[发明专利]基于FPGA和ARM的MVB网络四类设备网卡

说明书

技术领域

本发明涉及列车通信网络控制技术领域，具体涉及一种基于FPGA（Field Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）和ARM（Advanced RISC Machines，简称ARM处理器芯片）的MVB（Multifunction Vehicle Bus，多功能车辆总线）网络四类设备网卡。

背景技术

网络控制技术是目前轨道交通设备通讯控制技术的发展主流和趋势。在国外尤其是欧洲的一些发达国家，已经将基于网络控制技术的方案广泛应用于对实时性和可靠性要求高的地铁、高铁和城市轨道交通车辆等领域。TCN（Train Communication Network，列车通信网络）是一种主流的列车现场总线网络，该网络是两层总线结构，包括连接车辆内部设备的MVB网络和连接多个车辆的WTB（Wired Train Bus，绞线式列车总线）网络。目前国际电工委员会IEC的TC9组织正在组织修改编制可用于轨道交通行业网络通信的IEC61375系列标准，标准还处于草案状态，没有正式发布。在IEC61375系列标准中，IEC61375-1相关TCN网络技术标准仍占主导地位。

MVB网络是列车控制网络的必要组成部分。同其它几种通用的现场总线（例如LonWorks、WordFIP、CAN等）在列车上的应用相比，MVB网络在实时性、可靠性、可管理性、介质访问控制方法、寻址方式、通信服务种类等方面有着一定的优势。然而，MVB网络是专门针对列车通信网络而开发，所有与MVB网络连接的设备都需要通过MVB网卡访问MVB网络。

MVB网络是主从式的总线。根据IEC61375的规定，MVB网络中的设备分为五类。一类设备具有过程数据通信能力；二类设备具有过程数据和消息数据的通信能力；三类设备还具有用户可编程能力；四类设备具有过程数据、消息数据、用户可编程能力和总线管理能力，即设备可以作为总线主；五类设备是TCN网关，五类设备能够访问至少一条另外的总线。由此可见，只有MVB网络的四类和五类设备具有总线管理能力，在MVB网络的运行中担任着不可或缺且重要的角色。

然而，目前我国铁路行业采用的MVB网络四类设备网卡主要采购自国外，如瑞士Duagon公司、德国西门子公司等。国外公司对MVB网络四类设备网卡核心技术的垄断，严重阻碍了国内轨道交通领域推广使用和开发MVB网络相关产品。虽然国内在MVB网络四类设备网卡研发方面有一些工作，但是核心控制芯片仍然采购自国外，例如如西门子公司的MVBC02等。

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基于FPGA和ARM的MVB网络四类设备网卡，用于实现IEC61375中规定的过程数据、消息数据、用户可配置和总线管理功能和性能；从而摆脱核心器件依赖于国外采购的局面。

（二）技术方案

本发明技术方案如下：

一种基于FPGA和ARM的MVB网络四类设备网卡，包括：

MVB网络控制器：用于实现物理层以及链路层的过程数据、消息数据功能以及对网卡的配置和管理功能，向上提供TCN网络标准IEC61375-1规定的链路层软件接口；

RTP协议栈系统：用于实现网络层、传输层、会话层、表示层以及应用层的监视数据、过程数据以及消息数据功能，向上提供TCN网络标准IEC61375-1规定的应用层软件接口。

优选的，所述MVB网络控制器包括：

FPGA电路芯片，用于实现物理层的收发功能、链路层的过程数据功能、PC104总线接口和网卡的动态配置功能；

ARM处理器芯片，用于实现链路层的消息数据功能、主权转移功能、设备状态扫描功能以及网卡静态配置和FPGA电路芯片的配置功能。

优选的，所述FPGA电路芯片和ARM处理器芯片采用分时工作模式；周期相的过程数据采用FPGA电路芯片实现；偶发相的消息数据和监视数据采用ARM处理器芯片实现。

优选的，所述MVB控制器集成在一块电路板上，所述RTP协议栈系统集成于上位机中。

优选的，所述电路板包括MVB接口电路以及ARM相关电路：

所述MVB接口电路包括FPGA电路芯片、分别与所述FPGA电路芯片连接的静态存储器芯片、RS485收发器、MAX3292预加重电路以及外围电路；

所述ARM相关电路包括ARM处理器芯片及其外围电路；

所述MVB接口电路与ARM相关电路之间通过GPIO端口连接。