Com o rápido desenvolvimento da tecnologia eletrónica e dos sistemas de redes distribuídas, muitos comboios adotaram a tecnologia de redes de comunicação e concretizaram a inteligentização, a informatização e a interligação em rede do sistema de controlo ferroviário. Como componente importante da rede de comunicação ferroviária, o MVB, devido às suas características em tempo real, tais como bom desempenho e elevada taxa de comunicação, tem vindo a atrair cada vez mais atenção. Este artigo analisa a conceção do gateway de comunicação multiprotocolo MVB.
Com o rápido desenvolvimento das linhas ferroviárias de alta velocidade do meu país, as redes de comunicação ferroviária têm vindo a ser amplamente utilizadas nos novos comboios. Entre elas, o comboio Harmony EMU do meu país utiliza tecnologia de controlo de redes de comunicação. Enquanto componente importante da rede de comunicação ferroviária, o gateway de comunicação MVB está também a suscitar o interesse de cada vez mais pessoas.
1. Visão geral do TCN e do MVB
A TCN, também conhecida como rede de comunicação ferroviária, é uma rede de comunicação desenvolvida no âmbito do sistema de controlo distribuído dos comboios, destinada ao controlo dos comboios e ao diagnóstico de dados informativos. A TCN é uma norma especialmente concebida para redes de comunicação ferroviárias. Apresenta características de fiabilidade, funcionamento em tempo real e facilidade de gestão. Esta tecnologia tem sido apoiada por muitas empresas ferroviárias e fornecedores. A TCN é composta por duas partes: o barramento de comboio trançado (WTB) e o barramento de comboio multifunções (MVB). Entre estes, o MVB é um barramento de comunicação de dados em série entre dispositivos interligados com requisitos de interoperabilidade e troca de dados. É um componente importante da TCN. Atualmente, muitos destes dispositivos são interfaces industriais de uso comum, mas a aplicação prática destes dispositivos requer que a interface industrial MVB seja ligada ao barramento MVB. Atualmente, muitos gateways possuem uma função de conversão de protocolos relativamente simples e não suportam LAN sem fios. O método de transmissão tem um grande impacto no desenvolvimento inteligente dos comboios e no princípio da abertura. O método de transmissão de dados do barramento é por cabo, o que limita a aquisição de dados dinâmicos em tempo real em locais importantes e traz inconvenientes à ligação física de equipamentos e gateways. Gateway industrial
2. Tecnologias-chave do gateway de comunicação multiprotocolo MVB
·. O gateway de comunicação multiprotocolo MVB inclui, principalmente, seis protocolos de comunicação: o protocolo de barramento MVB, o barramento CAN, a Ethernet, o RS-232, o RS-485 e a rede sem fios Wi-Fi. Estes seis protocolos de comunicação têm de ser integrados de forma orgânica num único gateway. Trata-se de uma tarefa muito difícil, mas a sua investigação continua a ser necessária. Entre eles, o TCN do protocolo de barramento MVB apresenta dois níveis na estrutura topológica, nomeadamente o WTB do comboio, o barramento de equipamento e controlador e o MVB ao nível do veículo. O barramento do comboio consegue identificar automaticamente a direção e a posição do local de estacionamento do comboio, podendo transmitir dados fiáveis; entre estes, os tipos de dados do barramento MVB incluem principalmente os seguintes três tipos: ① dados com endereçamento de origem e processo de difusão periódica; ② dados de mensagem com endereçamento de destino e transmissão a pedido, incluindo principalmente informações de diagnóstico e informações de serviços de gestão: ③ dados de monitorização transmitidos durante a reconstrução e inicialização da rede. Os tipos de dispositivos do barramento MVB dividem-se principalmente em seis tipos de dispositivos, de 0 a 5, mas também podem ser divididos em dispositivos mestres e dispositivos escravos. Um dispositivo mestre refere-se a um dispositivo que pode enviar informações para dispositivos escravos no barramento e atribuir direitos de envio de quadros aos dispositivos escravos. Pode ser dividido em dispositivo mestre forte e dispositivo mestre fraco. O protocolo em tempo real (RTP) é um mecanismo-chave de processamento de software adotado pelo barramento MVB. Fornece principalmente dois serviços de comunicação de dados: variáveis e mensagens. A sua estrutura hierárquica inclui a camada física, a camada de rede, a camada de transporte, a camada de ligação e a camada de sessão. Os dados das mensagens são transmitidos ponto a ponto, e o processo de comunicação pode ser resumido da seguinte forma: chamada do remetente, estabelecimento da ligação, transmissão da mensagem e resposta do destinatário. Conforme ilustrado na Tabela 1:
3. Concepção geral do hardware do gateway multiprotocolo MVB
A conceção do gateway multiprotocolo MVB pode ser dividida em seis módulos em termos de hardware, que incluem principalmente a comunicação básica do sistema central, os testes de desempenho, a interação manual, as funções alargadas e a depuração por simulação. Entre estes, o trabalho centra-se na conceção dos circuitos centrais e na conceção e depuração dos circuitos da interface da função de comunicação básica. A conceção global do gateway
Os periféricos de linha são controlados pelo controlador FSMC integrado no processador central. A sua função consiste em converter os sinais de dados, endereço e controlo do barramento do sistema AHB, satisfazendo assim os requisitos das diferentes sequências de temporização dos periféricos. O FSMC divide a memória externa em quatro blocos de memória de 256 Mbytes. O bloco de memória com o espaço de endereço Ox60000000-Ox6FFFFFFFF pode ser dividido em quatro áreas de memória idênticas. Cada área de memória possui um sinal de seleção de chip dedicado. Para garantir que a velocidade seja consistente e evitar a mudança constante entre as configurações do FSMC. A SRAM externa, os dispositivos rápidos SSMV62AD e SSMV62AD podem ser armazenados nas três primeiras áreas de armazenamento do bloco de memória.
