用于记录MVB网络物理层数据帧的记录方法及记录装置

摘要

本发明涉及基于MVB网络技术的机车车辆的网络控制装置，具体涉及一种用于记录MVB网络物理层数据帧的记录方法以及根据该记录装置实现的用于记录MVB网络物理层数据帧的记录方法。该记录装置包括MVB网络控制器板卡以及工业控制计算机主板；所述MVB网络控制器板卡包括物理固件以及控制物理固件完成MVB网络物理层数据帧采集以及存储功能的逻辑固件；所述工业控制计算机主板通过工业控制总线与所述MVB网络控制器板卡连接，用于借助所述逻辑固件提取并记录所述物理固件采集以及存储的MVB网络物理层数据帧。通过本发明能够记录和存储MVB网络上物理层传输的数据帧，从而可以为分析列车运行和故障情况提供更加底层的数据支持。

说明书

技术领域

本发明涉及基于MVB（Multifunction Vehicle Bus，多功能车辆总线）网络技术的机车车辆的网络控制装置，具体涉及一种用于记录MVB网络物理层数据帧的记录方法以及根据该记录装置实现的用于记录MVB网络物理层数据帧的记录方法。

背景技术

MVB总线网络是一种用于机车车辆的通讯总线网络，目前在国内和国外大量应用于高速铁路和城市地下铁路、轻型轨道交通的机车车辆上，具备高可靠性和灵活性，是IEC61375-3标准的一个重要组成部分，但由于专业性强，其对外接口还不是特别方便。

数据记录装置是目前在机车车辆上逐渐得到广泛应用的一个数据存储设备，能够记录车辆运行中在MVB网络上传输的数据，一般放置在机车车辆的司机室内，便于维护人员对数据进行下载和分析。维护人员可以从数据记录装置中获取记录的MVB总线网络数据的文件，然后借助于相关的分析软件就进行车辆运行情况的分析和判断。

国内现有的MVB数据记录装置主要工作在MVB网络的链路层之上，因此仅能记录在网络上传输的过程数据、消息数据和监视数据；并基于此数据，对机车网络上的数据和事件进行记录和分析。然而，MVB网络上传输的数据并不局限于以上种类。物理层上传输的数据帧（主帧和从帧）就是对网络状态进行分析的很好的对象；特别是对于自主研发的MVB网卡设备，一种可以记录MVB物理层上数据帧的设备，将为MVB网卡设备的研发、测试、调试和分析带来很大的好处。因此，提供一种能够记录MVB网络物理层数据帧的记录装置及记录方法十分必要。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种能够记录和存储MVB网络上物理层传输的数据帧的记录装置及记录方法，从而可以为分析列车运行和故障情况提供更加底层的数据支持。

（二）技术方案

本发明技术方案如下：

一种用于记录MVB网络物理层数据帧的记录装置，包括MVB网络控制器板卡以及工业控制计算机主板；

所述MVB网络控制器板卡包括物理固件以及控制所述物理固件完成MVB网络物理层数据帧采集以及存储功能的逻辑固件；

所述工业控制计算机主板通过工业控制总线与所述MVB网络控制器板卡连接，用于借助所述逻辑固件提取并记录所述物理固件采集以及存储的MVB网络物理层数据帧。

优选的，所述工业控制计算机主板为PC104嵌入式x86工业控制计算机主板，所述工业控制总线为PC104控制总线。

优选的，所述物理固件以FPGA电路为核心，还包括分别与所述FPGA电路连接的ARM芯片、通讯存储器、PC104总线接口、MVB数据传输接口以及与所述ARM芯片连接的闪存。

优选的，所述逻辑固件包括MVB总线接收器、冗余线控制逻辑、存储器控制逻辑、内部总线以及PC104总线接口；所述存储器控制逻辑一方面通过内部总线依次与冗余控制逻辑和MVB总线接收器连接，另一方面通过所述PC104总线接口与所述工业控制计算机主板连接；所述MVB总线接收器包括第一接收器和第二接收器。

