（交通信息工程及控制专业论文）货车超高检测系统控制终端的设计与研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在铁路货物运输过程中，及时发现货物超载、偏载、超限等问题，检 测出装载超限货物的车辆，对于保证行车安全意义重大，是保障运输安全的 有力措施之一。目前在货运安全管理中，由于手段单一，设备简陋，依赖手 工计算、查阅资料来确定超限货物等级和装载方案的原始做法，计算量 大，出错率高，效率低下，对列车运行中货物的状态缺乏有效的监测与控 制，因此研发先进的安全技术装备来保障行车安全迫在眉睫。 为了解决目前货运安全技术装备所存在的问题，本文设计和实现了一种 货车超高检测系统的控制终端，包括系统硬件平台和系统软件的构建，并在 改进系统的实时性方面作了一些研究。 论文首先阐述了货车超高检测系统整体的方案设计和系统实现原理，然 后对系统控制终端进行了设计和实现，包括硬件设计和软件设计两部分。系 统硬件设计包括a t 9 1 r m 9 2 0 0 及存储器系统的设计、各种接口电路的设计、 电源电路的设计以及传感器接口电路设计。软件部分设计了控制终端的系统 软件，包括b o o t l o a d e r 的移植、l i n u x 系统的移植、文件系统的制作以及 在系统调试过程中遇到的问题。最后，本文采用了x e n o m a i 技术对嵌入式 l i n u x 系统的实时性做了一些改进，使普通的l i n u x 系统到达一般工业控制 器的实时性要求。 关键词：铁路运输；超高检测；l i n u x ；x e n o m a i 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t i nt h er a i l r o a dc a r g ot r a f f i cp r o c e s s ，w em e e tl o t so fp r o b l e m s ，s u c ha s f i n d i n go u tw h e t h e rt h ec a r g oi so v e r l o a d e d ，o rt h ec a r g oi so v e r h e i g h ta n ds o o n ，s of i n d i n gt h e mo u ti si m p o r t a n tt og u a r a n t e et h et r a f f i cs a f e t y ，t h e r e f o r ei ti s r e g a r d e da so n eo ft h em o s te f f e c t i v em e a s u r e sf o re n s u r i n gt h et r a n s p o r t a t i o n s e c u r i t y a tp r e s e n t ，b e c a u s eo ft h eu n i t a r ym e t h o da n dt h ec r u d ee q u i p m e n t ，w e h a v et or e l yo nm a n u a lw a y st oc o m p u t et h el e v e lo fo v e r l o a d i n gg o o d s ，i th a st o d e a lw i t ham a s s i v ec a l c u l a t i o n s ，a n di th a sa h i g he r r o rr a t i o ，w h a ti sm o r e t h e e f f i c i e n c yi sl o w ，s oi t1 a c k sae f f e c t i v ed e t e c t i o nt oc o n t r o lt h ec a r g oc o n d i t i o n i nt h et r a i nm o v e m e n t ，s oi ti s e x t r e m e l yu r g e n tt o f i n do u ta na d v a n c e d e q u i p m e n t t oe n s u r et h et r a f f i cs a f e t y i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mw h i c he x i s t si nt h ep r e s e n tc a r g os a f e t y e q u i p m e n t ，t h i sa r t i c l ed e s i g n sak i n do fo v e r h e i g h td e t e c t i o ns y s t e m sc o n t r o l t e r m i n a l ，i n c l u d i n g t h eh a r d w a r e s y s t e mp l a t f o r ma n ds y s t e ms o f t w a r e s c o n s t r u c t i o na n dd os o m er e s e a r c hi nt h ei m p r o v e m e n to nt h es y s t