摘 要： 介紹了列車通信網絡（TCN）和多功能車輛總線（MVB），著重分析介紹了MVB網卡的硬件接口及軟件接口，并將DOS系統下的MVB通信成功地移植到了Linux系統環境下，在實驗室條件下，實現了Linux與DOS環境下的MVB網絡互連，為開展不同環境下的MVB通信可行性試驗提供了依據。

　　關鍵詞： DOS；Linux；MVB；過程數據；PC/104總線

0 引言

　　隨著嵌入式微機控制技術以及現場總線技術的快速發展，現代列車的過程控制已從集中型的直接數字控制系統朝著基于網絡的分布式系統發展。應用多種總線技術，列車分布式控制系統把分布于各車廂內部、獨立完成特定功能的計算機互連為工業局域網，從而達到資源共享、協同工作、分散監測和集中操作等目的[1]。

　　列車通信網絡（TCN）就是一種建立在分布式系統基礎上的列車控制、診斷信息數據通信網絡。多功能車輛總線（MVB）作為TCN網絡的重要組成，其作用在于聯接車輛內部的設備和控制單元，實現車輛內部的通信控制。但是，由于傳統的MVB通信網絡建立在DOS系統環境下，面對惡劣的列車運行環境，越來越難以滿足實際運行的需要。Linux以其出色的系統穩定性及快速響應性能，在軌道交通領域獲得青睞。嵌入式技術的迅猛發展，使得在Linux系統下建立MVB通信網絡的需求變得愈加迫切。

　　本文以實現Linux與DOS系統下的MVB網絡通信為目的，對RVS系列MVB網卡的硬件接口及軟件接口進行了應用研究，并將DOS系統下的MVB網絡通信成功移植到了Linux環境下，最終實現了Linux與DOS環境下的MVB網絡互連。

1 MVB網絡簡介

　　列車通信網絡（TCN）集列車控制系統、故障檢測與診斷系統以及旅客信息服務系統于一體，以車載微機為主要設備，通過網絡實現列車各個系統之間的信息交換，最終達到對車載設備的集散式監視、控制和管理等目的，是一種面向控制、連接車載設備的數據通信系統，是分布式列車控制系統的核心[2]。

　　TCN由絞式列車總線WTB和多功能車輛總線MVB組成，如圖1所示。WTB用于聯接各個車輛，用于列車級的通信控制；MVB用于有互操作性和互換性要求的互連設備之間的串行數據通信。WTB與MVB之間通過網關來實現數據的傳遞。其中，MVB能提供最佳的響應速度，適合用作車輛總線。對于固定編組的列車，MVB 也可以用作列車總線。此外，MVB屬于總線仲裁型網絡，采用主幀/從幀應答方式，可以實現設備和介質冗余，完全滿足列車對于運行控制和安全性的要求。

　　根據實際應用的需要，MVB網絡的通信數據類型分為過程數據、消息數據和監督數據。其中，過程數據用于反映列車的狀態、速度、加速度、司機指令等；消息數據是偶發數據，不頻繁發送且長度不定，如診斷、旅客信息等；監督數據是總線上主設備對于從設備的狀態校驗、主權轉移、列車初運行等所使用的數據[1]。由于過程數據是列車運行控制中最基本和最重要的通信數據，因此本文只針對過程數據的收發進行研究。

2 MVB網絡接口單元

　　為了實現MVB設備之間的互聯，各個與MVB相連的設備都必須具有統一的硬件接口和軟件接口。硬件接口主要由各個設備中的MVB網絡接口單元（網卡）實現，網卡用于實現物理層信號的轉換，執行數據鏈路層的通信規程，其基本任務有：⑴將主機或其他網絡設備發送的數據送入網絡；⑵從網絡中接收其他網絡設備發送的數據送入網絡；⑶從網絡中接收其他設備發來的數據并送給主機。軟件接口在于實現MVB數據鏈路層的服務功能，一方面為高層提供服務及服務訪問接口；另一方面屏蔽底層協議，提供透明的、可靠的鏈路通路，方便用戶使用[3]。

　　2.1 硬件接口

　　MVB網絡通信性能的好壞在很大程度上取決于MVB網絡接口單元的品質。本次通信研究采用的是RVS系列MVB網卡。該網卡除了支持MVB三種通信數據的傳遞外，還支持總線管理器（BA），并具備用戶可編程功能，通信速率高達1.5 Mb/s，支持4 096個設備狀態掃描紀錄，并具有介質冗余能力，是專為MVB-1類設備使用的接口卡。

