专利名称：一种多功能车厢总线4类设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电气自动化技术领域，特别涉及一种多功能车厢总线4类 设备。
背景技术：
目前国际上影响最大的铁路行业标准总线是正C61375标准所规定的列车 通信网(TCN, Train Communication Network)。符合IEC61375标准的TCN产 品特别是多功能车厢总线(MVB ， Multifunction Vehicle Bus )在中国铁路行业 的应用越来越广泛。
MVB4类设备可以实现过程数据和消息数据的通讯，具有完全的MVB主站 功能。过程数据是IEC61375标准中规定的周期收发的数据，主要用来传输一些 实时性4交高的参数。例如积分曲线要求的参数等。消息数据是正C61375标准中 规定的偶发性的数据，用来传输较大容量和实时性比过程数据低的一些参数， 例如故障数据等。由于MVB4类设备的上述特点，MVB4类设备需要采用多种 中断。
例如主站发出主帧后一段时间内未收到从帧的应答，则产生从帧应答超时 中断(RTI, Reply Timeout Interrupt)。某设备在1.3毫秒内未收到主帧，则产 生总线超时中断(BTI， Bus Timeout Interrupt)。每收到OxFFFF个通讯帧，则 产生一个帧计数中断(FEV, Frames Evaluated Interrupt)、发送队列异常中断 (XQE, Transmit Queue Exception)和接收队列异常中断(RQE， Receive Queue Exception )。还包括某个通讯端口绑定的数据传输中断等。这样会带来两方面 的问题 一是太多的中断使CPU频繁地执行入栈出栈，极大影响CPU的工作效 率；二是有的中断需要较长的处理时间，这将影响CPU处理任务的实时性。
为了解决上述问题，目前有两种解决方案， 一种是双CPU; —种是单CPU， 外加其他模块。下面首先介绍双CPU的方案。 一个CPU专门用来处理中断；另 一个CPU专门用来处理MVB通讯。但是双CPU的硬件体系庞大，设计起来比 较麻烦。由于列车个体狭长，空间紧凑，所以体积庞大的MVB设备不利于在机车车厢安装。由于两个CPU之间需要传输数据，这样致使软件程序结构复杂。
因此，这种双CPU的MVB设备不利于扩展应用。
单CPU的MVB设备，需要配合其他模块才能实现控制功能。CPU主要处 理MVB通讯。其他模块例如数据采集模块，用于采集数字量、模拟量。多 串口通讯模块，用于与列车上其它具有RS485接口 、 CAN总线接口或 LONWORK总线接口的设备进行数据交换。数字量和模拟量输出模块，用于直 接控制现场设备如开关、继电器等，实现控制功能。这种单CPU外加功能模块 的MVB设备的体积较大，不易应用在空间紧凑的汽车或列车上。
实用新型内容
本实用新型解决的技术问题是提供一种多功能车厢总线4类设备，所述设 备的体积小，能够方便安装于空间紧凑的汽车或列车上。
本实用新型提供一种多功能车厢总线设备，包括微处理器，以及与所述微 处理器连接的存储器、多功能车厢总线子系统、可编程逻辑器件、电源电路及 复位电路，所述可编程逻辑器件用于将所述微处理器的控制信号、地址信号进 行时序调整后传递至所述多功能车厢总线子系统；所述微处理器包括一个主中 央处理单元和一个增强型时间处理器；所述主中央处理单元，用于响应中断和 运行列车通信网协议栈；所述增强型时间处理器，用于控制列车运行。
优选地，所述存储器包括同步动态随机存储器、非易失性随机访问存储器 和Flash;
所述同步动态随机存储器，用于作为程序的运行空间； 所述非易失性随机访问存储器，用于暂存程序； 所述Flash,用于存储程序。
优选地，所述电源电路包括5V电源，用于为多功能车厢总线系统供电。
优选地，所述电源电路还包括开关电源，用于将5V电源转换为3.3V电 源；所述3.3V电源，用于为微处理器的IO 口以及CPU外围设备供电。
优选地，所述电源电5^还包括线性电源，用于将3.3V电源转舉，为L5V电 源；所述1.5V电源，用于为微处理器的内核供电。
优选地，所述多功能车厢总线设备还包括第一指示灯和第二指示灯，分别 用于指示所述5V电源和3.3V电源是否接通。优选地，所述多功能车厢总线设备还包括第三指示灯，用于指示所述微处 理器工作是否正常。
优选地，所述多功能车厢总线设备还包括第四指示灯、第五指示灯和/或
第六指示灯；
所述第四指示灯，用于指示多功能车厢总线站的工作状态； 所述第五指示灯，用于指示多功能车厢总线控制器工作是否正常； 所述第六指示灯，用于指示多功能车厢总线通讯的质量。 优选地，所述微处理器还包括通用异步串行通信接口 ，用于进行程序调试。 优选地，所述微处理器还包括以太网控制器，用于控制以太网收发器。 与现有技术相比，本实用新型具有以下优点