优选的，所述PC104嵌入式x86工业控制计算机主板包括x86中央处理器、以及分别与所述x86中央处理器连接的存储器单元、PC104总线接口和USB接口。

本发明还提供了一种根据上述任意一种记录装置实现的用于记录MVB网络物理层数据帧的记录方法：

一种用于记录MVB网络物理层数据帧的记录方法，包括步骤：

S1.MVB总线接收器将接收到的电信号解析为数据帧并通过存储器控制逻辑存储在通讯存储器中；

S2.工业控制计算机主板的中央处理器通过工业控制总线向工业控制总线接口发送控制指令；

S3.工业控制总线接口根据接收的控制指令控制存储器控制逻辑将通讯存储器中的数据帧传送至工业控制计算机主板；

S4.工业控制计算机主板将接收到的数据帧进行解析并写入到保存在存储器单元上的数据文件中。

优选的，所述控制指令包括清空通讯存储器中用于存储数据帧的先进先出队列的清空指令以及用于控制从所述先进先出队列读取队首存储的数据帧的读取指令。

优选的，所述步骤S1进一步包括：

S11.第一接收器和第二接收器同时监听MVB链路接收MVB网络物理层的所有数据帧；

S12.冗余线控制逻辑根据所述第一接收器和第二接收器接收的数据帧信息综合判断并选择可靠性更高的一个接收器作为信任接收器，并通过内部总线向存储器控制逻辑传递控制信号；

S13.所述存储器控制逻辑一方面根据接收的控制信号完成将数据帧从信任接收器存储到先进先出队列的功能，一方面接收来自PC104总线接口的控制指令完成数据帧从先进先出队列读取到PC104总线接口的功能；

S14.所述PC104总线接口接收PC104嵌入式x86工业控制计算机主板的控制指令并发送至所述存储器控制逻辑，同时将读取的数据帧传递给工业控制计算机主板。

优选的，所述步骤S4包括：

S41.通过PC104总线接口向存储器控制逻辑发送清空指令，使得先进先出队列被清空；

S42.检测存储器单元的剩余存储空间，若剩余存储空间低于预设的阈值，将记录时间早于预设过期时间的数据文件删除；

S43.在存储器单元上创建新的数据文件，并记录创建时间；

S44.判断写寄存器是否可写，如可写则继续，否则重复判断直到可写；

S45.通过PC104总线接口向存储器控制逻辑发送读取指令，判断读寄存器是否可读，若可读则继续，否则重复判断直到可读；

S46.将PC104总线接口发送的数据帧写入到数据文件中；

S47.若当前时间距数据文件的创建时间已经过去预设的时间间隔，则关闭数据文件，并跳转至步骤S42，否则跳转至步骤S44。

优选的，所述步骤S4还包括，

监测USB接口的连接状况，当监测到有USB存储设备连接时，将存储器单元上的数据文件复制到所述USB存储设备中。

（三）有益效果

本发明实施例所提供的用于记录MVB网络物理层数据帧的记录方法及记录装置中，利用MVB网络控制器板卡作为采集MVB网络物理层数据帧的硬件平台，利用PC104嵌入式x86工业控制计算机主板对接收以及存储数据进行控制。通过本发明能够记录和存储MVB网络上物理层传输的数据帧，从而可以为分析列车运行和故障情况提供更加底层的数据支持；同时，由于本发明能够自动检测USB存储设备连接并将数据文件复制到其中，因此具有较高的方便性和灵活性。

附图说明

图1是本发明实施例中物理固件的结构示意图；

图2是本发明实施例中逻辑固件的结构示意图；

图3是本发明实施例中记录方法步骤S4的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例中首先提供了一种用于记录MVB网络物理层数据帧的记录装置，该记录装置主要包括MVB网络控制器板卡以及工业控制计算机主板；

MVB网络控制器板卡是采集MVB网络物理层数据帧的硬件平台，包括物理固件和逻辑固件。例如，本实施例中的物理固件主要包括FPGA（Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）电路、ARM芯片、Flash Rom（闪存）、Traffic memory（通讯存储器）、工业控制总线接口、MVB EMD接口（一种MVB数据传输接口）等。逻辑固件是由FPGA设计的数字电路部分，用于控制物理固件完成MVB网络物理层数据帧采集以及存储功能，主要包括MVB总线接收器、冗余线控制逻辑、存储器控制逻辑和PC104总线接口等；

