基于SOPC的列车通信网卡的设计

Avolon总线接口设计  

MVB总线处理IP核与NiosII的接口设计的实现是通过Traffic Store(共享RAM)来实现的。使用Quarters Ⅱ中的MegaWizard plug-in Manager工具来产生一个双口RAM模块，其设置如表1所示。

该通信存储器与Nios II处理器通过Avalon总线接口。  

SOPC片上系统MVB网卡的实现

总线访问IP核与Nios II的系统集成

利用Quarters II的SOPC Builder工具我们集成了NiosII 软核处理器、4k的片内RAM、MVB总线访问IP核(包括编码器和解码器)以及LCD控制模块，构成了一个能实现MVB一类网卡功能的片上系统。

软件设计


基于以上所述的SOPC系统，我们设计了一个基本的MVB节点以实现过程数据传输。本节点将0x14地址设置为源端口，当主帧轮询0x14地址时，本节点将此端口里的数据打包成从帧发送到总线上面，以刷新0x14地址的宿端口。  

altera_avalon_mvb.h的设计，包括总线访问IP核寄存器读写的宏定义。

#define IORD_ALTERA_AVALON_ MVB_SENDREG(base) IORD(base, 0)
#define IOWR_ALTERA_AVALON_ MVB_SENDREG(base, data) 　 IOWR(base, 0, data)  

在主函数里置MVB总线接收允许位，循环等待接收MVB主控制器发过来的主帧。节点在接收到主帧之后，程序进入中断处理程序。在中断程序里提取接收到的主帧里的端口地址，并与自身预设的端口地址码进行比较，如果地址码相符，则节点将本端口的数据通过MVB发送器发到总线上，实现端口数据刷新操作。  

仿真及实现

仿真波形

在本实验中，对实验室设计的MVB板卡进行了功能仿真和FPGA验证，通过对过程数据的发送与接收验证了所搭建的MVB系统。

实测波形

在编好程序后，再编译一遍QuartersII工程文件，将得到的．pof文件下载至FPGA内，上电后用示波器测输出管脚，便可观察到MVB帧波形。对照IEC-61375协议标准，可以判断出该波形为符合标准的正确波形，并且源端口节点上收到了正确的数据，从而证明该过程数据端口的成功刷新。  

结语

目前国内的列车网络及控制技术是在技术引进的基础上发展起来的，国外厂商只愿提供产品而不转让关键技术。由于难以单独购买网络专用芯片等种种原因，目前仍是直接采用国外产品，或用国外(设计)的网卡(万元以上的高价)等进行系统集成，以此构成列车通信网络(即国产化)。本论文围绕MVB总线底层协议展开研究，基于SOPC设计思想，对利用FPGA实现IEC61375协议进行了尝试，初步完成了MVB网络I类板卡的设计。目前，对该网络协议的实现方面还仅限于初期阶段，只实现了MVB总线基本的过程数据的收发。该系统的后续还需加入消息监督数据等的通信。在实际的节点应用中，也可能出现各种各样的问题需要加以改进。  

参考文献：

1. IEC61375-1-1999, Part 1：“Train Communication Network”
2.zur Bonsen, The Multifunction Vehicle Bus (MVB), Factory Communication Systems, 1995
3. Jaime Jiménez, José L.Martin, Carlos Cuadrado, Jagoba Arias and Jesús Lázaro， “A Top-down Design for the Train Communication Network”，2003 IEEE
4. Alberto Chavarría, Joseba López de Arroyabe, Aitzol Zuloaga, " Slave node architecture for train communications networks" , 2000 IEEE
5. 张大波、王建，《MVB总线实时协议实现及其实验研究》
6. 侯宁，丁荣军，王永翔，王立德，《MVB网卡的帧收发器设计》