MVB中继器和MVB总线系统的制作方法

本申请涉及列车总线技术领域，特别是涉及一种MVB(Multifunction Vehicle Bus，多功能车辆总线)中继器和MVB总线系统。

背景技术：

当前，我国列车车辆通讯网络总线主要采用MVB、HDLC(High-Level Data Link Control，高级数据链路控制)、CANopen以及以太网等网络。MVB总线是一种列车专用总线，遵循IEC61375-1:2012《列车通信网络》(简称TCN标准)标准，它是一个开放的通信系统，用于列车车厢和不同设备间的连接。TCN标准包含两种总线形式：绞线式列车总线WTB(Wire Train Bus，绞线式列车总线)和多功能车辆总线MVB两种。原定义WTB用于车厢间连接，MVB用于车厢内设备连接，但现在大多厂家车厢和车厢内均采用MVB总线连接，简化了设计过程。但MVB总线的传输距离有限，需用中继器对MVB信号进行再生和放大。

但在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统的MVB总线中继器受电源和信号的影响，稳定性差。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的MVB总线中继器存在稳定性差的问题，提供一种MVB中继器和MVB总线系统。

为了实现上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种MVB中继器，包括：包含第一数据处理单元和第二数据处理单元的FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列核心板)，以及包含第一隔离电源电路和第二隔离电源电路的隔离电源。第一隔离电源电路的输入端口用于连接外部电源，输出端口连接第一数据处理单元的电源端口；第二隔离电源电路的输入端口用于连接外部电源，输出端口连接第二数据处理单元的电源端口。

MVB中继器还包括第一MVB总线驱动器、第二MVB总线驱动器、第一MVB接口电路以及第二MVB接口电路；第一数据处理单元的传输端口、通过第一MVB总线驱动器连接第一MVB接口电路；第二数据处理单元的传输端口、通过第二MVB总线驱动器连接第二MVB接口电路。

在其中一个实施例中，第一MVB接口电路包括用于连接第一MVB总线的第一MVB接口，以及用于连接第二MVB总线的第二MVB接口；第一MVB总线驱动器分别连接第一MVB接口和第二MVB接口。

第二MVB接口电路包括用于连接第一MVB总线的第三MVB接口，以及用于连接第二MVB总线的第四MVB接口；第二MVB总线驱动器分别连接第三MVB接口和第四MVB接口。

在其中一个实施例中，第一MVB接口电路还包括第一隔离变压器；第一MVB总线驱动器通过第一隔离变压器分别连接第一MVB接口和第二MVB接口。第二MVB接口电路还包括第二隔离变压器；第二MVB总线驱动器通过第二隔离变压器分别连接第三MVB接口和第四MVB接口。

在其中一个实施例中，第一隔离电源电路包括第一电源转换电路；第二隔离电源电路包括第二电源转换电路。第一电源转换电路的输入端口用于连接外部电源，输出端口连接第一数据处理单元的电源端口。第二电源转换电路的输入端口用于连接外部电源，输出端口连接第二数据处理单元的电源端口。

在其中一个实施例中，还包括第一看门狗电路；第一隔离电源电路通过第一看门狗电路连接第一数据处理单元。

在其中一个实施例中，还包括第二看门狗电路；第二隔离电源电路通过第二看门狗电路连接第二数据处理单元。

在其中一个实施例中，还包括第三电源转换电路和第四电源转换电路。第一隔离电源电路通过第三电源转换电路连接第一看门狗电路；第二隔离电源电路通过第四电源转换电路连接第二看门狗电路。

在其中一个实施例中，还包括连接第一MVB总线驱动器的第一保护电路，以及连接第二MVB总线驱动器的第二保护电路。

在其中一个实施例中，第一保护电路包括连接第一MVB总线驱动器的第一接口保护器件；第二保护电路包括连接第二MVB总线驱动器的第二接口保护器件。

另一方面，本申请实施例还提供了一种MVB总线系统，包括至少两条MVB总线，以及如上述的MVB中继器；MVB中继器连接在两条MVB总线之间。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

MVB中继器包括：包含第一数据处理单元和第二数据处理单元的FPGA核心板，以及包含第一隔离电源电路和第二隔离电源电路的隔离电源；第一隔离电源电路连接在外部电源和第一数据处理单元之间；第二隔离电源电路连接在外部电源和第二数据处理单元之间。同时，MVB中继器还包括第一MVB总线驱动器、第二MVB总线驱动器、第一MVB接口电路以及第二MVB接口电路；第一数据处理单元通过第一MVB总线驱动器连接第一MVB接口电路；第二数据处理单元通过第二MVB总线驱动器连接第二MVB接口电路。基于上述结构，可保证电源和FPGA核心板的冗余备份，并且对电源和信号均进行隔离处理，提高中继器的稳定性。中继器可将列车MVB信号进行隔离增强，数据转发延时小，并且可进行故障判断截断等作用。