Conforme ilustrado na Tabela 2, a expansão externa utiliza um chip de memória de baixo consumo energético, capaz de armazenar dados do utilizador e dados do sistema. Suporta ainda o acesso por byte e o modo de espera. A sua velocidade de acesso é muito elevada e não requer operações de atualização. Continua a ser composto por unidades de 512K de 16 bits e utiliza 19 barramentos de endereço e 16 barramentos de dados para operações de endereçamento, leitura e escrita. O chip NORFLASH de expansão externa é utilizado principalmente em aplicações de sistemas de armazenamento e também utiliza um modo de acesso de 16 bits. O circuito de comunicação básico inclui, principalmente, o circuito controlador da placa MVB, o circuito de interface RS-485, o circuito de barramento de campo CAN, o circuito de interface da placa Wi-Fi e o circuito de comunicação RS-232. Entre estes, a placa MVB possui um modo de acesso a dados de 8 bits e suporta quatro modos: depuração, paralelo, serial e produção. Permite também formas de comunicação por meios físicos, como EMD e ESD. S–MOEDO é utilizado para selecionar a interface da camada física na MVB. S-MOED[2:1] é utilizado para selecionar o modo de funcionamento da MVB. A fim de evitar conflitos de sinal inesperados, ligue o hardware de S-MOED[2:0] à terra e utilize EMD para a comunicação. A fim de facilitar a depuração e os testes, o gateway multiprotocolo MVB foi também concebido com uma fonte de alimentação externa de 5 V CC e o modo de alimentação do PC, que são comutados através do interruptor S901. Entre estas, a alimentação do sistema é separada através de dois chips estabilizadores de tensão de baixa tensão. Este design permite satisfazer eficazmente as diferentes necessidades de corrente de funcionamento dos diversos circuitos funcionais e também reduzir a interferência mútua entre eles. O gateway de comunicação multiprotocolo MVB também pode ser concebido utilizando PCB. O seu processo pode ser resumido da seguinte forma: conceção esquemática, disposição dos componentes, ligações elétricas, adição de «teardrops», colocação da camada de cobre e deteção de regras. A fim de reduzir eficazmente o custo de fabrico da placa de circuito, o PCB utiliza painéis de dupla face. O seu processo de conceção utiliza o método de conceção «de baixo para cima» do diagrama esquemático, dividindo cada dispositivo e módulo em 9 grupos de acordo com as suas funções; em seguida, a conceção do diagrama de circuitos, com base nos princípios de nível superior, liga eletricamente estes nove desenhos discretos. Devido ao princípio de proximidade entre dispositivos, componentes encaixáveis e fontes de interferência, a ergonomia e o espaço em altura da placa PCB podem ser aproveitados para o layout. A cablagem da alimentação de energia deve seguir uma estrutura em árvore. A estrutura topológica é utilizada para manter a corrente na mesma direção, de modo a evitar a ocorrência de refluxo. O fio de terra do componente deve ser ligado diretamente à camada de cobre e à fonte de alimentação, enquanto o dispositivo de alta corrente requer uma ligação separada. A fim de reduzir o ruído do sinal e garantir um bom contacto entre os fios de terra superior e inferior, o cobre pode ser disposto num plano de terra de dupla camada. No entanto, neste processo, para reduzir a área de cobre não utilizada, pode ser colocado um grande número de vias de terra digitais para correção e melhoria. O circuito funcional utiliza um método de envoltório de cablagem blindada.