　　MVB-1型接口單元的硬件結構框圖如圖2所示。物理層通過譯碼器將MVB上的信號轉換為數字電平，解碼器將來自于MVB的信號移至PC/104并行總線上，檢查數據的有效性并將其傳送至雙端口通信存儲器(Traffic Memory)，同時上位機可通過PC/104總線對雙端口通信存儲器進行讀寫。

　　圖2中，PC/104并行總線接口為網絡接口單元和主機之間的數據通信提供了并行通道，由于RVS系列MVB網卡采用的是標準PC/104接口，用戶可以將多塊網卡層疊使用，在實際應用中較為方便。板上的控制邏輯（Control Logic）采用可編程邏輯器件PLD（Programmable Logic Device），為了適應不同的總線接口需求，用戶可以通過邏輯設計方便地動態改變硬件設置。

　　2.2 軟件接口

　　軟件接口的核心功能是屏蔽MVB網卡的底層協議，并為上層應用提供接口。

　　MVB網卡的驅動是實現通信必不可少的核心部分，它描述了MVB網卡通信的底層協議，并對硬件進行了配置，為上層應用的操作提供接口。MVB網卡的驅動主要包括MVB初始化、配置設備地址、配置過程數據端口、獲取過程數據等。用戶在使用MVB網卡設計上層應用時，無需對MVB的通信協議有太過深入的了解，只需調用MVB底層的接口函數，即可實現基于MVB網卡的數據傳輸操作。

　　在實現數據傳輸的過程中，采用了UART仿真方式，即以連續方式發送和接收數據。在網絡接口單元與主機通信之前，首先必須對UART仿真寄存器進行配置，包括接收數據寄存器RBR（Receiver Buffer Register）、發送器保持寄存器THR（Transmitter Holding Register）、通信線狀態寄存器LSR（Line Status Register）。主機和接口單元之間需要通過傳輸特定的字符命令來實現對接口單元的軟件配置，分別為‘C’、‘S’、‘H’、‘I’、‘P’、‘G’或是用其相對應的十六進制數43H、53H、48H、49H、50H、47H來表示，只有這樣，才能識別所要執行的操作[3]。

　　⑴‘C’命令用于將與接口單元有關的控制信息寫入網絡接口單元；

　　⑵‘S’命令用于讀取接口單元的狀態信息，一般用于調試時的自測；

　　⑶‘H’命令用于寫入與過程數據端口相關的控制信息，包括邏輯地址、端口長度及端口源宿性質；

　　⑷‘I’命令用于讀取與過程數據相關的狀態信息，與‘S’類似，一般只用于自測試；

　　⑸‘P’命令用于將待發送的數據寫入網絡接口單元；

　　⑹‘G’命令用于讀取接收到的數據。

　　具體的配置流程如圖3所示。在通信過程中，首先需要對MVB接口執行初始化操作，包括以下3個步驟：⑴通過清除UART仿真之前的內容來確保UART進入到正常的工作狀態；⑵停止MVB通信，以保證不再發送錯誤信息；⑶關閉MVB數據端口，使其保持為失效狀態。接著，對MVB的過程數據端口及MVB設備物理地址及輸入線路（分為A線和B線）進行配置。配置完成之后，通過對過程數據端口執行寫入或讀取操作來實現數據的通信。

3 Linux與DOS系統下的MVB網絡互連

　　DOS系統具有良好的人機界面和豐富的系統資源，在傳統的MVB通信中應用十分廣泛。但是，由于DOS是一個單任務弱實時的操作系統，且可靠性不高，越來越難以滿足MVB網絡的愈加嚴苛的通信要求。Linux系統在具備DOS系統優勢的同時，彌補了DOS系統的不足，能夠充分滿足實際的需要。因此，在Linux系統環境下建立MVB通信對于實際的應用有一定的借鑒意義。

　　考慮到多數的MVB通信仍建立在DOS系統環境下，因此，在實現Linux與Linux通信的同時，還要實現Linux與DOS的通信互連，這首先要求能夠將DOS環境下設計的通信程序移植到Linux系統中去。