e m sr e a l t i m e p e r f o r m a n c e t h i sp a p e rf i r s te x p o u n d st h ew h o l ep r o j e c td e s i g no ft h et r a i n o v e r - h e i g h td e t e c t i o ns y s t e m ，a n dt h ep r i n c i p l eo ft h es y s t e mr e a l i z a t i o n ，t h e ni t c a r r i e do nt ot h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e m sc o n t r o lt e r m i n a l w h i c hi n c l u d e st w o p a r t s ：h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n t h eh a r d w a r ed e s i g n so ft h es y s t e m i n c l u d e da t 91r m 9 2 0 0a n dt h e d e s i g no fm e m o r ys y s t e m ，k i n d so fi n t e r f a c e c i r c u i t ，a n dp o w e rc i r c u i t ，a sw e l la ss e n s o ri n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n t h e s o f t w a r ep a r td e s i g n ss o f t w a r eo ft h ec o n t r o lt e r m i n a ls y s t e m ，i n c l u d i n gt h e t r a n s p l a n t so ft h eb o o tl o a d e ra n dt h el i n u xs y s t e m a n dt h ef a b r i c a t i o no f f i l e s y s t e m ，a sw e l la st h eq u e s t i o nw h i c hw i l le n c o u n t e ri nt h es y s t e md e b u g g i n g p r o c e s s f i n a l l y , t h i sa r t i c l e ，u s e dt h ex e n o m a it e c h n o l o g yt o m a k es o m e i m p r o v e m e n t st ot h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e m sr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ，e n a b l e d t h eo r d i n a r yl i n u xs y s t e mt om e e tt h eg e n e r a li n d u s t r yc o n t r o l l e r sr e q u e s to f r e a l t i m e t h ek e yw o r d s ：r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ；o v e r - h e i g h td e t e c t i o n ；l i n u x ；x e n o m a i 西南交通大学四南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囝，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：王，j t 可 日期： 矽矿甲、i 诌 指导老师签名： 杨场 日期： 7 岁二 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进 行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文选择“货车超高检测系统控制终端的设计与研究 这一 研究课题，把嵌入式系统与铁路运输技术结合起来，为检测货车 状态提供一个平台，对铁路货运的研究与实践具有比较重要的理 论价值和现实意义，在此基础上本文又对嵌入式系统的实时性问题 做了一些研究，采用了双内核方法对普通l i n u x 系统进行了实时化 改造，以满足检测系统的需求，并对改造后的系统进行了部分性能 测试。 王6 t 题 f ，s 、矽 西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 在铁路运输中，安全运行始终是第一位的要求。铁路运输的安全，不仅直 接影响铁路本身的效率和效益，更重要的是直接影响社会生产、社会生活和 社会安定。在铁路货物运输过程中，及时检测出装载超限货物的车辆对于保 证行车安全意义重大。在运行中及时发现货物超载、偏载、超限等问题，早 做处理，消除隐患，是保障货物列车运行安全的有力措施之一。 