基于FPGA的MVB总线管理器设计与研究

论文摘要

随着车载数据通信技术的发展,以绞线式列车总线(WTB)和多功能车辆总线(MVB)为主要组成的列车通信网络(TCN)专用标准,近年来已作为车载数据通信的国际标准,被广泛应用于互操作性和控制实时性要求较高的动车组以及地铁列车等轨道交通领域。在TCN网络中,具有总线管理功能的MVB四类设备网络接口在MVB网络中发挥着关键作用。然而,国外对列车通信网络核心技术的垄断导致MVB在国内的推广和应用遭到很大的阻力,研究和开发具有自主知识产权的MVB四类设备网络接口产品成为我国车载数据通信网络的迫切需要。本文在深入分析MVB协议和MVB四类设备网络接口的结构和功能的基础上,采用FPGA作为硬件载体、Verilog HDL语言和C语言作为开发语言,基于SOPC技术对MVB总线管理器进行了研究和开发。本文所设计的总线管理器分为硬件和软件两部分,系统硬件又被划分为三个功能模块：主控模块、编码模块和解码模块。本文首先采用Verilog HDL硬件描述语言完成了编码模块、解码模块、编码接口模块以及解码接口模块的设计,用于实现MVB有效帧的生成、发送、接收、检测、译码、校验及存储等功能,并对编码和解码模块进行了仿真,得到了正确的仿真结果；然后使用SOPC Builder工具构建了一个包含NiosⅡCPU、定时器、FLASH、编码接口模块以及解码接口模块等组件的NiosⅡ处理器系统,将其作为主控模块与编解码模块在顶层原理图中进行连接,完成了系统硬件的设计；其次,以NiosⅡIDE作为软件开发平台,完成了总线管理器报文传输、介质分配、主权转移等功能软件的编写及调试。最后对整个系统的MVB过程数据报文传输进行了实际测试,测试结果表明所设计的MVB总线管理器能够正确完成符合MVB总线协议规定的过程数据报文传输过程。此外,本文还对总线碰撞问题进行了较为深入的研究,提出了较为有效的仲裁方案,为研究的进一步深入奠定了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的研究内容与组织结构
• 第2章 SOPC技术概述
• 2.1 SOPC技术简介
• 2.1.1 Nios Ⅱ软核处理器
• 2.1.2 Avalon交换架构
• 2.1.3 HAL系统库
• 2.2 SOPC设计流程
• 2.3 硬件描述语言
• 2.4 本章小结
• 第3章 MVB通信协议
• 3.1 列车通信网络概述
• 3.2 MVB物理层
• 3.3 MVB设备
• 3.4 MVB数据链路层
• 3.4.1 MVB数据类型
• 3.4.2 MVB帧
• 3.4.3 MVB报文
• 3.4.4 MVB端口
• 3.4.5 介质访问方式
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统硬件设计
• 4.1 功能分析
• 4.2 设计方案
• 4.3 编码模块设计
• 4.3.1 整体结构
• 4.3.2 曼彻斯特编码单元
• 4.3.3 分界符生成单元
• 4.3.4 校验序列生成单元
• 4.3.5 发送控制单元
• 4.4 解码模块设计
• 4.4.1 整体结构
• 4.4.2 起始位检测单元
• 4.4.3 分界符检测单元
• 4.4.4 曼彻斯特解码单元
• 4.4.5 接收控制单元
• 4.5 SOPC系统设计
• 4.5.1 编码接口模块设计
• 4.5.2 解码接口模块设计
• 4.5.3 Nios Ⅱ系统模块设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 系统软件设计
• 5.1 软件设计分析
• 5.1.1 报文传输
• 5.1.2 介质分配
• 5.1.3 主权转移
• 5.1.4 事件仲裁方案
• 5.2 软件实现
• 5.3 本章小结
• 第6章 系统仿真及测试
• 6.1 系统仿真
• 6.2 报文传输测试
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 附录3
• 攻读学位期间发表的论文