（交通信息工程及控制专业论文）机车综合无线通信平台主控单元的设计.pdf

中文摘要 摘要：本文介绍了一种新型嵌入式列车无线通信设备主控单元的设计实现过程。 该主控单元是为了满足新的铁路通信标准g s m r 网络下机车收发处理调度命令的 需要，通过串口来控制机车综合无线通信平台g s m r 模块、g p r s 模块、g p s 模 块、存储单元、操作显示终端( m m i ) 等外部设备。本文对这样一种嵌入式主控 单元的实现进行了深入研究：设计实现了基于i n t e l p x a 2 7 0 处理器的硬件平台， 主频达到5 2 0 m h z ，扩展了3 2 mn o rf l a s h ，用于存储嵌入式操作系统、应用程 序和用户文件；6 4 ms d r a m 。p x a 2 7 0 芯片内部集成了l c d 驱动器接口单元， 除此之外，还对模拟音频输入输出、u s b l 1 接口、以太网接口等通过相应的芯片 进行了扩展设计。在软件平台方面，本文详细介绍了q n x 6 3 操作系统，并通过 q n x m o m e n t i c s6 3 开发环境对操作系统及b s p 进行了剪裁和扩展设计，使其 完成对各模块和接口单元的初始化和驱动管理功能。主控单元是一个多任务系统， 在程序设计上文中对合理分配各外设的优先级，实时响应处理中断进行了充分考 虑。由于主控单元外围模块较多，而p x a 2 7 0 处理器对外通信接口有限，因此重 点考虑了串口的扩展，并在文中对这一部分软硬件设计进行了详细的论述。目前 主控单元已经开发完成，部分功能模块还在测试当中。论文最后对主控单元的测 试工作进行了一些描述。 全文共有2 9 幅图，8 张表，参考文献2 l 篇。 关键词：综合平台；主控单元；p x a 2 7 0 ；q n x ：串口扩展 分类号：u 2 8 5 2 1 a b s t r a c t ：an e wc o n t r o l l e ro f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n ti si n t r o d u c e d i nt h ep a p e r , w h i c hi su s e do i lt h el o c o m o t i v e 1 1 l ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o ran e w r a i l w a yc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , c a l l e dg s m - r ( g s m f o rr a i l w a y ) ec e l lc o n t r o l s e x t e r n a le q u i p m e n t ss u c ha sg s m r , g p r s ，g p s ，l ( ) c a ：r i o n sa n dm a n - m a c h i n e i n t e r f a c e 蹦dv i as e r i a l s i t saf u l lf u n c t i o ne m b e d d e ds y s t e ma p p l i e di nt h e c o n t r o l l e r t h eh a r d w a r eu s e st h ec p uo f i n t e lp x a 2 7 0 ，w i t c hu n d e rt h ef l a m eo f x s c a l e w ee x p a n d3 2 mn o rf l a s hf o rd e p o s i te m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m , s o m e a p p l i c a t i o na n du s e r s f i l e s 6 4 ms d r a m i sa l s os u p p l i e di nt h es y s t e m w eh a v e e x p a n d e ds o m ei n t e r f a c e ss u p p o r t e db yp x a 2 7 0 ，s u c ha sl c d ，a u d i o ，u s b i 1 ( d o u b l e ) a n de t h e r n e t t h er e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ( g t o s ) w ec h o o s eq n x 6 3 1 1 ”w o r ko f b s p c u t t i n ga n do se x p a n d i n gw h i c ha c c o m p l i s h e st h eh a r d w a r e i n i t i a l i z a t i o na n dd r i v e rm a n a g e m e n ti sb u i l do nt h ed e v e l o pe n v i r o n m e n to f q n x m o m e n t i c s6 3 f o rt h em a i nc o n t r o l