劉 峰， 胡黃水＊， 王宏志， 王 博

（1.長春工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130012；2.長春市軌道交通集團有限公司，吉林 長春 130062）

0 引 言

多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB）和絞線式列車總線（Wired Train Bus，WTB）構(gòu)成了列車通信網(wǎng)絡(luò)總線（Train Communication Network，TCN），它具有實時性強、可靠性高、冗余和容錯性能良好的特點，在高鐵、動車等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

目前國內(nèi)外學(xué)者已對MVB網(wǎng)絡(luò)從各個方面進行了研究，文獻［2］對多功能車輛總線事件仲裁進行了優(yōu)化和設(shè)計；文獻［3］對MVB基帶傳輸系統(tǒng)的帶寬以及傳輸介質(zhì)信道特性等進行了廣泛研究。在MVB網(wǎng)絡(luò)通信建模方面，文獻［4］采用Petri網(wǎng)建模方法對MVB網(wǎng)絡(luò)單純過程數(shù)據(jù)通信的吞吐性能進行了分析；文獻［5］采用集成在Simulink之中的Stateflow圖形化設(shè)計開發(fā)工具對MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信進行建模與仿真，分析MVB網(wǎng)絡(luò)的實時性能?，F(xiàn)有模型通常針對MVB網(wǎng)絡(luò)某方面研究內(nèi)容而建，缺乏通用性；所建模型對MVB網(wǎng)絡(luò)性能的分析內(nèi)容比較單一而且沒有可視效果，而OMNeT＋＋網(wǎng)絡(luò)仿真平臺具有強大完善的圖形界面接口，可以直觀體現(xiàn)MVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信過程，同時具備方便快捷的編程調(diào)試和跟蹤支持等功能。

因此，文中采用OMNeT＋＋網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，建立MVB網(wǎng)絡(luò)模型及過程數(shù)據(jù)實時性計算模型，并通過分析和測試MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信的性能來對模型進行驗證。

1 MVB網(wǎng)絡(luò)

MVB總線網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)車廂內(nèi)設(shè)備的連接，其數(shù)據(jù)傳輸速率為1.5Mbit／s，響應(yīng)速度快，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纖。MVB總線上掛接的所有設(shè)備有固定的地址和結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型結(jié)構(gòu)的主從模式。MVB網(wǎng)絡(luò)中在同一工作時間內(nèi)有一個總線主設(shè)備（總線管理器），負(fù)責(zé)控制整個車廂內(nèi)各從設(shè)備對MVB總線的訪問。IEC61375標(biāo)準(zhǔn)對MVB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幀格式等技術(shù)特點進行了詳細規(guī)定，現(xiàn)進行簡單介紹［1］。

1.1 MVB物理層及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MVB總線網(wǎng)絡(luò)物理層結(jié)構(gòu)由一個或者多個總線段構(gòu)成，其中總線段包括：電氣短距離介質(zhì)（ESD），在無電氣隔離情況下，20.0m傳輸范圍內(nèi)可支持設(shè)備數(shù)最大為32個；電氣中距離介質(zhì)（EMD），在200.0m的傳輸范圍內(nèi)，每段可支持設(shè)備數(shù)最大為32個；光纖介質(zhì)（OGF），通過星耦器匯出，傳輸距離可達2.0km。

圖1 MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MVB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中各個總線段經(jīng)由連接不同介質(zhì)的中繼器或者將光纖匯入總線的星耦器兩種方式相互連接。

1.2 MVB的幀格式

MVB總線網(wǎng)絡(luò)有兩種幀格式：一種幀為由MVB總線主設(shè)備（總線管理器）發(fā)出的主幀；另一種幀為響應(yīng)主幀而由源設(shè)備發(fā)出的從幀。如圖2所示。