附图说明

通过附图中所示的本申请的优选实施例的更具体说明，本申请的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。

图1为一个实施例中MVB中继器的第一示意性结构图；

图2为一个实施例中MVB中继器的数据处理结构示意图；

图3为一个实施例中MVB中继器的第二示意性结构图；

图4为一个实施例中MVB中继器的第三示意性结构图；

图5为一个实施例中MVB中继器的第四示意性结构图；

图6为一个实施例中MVB中继器的第五示意性结构图；

图7为一个实施例中MVB中继器的第六示意性结构图；

图8为一个实施例中MVB中继器的隔离电源电路示意图；

图9为一个实施例中MVB中继器的电路结构示意图；

图10为一个实施例中MVB总线系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“输出端口”、“输入端口”、“电源端口”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

MVB总线通信速率为1.5Mbit/s(兆比特每秒)，物理层分为三种：(1)用于短距离传输的电介质ESD(RS485，20.0米)；(2)用于中距离传输的电介质EMD(变压器耦合，200.0米)；(3)用于长距离传输的光介质(光纤，2.0千米)。MVB总线的信号传输质量受距离的影响，因此，需要中继器进行再生和放大；但传统的中继器存在电源不稳定和信号不稳定的问题，对MVB总线的信号的影响明显，造成稳定性差的问题。

为此，本申请实施例提供一种基于IEC61375标准的MVB中继器，是将列车MVB信号进行隔离增强，并且实现故障判断截断等作用，具有通用性强、可靠性强等特点。具体地，MVB中继器在FPGA核心板电路的基础上，采用具备A/B两通道独立的隔离电源、数据处理单元、看门狗电路与MVB接口，以使转发延时小，稳定性高。在一个示例中，列车中允许串联4台本申请实施例提供的MVB中继器，仍然保证数据正常收发。MVB中继器对MVB信号的再生和放大，从而延长MVB信号的传输距离功能，可广泛应用于地铁、轻轨和铁路机车等列车总线领域。

在一个实施例中，提供了一种MVB中继器，如图1所示，包括：包含第一数据处理单元和第二数据处理单元的FPGA核心板，以及包含第一隔离电源电路和第二隔离电源电路的隔离电源。第一隔离电源电路的输入端口用于连接外部电源，输出端口连接第一数据处理单元的电源端口；第二隔离电源电路的输入端口用于连接外部电源，输出端口连接第二数据处理单元的电源端口。

MVB中继器还包括第一MVB总线驱动器、第二MVB总线驱动器、第一MVB接口电路以及第二MVB接口电路；第一数据处理单元的传输端口、通过第一MVB总线驱动器连接第一MVB接口电路；第二数据处理单元的传输端口、通过第二MVB总线驱动器连接第二MVB接口电路。

具体而言，MVB中继器包括FPGA核心板，连接FPGA核心板的隔离电源、MVB总线驱动器，以及连接在MVB总线驱动器和MVB总线之间的MVB接口电路。其中，FPGA核心板包括至少两个数据处理单元，且数据处理单元之间相互独立，可用于形成相互隔离的数据处理转发通道，以使两路信号之间互不影响，例如第一数据处理单元和第二数据处理单元。隔离电源包括至少两路隔离电源电路，且隔离电源电路之间相互独立，可用于形成相互隔离的电源通道，以使电源信号之间互不影响，例如第一隔离电源电路和第二隔离电源电路。

同时，MVB总线驱动器包括第一MVB总线驱动器和第二MVB总线驱动器，MVB接口电路包括第一MVB接口电路和第二MVB接口电路。第一MVB总线驱动器连接在第一数据处理单元和第一MVB接口电路之间；第二MVB总线驱动器连接在第二数据处理单元和第二MVB接口电路之间。第一MVB接口电路分别连接第一MVB总线和第二MVB总线，可实现第一MVB总线和第二MVB总线之间的信号中继；第二MVB接口电路分别连接第一MVB总线和第二MVB总线，可实现第一MVB总线和第二MVB总线之间的信号中继。

需要说明的是，FPGA核心板可包括以应用FPGA芯片为控制核心的编解码系统，能够使核心板上不同的数据处理单元相互隔离、独立运行，进而避免信号间的相互影响，在实现冗余备份、双通道处理或多通道处理的同时，提高中继器的稳定性。隔离电源用于分别为各数据处理单元供电，避免电源信号之间的影响，提高双通道工作或多通道工作的稳定性；具体地，隔离电源可连接外部电源进行隔离供电，也可基于充电电池进行供电。