本实用新型提供一种多功能车厢总线4类设备，所述设备包括微处理器及 其外围设备。所述^t处理器包括主中央处理单元和增强型时间处理器。所述主 中央处理单元，用于响应中断和运行列车通信网协议栈。所述增强型时间处理 器，控制脉沖宽度调制、步进电机、油嘴喷油及打火。所述增强型时间处理器 用于实现与时间参数密切相关的功能。这样所述主中央处理单元可以解放出来 专门处理中断，进而提高整个微处理器的工作效率。由于本实用新型所述微处 理器集成了中央处理单元和增强型时间处理器，所以本实用新型^是供的多功能 车厢总线设备体积小，便于安装应用。
图1是基于本实用新型多功能车厢总线4类设备第一实施例结构图； 图2是基于本实用新型所述多功能车厢总线子系统结构图； 图3是基于本实用新型多功能车厢总线4类设备的电源电路原理图； 图4是基于本实用新型多功能车厢总线4类设备第二实施例结构图； 图5是基于本实用新型所述指示灯阵列示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附 图对本实用新型的具体实施方式
做详细的说明。
参见图1,该图为基于本实用新型多功能车厢总线4类设备第一实施例结 构图。
6本实用新型所述多功能车厢总线4类设备包括主中央处理单元101、增强
型时间处理器102 (ETPU, Enhanced Time Processor)、存储器103、 MVB子 系统104、电源电路105、复位电路106和可编程逻辑器件(CPLD, Complex Programmable Logic Device) 107。
需要说明的是，本实用新型所述多功能车厢总线4类设备包括的微处理器 包括所述主中央处理单元101与所述ETPU102。
所述主中央处理单元101,用于处理中断以及运行TCN协议栈等。
所述ETPU102,用于控制脉冲宽度调制、步进电^L、油嘴喷油及打火。 例如，本实用新型所述设备通过所述MVB子系统104接收来自司机室主控屏 的加速信号，在所述ETPU102单元中进行数据运算，通过ETPU102输出满足 控制要求的脉宽调制信号，控制电机按设定曲线进行加速。
所述CPLD107,用于将CPU的控制信号和地址信号进行时序调整后传递 至所述MVBC104，以满足二者的时序匹配。
本实用新型优选飞思卡尔coldfire系列的MCF5235的微处理器。MCF5235 包括一个主CPU和一个ETPU。所述ETPU处理一些与时间密切相关的参数， 例如PWM调制、脉冲、步进电积>控制和频率测量等等。
需要说明的是，本实用新型所述微处理器可以根据需要选择其他型号，只 要可以完成本实用新型所述的功能即可。
所述存储器103,用于存储系统运行时的程序和数据。
所述MVB子系统104，用于完成列车通讯网络通讯。
所述电源电路105,用于为整个多功能车厢总线设备提供工作电源。
所述复位电路106，用于为微处理器提供复位。
本实用新型所述多功能车厢总线4类设备，采用先进的微处理器，所述 微处理器包括主CPU101和ETPU102。由于所述ETPU102专门用于处理与时 间参数密切相关的参数，因此所述主CPU101可以解放出来专门处理中断，这 样大大提高了主CPU101的工作效率。而且所述主CPU101与所述ETPU102 集成在一个纟敖处理器上，功能强大，体积小，整体减少了所述多功能车厢总线 设备的体积，便于安装应用。
以下结合附图详细说明本实用新型所述多功能车厢总线子系统。
7参见图2,该图为本实用新型所述多功能车厢总线子系统结构图。 所述多功能车厢总线子系统包括多功能车厢总线緩冲器、存储器和控制
器。所述緩冲器与所述^敖处理器连接；所述存储器与所述緩冲器连接；所述控 制器与所述存储器连接。
主CPU101控制MVBC104a的读写信号及片选，如图2所示的控制总线。 主CPU101的地址总线通过MVB地址緩沖器104b连接所述MVBC104a。主 CPU101的数据总线通过MVB数据緩冲器104c连接MVB通讯存储器104d。 MVBC104a的MVB总线接口 104e连接外部MVB节点。需要说明的是，所 述MVB的总线接口 104e可以连接两个以上MVB节点。
所述MVBC104a主要完成IEC61375-1标准的物理层和链路层，对数字 信号进行编码、解码、冗余和校验，与协议栈结合可以实现过程数据通讯、消 息数据通讯、事件轮询、设备状态轮询、主权转移、总线管理等等功能等。
以下结合附图详细说明本实用新型所述多功能车厢总线设备的电源电路。
参见图3,该图为基于本实用新型多功能车厢总线4类设备的电源电路 原理图。
本实用新型所述多功能车厢总线4类设备的板级电源使用三种电源，分 别是5V、 3.3V和1.5V。
第一 DC/DC301将110V电压转换为5V直流电压。第二 DC/DC302将所 述5V直流电压转换为3.3V直流电压。线性电源(LDO, Low Dropout Regulator) 303将所述3.3V转换为1.5V直流电压。