l e ri sam u l t i t a s ks y s t e m , w ed oad e e pj o bi n t h ei n t e r r u p t p r i o r i t yp r o g r a md e s i g n , a n dm a k ei tm o r er e a s o n a b l e b e c a u s et h e r ea r es o m a n ye x t e r n a lm o d u l e sa n dt h el i m i t e dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ep x a 2 7 0s u p p l i e s ，w e t a k eo u re m p h a s i so nt h es e r i a le x p a n d i n g , w h i c hi sd e t a i l e dd i s c u s s e di nt h ep a p e r n 把 c o n t r o l l e rh a sb e e nd e v e l o p e dc o m p l e t e l y ；s o m eo f m o d u l e sa r eb e i n gt e s t e d i nt h el a s t o f t h ea r t i c l e ，t h ew o r ko f t e s t i n gi sd e s c r i b e d k e y w o r d s ：m a i nc o n t r o l l e r ；, p x a 2 7 0 ；q n x ；s e r i a l se x p a n d i n g c l a s s n o ：i 陀8 5 2 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名t 她 签字日期：知刀年f 乙月话日嚣 北宝窑道太茔亟茔位监奎鎏剑性彦四 独创i 生声明 本人声孵所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料与戎一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：凌黻 签字日期：为刁 年7 一月循日 致谢 本论文的工作是在我的导师唐祯敏教授的悉心指导下完成的，唐祯敏教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 唐祯敏老师对我的关心和指导。 唐祯敏教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向唐祯敏老师表示衷心的谢意。 唐祯敏教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在北京希电公司实习及撰写论文期问，希电公司钟彬副总经理、高级工程师 宋水、金志华、王呖等同志对我的研究工作给予了热情帮助。在此向他们表达我 的感激之情。 另外也感谢家人及同学们，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 i 1选题背景及课题意义 1 序论 自上世纪末期以来，我国铁路系统已经进行了6 次大规模的提速，目前最高 时速已经达到2 5 5 k m h 。这些提速一方面缩短了我们之间的距离，另一方面对我们 铁路建设提出了更高的要求。传统的内燃机车逐渐地退出了历史的舞台，取而代 之的是先进的电力机车。除了动力方面的突破之外，在通信、自动化控制、司机 操作等软指标上也应该有所创新。从前的4 5 0 m 电台在如此高的速度下已经无法满 足正常通信的需要。因此，铁道部于2 0 0 0 年确定了引入欧洲g s m r 标准作为今 后铁路通信的发展方向。该系统主要的优势有这样几点：全双工数字通信； 用户具有通话优先级；在高速运行( 5 0 0 k i n h ) 的情况下能保证稳定的通信； 响应速度快；提供在线信息、车内娱乐和通信等新型服务。目前，国内已经开 通了青藏线、大秦线和胶济线三条g s m r 试验线路，并已投入运营。按照铁道部 铁路建设跨越式发展的需要，在2 0 1 0 年以前，我国铁路将力争建成覆盖全路7 0 余条干线的g s m r 通信网络，包括新建g s m r 铁路项目和既有线路通信网络改 造。 1 1 1g s m - r 通信技术简述 g s m r 通信技术起源于欧洲，目前在德国、瑞士、荷兰、意大利等国家均已 进入商业运用。由于g s m r 具有适应铁路运输特点的功能优势，以及更符合通信 信号一体化技术发展的需要，因此铁道部2 0 0 0 年底正式确定将g s m - r 作为我国 铁路专用通信的发展方向。 g s m r 在g s m 公众移动通信系统平台上增加了铁路运输专用调度通信功能。 g s m r 通信系统包括：交换机、基站、机车综合通信设备、手机等设备组成。以 青藏铁路为例：青藏铁路是世界上海拔最高的铁路线，北起青海省格尔木市，途 经纳赤台、五道粱、沱沱河、雁石坪，翻越唐古拉山进入西藏自治区境内后，经 安多、那曲、当雄至西藏自治区首府拉萨市，全长约1 1 4 2 k i n 。绝大部分线路在高 原缺氧的无人区。为了满足铁路运输通信、信号及调度指挥的需要，采用了g s m r 移动通信系统。