圖2 主從幀格式

主幀包括：起始分界符、16位幀數(shù)據(jù)及8位校驗序列。

從幀包括：始分界符及16、32、64、128或256位幀數(shù)據(jù)組成。

其中在每64個數(shù)據(jù)位后面附加上一個8位的校驗序列，如果幀數(shù)據(jù)只有16或32位時，則將一個8位的校驗序列附加在幀數(shù)據(jù)后面。

2 MVB網(wǎng)絡(luò)建模

基于OMNeT＋＋網(wǎng)絡(luò)仿真平臺［6］，通過拓?fù)涿枋稣Z言（.ned語言）分別構(gòu)建MVB網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、過程數(shù)據(jù)通信及過程數(shù)據(jù)實時性計算模型。

2.1 MVB網(wǎng)絡(luò)節(jié)點建模

采用拓?fù)涿枋稣Z言的簡單模塊和復(fù)合模塊建立MVB節(jié)點模型，包括主設(shè)備節(jié)點模型和從設(shè)備節(jié)點模型。其中簡單模塊包括parameters和gates字段，這部分用C＋＋語言進行描述定義。簡單模塊可以被復(fù)合模塊所嵌套，通過嵌套將MVB網(wǎng)絡(luò)中的總線管理器（主設(shè)備節(jié)點）和車廂內(nèi)各設(shè)備（從設(shè)備節(jié)點）抽象為復(fù)合模塊，進行MVB網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的建模［7］。

主從設(shè)備節(jié)點模型如圖3所示。

圖3（a）為主設(shè)備節(jié)點模型，其中包括Data＿Sources、TxS＿0、RxS＿0、Data＿Process0四個簡單模塊，其中Data＿Sources簡單模塊為數(shù)據(jù)源，通過指定的分布函數(shù)發(fā)送事先定義好的周期掃描表中的主幀；RxS＿0為MVB總線接收器，主要負(fù)責(zé)接收MVB總線上的數(shù)據(jù)；TxS＿0為MVB總線發(fā)送器，主要負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)發(fā)送到MVB總線上；Data＿Process0模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理。

圖3 主從設(shè)備節(jié)點模型

圖3 （b）為從設(shè)備節(jié)點模型，其中包括MVB總線發(fā)送器TxS＿1，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)發(fā)送到MVB總線上；MVB總線接收器RxS＿1，負(fù)責(zé)接收MVB總線上的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊為Data＿Process1。

2.2 MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模

OMNeT＋＋仿真平臺的運行需要給出MVB網(wǎng)絡(luò)的定義，其中一個完整的網(wǎng)絡(luò)包括一個或多個模塊（可為簡單模塊或者復(fù)合模塊），各個模塊之間通過端口（gates）進行連接。端口包括輸入和輸出端口，輸入端口負(fù)責(zé)接收消息，輸出端口負(fù)責(zé)發(fā)送消息。MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ腿鐖D4所示。

圖4 MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/p>

圖中包括一個總線管理器（Bus＿Administrator）、MVB＿Bus和N（N≤32）個設(shè)備節(jié)點（slave 0～slave N），這里取N＝7，所有的節(jié)點掛在MVB總線上進行通信。

MVB＿Bus網(wǎng)絡(luò)總線在OMNeT＋＋中是通過信道定義描述的，其中包括傳播延時、數(shù)據(jù)傳送速率及誤比特率等參數(shù)。根據(jù)ICE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，信道進行如下定義：

2.3 MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信建模

MVB總線主設(shè)備節(jié)點的Data＿Sources簡單模塊作為數(shù)據(jù)源，通過指定的分布函數(shù)發(fā)送事先定義好的周期掃描表中的主幀。根據(jù)ICE標(biāo)準(zhǔn)，主幀和響應(yīng)它的從幀之間的時間間隔應(yīng)小于4ms，為迅速做出響應(yīng)，源設(shè)備準(zhǔn)備好從幀等待發(fā)送。設(shè)備將數(shù)據(jù)存放在被稱為端口的寄存器中。主幀的長度固定為33位，其中包括4位F代碼，其含義見表1。