工业控制计算机主板通过工业控制总线与MVB网络控制器板卡双向连接，用于借助逻辑固件提取并记录物理固件采集以及存储的MVB网络物理层数据帧；例如，本实施例中，工业控制计算机主板可以是PC104嵌入式x86工业控制计算机主板，工业控制总线为PC104控制总线，PC104嵌入式x86工业控制计算机主板包括x86中央处理器、存储器单元、PC104总线接口和USB2.0接口等。

下面对本实施例中所提供的用于记录MVB网络物理层数据帧的记录装置的各个部分加以详细说明。

如图1中所示，MVB网络控制器板卡的物理固件以FPGA电路为核心，还包括分别与FPGA电路连接的ARM芯片、通讯存储器、PC104总线接口、MVB数据传输接口以及与ARM芯片连接的闪存。外部扩展SRAM（Static RAM，静态随机存储器）作为通信存储器，ARM芯片负责对FPGA电路进行配置，FPGA电路的配置信息存储在与ARM芯片相连的闪存里；MVB-PC104板在MVB端符合MVB EMD接口要求；MVB-PC104板在MVB端符合PC104总线接口要求；PC104嵌入式x86工业控制计算机主板通过PC104总线接口与MVB网络控制器板卡双向连接，PC104嵌入式x86工业控制计算机主板的中央处理器和MVB网络控制器板卡在PC104总线接口的基础上采用UART-emulation通信协议进行通信。

如图2中所示，MVB网络控制器板卡的逻辑固件是由FPGA设计的数字电路部分，包括MVB总线接收器、冗余线控制逻辑、存储器控制逻辑、内部总线以及PC104总线接口；存储器控制逻辑一方面通过内部总线依次与冗余控制逻辑和MVB总线接收器连接，从而完成数据帧的接收存储功能；另一方面通过PC104总线接口与工业控制计算机主板连接，完成数据帧的读取和与PC104嵌入式x86工业控制计算机主板的交互功能；MVB总线接收器包括第一接收器和第二接收器；本发明的主要功能就是由FPGA电路的这些逻辑固件完成的。

本实施例中的PC104嵌入式x86工业控制计算机主板包括x86中央处理器、以及分别与x86中央处理器连接的存储器单元、PC104总线接口和USB接口。例如，PC104嵌入式x86工业控制计算机主板可以采用研祥公司的104-1645CLDN；其中x86中央处理器采用板载AMD Geode LX700CPU，主频500MHz；板载内存为256MBytes DDRSDRAM；板上存储器单元4采用宇瞻公司的2GBytes ADC（ATA DiskChip，ATA磁盘芯片）电子盘；板上集成1个VGA（Video GraphicsArray，视频图形阵列）显示接口，2个RS232串行接口，1个IDE（Integrated Drive Electronics，电子集成驱动器）接口，1个以太网接口，1个PS/2鼠标/键盘接口，2个USB2.0接口，1个PC104总线接口；搭载ttylinux操作系统（一个小型的GNU/Linux系统）。

本实施例中还提供了一种根据上述记录装置实现的用于记录MVB网络物理层数据帧的记录方法；该记录方法主要包括以下步骤：

S1.MVB网络控制器板卡将MVB总线网络上传输的电信号通过MVB EMD接口输入至MVB总线接收器，MVB总线接收器将接收到的电信号解析为数据帧并通过存储器控制逻辑存储在通讯存储器中；

S2.PC104嵌入式x86工业控制计算机主板的中央处理器通过PC104控制总线向PC104总线接口发送控制指令；

S3.PC104总线接口根据接收的控制指令控制存储器控制逻辑将通讯存储器中接收到的数据帧进行解析，并通过PC104控制总线传送至PC104嵌入式x86工业控制计算机主板；