青藏线g s m - r 通信系统实现了如下功能： l 、调度通信功能 调度通信系统业务包括列车调度通信、货运调度通信、牵引变电调度通信、 其他调度及专用通信、站场通信、应急通信、旄工养护通信和道口通信等 2 、车次号传输与列车停稳信息的传送功能 车次号传输与列车停稳信息对铁路运输管理和行车安全具有重要的意义，它 可通过基于g s m - r 电路交换技术的数据采集传输应用系统来实现数据传输。也可 以采用g p r s 方式来实现。 3 、调度命令传送功能 铁路调度命令是调度所里的调度员向司机下达的书面命令，它是列车行车安 全的重要保障。采用g s m - r 系统传输通道传输调度命令无疑将加速调度命令的传 递过程，提高工作效率。 4 、列车尾部装置信息传送功能 将尾部风压数据反馈传输通道纳入g s m - r 通信系统，可以方便地解决尾部风 压数据传输问题。 5 、调车机车信号和监控信息系统传输功能 提供调车机车信号和监控信息传输通道，实现地面设备和多台车载设备间的 数据传输，并能够存储进入和退出调车模式的有关信息。 6 、列车控制数据传输功能 采用g s m r 通信系统实现车地问双向无线数据传输，提供车地之间双向安全 数据传输通道。 7 、区间移动公务通信 在区间作业的水电、工务、信号、通信、供电、桥梁守护等部门内部的通信， 均可以使用g s m r 作业手持台，作业人员在需要时可与车站值班员、各部门调度 员或自动电话用户联系。紧急情况下，作业人员还可以呼叫司机，与司机建立通 话联络。 8 、应急指挥通信话音和数据业务 应急通信系统是当发生自然灾害或突发事件等影响铁路运输的紧急情况时， 在突发事件现场与救援中心之问，以及现场内部采用g s m - r 通信系统，建立语音、 图像、数据通信系统。【l 】 1 1 2 课题意义 我的课题名为“机车综合无线通信平台主控单元的设计”，该平台( c i r ) 是 为了解决在新的通信标准( g s m - r ) 下，机车与车站，机车与机车间相互通信， 2 高速收发数据、收发打印调度命令。实现语音通话、对列车通信进行记录等功能 韵一种设备。 作为青藏铁路自主研发项目之一。该平台有填补国内机车在g s m r 网络下无 线调度通信的空白之意义，并完全能够替换以前的4 5 0 m 电台由于采用的都是国 际领先的技术，如能加以完善，完全可以出口到欧美发达国家，并参与到这一领 域的国际竞争中去。 就我设计的通信平台主控单元来说，是嵌入式系统在这一领域的一次尝试。 国内的铁路通信厂商大多没有这方面的经验，所以从器件选型。板子尺寸，操作 系统选择等方面都参照国外最先进的设备和国内一些专门生产嵌入式电路板的。 1 2课题内容 我们设计的机车综合无线通信平台，大致可分为g s m r 模块、g p r s 模块、 g p s 模块、语音单元，记录单元、电源模块和主控单元这几大部分。如图1 所示 我的任务是设计主控单元，也就是综合平台的核心部分，由它来控制协调其它模 块工作。主控单元与各个功能模块间通过串口( 9 6 0 0 b p s ) 通信，所以需要对外扩 申申申申申申 图1 综合通信平台框图 f i g l f r a n l eo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t 1 2 1 硬件平台的搭建 我们选用的c p u 是i n t e l 基于x c a l e 架构下的p x a 2 7 0 处理器，主频达到 5 2 0 m h z 。其功耗低，速度快，功能全等优点更使主控单元的性能达到了大部分工 控场合的要求。其它硬件有3 2 m bn o r 型f l a s h ( 最高可达6 4 m b ) 、6 4 m b s d r a m ( 最高可达1 2 8 m b ) 、声卡a c 9 7 、1 0 1 0 0 m 网卡、u s b 等等。硬件电路 设计上有一个创新点是要对外扩展8 个通用r s 4 2 2 串口，并且保证数据实时传输 3 不丢帧。而c p u 对外只有3 个通用串口，需要设计串口扩展电路，将在后面专门 章节中详细阐述。 1 2 2 软件b s p 驱动的开发和实现 考虑到现代列车控制技术的发展，经过几次提速后列车运行速度可以达到 2 0 0 k m h 以上，这就对列车调度通信的实时性提出了高要求。我们采用的是q n x 操作系统，q n x 是由加拿大q n x 软件有限系统公司开发的一种多任务、分布式、 可嵌入的实时操作系统。它有着轻巧的微内核，可以对进程进行全面的地址保护， 可剪裁，模块化程度高，实时性强，安全可靠。在此平台上，我们主要用c 语言 和汇编语言对其源代码进行开发，并针对各个功能模块的功能进行驱动程序的编 写。 1 2 3 补充说明 该平台除主控单元外各个功能模块均有冗余备份。主控单元对各模块发来的 数据进行简单分析后判断该模块是否工作正常，若非正常工作，立即切换到备用 侧。 图1 中两个m m i 是操作显示终端，有一些图形界面方便司机操作，看起来像 是一个大型的手机。m m i 的主要部分电路与主控单元基本一致，只是在图形界面 处理上按照需要加以剪裁，从某种意义上说节省了设计成本。 由于该平台包含了4 5 0 m 和8 0 0 m 模块，实际上是在g s m - r 网络失效的情况 下作的一种备份。虽然可以手动切换到4 5 0 m 模式下操作，但从成本的角度考虑， 机车综合无线通信平台主要还是在g s m r 网络下运行的一种设备。 