MVB总线在地铁车辆控制系统中的应用

　　一、地铁MVB网络介绍

　　(一)MVB 网络拓扑

　　因为传统的地铁设计结构中，在司机的操作台上会固定有IDU，所以，IDU这个节点在网络架构设计中一直都有所保留。因此，中央控制单元，传动控制单元1、2，智能显示单元，逻辑控制单元1、2，安全监测单元都是在地铁车辆级总线MVB中所存在的几个节点。

　　(二)网络各单元功能划分

　　在地铁网络上的每个节点都有着不同的作用。MVB通信的检测和管理，牵引、制动特性控制以及一些辅助功能是由中央控制单元进行负责的。转向架的传动主要是由传动控制单元进行的负责的;数字量、模拟量信号的采集以及地铁信号的逻辑运算是由逻辑控制单元进行主要负责的;地铁状态的显示、地铁故障信息的现实和诊断以及一些地铁参数的设置都是由智能显示单元进行负责的;MVB网络中，安全监测单元所起到的作用是尤为重要的，主要执行以下功能：

　　1、与MVB 各节点进行通讯，记录各节点的全部状态信息;2、实现MVB 总线上的故障信息记录;3、与上位机实现串口通讯。

　　(三)SDU 设计介绍

　　MVB网络中，节点机箱SDU以及上位机两部分是组成安全监测系统的主要因素。SDU的实现要能够很好地联系MVB总线上的各节点，并且还要能够与上位机有串口通讯的实现。将管理信息系统建立在上位机系统上，通过串口通讯对下位机发送过来的信息进行接受，有合格的校验之后，将地铁的状态记录在上位机上，并且要参照需求，在数据库中存储信息，这样的话，数据的安全性就会很高。

　　SDU 机箱主要由具有嵌入式系统的C P U 板组成以实现系统功能。C P U 板采用以A R M 7 为内核的32 bit 嵌入式计算机，操作系统采用嵌入式多任务实时操作系统N U C L E U S ，并将M V B 协议控制器芯片成功地嵌入在计算机系统中，形成了完整的嵌入式CPU 系统。处理器型号为NET+ ARM50，该芯片采用32 bitARM7 TDMI RSIC 中心处理模块;可运行在5 种监测模式和1 种用户模式下;支持16 种工作频率;集中式的10 /100 Ethernet;P1284/ENI 接口;2 个串口(UART 、HDLC、SPI );10 通道DMA 控制器;支持8、16、32 bit 外部总线设备，支持SRAM、FD / EDO DRAM、SDRAM、F L A S H、EEPROM。

　　二、网络实时性计算模型

　　(一)过程数据的延迟分析

　　站在网络控制系统的角度上进行分析，地铁交通车辆的通信网有MVB总线的引入之后，就实现了真正的分布式实时控制系统，系统行为正确性的判断中，计算结构的正确性起着决定性的作用，并且产生结果的时间也会对其带来直接的影响。为了能够对任务的执行性能以及应用层的对象需求有所保证，在过程数据中，采取的方式一定要是很有效的，使其可以在各个任务之间进行发送和接受，并且及时性很强，这样的话，任务之间的数据的传输可以保持在一定的延迟时间之内进行。

　　1) 报文分组在缓存器内的平均等待延迟Tq

　　从报文分组到达缓存器后开始排队到获得传输之间的延迟, 该延迟由通信网络的介质访问控制方式决定。

　　2) 发送报文分组的延迟T s

　　发送节点在传输链路上开始发送报文分组的第一个比特到发送完该报文分组的最后一个比特所用的时间, 该延迟由报文分组的长度和网络传输速率决定。设报文分组长度为L m ( bit ) , 网络的传输速率为V ( bit s- 1 ) , 则发送报文分组的延迟为T s =Lm/V。

　　3) 介质传播延迟T j

　　发送节点在传播介质上发送第一个比特到该比特到达接收节点所用的时间, 该延迟由传播介质的距离与传播介质的速度决定。

　　4) 报文处理延迟T p

　　接收节点对收到的报文进行处理到提交给应用任务的时间延迟, 其中包括协议拆分、报文拼装以及与应用任务通信等所用的时间, 该延迟取决于通信节点的CPU 对报文到达的中断响应机制以及实时内核的任务调度算法。这里涉及的端系统处理延迟与CPU 的性能、操作系统等因素有密切关系,分析网络延迟时可暂时不予考虑。

　　(二)过程数据的延迟计算

　　MVB 采用主从轮询的方式进行介质访问, 在轮询周期内, 主控节点发送主帧数据依次轮询各从节点; 从节点根据预选设定, 发送不同数据格式的响应帧。设各从节点的报文分组到达时间间隔在统计上服从负指数分布, 报文分组的平均到达率均为( 分组s- 1 );节点间的漫游时间( walk time) w 为常数, 且邻节点间的漫游时间w均相等。当主帧到达某一个从节点时, 该节点获得网络传输速率为V的共用信道, 设该节点停留的平均报文分组数( 报文分组的长度为L ( bit ) ) 为N ,则发送节点缓存器内的全部报文分组所用的时间为NL / V 。当从节点把缓存器内的所有报文分组发送完毕后, 它在漫游时间w 内将信道转移给下一个节点。

　　(三)消息数据的延迟计算

　　周期相和偶发相是存在于MVB基本周期中的两个内容，在偶发相中，主节点发送一般事件请求帧轮询各从节点报告事件, 如有多个从节点同时有消息事件报告出现冲突时, 则主节点启动事件仲裁( Event _ Arbitration) 机制, 只询问一个从节点, 即主节点通过发送组事件请求( Group _ Event _ Request ) , 最后收到一个正确的消息事件响应。之后, 主节点进行事件巡回( Event _ Round) , 依次解决所有的消息事件请求。

　　参考资料：

　　[1] 赵鹏,徐宁.现场总线及接口网桥技术在BTM中的应用[J]中国铁道科学, 2004, (06) .

　　[2] 周胜.具有总线管理功能的MVB四类设备关键技术的研究与实现[D]中南大学, 2008 .

　　[3] 石颖. MVB总线在地铁列车控制系统中的应用[J]电力机车与城轨车辆, 2006, (06) .