数据处理单元可主要由放大器、二极管、编码器以及解码器等器件及电路组成，具体结构可根据实际需求进行设计，在此不做具体限制。隔离电源电路可依据实际电压以及设备需求进行设计，在此不做具体限制。MVB接口电路为对外连接的网络接口，可用于分别连接两条MVB总线。MVB总线驱动器，可提高MVB信号的传输距离。

本申请实施例适用于列车总线，符合IEC61375-1:2012和IEC 61375-3-1:2012标准，实现对MVB信号的再生和放大，从而延长MVB信号的传输距离功能，且转发延时小，稳定性高。采用双通道供电和FPGA作为处理器，可保证电源和数据处理的冗余备份，并且对电源和信号均进行了隔离处理，隔离耐压可达直流1500V(伏特)。

在一个实施例中，单个数据处理单元的信号处理结构可如图2所示，中继器加在两端MVB通讯通道中间，实现接收解码和发送编码，具体的工作流程可如下：

a)中继器将接收到的第一个脉冲信号的方向作为其初始方向，并将此信号反向发送；此反向发送方向保持不变，直至接收到的初始方向信号稳定达2.0μs(微秒)。

b)中继器在输入端接收小于±0.125μs的信号失真。

c)中继器在仅获取间隔时间为0.5BT，1.0BT和1.5BT的信号沿，而无需对数据帧内容译码的情况下，能明确再生物理电平。其中，BT为MVB传输一个位所需的时间单位。

d)中继器在输出端所产生的脉冲失真小于10.0ns(纳秒)。

e)产生碰撞时，误置的信号沿不经过再同步而直接发送，但碰撞不在初始方向上传播。

f)中继器引入的输入信号沿及相应的输出信号沿之间的延时最多不能超过3.0μs，同时，最大延时和最小延时之间的差值小于0.20BT，在g)的情况下例外。

g)当两帧之间的间隔过小时，中继器对后一帧进行延时，以保证间隔大于EC61375-1:2012标准中3.4.2.3中所规定的数值。

h)当总线段中连续的发送器工作的时间超过了暂停时间T_jabber_all(此时间等于段中任何设备所能发送的最长帧的时间加上15％(3.0))时，中继器能识别和隔离总线段。

其中，所有中继器的暂停时间T_jabber_all大于设备的T_jabber的105％，以保证设备在错误产生后、影响总线段之前能够自我切断。

在一个实施例中，如图3所示，第一MVB接口电路包括用于连接第一MVB总线的第一MVB接口，以及用于连接第二MVB总线的第二MVB接口；第一MVB总线驱动器分别连接第一MVB接口和第二MVB接口。

第二MVB接口电路包括用于连接第一MVB总线的第三MVB接口，以及用于连接第二MVB总线的第四MVB接口；第二MVB总线驱动器分别连接第三MVB接口和第四MVB接口。

具体而言，MVB接口电路可包括两个MVB接口，用于分别连接对应的MVB总线，实现两根MVB总线间的信号中继传输。应该注意的是，第一MVB接口可与第三MVB接口设置在同一个接头器件上；第二MVB接口可与第四MVB接口设置在同一个接头器件上，降低设备成本，便于中继器安装使用。

在一个实施例中，如图3所示，第一MVB接口电路还包括第一隔离变压器；第一MVB总线驱动器通过第一隔离变压器分别连接第一MVB接口和第二MVB接口。第二MVB接口电路还包括第二隔离变压器；第二MVB总线驱动器通过第二隔离变压器分别连接第三MVB接口和第四MVB接口。

具体而言，MVB接口电路还可包括连接在MVB总线驱动器和MVB接口之间的隔离变压器，可用于提高中继器的安全性。在MVB中继器的数据传输过程中，FPGA核心板发送的数据可依次通过MVB总线驱动器、隔离变压器和MVB接口发送到对应的MVB总线上；MVB接口可将接收到的MVB总线上的数据，依次通过隔离变压器和MVB总线驱动器发送到FPGA核心板上对应的数据处理单元。

在一个实施例中，如图4所示，第一隔离电源电路包括第一电源转换电路；第二隔离电源电路包括第二电源转换电路。第一电源转换电路的输入端口用于连接外部电源，输出端口连接第一数据处理单元的电源端口。第二电源转换电路的输入端口用于连接外部电源，输出端口连接第二数据处理单元的电源端口。

具体而言，隔离电源电路可包括连接在外部电源和数据处理单元之间的电源转换电路，用于将外部电源转换成符合数据处理单元需要的电压，例如直流110V转直流5V等，保障数据处理单元中各器件和电路的稳定运行。