表1g s m - r 与4 5 0 m 频率范围 t a b l e l f r e q u e n c yr m u g co f g s m - r & 4 5 0 m 通信模式上行频率范围m h z下行频率范围m h z g s m r8 7 6 9 1 59 2 l 9 6 0 4 5 0 m4 5 7 ，5 0 0 4 5 8 6 5 04 6 7 4 5 0 4 6 8 6 5 0 4 2 1嵌入式技术发展 2 概述 随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机， 使现代科学研究得到了质的飞跃，而嵌入式微控制器技术的出现则是给现代工业 控制领域带来了一次新的技术革命。由嵌入式微控制器组成的系统，最明显的优 势就是可以嵌入到任何微型或小型仪器、设备中。 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机 系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的 具体应用相结合后的产物，这一点就决定了他必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式计算机的外部设备中就包含了多个 嵌入式微处理器，如键盘、硬盘、显示器、网卡、声卡等均是由嵌入式处理器控 制的。现在，嵌入式系统带来的工业年产值已超过了l 万亿美元，嵌入式计算机 不仅在民品上而且在军事装备上也得到了广泛地应用。吲 2 2嵌入式系统的结构 嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含有3 个部分，如图2 所示。 嵌入式应用一 嵌入式一 摄作系统一 硬传平台一 应用程序与一 操作系统的接口+ 撩作系统与一 硬件的接口一 图2 嵌入式系统的基本结构 f i 9 2s n 懈呲o f e m l x i d e ds y s t e m 1 硬件环境是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用 通常有不同的硬件环境。硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主要特点。 2 嵌入式操作系统完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核 较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统具有相对不变性。 5 3 嵌入式应用程序运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定 功能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。 如何简洁有效地使嵌入式系统能够应用于各种不同的应用环境，是嵌入式系 统发展中所必须解决的关键问题。经过不断的发展，原先嵌入式系统的3 层结构 逐步演化成为一种4 层结构如图3 所示，这个新增加的中间层次叫硬件抽象层， 有时也叫板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) ，是一个介于硬件与软件之间的中 间层次硬件抽象层通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统硬件 的直接操作。硬件抽象层的引入大大推动了嵌入式操作系统的通用化。 嵌入式应用一 嵌入式一 掇作系统一 硬件抽象层一 硬件平台一 应用程序与一 操作系统的接r - l o 操作系统与硬件 抽象层的接口一 硬件抽象层与一 硬件的接口一 图3 引入抽象层后的嵌入式系统结构 f i 9 3 s t r u c t u r eo f a b s t r a c t i v ee m b e d d e ds y s t e m 2 2 1 嵌入式系统的特点 1 嵌入式系统工业的特点和要求 从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断的。嵌入式系统则不同， 嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有 哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场，即便在体系结构上存在着主 流。但各不相同的应用领域决定了不可能由少数公司、少数产品垄断全部市场。 因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业高新技术 公司的创新余地很大。另外，社会上的各个应用领域是不断向前发展的，要求其 中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动嵌入式工业发展的强大动力。 嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产品开发。 2 嵌入式系统具有的产品特征 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，不能独立于应用自行发展， 否则便会失去市场。