　　3.1 程序移植

　　移植過程中最主要的問題在于，DOS系統下的部分內置函數及頭文件，在Linux系統下并不適用，需要對其進行適當地修改，甚至重新編寫。其中，DOS系統下的輸入輸出函數inp()和outp()，需要更改為inb()和outb()。與此同時，Linux使用端口訪問設備之前必須設置端口權限的系統調用，可選用iopl()或ioperm()進行設置。除此之外，由于Linux系統下沒有conio.h，因此需要自行編寫getch()函數和kbhit()函數，用于獲取鍵盤敲擊的字符和判斷鍵盤是否有按下，以識別通信命令和控制通信的啟停。部分代碼如下：

　　int kbhit(void)

　　{

　　struct timeval tv;

　　struct termios old_termios,new_termios;

　　int error;

　　int count = 0;

　　tcgetattr( 0,&old_termios );

　　new_termios = old_termios;

　　/*raw mode*/

　　new_termios.c_lflag &= ~ICANON;

　　/*disable echoing the char as it is typed*/

　　new_termios.c_lflag &= ~ECHO;

　　/*minimum chars to wait for*/

　　new_termios.c_cc[VMIN] = 1;

　　/*minimum wait time, 1 * 0.10s*/

　　new_termios.c_cc[VTIME]= 1;

　　error=tcsetattr(0,TCSANOW, &new_termios );

　　tv.tv_sec = 0;

　　tv.tv_usec = 100; /*insert a minimal delay*/

　　select( 1, NULL, NULL, NULL, &tv );

　　error += ioctl( 0, FIONREAD, &count );

　　error+=tcsetattr(0,TCSANOW,&old_termios );

　　return( error == 0 ? count : -1 );

　　}

　　需要注意的是，在移植的過程中，要特別注意指針的使用。若不對指針賦予初值，將會引起Segmentation Fault，另外一些對于指針的誤操作也很有可能引發這個錯誤，給調試過程中的錯誤排查帶來很多麻煩。

　　除了以上提到的問題外，還有許多兼容性問題需要解決，在此不再一一贅述。想要更快更精確地找到移植中存在的問題，可采用Linux提供的GDB調試工具。通過設置斷點、打印變量等手段可以更快地找到程序的問題所在，并作出相應的調整。

　　最后，通過GCC編譯的方式，將驅動程序與應用程序進行聯合編譯，就能獲得Linux下的可執行文件。通過運行這一可執行文件，通信程序就能在Linux系統環境下實現數據的收發功能。

　　3.2 系統測試

　　在軟硬件配置完成并移植成功之后，接下來將對系統進行測試。系統測試的目的在于實現Linux與DOS系統下的MVB網絡互連。

　　測試的內容主要分為兩個部分：一是以Linux下MVB節點為主節點，接收DOS下MVB發送的數據；二是以DOS下MVB節點為主節點接收Linux下MVB發送的數據。在實驗室條件下，搭建了點對點MVB網絡，通過兩個節點數據收發情況來驗證不同環境下MVB通信的可行性。實驗結果表明：DOS系統與Linux系統下的MVB網絡均能實現收發數據的功能，且誤碼率低，成功地實現了網絡互連。

4 結論

　　隨著信息化和網絡技術的發展，列車控制技術不斷更新完善。在實驗室條件下，根據TCN協議的要求，對MVB網絡接口單元進行了軟硬件的配置，將DOS系統下的MVB網絡通信程序移植到了Linux環境下。通過建立由Linux環境下MVB節點與DOS環境下MVB節點組成的點對點MVB通信網絡，成功地實現了MVB網絡在Linux和DOS環境下的網絡互連，并實現了MVB過程數據通信。通過本次實驗，使得MVB通信網絡在可靠性和實時性方面的網絡性能得到了提高，有一定的應用前景和現實意義。除此之外，還為將MVB通信網絡移植到不同的操作系統環境下的應用研究提供了依據。

參考文獻

　　[1] 劉建偉. 軌道交通車輛MVB通信網絡的研究與設計實現[D].北京：北京交通大學，2006.

　　[2] 王磊，何正友. 高速列車通信網絡技術特點及其應用[J]. 城市軌道交通研究，2008，11（2）：57-64.

　　[3] 劉海新，謝維達，徐曉松. MVB網絡接口單元的應用研究[J]. 工業控制計算機，2002,15（9）：13-15.