MVB過程數(shù)據(jù)通信方式如圖5所示。

MVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)主要包括：消息數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、監(jiān)督數(shù)據(jù)，MVB總線網(wǎng)絡(luò)中主要以過程數(shù)據(jù)為主。其中過程數(shù)據(jù)為周期性無確認(rèn)的廣播通信，主要采用主從控制的介質(zhì)訪問方式。

表1 MVB功能代碼表

其控制流程為：MVB總線主設(shè)備（總線管理器）對整個MVB總線網(wǎng)絡(luò)進行控制，MVB總線主設(shè)備發(fā)送主幀，與主幀中地址域相符的源設(shè)備發(fā)送從幀，與主幀中地址域一致的宿設(shè)備接收此從幀［8］。

主從設(shè)備運行流程圖如圖6所示。

圖6（a）為主設(shè)備節(jié)點運行流程圖。在MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信時，主設(shè)備節(jié)點根據(jù)周期輪詢表進行過程數(shù)據(jù)的傳輸。首先，仿真模型運行時進入初始化狀態(tài)，MVB總線主設(shè)備發(fā)送事先定義好的周期掃描表中的主幀，然后進入等待狀態(tài)，當(dāng)MVB總線空閑且輸入數(shù)據(jù)中斷時，進入TxS＿1（發(fā)送器）狀態(tài)，進行MVB總線數(shù)據(jù)發(fā)送；如果輸入數(shù)據(jù)中斷到來且MVB總線忙時，進入等待狀態(tài)，當(dāng)MVB總線空閑再跳入發(fā)送器狀態(tài)；一次輪詢結(jié)束后，然后重新進入設(shè)備地址讀取狀態(tài)，進行下一次的輪詢。

圖5 MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信方式

圖6 MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信方式

圖6 （b）為從設(shè)備節(jié)點運行流程圖，在從設(shè)備中包括兩個端口：宿端口和源端口。在MVB網(wǎng)絡(luò)進行過程數(shù)據(jù)的傳輸時，當(dāng)源端口接收到與自己地址域相符的主幀時，源設(shè)備發(fā)送從幀；當(dāng)宿端口自身地址與主幀數(shù)據(jù)中的地址域相符時，此從設(shè)備接收源設(shè)備發(fā)出的從幀進行響應(yīng)。

2.4 MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)實時性計算模型

主從設(shè)備節(jié)點端到端的傳輸延時包括［9］：過程數(shù)據(jù)幀在端口發(fā)送寄存器的編碼延時Tc、介質(zhì)傳輸延時Tt、發(fā)送過程數(shù)據(jù)幀延時Ts、接收過程數(shù)據(jù)幀延時Tr、中繼器延時Tre、數(shù)據(jù)處理延時Tp，則MVB總線完成一次端到端的數(shù)據(jù)傳輸延時如圖7所示。

圖7 MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)端到端傳輸延時

由于過程數(shù)據(jù)報文處理延時Tp與設(shè)備處理器延時有關(guān)，在分析MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)延時可暫時不考慮。則過程數(shù)據(jù)幀傳輸延時T＿delay可表示為發(fā)送寄存器中數(shù)據(jù)進行編碼，通過發(fā)送器發(fā)送到MVB總線到達從設(shè)備節(jié)點，節(jié)點接收器接收數(shù)據(jù)幀并進行解碼所用的時間，即：