嵌入式系统的核心部件，嵌入式微处理器的功耗、体积、成 本、处理能力和电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，这些也是各个半导体 6 厂商之间竞争的热点嵌入式系统的硬件和软件设计都必须精心考虑，力争在同 样的硅片面积上实现更高的性能，只有这样，才能在具体应用时对处理器的选择 面前更具有竞争力嵌入式处理器要针对用户的具体需求，对芯片配置进行裁剪 和添加才能达到理想的性能。由于嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，具 有较长的生命周期。 3 嵌入式处理器软件的特征 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系 统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同，主要有以下几点： ( 1 ) 软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中 的软件一般都固化在存储器芯片或嵌入式微控制器本身中，而不是存贮于磁盘等 载体中。 ( 2 ) 软件代码要求高质量、高可靠性尽管半导体技术的发展使处理器速度 不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空问仍然是宝贵 的，还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减小程 序二迸制代码长度、提高执行速度 ( 3 ) 系统软件( o s ) 的高实时性是基本要求在多任务嵌入式系统中，对重 要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键， 单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化编 写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是基本要求。 ( 4 ) 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业化标准化道路的基础，嵌 入式系统开发需要开发工具和环境嵌入式系统本身不具备开发能力，即使设计 完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具 和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以 及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 ( 5 ) 嵌入式系统软件需要实时多任务操作系统开发平台( r t o s )通用计 算机具有完善的操作系统和应用程序接口，是计算机基本组成不可分离的一部分， 应用程序的开发以及完成后的软件都在o s 平台上面运行，但一般不是实时的。嵌 入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理 地调度多任务、利用系统资源，用户必须自行选配r t o s 开发平台，这样才能保 证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 ( 6 ) 在嵌入式系统的软件开发过程中，采用c 语言将是最佳和最终的选择由 于汇编语言是一种非结构化的语言，对于大型的结构化程序设计已经不能完全胜 任了。这就要求我们采用更高级的c 语言去完成这一工作。【4 1 7 2 2 2 嵌入式系统的发展趋势 中国的单片机应用和嵌入式系统开发已走过了1 5 年的历程，随着市场对超微 型嵌入式应用技术和产品的要求不断增长，以及半导体技术和系统设计方法的进 步，嵌入式系统在目前的发展形势下，表现出以下几大趋势： ( 1 ) 可靠性及应用水平越来越高和互联网连接已是一种明显的走向。 ( 2 ) 所集成的部件越来越多，从意义上讲只是单片集成电路，从功能上讲可 以说是万用机了 ( 3 ) 功耗越来越低，和模拟电路结合越来越多。 随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，嵌入式微控制器还会不 断的产生变化和进步，最终人们可能发现：嵌入式微控制器与微机系统之间的距 离越来越小，而功能更大，因而将会更加广泛地渗入到各类设备和产品中去。 2 3课题选取的嵌入式先进技术 2 3 1 基于a r m 架构的处理器p x a 2 7 0 说到本课题采用的先进技术，就不能不提到基于a r m 架构的处理器i n t e l x s g a l ep x a 2 7 0 处理器。x s c a l e 处理器是基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，是 一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。它在运算处理能力和结构上类似于 a r m l 0 e ，有以下主要特点： 支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 6 级整数流水线，指令执行效率更高。 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 支持3 2 位的高速双向数据总线接口。 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操 作系统。 