基于ARM和FPGA的多功能车辆总线嵌入式系统设计

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o 基于ARM 和FPGA 的多功能车辆总线嵌入式系统设计 来源：作者： 发布时间:2007-06-21 08:00:00 域名惊喜价格 cn 域名1元注册 com 域名39.9元

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在计算机、互连网和通信技术高速发展的同时，嵌入式系统研发技术也取得迅速发展，嵌入式技术应用范围的急剧扩大。本文介绍了一种基于ARM 和FPGA ，从软件到硬件完全自主研发多功能车辆总线

(Multifunction Vehicle Bus)MVB嵌入式系统的设计和实现。

系统设计和实现

通常来说，一个嵌入式系统的研发过程如下：

7. 确定嵌入式系统的需求；

8. 设计系统的体系结构：选择处理器和相关外部设备，操作系统，研发平台及软硬件的分割和总体系统集成；

9. 周详的软硬件设计和RTL 代码、软件代码研发；

10. 软硬件的联调和集成；

11. 系统的测试。

一、步骤1：确定系统的需求：

嵌入式系统的典型特征是面向用户、面向产品、面向应用的，市场应用是嵌入式系统研发的导向和前提。一个嵌入式系统的设计取决于系统的需求。

1、MVB 总线简介

列车通信网(Train Communication Network,简称TCN) 是个集整列列车内部测控任务和信息处理任务于一体的列车数据通讯的IEC 国际标准（IEC －61375-1）, 他包括两种总线类型绞线式列车总线(WTB)和多功能车厢总线(MVB)。

TCN 在列车控制系统中的地位相当和CAN 总线在汽车电子中的地位。多功能车辆总线MVB 是用于在列车上设备之间传送和交换数据的标准通信介质。附加在总线上的设备可能在功能、大小、性能上互不相同，不过他们都和MVB 总线相连，通过MVB 总线来交换信息，形成一个完整的通信网络。在MVB 系统中，根据IEC － 61375－1列车通信网标准， MVB 总线有如下的一些特点：

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拓扑结构：MVB 总线的结构遵循OSI 模式，吸取了ISO 的标准。支持最多4095个设备，由一个中心总线管理器控制。简单的传感器和智能站共存于同一总线上。

数据类型：MVB 总线支持三种数据类型：

a. 过程数据：过程变量表示列车的状态，如速度、电机电流、操作员的命令。过程变量的值叫过程数据。他们的传输时间是确定的和有界的。为确保这一延迟时间，这些数据被周期性地传送。

b. 消息数据：消息被分成小的包，这些包分别被编号并由目的站确认。消息包及和之相关的控制数据形成消息数据。消息数据以命令方式传输。功能消息被应用层所使用；服务消息用于列车通信系统自身的管理等。

c. 监视数据：是短的帧，主设备用他作同一总线内设备的状态校验、联机设备的检测、主权传输、列车初运行和其他管理功能。

介质访问形式：MVB 总线支持RS485铜介质和光纤。其物理层的数据格式为1.5Mbps 串行曼彻斯特编码数据。

MVB 的介质访问是由总线管理器BA 进行管理的，总线管理器BA 是唯一的总线主设备，所有其他设备都是从设备。主设备按照某种预定的顺序对端口进行周期性轮询，在周期的间隔中，主设备转而处理偶发性请求。