现有的货物装载状态检查工作基本上由人工完成。检查工作的质量好 坏，依赖于工人的责任心、经验水平和精神状态等不确定因素。其中，有些工 作内容靠人工完成还存在较大困难，如装载尺寸超限检查，工人只能用肉眼， 靠以往的经验作大致判断，并且必须是在列车停止运行情况下进行，对检查 人员的工作经验有较高要求，整个检查过程需要花费很长时间，对于运行状况 下的动态检查更是无能为力，另外也存在精度不高，容易漏检等缺点。由于 缺乏可依赖的工具，尺寸超限检查工作的准确性、可靠性都很差。 显然，上述的各种因素，都会在不同程度上影响着目前货车装载状态监测 工作的质量。采用先进可靠的铁路运输技术设备，可以排除或减少人为错误 所产生的严重后果，因此研发先进的安全技术装备来保障行车安全迫在眉睫。 当前电子技术的快速发展，特别是嵌入式微控制器技术的出现则给现代 工业控制领域带来了一次新的技术革命。嵌入式系统开发技术取得迅速发 展，从事嵌入式系统开发研究的人员队伍日益壮大，嵌入式处理器、操作系 统的性能增强和产品升级换代，使得嵌入式技术应用范围的急剧扩大。嵌入 式系统已经广泛地渗透到航天、电信、网络、信息家电、测控仪表、医疗、 工业控制、军事等各个领域。 正是基于这一现状，本文选择“货车超高检测系统控制终端这一研究 课题，把嵌入式系统与铁路运输技术结合起来，为检测货车状态提供一个平 台，对铁路货运的研究与实践具有比较重要的理论价值和现实意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 嵌入式系统特点和发展趋势 嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分，通常嵌 入式系统是一个控制程序存储在r o m 中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有 的带有数字接口的设备，比如手机，汽车微波炉等，都是使用嵌入式系统，有 些嵌入式系统还包含操作系统。 嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可进行裁减， 适用于对功能、可靠性、成本和功耗有严格要求的应用系统。它一般由嵌入式 处理器、外围硬件电路、嵌入式操作系统以及应用程序四部分组成，用于实现 对其他设备的控制、监视或管理等功能口1 。 和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须进行高效的设计，量 体裁衣并力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才更具竞争力，因此 嵌入式系统有是将先进的计算机技术，半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合后的产物，这一特点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散且不断创新的知识集成系统。 1 2 1 嵌入式处理器 嵌入式系统的硬件核心是嵌入式处理器，嵌入式处理器与通用的c p u 最大 的不同在于嵌入式处理器工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将通用 c p u 的许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计 时趋于小型化，同时具有很高的效率和可靠性口1 。 嵌入式处理器的体系结构大多采用r i s c 结构，采用r i s c 结构的处理器只 包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率 并使c p u 硬件结构设计变得更为简单。 目前嵌入式处理器已经超过1 0 0 0 多种，体系结构有3 0 多个，其中主流的 体系有a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、x 8 6 等。 a r m 内核是由英国一家只设计内核的公司提供的，其内核被授权给数百家 的半导体厂商，做成不同的s o c 芯片瞄_ 制。a r m 内核在当今最活跃的无线局域 网、3 g 、手机终端、手持设备、有线网络通信设备中广泛应用，其应用形式 是集成到专用芯片之中作为控制器，最大的特点是低功耗。 p o w e r p c 来源于i b m 公司的p o w e r 处理器，已经成为在通信领域用得最广泛 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的处理器内核。该内核被摩托罗拉公司设计n s o c 芯片之中形成了一个巨大的 嵌入式处理器家族。 m i p s 内核是由美国一家只设计内核的公司提供的，是一种高速，低功耗 的处理器。值得一提的是，中科院计算所设计的龙芯处理器也是基于m i p s 内 核的，m i p s 处理器的执行效率相当高，通常在很低的主频下都能提供可观的 运算性能。 1 2 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台，用户的应用程序 都建立在操作系统之上。但嵌入式操作系统并不是简单嵌入的操作系统，它 与通常意义的操作系统有所区别。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部 软、硬件资源的分配和调度工作。