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力 主频最高可达6 2 4 m i - i z 。 内嵌并行读写操作部件。 支持i n t e lw i r e l e s sm m x 多媒体增强技术，使c p u 在处理音频和视频时 拥有更出色的性能。【2 】 可以看出，p x a 2 7 0 主频高，运算能力强，多媒体处理能力强大，有很好的可 扩展性。基于上述优点，我们选择p x a 2 7 0 作为综合平台主控单元的c p u ，从而 8 在性能上得到大大提高。 2 3 2 多任务实时操作系统q n x q n x 实时操作系统是加拿大q n xs o t t w a r es y s t e ml t d 的产品，它是一个实 时、微核、基于优先级、消息传递、抢占式多任务、多用户、具有容错能力的分 布式网络操作系统。q n x 是业界公认的x 8 6 平台上最好的嵌入式实时操作系统之 一。它具有独一无二的微内核实时平台，建立在微内核和完全地址空间保护基础 之上，实时、稳定、可靠，已经完成到p o w e r p c 、m i p s 、a r m 等内核的移植，成 为在国内广泛应用的嵌入式实时操作系统。 q n x 实时操作系统还是一个开放的系统，其应用程序接口完全符合p o s i x 标 准。这样，其他诸如l i n u x 等操作系统的程序代码就可以很容易地移植到q n x 上来，极大地扩展了q n x 操作系统的可用资源。 我们选择q n x 作为综合平台主控单元的嵌入式开发平台主要基于以下几条理 由： n 实时性。q n x 提供用户可控制的，优先级驱动、抢占式的调度方式，特殊 的内核机制保证了其实时性非常强。 2 ) 模块化。q n x 是一个模块化、可裁剪的实时操作系统。它由微内核和一组 协同工作的进程构成，具有高度的可伸缩性。这个灵活的结构可以使用户根据实 际的需求，将系统配置成微小的( 小至3 2 k 存储空间) 嵌入式操作系统或是包括几百 个处理器的超级( 大至4 g 存储空问) 虚拟机操作系统。 3 1 稳定性。q n x 建立在完全地址空间保护基础之上的实时操作系统，具有很 强的稳定性。 4 1 网络能力。q n x 是一个分布式操作系统。从用户角度来看，运行q n x 的局 域网就像一台集中式的多用户计算机。除了其自身的网络外，还支持与异型机器 之间网络通信的协议，如t c p i p 族的各种协议。 5 1 开放性。q n x 实时操作系统还是一个开放的系统，其应用程序接口符合 p o s i x 标准。使l i n u x u n i x 程序能够方便地移植到q n x 系统上来，极大地扩展 了q n x 系统的可用资源。而且v x w o r k s 上的程序也可以移植到q n x 。因此，对 于熟悉l i n i x l i n u x 或者v x w o r k s 程序设计的人，更为方便从事q n x 开发。 6 ) 功能强大的i d e 。q n xm o m e n t i c s 新动力开发系统集成环境提供了各种方便 的工具链，各种板级支持包、库函数、源代码开发工具等。q n x 还提供了多种宿 主操作系统上m o m e n t i e s 集成开发环境，如m sw i n d o w s ，l i n u x ，s o l a r i s ，q n x n e u t r i n o 等 9 刀方便的g u i 开发。q n x 提供了非常强大易用的p h o t o n 图形用户程序开发工 p h a b ，采用所见鄄所得的方式，菲常容易就可以开发出灵活复杂优美的用户界面 程序对汉字编码的支持也很完美。 8 ) 非常广泛的硬件支持。从p c 1 0 4 到c o m p a c t p c i 的最新的p c 硬件，实际上 q n x 比其它操作系统支持更多的p c 硬件，包括多达数百种的外围器件。与美国 a m d 公司，英特尔和国家半导体公司的同盟关系确保芯片和参考平台兼容性。仅 c p u 就支持x 8 6 ，p o w e r p c ，m i p s ，a r m ( 包括x s c a l e ) 等。 9 ) 丰富的网络资源目前基于q n x 的开发应用很广泛，国内外形成了很多 比较好的技术交流网站，qn x 公司本身的技术支持网站内容也非常丰富。q n x 系统的提供的帮助体系也很全面，搜索功能比较强。 2 a在铁路通信领域的应用 嵌入式系统已经广泛地使用在日常生活、工业生产及军事航空等各个场合， 当然在铁路通信领域中也有着广泛的应用。在青藏铁路、大秦铁路等新建g s m r 网络下的高速铁路中，无论是车站通信设备还是车载通信设备都不可避免地用到 大量的嵌入式产品。 我们的综合平台就是由多个嵌入式系统组成的：语音记录单元由一块 l p c 2 2 9 4 芯片，一块f l a s h 和一些模拟电路组成( a r m 7 架构) 。g p r s 模块由 一块西门子w a v e c o m e 模块构成。m m i 与主控单元就是基于p x a 2 7 0 的嵌入式 系统。除了4 5 0 m 部分以模拟电路为主，其他功能模块均由具有一定计算能力的嵌 入式单元构成。 铁路通信网未来的发展趋势应该是向着与公用网相融合的方向，并达到与公 用网的统一。从而使得用户无论是在运行中的列车上，还是在铁路网的覆盖区域 均能够通过铁路通信网进行如同办公室一样方便的信息交流，如进行电话联络， 宽带的数据通信和图像传输，接入i n t e m e t 等。