需要说明的是，本实用新型所述第二 DC/DC302优选开关电源，开关电 源可以4是高电源效率。所述开关电源具体可以选择开关电源LM2853来实现。 当然也可以根据实际需要选择其他型号的开关电源，将5V直流电压转换为 3.3V直流电压。
本实用新型所述线性电源303优选线性电源，线性电源可以提高微处理 器内核电压的稳定性。所述线性电源具体可以选择LP3882来实现。当然也可 以根据需要选择其他型号的线性电源，将3.3V直流电压转换为1.5V直流电压。
需要说明的是，本实用新型所述5V直流电压为所述MVB子系统104供电。
所述3.3V直流电压为所述微处理器的IO 口以及微处理器的外围设备供
电。例如为存储器、以太网物理层芯片(PHY, Physical Layer)、微处理器的地址、数据和控制总线的緩冲器等供电。
所述1.5V直流电压为所述微处理器的内核提供电源。
参见图4,该图为基于本实用新型多功能车厢总线4类设备第二实施例结构图。
本实用新型多功能车厢总线4类设备第二实施例与第一实施例的区别是增加了以太网控制器108、以太网收发器109、通用异步串行收发器接口(UART, Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 110、 RS232接口 111和指示灯阵列112。
所述微处理器内嵌以太网控制器108，因此本实用新型所述设备只需要外加以太网收发器109。
本实用新型优选MICREL公司的KSZ8721BLI作为所述以太网收发器109。另外为了防止所述以太网收发器109受到外部冲击，在以太网入口处增加SLVU2.8作为防浪涌保护器件。
所述以太网收发器109可以直接连接外部网络，从而实现多功能车厢总线设备与外部网络通讯。
所述微处理器内嵌UARTllO。所述UART110连接所述RS232接口 111。所述RS232接口 111,用于将主CPU101的电平转换为232电平。本实用新型所述RS232 4妄口 111优选MAX202。
本实用新型所述RS232接口主要作为串口 ，用来调试程序。
另外为了防止所述MAX202收到外部沖击，在所述MAX202入口处连接PSOT15C作为防浪涌保护器件。
以下结合附图5详细说明所述指示灯阵列112。
参见图5,该图为基于本实用新型所述指示灯阵列示意图。
所述指示灯阵列112包括8个指示灯。其中2个指示灯用于预留给客户应用程序使用。
第一指示灯112a和第二指示灯112b,分别用于指示所述5V和3.3V电源是否接通。
当电源接通时，所述指示灯亮；当电源未接通时，所述指示灯灭。
第三指示灯112c，用于指示所述微处理器工作是否正常。
当微处理器工作正常时，所述第三指示灯112c灭；当微处理器工作故障时，所述第三指示灯112c亮。
第四指示灯112d、第五指示灯112e和第六指示灯112f用于指示多功能车厢总线控制器的工作状态。
第四指示灯112d,用于指示MVB站的工作状态。
例如，当所述第四指示灯112d常亮时，表明MVB工作于主站状态。当所述第四指示灯112d常灭时，表明MVB工作于从站状态。当所述第四指示灯112d闪烁时，表明MVB作为主站备份冗余时，切换主站的工作状态。
第五指示灯112e常亮表示MVBC芯片工作正常，常灭表示MVBC芯片工作异常。
第六指示灯112f，用于指示MVB总线通讯的质量。
第六指示灯112f常灭表示MVBC通讯质量良好，闪烁表示接收到4昔帧，闪烁的速度与该时段的错帧率成正比。
例如，当第六指示灯112f不亮时，表明MVB总线上通讯良好，传输的数据没有错帧。当第六指示灯112f闪烁的速度慢时，表明MVB总线上通讯出现故障，但传输的数据中有较少的错帧。当第六指示灯112f闪烁的速度快时，表明MVB总线上通讯出现故障，但传输的数据中有很多错帧。
第七指示灯112g和第八指示灯112h用于本实用新型多功能车厢总线设备中除了 MVB子系统以外的外设的硬件自检。例如微处理器ls内自检一次其外设的工作状态，当检测到有的外设出现故障时，第七指示灯或第八指示灯亮，提示设备出现故障。
需要说明的是，所述指示灯阵列112可以根据实际需要添加或减少指示灯的个数。
需要说明的是，本实用新型实施例所述多功能车厢总线设备包含的复位电路106的复位信号同时传输给孩i处理器和CPLD107。
所述复位电路106的复位主要有两种情况。第一种是上电复位。第二种是看门狗复位，即当微处理器或CPLD107工作出现故障时，外部看门狗得不到周期性指令，从而复位微处理器和CPLD107。
需要说明的是,本实用新型所述多功能车厢总线设备的存储器103包括同步动态随机存储器(SDRAM， Synchronous Dynamic Random Access Memory )、非易失性随机访问存储器(NVRAM, Non-Volatile Random Access Memory)和Flash 。