S4.工业控制计算机主板将接收到的数据帧进行解析并写入到保存在存储器单元上的数据文件中。

下面对本实施例中所提供的用于记录MVB网络物理层数据帧的记录方法的部分步骤加以详细说明。

步骤S1进一步包括：

S11.MVB EMD接口连接到MVB总线网络上，MVB总线网络包含第一线和第二线两条数据线路，线路上传输的曼彻斯特电平信号经MVB EMD接口分别传送到MVB总线接收器的第一接收器和第二接收器，第一接收器和第二接收器将曼彻斯特信号解码为数字信号，组成数据帧；同时，向冗余控制逻辑传递接收的数据帧信息（包括有效帧、帧冲突、错误帧、帧间间隔等信息）；

S12.冗余线控制逻辑根据第一接收器和第二接收器接收的数据帧信息（包括有效帧、帧冲突、错误帧、帧间间隔等信息）综合判断并选择可靠性更高的一个接收器作为信任接收器（即判断信任第一线还是第二线），并通过内部总线（包括控制总线和数据总线）向存储器控制逻辑传递控制信号（包括输出下述状态字的第五、第六位）；

S13.存储器控制逻辑一方面根据接收的控制信号完成将数据帧从信任接收器存储到先进先出队列的功能，一方面接收来自PC104总线接口的控制指令，并译码，根据译码后的控制指令，完成数据帧从先进先出队列读取到PC104总线接口的功能；

S14.PC104总线接口接收PC104嵌入式x86工业控制计算机主板的控制指令并发送至存储器控制逻辑，同时将读取的数据帧传递给PC104嵌入式x86工业控制计算机主板。

步骤S2进一步包括：

PC104嵌入式x86工业控制计算机主板的中央处理器通过PC104控制总线向工业控制PC104总线接口发送控制指令；控制指令包括清空通讯存储器中用于存储数据帧的先进先出队列的清空指令以及用于控制从先进先出队列读取队首存储的数据帧的读取指令；例如：

清空指令：一个字节数据0x42；存储控制逻辑接收到该指令后，立即清空用于存储数据帧的先进先出队列；

读取指令：一个字节数据0x46；存储控制逻辑接收到该指令后，立即从先进先出队列读取队首存储的数据帧，并准备将其通过PC104控制总线传输到中央处理器。

传输到中央处理器的数据的长度可为1、3、5、9、17或33个字节；该数据包括两个部分：状态字和数据帧。状态字的取值如表1中所示：

表1 状态字的取值说明

例如，如果先进先出队列为空，即没有数据帧可供读出，则状态字各位全部为0，且其后的数据帧的长度为0。

步骤S4由PC104嵌入式x86工业控制计算机主板的运行在Linux操作系统上的计算机程序完成。

如图3中所示，步骤S4进一步包括：

S41.在计算机启动后，操作系统进行初始化并自动运行数据记录程序；程序通过PC104总线接口向存储器控制逻辑发送清空指令，使得先进先出队列被清空以准备接收网络数据；

S42.检测存储器单元的剩余存储空间，若剩余存储空间低于预设的阈值，将记录时间早于预设过期时间的数据文件删除以增加存储空间；

S43.在存储器单元上创建新的数据文件，并记录创建时间；

S44.读取LSR寄存器的值，判断写寄存器是否可写，如可写则继续，否则重复判断直到可写；

S45.通过PC104总线接口向存储器控制逻辑发送读取指令，判断读寄存器是否可读，若可读则继续，否则重复判断直到可读；

S46.将PC104总线接口发送的数据帧写入到数据文件中；即首先读取状态字，根据状态字确定数据帧的长度，并将状态字写入到数据文件中；之后逐字节读取数据帧内容，并将其写入到数据文件中；

S47.若当前时间距数据文件的创建时间已经过去预设的时间间隔，则关闭数据文件，并跳转至步骤S42，否则跳转至步骤S44。

进一步的，在进行步骤S4的同时，通过扫描操作系统/dev文件夹下的设备文件列表检测USB2.0接口的连接状况，当检测到有USB存储设备连接时，将存储器单元上的数据文件复制到USB存储设备中。

综上所述，通过本发明能够记录和存储MVB网络上物理层传输的数据帧，从而可以为分析列车运行和故障情况提供更加底层的数据支持；同时，由于本发明能够自动检测USB存储设备连接并将数据文件复制到其中，因此具有较高的方便性和灵活性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。