它必须体现所在系统的特征，能够通过装 卸某些模块来达到系统所要的功能。 下面介绍几种常用的操作系统h 1 ： w i n d o w sc e ： w i n d o w sc e 是一个简洁的，高效率的多平台操作系统。它不是削减的 w i n d o w s 9 5 版本，而是从整体上为有限资源的平台设计的多线程，完整优先 权，多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工 业控制器的用户电子设备进行定制。但它的价格太高，采用这种操作系统将 使得整个产品的成本急剧上升。 v x w o r k s ： v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛，市场占有率最高的系统。 它使用的是和u n i x 不兼容的环境，大多数的v x w o r k sa p i 是专有的。应该说 v x w o r k s 由是业界提供的最好的嵌入式系统开发环境，对于要求强实时的嵌入 式系统是最好的选择。但是它的价格昂贵，而且不同的产品和c p u 类型都要收 费。 l i n u x ： l i n u x 是一套以u n i x 为基础发展而成的操作系统。它充分利用了c p u 的任 务切换机制，实现了真正的多任务、多用户环境。l i n u x 对硬件配置的要求相 当低，能够在4 m 内存的x 8 6 机器上很好的运行。此外更为重要的是，很多高 手愿意在l i n u x 上开发程序，而且有很多高手随时对l i n u x 的开放内核进行升 级和修补，很多b u g 可以很快得到检测和修复。l i n u x 的开放式开发原则使得 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 l i n u x 下的驱动和升级变得越来越多和越来越快。 近年来嵌入式系统技术发展迅猛，其应用领域不断扩大，逐渐渗透到人 们生活和工作的各方面。随着硬件技术的不断革新，硬件平台的处理能力不断 增强，产品体积越来越小，同时嵌入式软件的可靠性、实时性、可维护性进 一步提高，嵌入式系统展现出了更加广阔的市场应用前景。 1 3 论文研究的主要内容 本论文主要目标是，在充分掌握嵌入式系统开发技术的基础上，根据应 用对象的具体要求，利用a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器构建一个控制终端的硬件平台， 并在此平台上，实现对l i n u x 操作系统以及引到程序的移植，并对操作系统 的实时性能做了一些改进研究，最终应用于货车超高检测系统的室外控制终端 中。 论文的主要内容分为5 章来阐述，安排如下： 第一章主要分析了本文的研究背景，意义以及主要研究内容。 第二章主要介绍了货车超高检测系统开发平台总体概况，主要对系统进 行功能上说明。 第三章详细介绍了了系统开发平台的硬件电路部分，包括各个功能模块 电路的详细设计、p c b 设计和系统硬件调试，同时给出了处理器与各个部分的 接口原理图与p c b 的设计图。 第四章主要阐述了系统底层软件的构建，包括b o o t l o a d e r 的修改移植， 嵌入式l i n u x 系统的裁剪移植以及文件系统的制作。 第五章介绍了对嵌入式l i n u x 实时性的改进过程，介绍了实时系统以及 本设计具体的改进过程，并对改进后的操作系统进行部分指标的测试。 最后，对本文的研究工作进行了总结，指出系统还需要进行改进的地 方。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章系统总体概述 2 1 货车超高检测系统 铁路货车超高安全检测系统的作用是在货场、咽喉区、干支线交界处、跨 局交界处准确判别装载超高车辆，保证行车安全的专用系统。 为了保证行车安全，凡接近铁路线路的各种建筑物或设备，必须与线路 保持一定的距离。同时对运行在线路上的机车车辆也有一定的横向限制。因 此，铁路规定了各种专门的限界。最基本的铁路限界有机车车辆限界和建筑 限界n 4 。1 5 1 。 铁路超限超重货物运输规则中根据货物超限部位所在的高度，超限货 物分为三种类型：上部超限、中部超限和下部超限。 1 ) 上部超限：自轨面起高度超过3 6 0 0 毫米，任何部位超限者。 2 ) 中部超限：自轨面起高度在1 2 5 0 毫米至3 6 0 0 毫米之间，任何部位超 限者。 3 ) 下部超限：自轨面起高度在1 5 0 毫米至未满1 2 5 0 毫米之间，任何部位 超限者。 本设计目前的方案中只涉及检测高度上的超限车辆，根据机车车辆限界 图，高度上超过4 8 0 0 m m 的车辆就可视作超高车辆。本设计的目标就是动态地 检测出超高车辆并记录下来存入数据库。图2 一l 为机车车辆限界图： i 产堕曼旦1 ，( 乒) 互。 、 r 、 m i 一。 ：舞l 卜。 - 1 2 l卜 寓 量 虽 量 骞 宕 萤 萎 掣 毫 鬲 一 6 d o ，o r 鑫 弋 1 2 7 01 2 7 0 酉 一机车车辆碾再基车轮廓 电1 化# 镕t 线t 运用的电力机车 一列$ m 号# m 畀廓 电力机车在轨面7 l e 3 5 0 , m u - - 1 2 5 0 , u m 范圈内为1 6 7 5 - 图2 1 机车车辆限界图 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 2 系统原理 本系统以半导体激光器作为基础部件，结合计算机技术和嵌入式技术， 在货车运行过程中完成对超高车辆的自动检测、记录。