在一个实施例中，如图4所示，还包括第一看门狗电路；第一隔离电源电路通过第一看门狗电路连接第一数据处理单元。

具体而言，MVB中继器还可包括连接在隔离电源电路和数据处理单元之间的看门狗电路。看门狗电路可增强数据处理单元的安全性和稳定性，例如，当电源波动导致电路工作不稳定，可通过看门狗电路，将中继器的系统还原为初始状态，保证中继器的正常运行。

在一个实施例中，如图4所示，还包括第二看门狗电路；第二隔离电源电路通过第二看门狗电路连接第二数据处理单元。

具体而言，每一路隔离电源电路均可通过看门狗电路连接数据处理单元，以提高整个中继器的安全性和稳定性。

在一个实施例中，如图5所示，还包括第三电源转换电路和第四电源转换电路。第一隔离电源电路通过第三电源转换电路连接第一看门狗电路；第二隔离电源电路通过第四电源转换电路连接第二看门狗电路。

具体而言，MVB中继器还可包括连接在隔离电源电路和看门狗电路之间的电源转换电路，用于为看门狗电路提供合适的电压，例如直流5V转直流3V。

在一个实施例中，如图6所示，还包括连接第一MVB总线驱动器的第一保护电路，以及连接第二MVB总线驱动器的第二保护电路。

具体而言，MVB中继器可包括连接MVB总线驱动器的保护电路，用于接口保护，例如防止静电干扰、过压保护等，能够有效提高MVB中继器的安全性和稳定性。

在一个实施例中，第一保护电路包括连接第一MVB总线驱动器的第一接口保护器件；第二保护电路包括连接第二MVB总线驱动器的第二接口保护器件。

具体而言，保护电路可包括连接MVB总线驱动器的保护器件，例如ESD(Electro-Static discharge，静电释放)保护器件、过压保护器件等，用于实现对MVB中继器的多种保护，提高安全性和稳定性。具体地，例如LCDA05型保护器件。

在一个实施例中，如图7至9所示，MVB中继器包括FPGA核心板电路、看门狗电路、MVB接口电路以及隔离电源。其中，FPGA核心板包括以应用FPGA芯片为控制核心的编解码系统；MVB接口电路是对外连接的网络接口；隔离电源实现直流110V到直流5V的转换。可选地，隔离电源电路可包括整流器、滤波电路以及电压转换芯片等。具体地，采用双通道供电的隔离电源和双通道数据处理的FPGA处理器，保证电源和数据处理器的冗余备份，并且对电源和信号均进行了隔离处理，隔离耐压可达直流1500V。可选地，MVB总线驱动器采用MAXIM的MA3088ESD或MAX3062EEKA-T等；隔离变压器采用VAC的T60403-Y4021-X123；保护器件采用LCDA05。

具体而言，中继输出是通过中继器后，两侧MVB总线的延时不大于3μs，且最大和最小延迟时间差值小于0.2BT(在连续两帧间隔时间小于2μs时例外)。同时，中继器的输出脉冲失真小于10ns；输入信号差动电压Up–Un大于+0.200V，则判断为高电平，若小于-0.200V，则判断为低电平，且接收有50mV(毫伏)至0.25V的滞后；当连接到重载测试电路时，输出信号的幅值至少为±1.5V，而当连接到轻载测试电路时，输出信号的幅值最大不超过±5.5V。

此外，若输入信号有不大于±0.125μs的信号失真，中继器仍能正确接收和判断信号；当连续两帧的间隔时间小于2μs(即前一帧的终止分界符与后一帧的起始位间隔时间小于2μs)，则中继器将后帧延后输出，输出时间定为在前一帧传输完2μs定时开始输出后一帧；当输入信号产生碰撞时，误置的信号沿不经过再同步而直接发送，且碰撞不在初始方向上传播；当总线段发送工作时间大于最长帧的时间，主动停止发送数据，且发送方向保持不变，直至信号输入维持电平不变达2μs。

本申请实施例具备A/B两通道独立的隔离电源、数据转发处理单元、看门狗电路与MVB接口，转发延时小，稳定性高。列车中允许串联4台本中继器，仍然保证数据正常收发。

在一个实施例中，提供了一种MVB总线系统，如图10所示，包括至少两条MVB总线，以及如上述的MVB中继器；MVB中继器连接在两条MVB总线之间。

具体而言，MVB总线可用于MVB总线系统中，实现MVB总线的长距离传输，并提高数据传输的稳定性。

本申请实施例提供的MVB中继器适用于列车总线，符合IEC61375-1:2012和IEC 61375-3-1:2012标准，可实现对MVB信号的再生和放大，从而延长MVB信号的传输距离功能，并且，采用双通道隔离电源和双通道数据处理单元的结构特征，保证电源间的隔离以及数据间的隔离，进而提高MVB中继器以及整个MVB总线系统的稳定性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。