所述SDRAM,用于作为程序的运行空间。所述NVRAM,用于暂存程序。
所述NVRAM暂存将要写到FLASH种的数据。因为FLASH的寿命有限，不能太频繁的写入。因此将要写入的数据先写到NVRAM中，例如可以累积到4K字节再一次性写入Flash,不用逐个字节的写入Flash。
所述Flash，用于存储程序。
本实用新型实施例所述多功能车厢总线4类设备，所述设备包括指示灯阵列112。通过所述指示灯阵列112可以直观知悉设备的工作状态，当设备运行出现故障时，用户便于及时做出反应。本实用新型所述微处理器内嵌以太网控制器108，可以通过外扩以太网收发器与外部网络进行通信。由于本实用新型所述^t处理器集成了功能强大的外设资源，因此本实用新型所述多功能车厢总线设备可以集成在体积很小的电路板上，便于安装应用。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。
权利要求1、一种多功能车厢总线设备，包括微处理器，以及与所述微处理器连接的存储器、多功能车厢总线子系统、可编程逻辑器件、电源电路及复位电路，其特征在于，所述可编程逻辑器件用于将所述微处理器的控制信号、地址信号进行时序调整后传递至所述多功能车厢总线子系统；所述微处理器包括一个主中央处理单元和一个增强型时间处理器；所述主中央处理单元，用于响应中断和运行列车通信网协议栈；所述增强型时间处理器，用于控制列车运行。
2、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述存储器包括同步动态 随机存储器、非易失性随机访问存储器和Flash;所述同步动态随机存储器，用于作为程序的运行空间； 所述非易失性随机访问存储器，用于暂存程序； 所述Flash,用于存储程序。
3、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电源电路包括5V电 源，用于为多功能车厢总线系统供电。
4、 根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述电源电路还包括开关 电源，用于将5V电源转换为3.3V电源；所述3.3V电源，用于为微处理器的 IO 口以及CPU外围设备供电。
5、 根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述电源电路还包括线性 电源，用于将3.3V电源转换为1.5V电源；所述1.5V电源，用于为微处理器 的内核供电。
6、 根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述多功能车厢总线设备 还包括第一指示灯和第二指示灯，分别用于指示所述5V电源和3.3V电源是 否接通。
7、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多功能车厢总线设备 还包括第三指示灯，用于指示所述微处理器工作是否正常。
8、 根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述多功能车厢总线 设备还包括第四指示灯、第五指示灯和/或第六指示灯；所述第四指示灯，用于指示多功能车厢总线站的工作状态； 所述第五指示灯，用于指示多功能车厢总线控制器工作是否正常；所述第六指示灯，用于指示多功能车厢总线通讯的质量。
9、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述微处理器还包括通用 异步串行通信接口 ，用于进行程序调试。
10、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述微处理器还包括以太 网控制器，用于控制以太网收发器。
专利摘要本实用新型提供一种多功能车厢总线4类设备，包括微处理器，以及与所述微处理器连接的存储器、多功能车厢总线子系统、可编程逻辑器件、电源电路及复位电路，所述可编程逻辑器件用于将所述微处理器的控制信号、地址信号进行时序调整后传递至所述多功能车厢总线子系统所述微处理器包括一个主中央处理单元和一个增强型时间处理器；所述主中央处理单元，用于响应中断和运行列车通信网协议栈；所述增强型时间处理器，用于控制列车运行。由于本实用新型所述微处理器集成了中央处理单元和增强型时间处理器，所以本实用新型提供的多功能车厢总线设备体积小，便于安装应用。
文档编号B60R16/02GK201300792SQ20082013709
公开日2009年9月2日 申请日期2008年10月24日 优先权日2008年10月24日
发明者付如愿, 军 刘, 易伟民, 林 罗, 肖家博 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司