系统由车轮传感器， 激光传感器，激光接收器，控制终端，通信单元，室内机，打印机，u p s 等 部件组成。 车轮传感器采用安通测控公司的c g 3 有源型车轮传感器，传感器l 、2 、3 安装在轨道旁，超高检测激光发射器和接收器安装在线路两侧的设备安装架 上，控制终端安装在室外控制箱内，完成行车方向，计算列车轴距，判断车 型等功能。如图2 2 是系统检测原理示意图： 图2 2 系统原理示惫图 检测原理：在有列车经过时传感器1 首先会产生一个信号输出，控制单元 检测到这个信号立刻就启动检测程序，当列车经过传感器2 和3 时，控制芯片 接受到信号，记录车辆经过的即时时刻并计算出列车两轮之间的距离判断出 当前车位。 根据列车第一个车轮经过传感器1 和传感器2 的时间间隔可以计算出车 速。根据同一车辆的轮子经过车轮传感器2 的时间间隔可以计算出车轴距 离。根据激光传感器发出信号时系统记录经过车轮传感器的次数可以确定车 位。 当有车辆超高被检测出来时，激光接受装置发送给控制单元一个脉冲信 号，控制单元判断出当前车位并及时记录下来。当列车完全通过1 0 s 以后， 蓬 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 控制单元采用有线或者无线方式把列车信息发送给室内机，室内机存入数据 库并在需要时打印出来。 2 2 1 系统结构 整个系统分为远程检测中心、远程通信模块和现场检测系统三部分，室外 检测终端就是货车超高检测系统的现场控制系统，其中室内检测中心与远程通 信模块采用r s 2 3 2 协议进行数据传输 系统的结构图如图2 3 所示： 图2 3 系统结构图 1 ) 室外检测系统 室外检测系统是直接对现场货车运行状态进行检测控制的系统，包括现场 数据检测设备与控制系统，他根据远程检测中心的要求对现场数据进行实时监 控，并将这些数据经过分析处理，最后将结果通过传输通道反馈到远程检测中 心。 2 ) 远程检测中心 远程检测中心系统是用于与室外检测系统进行交互的远程接口，包括显示 远程设备状态，系统设置，发送控制命令，设定系统参数等操作，使用一台 p c 机作为远检测系统的主要平台。 3 ) 远距离通信模块 远程通信模块作为整个系统的数据传输通道，是连接室外检测系统与远程 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 检测中心的桥梁和纽带，负责将远程检测中心的控制信息及时传输到室外检测 系统，并将室外检测系统的状态信息以及现场检测信息传输到检测中心。 本文研究的重点是室外检测系统的控制终端，为室外的检测系统提供一个 平台。这个平台包括硬件和底层软件两部分，硬件部分包括最小系统的设计、 各种接口电路的设计、传感器接口电路的设计，以及硬件系统p c b 设计等，软 件部分包括搭建嵌入式系统平台的底层软件，如b o o t l o a d e r 、l i n u x 操作系统 以及文件系统。设计的目的是既能满足当前实际检测功能的需要，也要为以后 系统的二次开发打下良好的基础。 2 2 2 系统功能 l 、自动检测功能：能在列车运行速度为5 k m - 8 0 k m 范围内自动检测出超高 车辆。 2 、识别功能：能自动识别来车方向，对反向过车不检测。能识别列车编 组辆数以及发生超高车辆在列车编组中的位置。 3 、打印查询功能：以图表方式打印出检测结果( 列车编组辆数、超高车 辆位置。检测的日期和时间等信息) 。 4 、抗干扰功能：系统具有较强抗电气干扰功能，激光接收器具有较强抗 日光及其他干扰。 5 、冗余纠错功能：超高检测部分并行安装两套激光发射与接收装置，以 免因单个激光器故障造成设备停用或误报。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第3 章系统硬件平台设计 3 1 系统控制终端总体设计 3 1 1 硬件设计思想 货车超高检测系统控制终端的作用是检测传感器组合的电路信号，通过车 轴经过传感器的时间不同，检测出列车速度、列车编组位置等信息，由于终端 位于室外现场，对系统硬件和软件的稳定性以及实时性有一定的要求，控制终 端要实现几个功能： 1 ) 检测传感器信号，将由轨道两旁的传感器信号准确发送到控制核心， 并计算出相关数据。 2 ) 具有u s b 存储功能，可将一些数据通过u s b 接口传输给外部设备。 3 ) 具有精确的时间系统，在计算车速以及列车编组位置时候需要精确的 时间定位。 4 ) 可以通过调式串口和j t a g 接口与p c 机相连。 5 ) 具有一定抗震动和粉尘能力，具有室外低温情况下运行的能力。 6 ) 系统预留有一定接口，可供以后二次开发使用。 在系统硬件设计的过程中曾考虑用单片机来作为控制核心，但由于单片机 处理速度慢，而且内部集成的控制器很少，不利于扩展系统接口和存储系统， 从软件设计的角度，单片机而且不能使用操作系统，不利于应用程序的移植， 不利于系统的二次开发。 根据系统功能需求，本设计选择的处理器必须有高速的数据处理能力，有 精确的时间系统比如r t c 之类的实时控制器，有一些扩展总线接口方便扩展存 储器系统，具有多个串口、u s b 接口和j t a g 接口控制器，i o 口也要有一定的 数量，因此本设计采用了a r m 框架的处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 作为货车超高检测系 统控制终端的核心芯片。