可靠性措施：MVB 容错措施包括

发送的完整性：链路层有扩充的检错机制，该机制提供的汉明码距为8，可检测位、帧和同步错误。 故障的独立性：通常对铜介质进行完全双份设置，以确保设备故障的独立性。

发送的可用性：可用性能通过介质冗余、电源冗余、管理器冗余等措施得以提高。

2、MVB 系统的基本需求如下：

a. 完全和IEC-61375-1(TCN) 国际标准兼容，支持MVB 总线定义的三种数据类型过程数据，消息数据，监视数据。

b. 系统可设置成为：

i. 总线管理器（BA ）功能

ii. 总线管理器（BA ）功能和通信功能

iii. 独立的通信功能

c. 采用ARM7TDMI 的处理器

d. 采用实时操作系统

e. 供TCN 的实时协议栈协议（RTP ）

f. 支持 4096 逻辑端口的过程数据

g. 支持和上位PC104主机的双口RAM 接口

h. 输入电压5V

i. 工作环境温度：－40℃?75℃

3、其他需求

多功能车辆总线MVB 系统和用户的列车控制系统同步设计，有着严格的时间限制。

二、步骤2：设计系统的体系结构，协同分配硬件/软件方面的需求

嵌入式系统包含硬件和软件两部分：硬件架构上以嵌入式处理器为中心，设置存储器、I/O设备、通信模块等必要的外设；软件部分以软件研发平台为核心，向上提供给用编程接口（API ），向下屏蔽具体硬件

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特性的板级支持包BSP 。嵌入式系统中，软硬件紧密配合，协调工作，一起完成系统预定的功能。根据OSI 的七层模型能确定链路层和物理层由硬件实现，其他各层由软件实现，如图1。

图1：MVB 的OSI 模型和MVB

系统软硬件划分。

1、嵌入式操作系统选择：

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o 通常而言，为一个嵌入式系统选择操作系统要考虑如下几个因素： 操作系统支持的微处理器 操作系统的性能 操作系统的软件组件和设备驱动程式 操作系统的调试工具，研发环境、在线仿真器（ICE ）、编译器、汇编器、连接器、调

试器及模拟器等等

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o 操作系统的标准兼容性 操作系统的技术支持程度 操作系统是提供原始码还是目标代码 操作系统的许可使用情况 操作系统的研发者声誉状况

根据系统的需求和以上的原则，在MVB 系统中采用了Vxworks 实时操作系统，VxWorks 是风河公司（Windriver ）研发的实时操作系统之一，以其优秀的可靠性、实时性及内核的可裁减性，被广泛应用于通信、军事、航天、航空、工业控制等关键行业领域，其研发环境为Tornado 。

2、处理器的选择：

在为嵌入式系统选择处理器时需要考虑以下几个方面：

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非常关键。 性能：处理器必须有足够的性能执行任务和支持产品生命周期。 工具支持：支持软件创建、调试、系统集成、代码调整和优化工具对整体项目成功和否

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o 操作系统支持：嵌入式系统应用需要使用有帮助的抽象来减少其复杂性。 研发人员过去的处理器经验：拥有处理器或处理器系列产品的研发经验能减少可观的学

习新处理器、工具和技术的时间。

o 成本，功耗，产品上市时间，技术支持等等

在本系统的设计中，综合以上各方面的因素，考虑到处理器性能，操作系统支持及列车上严酷的工业环境等等，在MVB 系统中选用了ATMEL 用于工业控制领域的工业级的AT91系列ARM 处理器

AT91M40800，他是基于ARM7TDMI 内核，内含高性能的32位RISC 处理器、16位高集成度指令集、8KB 片上SRAM 、可编程外部总线接口（EBI ）、3通道16位计数器/定时器、32个可编程I/O口、中断

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控制器、2个USART 、可编程看门狗定时器、主时钟电路和DRAM 时序控制电路，并配有高级节能电路；同时，可支持JTAG 调试，主频可达到40MHz 。

3、相关外部设备的选择：

在确定操作系统和处理器之后，就能确定相关的外部设备，如FLASH ，RAM ，串口等等。在MVB 系统中，MVB 控制器MVBC （Multifunction Vehicle Bus Controller）是个MVB 电路和实际的物理设备之间的接口控制器，他的主要功能是实现MVB 总线信号和数据帧的编解码，纠错等功能，是本系统中要实现的关键的硬件模块。由于系统规模，上市时间等方面的需求，系统暂时不考虑ASIC 实现，因此在MVB 系统中用FPGA 来实现这个关键模块，FPGA 是ASIC 最灵活和最合算的替代方案。考虑到系统需求和FPGA 资源，成本，供货情况等因素，最终选择了Altera 公司的Cyclone 系列FPGA, 其研发工具是Quartus II。