这样就对我们嵌入式系统的开发提 出了更高的要求。不过好在嵌入式系统区别于计算处理能力超强的大型计算机的 最主要特点就是灵活。我们可以像活字印刷一样对要求的功能进行剪裁，以最低 的成本达到客户的要求。 1 0 3 系统硬件电路设计 3 1c p u 部分电路的设计 3 1 1p x a 2 7 0 概述 p x a 2 7 0 是烈t e l 公司设计生产的一款基于) ( s c a l e 架构的p x a 2 7 x 系列的 3 2 位处理器芯片，其工作频率可高达6 2 4 m h z 。在主控单元中，我们根据现场需 求，选择了一款主频为5 2 0 m h z 的p x a 2 7 0 。在高主频，高性能的前提下，p x a 2 7 0 的功耗却很低，正常工作模式下只有不到5 0 0 m w 。 由于我们对c p u 接口扩展的要求比较高，所以在选择封装模式的时候选择了 2 3 m i n x 2 3 m m 的b g a 封装( 还有一种1 3 m i n x1 3 m m 的，) 共3 6 0 个管脚，这种 封装形式不仅可以有更多的扩展接口，还有利于散热和布线。 采用了i n t e lw i r e l e s sm m x t e c h n o l o g y 技术的p x a 2 7 0 处理器，大大提高了多 媒体音频和视频的处理能力。p x a 2 7 0 处理器大体上遵从a r m 系列芯片指令集 ( a r m l l 架构) ，但是不包含浮点指令。另外，加入了s p 耐s t 印技术的p x a 2 7 0 处理器，可以轻松地达到每秒运行百万条指令的运算能力。 p x a 2 7 0 内置2 5 6 k b y t e 的片内s r a m ( 4 x 6 4 k b y t e ) ，可以用来存放少量程序 代码。丰富的内部存储器接口可供开发人员灵活配置。同时，p x a 2 7 0 向用户提供 了双向高速数据总线接口，支持丰富的外部存储器扩展( f l a s h 、s d r a m 、s d 卡、c i f 卡等) 。该处理器最大的特点就是多媒体功能强大，不仅对外提供音频模 块接口。还支持最高分辨率达8 0 0 x 6 0 0 的l c d 显示器控制接口。此外，p x a 2 7 0 处理器还有多达1 2 1 个g p i o 可供用户扩展。 这些g p i o 可以扩展出p x a 2 7 0 的一些功能模块如：u s b 控制模块、i 2 c 外围 通信模块、3 个u a r t 接口、键盘接口、u s i m 模块、p w m 控制模块和蓝牙模块 等等。我们将整个主控单元所有的扩展接口都接到一个9 6 p i n 插槽上引出( 3 2 x 3 ) ， 使整板的布局更清晰。 h 。 l l a , m o , y 蛳 图4p x a 2 7 0 典型系统架构【5 l f i 9 4 m o d e lo f p x a 2 7 0s y s t e mf r a m e t s 3 1 2 电源部分电路设计 p x a 2 7 0 处理器的工作电源有3 3 v 、1 3 v 和1 i v 三种，还有一个3 0 v 的干 电池供电。其f o 、u s b 、m e m o r y 、l c d 、b a s e b a n d 、u s i m 等接口由3 3 v 供电，p l l ( 锁相环) 采用1 3 v 供电，而片内微内核单元供电电压为1 1 v 。具体 数据如下表所示： 表2p x a 2 7 0 内部供电电压典型值 t a b l c 2i n t e m a | v o l t a g eo f p x a 2 7 0 o t 4 a t d t l o _ l e l 拓y o l l r a m 墙 _e n j h eu 话 v o t t a 辨 州 m 伽 v e cb 盯tn o c ms b 目h 冀蜘e 4 斑to - i 韵啊3 且3 且岱 v c c 船s y s 科8 h “i f 。鬟3 驵3 3土t o 峨l c ds v s 别l c d ”o”tr s 2 5 3 口3 3 位 w 墨蛸8s y s n u s b i l o支33 f t 3 3幢 v c c 删 s _ r s n h 群r o h c 硝m 啸吖h 瞻慨” t ，毫2 j ，3 且3 3 l o v c c s y s j 捌 b j j e b 矾db 脚童3 1 8 2 5 3 矗3 3毒 o v c cu s 擞1s y s n 0 s 蹦h - a e d - a c et 且3 a3 31 0 v c c p 嘏e np l a 5 e t 础e d l 0 0 融l j 3士o 、圮cs r 珥秘f n翻电删s r 瞄1 t ，土婚 、c cc 涟蹦re k _ 0 孽_ r - 日m l 目f b 翻p * a n a b k o 捌5 5 1 0 根据电压需求我们选用了m a x l 5 8 6 a 芯片作为电源供电芯片，并按照其经典 电路设计电源部分电路，将输入的5 v 电压转换为板上需要的5 v 、3 3 v 、1 3 v 、 1 1 v 等电源。 m a x t 5 8 6 a 是m a x i m 公司的m a x 系列电源管理芯片中专门为i n t e l x s c a l e 系列处理器设计的一款芯片该芯片集成了7 个高性能，低驱动电流的 电压源，包括3 个下降沿d c i x ：输出，3 个线性调节器和一个常开开关，这些使 m a x l 5 8 6 a 具有很宽的管理范围，该芯片的功能示意图如图5 所示。 