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 3 1 2a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器简介 a t 9 1 r m 9 2 0 0 是款由a t m e l 公司设计生产的基于a r m 9 2 0 t 的a r m 微处理 器，采用2 0 8 p i n 的p q f p 和2 5 6 p i n 的b g a 两种封装模式，在1 8 0 m h z 的工作频 率下运行速度为2 0 0 m i p s ，内嵌1 6 k b 的数据c a c h e ，1 6 k b 指令c a c h e 写缓冲 区和d e b u g 通信通道的在线仿真器，有全功能的m m u 。这块芯片本身就是为工 业控制所设计的，没有商业级温度的型号，它在低温下的稳定运行能力是其 一大特色。下面是这款处理器的一些特性嘲： 融合了a r m 9 2 0 ta r mt h u m b 处理器 一工作于1 8 0 m h z 时性能高达2 0 0 m i p s 一含有调试信道的内部仿真器 附加的嵌入式存储器 一s r a m 为1 6 k ，r o m 为1 2 8 k 外部总线接口( e b i ) 一支持s d r a m ，静态存储器， b u r s tf l a s h 提高性能而使用的系统外设： 一低速的时钟操作模式与软件功耗优化能力 一四个可编程的外部时钟信号 一包括周期性中断、看门狗及第二计数器的系统定时器 一有报警中断的实时时钟 一调试单元、两线u a r t 并支持调试信道 一有8 个优先级的高级中断控制器，独立的可屏蔽中断源，伪 中断保护 一7 个外部中断源及1 个快速中断源 一有1 2 2 个可编程i o n 线的四个3 2 位p i o 控制器，各线均有输 入变化中断及开漏能力 l o i o ob a s e - t 型以太网卡接口 u s b2 0 全速( i 2m t t 特秒) 主机双端口 一双片上收发器( 2 0 8 7 1 脚p q f p 封装中仅为一个) 4 个通用同步异步接收发送器( u s a r t ) 一支持i s 0 7 8 1 6t o t 1 智能卡 一硬软件握手 一支持r s 4 8 5 及高达1 1 5k b p s 的i r d a 总线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 一u s a r t l 为全调制解调控制线 主机从机串行外设接口( s p i ) 一8 1 6 位可编程数据长度，可连接4 个外设 两个3 通道1 6 位定时计数器( t c ) 一3 个外部时钟输入，每条通道有2 个多功能i o 引脚 一双p w m 产生器，捕获波形模式，上a n 下减计数能力 两线接口( t w i ) 一主机模式支持，所有两线a t m e le e p r o m 支持 所有数字引脚的i e e e11 4 9 1j t a g 边界扫描 提供了2 0 8 7 i 脚p q f p 及2 5 6 球状b g a 两种封装 3 1 3 硬件系统功能划分 整个硬件系统由一个最小系统模块和接口电路模块组成，最小系统模块 分为存储器的电路、电源电路、复位电路组成，接口电路模块由一些j t a g 接 口、u s b 接口以及传感器接口电路组成。硬件系统的电路结构图如3 1 所示： 传感嚣接口电路h + - 4 电源及时钟电路 凡贴h 卜一 a t 9l r m 9 2 0 0+ - 4 扩展接口 s 。洲h + - 4 接口电路模块 图3 1 系统硬件结构图 由于a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部集成了很多控制器，很方便扩展必要的存储器系统 和接口电路，控制终端硬件电路包括以下部分： 本系统的控制芯片采用a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器，它是一款由a t m e l 公司设 计生产的基于a r m 9 2 0 t 的a r m 微处理器，采用2 0 8 p i n 的p q f p 和2 5 6 p i n 的b g a 两 种封装模式，在1 8 0 m h z 的工作频率下运行速度为2 0 0 m i p s ，内嵌1 6 k b 的数据 c a c h e ，1 6 k b 指令c a c h e 写缓冲区和d e b u g 通信通道的在线仿真器，有全功能的 m m u 。这块芯片本身就是为工业控制所设计的，没有商业级温度的型号，它在 低温下的稳定运行能力是其一大特色。 传感器接口电路包括车轮传感器接口电路和激光传感器检测电路，分 别接受两种传感器传递的信号经过信号调理电路转换成l v t t l 电平之后送到 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 控制芯片中去处理。 s d r a m 采用两片8 m 的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 芯片组成3 2 位数据总线。系统上 电后所有的操作系统和应用程序都在这里运行。 