摘?要：以Xilinx公司的ISE為開發平臺，采用Xilinx Spartan2e XC2S200-5PQ2081芯片，實現了MVB1類設備控制器" title="設備控制器">設備控制器的功能，并搭建了測試模型，在Modelsim中仿真了其收/發幀及報文分析等功能，得到了符合IEC61375協議的幀波形。
關鍵詞：MVB控制器專用芯片? FPGA? MVB1類設備控制器
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??? MVB（多功能車輛總線）控制器是MVB上的核心處理器，它獨立于物理層和功能設備，為在總線上的各個設備提供通訊接口和通訊服務。在MVB協議結構層次中，MVB控制器完成鏈路層的功能，依靠物理層發送和接收具有電氣特征的電信號，同時為網絡層提供過程數據（包括監視數據）、消息數據的變量接口。該接口采用TM（共享通訊存儲器）實現，即應用層的CPU和鏈路層的MVB控制器一致地訪問TM，即對端口中所有數據的讀和寫在一次不可分割的操作中完成[1-2]。
目前國外廠商壟斷著對MVB控制器芯片的制造，致使在國內購買MVB控制器芯片價格昂貴。用FPGA替代MVB控制器專用芯片，是一個很好的解決方案。FPGA作為一種可編程邏輯器件，可以完成數字集成電路的大多數功能，由于其內部有豐富的可編程資源，使模塊的修改、驗證、功能擴展都十分方便。應用FPGA還可以在內部實現與應用處理器的接口轉換，簡化外圍電路[3]。另外，FPGA低廉的價格也是其替代專用集成電路的一大優勢。
在MVB中大量應用具有過程數據傳輸和設備狀態數據傳輸能力的1類設備。1類設備邏輯不支持CPU或微處理器的操作。它主要作為傳感器執行單元，只進行數據的采集和傳輸，不進行處理，因此可以單獨用FPGA和簡單外圍電子電路實現網絡傳輸和控制功能，不需要CPU[4～5]。在設計好MVB1類設備控制器的基礎上，可根據需要采用模塊復用技術把MVB1類設備控制器擴展為MVB2、3、4或5類設備控制器[6]。
1 總體結構
設計中采用自頂向下的方法。自頂向下的設計是從系統級開始，把系統劃分為若干個基本單元，然后再把每個單元劃分為下一層次的基本單元，直到可以直接用EDA元件庫中的基本元件實現為止。MVB1類設備控制器的頂層結構主要包括發送模塊" title="發送模塊">發送模塊、接收模塊" title="接收模塊">接收模塊和MVB1類模式控制模塊" title="控制模塊">控制模塊[7-8]，如圖1所示。當MVB1類設備被16位主幀輪詢時，1類設備控制器先判斷該主幀的第11至４位是否與設備所配置的設備地址相同，如果相同則表明該設備被尋址，需響應從幀或接收其他從設備響應的從幀。
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1.1 發送模塊
??? 發送模塊實現的功能是把MVB1類設備控制器從TM中提取的數據進行并串轉換，加上幀頭、起始位和CRC校驗后再經過曼徹斯特編碼發送到MVB上。
1.2 接收模塊
接收模塊的功能主要有兩部分：譯碼，即對MVB1類設備控制器從MVB上檢測到的曼徹斯特碼進行解碼，串并轉換后存儲在緩沖區中；線路檢測，主要檢測線路上的各種錯誤（包括CRC校驗、幀長檢測、曼徹斯特碼違規等），并向MVB1類模式控制模塊提交錯誤報告。
1.3 MVB1類設備控制模塊
MVB1類設備控制模塊包括報文超時單元、報文錯誤處理單元、主幀寄存器單元、TM控制單元" title="控制單元">控制單元和主控單元，如圖2所示。
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1.3.1 報文超時單元
在主幀結束后的一定時間，接收模塊沒有報告收到正確的從幀，本單元產生應答超時信號；接收模塊沒有報告接收到正確的主幀，本單元產生線路超時信號。
1.3.2 報文錯誤控制單元
接收模塊報告收到正確主幀時，請求主幀寄存器單元向接收模塊發讀主幀命令，對錯誤主幀不處理。收到正確的從幀時，請求主控單元發存儲從幀命令，對錯誤從幀不處理。無應答超時下收到多個主幀，只應用最后一個。兩個主幀間有多個從幀，只對第一個從幀處理。
1.3.3 主幀寄存器單元
當報文分析單元收到正確的主幀后產生讀取主幀rd_mf信號，通知接收模塊把緩沖區的主幀數據送入數據總線供本單元讀入到MFR(主幀寄存器)中；比較MFR與設備地址，如果相同則產生設備尋址信號device_sele送往主控單元,表示選中該設備以期進行下一步操作。
1.3.4 TM訪問控制單元
TM訪問控制單元的功能包括：產生對TM的讀寫控制和片選信號；判斷f_code（主幀高四位），如果在０～４之間，表明該主幀是過程數據請求，如果為15，表明該主幀是設備狀態請求。當主幀是過程數據請求時，如果主幀的低四位在0～7之間，表明主幀訪問的是源端口（產生source信號），控制器從TM中提取從幀經發送模塊發送出去；如果是在8～15之間，表明主幀訪問的是宿端口（產生sink信號），控制器等待接收其他從設備發送的從幀數據。對端口15的寫操作將觸發同步信號strobe_n有效。當主幀是設備狀態請求時，由本單元內部產生設備狀態報文響應從幀數據，經發送模塊發送。狀態機如圖3所示。