j 1 4 , d x i 朋 埘m 4 9 1 5 8 6 h l a s 霹 v 1 哪 v 2 v 3 丽 网 w p o k v 5 d 8 0 0 8 1 - 2 v b 0 n 击 i i r 7 w c j 0 3 3 v k ：c m 2 5 v 坭ec 0 难 o 西f t 0 1 3 v v n l 3 v 、l 葛s 脯醛1 1 v v t ：c _ u s i m 0 v , 1 8 t 3 0 v 零哪 图5m a x l 5 8 6 a 功能示意图 f i 9 5s i m p l i f i e df u n c t i o no f m a x l 5 8 6 a 电源部分具体电路如图6 所示： 4 1 图6m a x l 5 8 6 a 供电电路原理圈 f i 9 6c h i to f l m w e rs m , p p l yb ym a x l 5 8 6 a 1 3 3 1 3p x a 2 7 0 内部存储器接口 p x a 2 7 0 共有2 6 根地址线( m a t b m a 2 5 ) 。和3 2 位数据总线( m d o - m d 3 1 ) 但m a 0 作为f l a s h 寻址高6 4 m b y t e 的使能信号( 1 2 8 m b y t e 系统中) ，通常不做 一般寻址使用。在3 2 位系统下，m a 2 连接到井台存储器的l s b 上；而选择1 6 位系统接口时，m a l 连接到l s b 上。 p x a 2 7 0 为外部静态存储器( s t a f f cm e m o r y ) 提供了6 个片选信号接口，最多 可接4 片f l a s h 或静态存储器( n c s o - - - n c s 3 ) ，其余两个片选信号不能配置静态 存储器。另外，3 2 位高速数据总线( m d 0 - - m d 3 1 ) 为系统存储器性能提供了有力 的保障，数据读写方向由r d n w r 信号控制，r d n w r 为低时，由p x a 2 7 0 写数据 到存储器；r d n w r 为高时，由存储器写数据到p x a 2 7 0 。f l a s h 存储器接口电路 示意图如图7 所示。 图7 f l a s h 存储器接口电路示意图 f i 9 7 f l a s hm e m o r yi n t e f f a c e p x a 2 7 0 处理器提供了四个最高频率为i o o m h z 的s d r a m ( 同步动态随机存 储器) 接i ：1 分区，支持1 6 位和3 2 位两种模式，每一个分区均被分配了6 4 m b y t e 的地址空间。这四个分区通常由四个片选信号n s d c s 0 - - - n s d c s 3 分成两组使用： n s d c s 蝴d c s l & n s d c s 2 ，n s d c s 3 1 4 同一组的两个分区配置必须相同，组与组之间可以不同。比如0 1 通道被配置 为1 0 0 m h z ，3 2 位数据总线；而2 3 通道可以配置成6 6 m h z ，1 6 位。这是通过s d r a m 专用的时钟信号s d c l k 2 ：i 】来选择的，s d c l k l 为分区。和l 配置时钟，s d c l k 2 为分区2 、3 配置时钟。 与f l a s h 接口一样，s d r a m 同样与双向3 2 位高速数据总线相连。与静态 存储器不同的是，s d r a m 的地址总线只有1 5 位，m a 2 4 ：1 0 1 。数据字节响应控制 信号d q m 3 ：0 分别标识m d 3 1 ：0 】( 分成4 个8 位段) ，高电平有效。如d q m 3 = i 时，标识m d 3 1 ：2 4 ，以此类推。 土j l土 _ _ _ _ _ 。一 _ _ _ ，_ 一 _ - _ 一 _ _ l 1t “o l i 辩- 2 3 们0辩： t 图8s d r a m 存储器接口示意图 f i g ss d r a m i n t e t f a 3 2 最小系统的设计 3 2 1 最小系统的构成 嵌入式系统的最小系统，通常是指以嵌入式微处理器为中心具有完全相配 接的f l a s h 电路、s d r a m 电路、j t a g 电路、电源电路、晶振电路、复位信号电 路和系统总线扩展等，保证嵌入式微处理器正常运行的系统，可称为嵌入式最小 系统。最小系统再扩展出一些功能模块如u s b 、l c d ，声卡、网卡等，就可以独 立完成一些用户需要的特定功能。 系统运行之前，c p u 先执行一段系统引导程序b o o tl o a d e r 初始化硬件，然后 从片内r o m 中调用一段b o o t s t r a p 程序将操作系统( 存放在f l a s h 中) 加载到 s d r a m 上运行。 最小系统框图如图9 所示。 l 扩展总线l 一电源电路 l 晶振h c p u h j t a g f is d r a m 卜_ _ j 叫 f l a s h i 运行操作系ll 储存操作系 图9 最小系统框图 f i 9 9t h em i n i m u ms y s t e ma t r u c t u r e 最小系统中的f l a s h 用来存