MVB网络接口单元的研究与FPGA实现

摘要

列车通信网络(TCN)是铁路列车车辆之间和车辆内部可编程设备互联传送控制、检测与诊断信息的数据通信网络。国际电工委员会(IEC)为此制定了IEC61375-1 TCN标准,它将列车通信网络分成连接各节可动态编组车厢的绞线式列车总线(WTB)和连接车厢内固定设备的多功能车辆总线(MVB)。目前MVB的产品和技术被国外几个公司垄断,而我国对引进技术的理解消化和二次开发都做的不够,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同后制定中国自己的列车通信网络标准。鉴于上述原因,本文对。TCN中的MVB技术进行了深入研究。 本文以现在流行的现场总线技术为背景,深入分析了车载数据通信理论知识,将多种车载总线与TCN标准中的MVB和WTB在各个方面进行比较,突出了MVB总线应用于车辆中的优点,采用FPGA+SOC的方式设计并实现了MVB接口单元,运用MVB网络性能分析来评定网络信道的利用率和网络的运作情况。通过追踪国内外列车通信网络技术发展现状及其研究方法,分析比较通用的现场总线(如:Lon Works、WorldFIP、CAN等)的优缺点和应用特点的基础上,分析研究了TCN标准中的MVB总线物理层和数据链路层协议的特点,剖析了MVB通信控制器和数据通信原理,采用SOPC和硬件描述语言相结合的方法设计并实现了多功能车厢总线控制器(MVBC)。这对于处于起步阶段的我国铁路列车网络来说,具有重要的理论指导意义和实际应用价值,必将为推动我国列车通信网络向国际标准化接轨起到促进作用。为了我国城市轨道交通事业的发展与国际接轨,还需要进一步研究： (1)对列车通信网络技术进行深入系统的研究；(2)在现有的SOC构建的操作系统uc/os II上认真研究MVB的上层协议并完善MVB协议的上层应用； (3)建立全方位统一列车状态监测与故障诊断、车载数据管理、地面数据采集与处理的人机界面,扩大TCN用于列车安全、乘客舒适和运行管理等方面的应用范围。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1 列车通信网络的研究内容及特点

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源及意义

1.4 论文的主要工作及内容安排

第二章 列车通信网络(TCN)研究与分析

2.1 列车通信网络的概述与发展

2.1.1 列车通信网络的概述

2.1.2 列车通信网络的发展

2.2 主流列车通信网络技术

2.2.1 Lonworks总线

2.2.2 WorldFIP总线

2.2.3 CAN总线

2.2.4 WTB总线与MVB总线

2.3 主流列车通信网络的技术特征比较

2.4 基于TCN的列车通信网络拓扑设计

2.5 本章小结

第三章MVB通信网络协议与接口单元实现

3.1 MVB总线概述

3.2 MVB通信网络协议分析

3.2.1 MVB通信网络结构

3.2.2 MVB通信网络数据

3.2.3 MVB通信网络层次

3.2.4 MVB通信网络通信技术

3.3 MVB通信网络的实现方法

3.3.1 数字集成电路设计的典型流程

3.3.2 IP在SOC设计中的应用

3.3.3 IP设计中的HDL语言

3.3.4 MVB通信网络的实现方法

3.4 MVB网络接口单元的设计与实现

3.4.1 MVB网络接口单元功能分析

3.4.2 MVB工作流程

3.4.3 MVB网络接口单元的设计要求

3.4.4 MVB网络接口单元的整体方案

3.5 本章小结

第四章基于AVALON总线的MVB编解码器IP核设计与实现

4.4 Avalon总线

4.2 基于Avalon总线的MVB编解码器IP核设计方案

4.2.1 总体设计方案

4.2.2编码IP核设计

4.2.3解码IP核设计

4.3 基于Avalon总线的MVB编码器IP核实现

4.3.1 总体设计方案

4.3.2 帧编码单元

4.3.3 CRC校验单元

4.4 基于AVALON的MVB解码器IP核实现

4.4.1总体设计方案

4.4.2 起始位识别单元

4.4.3 帧分界符识别单元

4.4.4 数据冲突的控制检测单元

4.4.5 数据译码单元以及译码控制单元

4.5 本章小结

第五章MVB通信网络系统性能分析

5.1 通信网络系统性能分析

5.1.1 网络系统性能分析评价的指标

5.1.2 影响网络性能的因素

5.1.3 网络系统性能分析评价方法

5.2 过程数据吞吐量

5.2.1 假定条件

5.2.2吞吐量分析计算

5.3 消息数据吞吐量

5.3.1假定条件

5.3.2 吞吐量分析计算

5.4 本章小结

第六章总结和展望

6.1 本文的主要工作及创新点

6.2 进一步的研究工作

参考文献

致谢

附录A攻读硕士学位期间发表的学术论文和科研项目