4、MVB 系统架构

由以上的需求分析和选型，完整的系统硬件架构和软件架构如图2图3所示

图2：MVB 系统的硬件架构。

图3：MVB 系统的软件架构。

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其中，处理器和 MVBC 通过Traffic Memory （TM ）进行通讯数据交换，所有软件和MVBC 要交换的控制信息和数据都能在TM 地址空间中找到，这个地址空间对处理器和MVBC 都是可访问的。其示意图4如下

图4：Traffic Memory。

三、步骤3：周详的软硬件设计和RTL 代码、软件代码研发

在系统架构确定的基础上，周详的软硬件设计就能开始了。

1、硬件设计

硬件设计设计包括了MVB 控制器的FPGA 设计和MVB 总线系统的板级设计，其中关键的MVB 控制器的设计如图5

如图所示，MVB 控制器包含以下功能模块： 图5：MVB 控制器的框图。(点击放大该图)

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o 编码器：产生曼彻斯特编码，传送数据帧 发送缓冲区：作为要发送的数据和CRC 检测值的缓冲区 译码器：接收、曼彻斯特译码，数据提取、数据错误检测 接收缓冲区：作为接收端数据和CRC 结果的缓冲区 报文分析单元：检测主帧和从帧超时，帧误检测、错误状态报告 状态控制寄存器：MVBC 设置 主控单元：支持MVBC 作为主设备或从设备工作，支持队列消息传送 设备地址读取和储存单元：硬件定义的设备地址能被不同的值覆盖 地址逻辑：把CPU 对MVBC 内部寄存器进行访问的输入地址进行解析；产生MVBC 访

问TM 的输出地址

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2、软件设计 总线复用、转换单元：处理MVBC 内部的数据传送 中断逻辑：支持16种中断源； 通用定时器：两个定时输出信号，可提供给系统同步使用 时钟产生电路:产生所有MVBC 工作的时钟和计数器

由于在MVB 系统中，过程数据，消息数据，监视数据是三种不同的通讯机制，因此，MVB 系统软件的模块设计如图6。

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四、软硬件的联调和集成

下面，以一个简单的例子来说明MVB 系统的软硬件的集成和验证。

过程数据在MVB 系统中是周期性发送的数据，其在本系统中的通讯机制如下：对于发送方，用户应用模块将一个端口的过程变量发送给过程数据处理模块，过程数据处理模块按照逻辑端口的设置定时通过链路层接口模块更新Traffic Memory 当中的相应逻辑端口的数据，此时发送方软件的任务完成。发送方的MVBC 硬件接收总线管理器BA 定时发出的主帧，通过译码器解码得到相应的逻辑端口的值，通过查询Traffic Memory相关的逻辑端口发送设置后将MVBC 自动设置为发送状态，将逻辑端口的数据作为过程数据从帧通过编码器发出，如图7所示：

对于接收方，其接收过程和发送方相逆，接收方的MVBC 硬件接收总线管理器BA 定时发出的主帧，通过译码器解码得到相应的逻辑端口的值，通过查询Traffic Memory相关的逻辑端口接收设置后将MVBC 自动设置为接收状态将，在收到发送方发出的从帧后更新相应逻辑端口在Traffic Memory的数据并发出中断信号从而完成硬件的接收过程。接收方的软件能用中断或定时查询的方式通过过程数据处理模块得到更新后的逻辑端口的过程数据

五、系统的测试

在本系统中，系统的测试即包括了软件的测试，也包括了硬件，FGPA 的测试，在本文中不再赘述。 结束语

上述的MVB 系统现已运行在列车控制系统中，成功实现对列车的运行控制、机车控制、车辆控制、状态监测、故障诊断。当然，如有需要，本文中的MVB 系统能转化成为ASIC 设计，从而成为一个SOC 的嵌入式系统。

参考文献：

1、International Standard IEC-61371-1

2、AT91M40800 datasheet

图6：MVB 系统软件模块。 图7：过程数据通讯示例。

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