f l a s h 采用2 m b 的n o rf l a s h 芯片s 2 9 a l 0 1 6 d ，这是系统的存储器，系 统的引导程序、操作系统、文件系统以及应用程序多放在这里。 电源电路作用是把1 2 v 的电压转换为本系统所需的5 v 、3 3 v 以及1 8 v 的电源。 复位与时钟电路采用m a x 6 3 9 0 芯片为a t 9 1 r m 9 2 0 0 提供足够的复位延 迟，时钟电路则是由一个3 2 7 6 8 k h z 晶振和一个1 8 4 3 2 m h z 晶振为a r m 提供时 钟脉冲。 接口电路包括了一个调试串口、一个普通用串口、t w i 双线接口、u s b 主机端口和g p i o 扩展接口等。 以下的章节详细说明了控制终端的硬件系统设计。 3 2 最小系统设计 在整个系统的设计中，存储器系统的设计很大程度上决定了整个系统的 功能实现，在系统设计阶段根据不同的需求采用了f l a s h 、s d r a m 、e e p r o m 三 种不同的存储器。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的外部总线接口( e b i ) 设计用于确保外扩存储器与芯片内置 存储控制器间正确的数据传输。e b i 内部集成了三个外部存储控制器分别是静 态存储控制器( s m c ) 、s d r a m 控制器和b u s tf l a s h 控制器。e b i 主要的接口信 号如表3 - 1 所示： 系统中的f l a s h 存储器位于e b i 的n c s o 地址空间，用处存放程序，用户 代码在上电后自动装载运行。s d r a m 存储器位于n c s l ( s d c s ) 地址空间，在系 统上电后，引导程序把位于外部存储器的代码加载到s d r a m 中运行。系统的地 址空间分配如表3 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 表3 一le b i 接口信号 控制器名称功能 e b i d 3 1 ：0 数据总线 a 3 1 ：0 地址总线 n c s 7 ：0 片选线 s m c n w r 1 ：0 写信号 n o e 输出使能 n r d读信号 n b s l 高字节选择 n b s o低字节选择 n w e写使能 s d r a ms d c k s d r a l v l 时钟 s d c k es d r a m 时钟使能 s d c ss d r a m 控制器片选线 b a 1 ：0 分组选择 s d w es d r a m 写使能 r a s - c a s行列信号 n w r 3 ：o 写信号 n b s 3 ：0 字节屏蔽信号 s d a l 0 s d r a m 地址1 0 线( 有预充 电作用) 表3 - 2 系统地址空间分配 片选信号地址空间占用长度功能 n u l l0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 一0 x 0 f f f f f f f2 5 6 m内部存储空间 n c s oo xl0 0 0 0 0 0 0 o x1f f f f f f f2 5 6 m外接2 m x 8 b i tf l a s h n c s l0 x 2 0 0 0 0 0 0 0 o x 2 f f f f f f f2 5 6 m外接8 m x3 2 b i ts d r a m 3 2 1f ia s h 接口电路 作为一种非易失性存储器，f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、常 量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。常用的f l a s h 为8 位或 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 1 6 位的数据宽度，编程电压为单3 3 v 。主要的生产厂商为i n t e l 、a t m e l 、 a m d 、h y u n d a i 等。f l a s h 技术根据不同的应用场合也分为不同的发展方向， 有擅长存储代码的n o rf l a s h 和擅长存储数据的n a n df l a s h 。 在本设计中，根据系统的实际需要采用s p a n s i o n 公司的s 2 9 a l 0 1 6 d 这款 n o rf l a s h 芯片作为系统的存储器，工作电压为2 7 v 到3 6 v ，采用4 8 脚的 t s o p 封装，容量为2 m 8 b i t ，在系统中f l a s h 主要用来存放启动程序，操作 系统以及用户编写的应用程序。其原理图如图3 2 ： 图3 2f l a s h 接口电路图 a t 9 1 r m 9 2 0 0 上电复位后，如果检测到b m s 管脚为低电平，则将n c s o 的地 址空间映射到内部存储器域0 ，从这里读取启动程序，因此f l a s h 芯片的片选 信号必须接到e b i 的n c s o 引脚上，以保证系统能够自上电后正常启动。原理 图中，a d d r 2 0 ：1 与e b i 的地址总线相连，d a t a 1 5 ：0 与e b i 数据总线相连， n o e 、n e w 分别为e b i 的信号输出使能和写使能信号。 