設(shè)報文長度為Ljbit，MVB網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率為v（bit／s），由圖2可知，MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)分為33、49、81、153和297bit 5種格式，通過數(shù)據(jù)幀度與傳輸速率之比可確定數(shù)據(jù)幀發(fā)送延時Ts、數(shù)據(jù)幀接收延時Tr；MVB通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)均是雙絞線，傳輸延時Tt為傳輸距離l與傳輸速率之比；設(shè)備間中繼器個數(shù)為i個（T＿reply＿def的值為42.7μs，限定了中繼器個數(shù)i≤4），則中繼器延時為iTre；過程數(shù)據(jù)解碼延時Td受解碼方式及解碼數(shù)據(jù)幀的格式的約束；由于過程數(shù)據(jù)主幀是在周期掃描表中事先定義好的及過程數(shù)據(jù)從幀已存放在源端口等待發(fā)送，則數(shù)據(jù)編碼延時Tc可以忽略不計。

MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)采用主從輪詢介質(zhì)訪問控制方式，MVB總線完成一次過程數(shù)據(jù)傳輸延時包括：

1）主設(shè)備節(jié)點發(fā)送主幀依次輪詢各從節(jié)點的時間Tmaster；

2）經(jīng)過對比與主幀中地址字段相同的從設(shè)備節(jié)點發(fā)送不同數(shù)據(jù)格式的響應(yīng)從幀時間Tslave。當(dāng)主設(shè)備對從設(shè)備進行輪詢時：

當(dāng)源設(shè)備對所有端口為宿的從設(shè)備進行輪詢時：

通過聯(lián)立式（1）、（2）、（3）得出MVB總線完成一次報文數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間為：

式中：l′——源設(shè)備發(fā)出的從幀傳輸?shù)钠骄嚯x；

l——主幀傳輸?shù)钠骄嚯x；

L——主幀長度；

Li——分別代表5種從幀格式長度，i＝1，2，…，5。

3 仿真分析與測試

基于OMNeT＋＋網(wǎng)絡(luò)仿真平臺創(chuàng)建MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信仿真模型，其中包括一個總線管理器（Bus＿Administrator）、MVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸總線MVB＿Bus和8個從設(shè)備節(jié)點（slave 0～slave 7），所有節(jié)點掛接在總線MVB＿Bus上進行過程數(shù)據(jù)通信。根據(jù)ICE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)置配置仿真環(huán)境文件omnetpp.ini的參數(shù)值，其中包括MVB總線傳輸速率為1.5Mbit／s，數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的時間間隔為650μs，信道傳輸延時設(shè)置為10μs，其它值設(shè)置為默認(rèn)值，對所建立的MVB模型在信道利用率和實時性方面進行分析和測試。

首先，對MVB模型的信道利用率進行分析和測試，如圖8所示。

圖8 MVB網(wǎng)絡(luò)信道利用率

從圖中可以看出，MVB總線在不同的傳輸速率時，MVB模型的信道利用率是不同的，通過設(shè)置0.5、1.0、1.5Mbit／s不同的信道傳輸速率，得到其對應(yīng)信道利用率約為：42.7%、59.6%、75.3%。測試結(jié)果符合ICE標(biāo)準(zhǔn)，從而驗證了所建模型的正確性。

對MVB網(wǎng)絡(luò)模型的實時性進行測試，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 MVB網(wǎng)絡(luò)實時性

從圖中可以看出，通信過程中的網(wǎng)絡(luò)延時約為3.5ms，而ICE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求主幀與響應(yīng)它的從幀間的間隔小于4ms，進一步說明了所建模型的可行性。

4 結(jié) 語

基于OMNeT＋＋仿真平臺，建立了MVB網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點、拓?fù)?、信道等模型，詳細介紹了基于模型的主從設(shè)備通信機制以及過程數(shù)據(jù)實時性計算模型?；贛VB網(wǎng)絡(luò)及實時性計算模型對MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信的信道利用率以及實時性等進行了測試和分析，結(jié)果表明，所建立MVB網(wǎng)絡(luò)模型能夠達到ICE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，從而證明了模型的合理性和正確性，為進一步研究提高MVB網(wǎng)絡(luò)信道的利用率、改善網(wǎng)絡(luò)實時性等多方面內(nèi)容提供了基礎(chǔ)。

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