否接到幀、何種幀類型、接收是否完成、結果對錯等信息告訴線路控制模塊，該模塊將這些信息與哪一個BUFFER有效上報至上層模塊進行報文分析。Decoder線路控制圖如圖3-8：

4 總線接口模塊的驗證

驗證的思想是通過不同的控制信號，來模擬不同的工作環(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、幀類型、CRC碼的正確性。驗證實現結構如圖4-1所示：

控制模塊將一幀數據寫入Txbuffer，并控制Encoder開始發(fā)送，此時Encoder發(fā)送的幀被Decoder接收；控制模塊同時監(jiān)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)來驗證幀的屬性：幀是否有效、幀類型、幀長度，并從讀出的數據來驗證數據的正確性。

5 結束語

MVB總線伴隨著下一代列車通信系統的廣泛應用將被普遍采用，同時MVBC也將具有巨大的市場前景。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、設計實現及驗證方案。通過作者近期對該模塊進行的FPGA驗證，充分論證了該設計工作和驗證方案的可行性。