基于SOPC的列车通信网卡的设计

本文介绍了MVB总线帧结构，并完成了用于网络连接的MVB总线访问IP核的设计。基于SOPC的设计思想，本文通过Quarters II软件平台的SOPC Builder设计工具，集成NiosII软核处理器与总线访问IP核，实现了满足MVB协议的I类网卡设计。 列车通信网络技术是铁路信息化的重要组成部分，特别是在现代列车控制系统中起着关键作用。MVB（Multifunction Vehicle Bus）作为一种广泛应用的车载网络协议，因其低复杂度和高可靠性，成为列车内部设备通信的标准之一。MVB遵循IEC-61375标准，构建了两级总线结构，包括WTB（Wire Train Bus）和MVB，两者通过网关相互连接，以实现列车内部设备间高效、可靠的通信。 SOPC（System on a Programmable Chip）技术在本文中被用来设计和实现一个符合MVB协议的I类网卡。SOPC允许在一个单一的芯片上集成多种功能，从而简化硬件设计，降低系统成本。通过Quartus II软件平台的SOPC Builder工具，设计者可以方便地集成各种IP核，例如处理器、存储器和其他定制逻辑，构建完整的片上系统。 本文详细介绍了基于SOPC的MVB网卡设计过程，核心是设计了一个MVB总线访问IP核。这个IP核涵盖了物理层、数据链路层和应用层的功能，包括基带曼彻斯特编解码、介质冗余处理、寻址、F-code生成、MAC控制等。IP核的实现不仅简化了硬件结构，也降低了开发难度。 在硬件结构方面，传统MVB网卡通常包含独立的处理器（如ARM）、存储系统和接口控制器。而本文提出的设计方案则采用Altera的NiosII软核处理器，将ROM、RAM和Traffic Memory集成在FPGA内部，与MVB总线访问IP核一起构成了一个高度集成的MVB网卡。这种设计大大减少了硬件组件，提高了系统集成度。 MVB帧结构是通信协议的核心，包括主帧和从帧两种类型，都以9位定界符开始，但分界符不同。MVB编码器和解码器负责数据的曼彻斯特编解码，同时处理帧头和帧尾的特殊编码。设计中，通过结合收发器的状态机来实现这一功能，确保了数据的正确传输和接收。 在数据校验方面，采用了CRC校验序列来保证数据的完整性，校验序列按照特定的多项式计算，并在数据前发送，所有8位数据取反发送，以提高抗干扰能力。 通信存储单元模块是MVB网卡中必不可少的部分，它提供了数据交换的临时存储空间，其大小取决于应用需求，通常需要8kbits到16kbits的存储容量。 基于SOPC的列车通信网卡设计通过集成化、软硬件协同的方式，实现了高效、可靠的MVB通信，这种设计思路为现代列车通信网络的优化提供了新的解决方案。