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狀態機在IDLE狀態且read_mf信號有效時，跳轉到RECEIVE_MF狀態。此時若收到source信號，則跳轉到SEND_SF_READY狀態，準備發送從幀；如果收到sink信號，則跳轉到RECEIVE_SF_READY狀態，準備接收從幀。狀態機在SEND_SF_READY狀態，收到send_slave_frame信號，跳轉到SEND_SF，發送從幀。此時TM訪問控制單元實現兩種功能：f_code為0～4時對外部TM發出讀請求；f_code為15時，產生DSR_RD響應設備狀態請求。對TM的讀請求包括TMCS_N與TMRD_N，如圖４所示,當f_code為0～4之間時，TMCS有效，表示對外部TM中進行讀/寫操作。本單元定義了計數器counter用來產生讀請求TMRD_N，如圖4中當f_code為0010時，要從TM讀取4個word的從幀，計數器從此狀態初計數，計到1、3、5、7時TMRD_N為低電平。外部TM每接到一個TMRD_N信號，提取一個字的數據到數據總線。當計數器計到7時，已經從TM中提取了正確長度的從幀，狀態機跳轉到SEND_SF_OVER狀態，表示讀從幀結束。f_code為15時，counter計數到1產生低脈沖信號DSR_RD，同時產生設備狀態響應。TMRD_N有效時，本單元將向發送模塊發送receive_data信號，通知它準備接收數據總線上的數據。狀態機在RECEIVE_SF_READY狀態時，如果收到應答超時或者從幀錯誤信號，則跳回到IDLE狀態，準備重新接收下一主幀請求；如果收到save_slave_frame信號，則跳轉到RECEIVE_SF狀態準備接收從幀。狀態機在RECEIVE_SF時，TM訪問控制單元向外部TM發出寫請求。寫請求信號包括TMCS_N和TMWR_N信號，其時序圖如圖４所示。同樣，寫請求TMWR_N的產生與讀請求類似。當向TM中寫入正確長度的從幀數據時，狀態機跳轉到RECEIVE_SF_OVER狀態，表示寫從幀操作結束。當TMWR_N信號有效時，本單元向解碼模塊發送rd_sf信號，表示要從該模塊提取從幀到數據總線上。在SEND_SF_OVER或RECEIVE_SF_OVER狀態將直接跳回IDLE。
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1.3.5 主控單元
產生read_mf信號，作為TM訪問控制單元讀取主幀寄存器的使能信號。
??? 如果收到TM控制單元送來的source信號，則在本單元內產生send_slave_frame信號送往TM控制單元和發送模塊，通知TM控制單元從TM中提取數據到數據總線上，再由發送模塊提取數據到發送FIFO中以發送；如果收到TM控制單元送來的sink信號，并且報文錯誤，處理單元報告收到正確的從幀，在本單元內部將產生save_slave_frame信號送往TM控制單元，通知TM控制單元準備接收從幀并存儲到TM中。主控單元各個信號的產生時序圖如圖５所示。
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1.4 總線復用器
為了節省資源，在MVB1類設備控制器頂層模塊定義了總線復用器，用來實現各個模塊的總線共享。為了避免總線沖突，同一時刻只能有一個模塊向總線發送數據以供其他模塊接收，總線在空閑時呈高阻態。各個模塊訪問總線機制采用多路選擇器的方式，如圖６所示。
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當TMRD_N有效時，控制器從TM中提取的數據經存儲器輸出數據總線data_out_buffer_mem被輸入到控制器內部公共數據總線上，以供發送模塊接收。當DSR_RD信號有效時，由TM控制模塊產生16位從幀數據,經數據總線data_out_buffer_tmc發送到公共數據總線上供發送模塊接收。當rd_sf或rd_mf信號有效時，接收模塊FIFO中的數據經數據總線data_out_buffer_decoder被送至公共數據總線上以供TM或TM控制模塊接收。
2 測試
MVB1類設備控制器的測試模型如圖７所示。測試MVB1類設備控制器的功能包括：測試是否能收到正確的主幀；收到正確主幀后，如果主幀是過程數據請求，并且訪問的是源端口，能否從TM提取數據發送到MVB上；如果訪問的是宿端口，能否正確接收其他從設備發送到MVB上的從幀，再發送到MVB總線上。為了進行有效測試，如圖7所示定義了可以調用發送主/從幀命令的測試模型mcu_model、提供發送主/從幀數據的模型tm_model及MVB1類設備外部TM模型。
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圖8、圖9為部分仿真波形。發送模塊１發送主幀0c50。由圖８可知，MVB1類設備控制器檢測到發送模塊1發送的主幀后，通過總線data_out_buffer_mem從外部TM中提取一個字長的數據到數據總線上經發送模塊２發送。由仿真圖可以看出TMCS_Ｎ及TMRD_N有效。
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??? 發送模塊１發送主幀0c5f后再發送16 位從幀數據。由圖9可知控制器檢測到發送模塊１發送的主幀后，又收到16位的從幀數據，并通過總線data_in_buffer_mem把數據送到TM中。由于是對端口15的操作，由圖中可以看出TMCS_N、TMWR_N及同步信號strobe_n有效。
本文在研究MVB的基礎上，用FPGA實現了MVB1類設備控制器的設計，具體描述了1類設備控制器各個模塊的功能及設計方法。經過仿真驗證，該1類設備控制器能夠成功收發幀數據，對報文進行分析，并且由于該1類設備控制器采用了自頂向下的設計原則，設計的各個子模塊功能相互獨立，因此易于擴展。當設計MVB2、3、4或5類設備控制器時，可以在本設計的基礎上采用模塊（發送模塊、接收模塊）復用的方法，從而有效地節省資源。經過實踐證明使用該設計比購買專用處理芯片MVB控制器大大節省了成本。
參考文獻
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《電子技術應用》2007年第2期