3 2 2s d r a m 接口电路 本系统软件平台要使用操作系统以满足实际需要，因此需采用高速存储器 来运行程序，而a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部的r a m 只有1 6 k ，远远不能满足实际需要，因 此需要扩展大容量的高速存储器，而同步动态随机存储器( s d r a m ) 具有高度、 大容量、价格低廉等优点，因此成为本系统的首选。 s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启动 时，c p u 首先从复位地址o x o 处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 代码一般应调入s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度，同时，系统及用户堆 栈、运行数据也都放在s d r a m 中。s d r a m 的行地址线和列地址线是分时复用 的，即地址线要分两次送出，先送行地址线，再送列地址线。这样可进一步 减少地址线的数量、提高器件的性能，但寻址过程会由此变得复杂。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部集成了s d r a m 的控制器，可以通过配置寄存器实现对s d r a m 的 透明操作。目前常用的s d r a m 为8 位1 6 位的数据宽度，工作电压一般为3 3 v ，他们生产的同型器件一般具有相同的电气特性和封装形式，可通用。本系 统包含1 6 m bs d r a m ，用由两片1 6 位数据宽度的s d r a m 存储器h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 组成 3 2 位数据宽度的s d r a m 存储系统，并映射a t 9 1 r m 9 2 0 0 的n c s l ，地址从 2 0 0 0 0 0 0 0 2 0 f f f f f f 。图3 - 3 是s d r a m 与a r m 的连接图。 图3 - 3s d r a m 接口电路图 本文采用h y n i x 公司的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 e t p - 7 作为系统的s d r a m ，该芯片大小 为4 m x3 2 b i t ，总线最高时钟为1 4 3 m h z 。采用两片s d r a m 进行位扩展就可以与 e b i 的数据总线相连。s d r a m 所有信号均以系统时钟s d c k 上升沿为基准，通过 s d w e 、r a s 、c a s 等组合在时钟上升沿决定具体操作。 3 2 3e e p r o m 接口电路 本系统的e e p r o m 器件采用a t 2 4 c 1 6 ，它是一款由a t m e l 公司生产的1 6 k 字节存储空间的可编程存储器，采用两线串行接口进行数据通信，具有掉电 不丢失数据的特点。在设计中用来储存一些用户设定的参数或者作为重要数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 据的临时储存器，保证掉电情况下数据的安全性。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 控制器内置了两线接口( t w i ) ，它由一根时钟线( t w c k ) 和一 个数据线( t w d ) 组成，通过配置t w i 寄存器可对其进行初始化设置。而一个 总线上只能挂载一个a t 2 4 c 1 6 ，所以他的地址线a 0 、a l 、a 2 在内部就没有连 接线，可以接地。如图3 4 是e e p r o m 与a t 9 1 r m 9 2 0 0 接口电路图。 ：一”：。2 一r ：”i ”q 一 p “ 图3 - 4e e p r o m 接口电路图 3 2 4 串行接口电路的设计 接口电路是整个系统重要的组成部分，是系统提供给外设的数据输入输 出通道，本平台主要提供的接口有串行接口，u s b 主机端口，j t a g 口等一些 常用的端口。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的通用同步异步收发器提供全双工通用同步异步串行连接。 接收器执行奇偶错误、帧错误及溢出错误检测。接收器超时使能可变长帧处 理，发送器时间保障便于与慢速远程器件通信，接收与发送地址位也支持多 点通信。 本系统采用比较常用的r s - 2 3 2 - c 标准进行接口的设计，由于r s 一2 3 2 一c 标准所定义的高、低电平信号与a t 9 1 r m 9 2 0 0 系统的l v t t l 电路所定义的高、 低电平信号完全不同，l v t t l 的标准逻辑“1 对应2 v 一3 3 v 电平，标准逻辑 “0 ”对应0 v 一0 4 v 电平，而r s - 2 3 2 一c 标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1 ” 对应- 5 v - 一1 5 v 电平，标准逻辑“0 对应+ 5 一+ 1 5 v 电平，显然，两者间要进 行通信必须经过信号电平的转换。 本设计采用m a x 3 2 3 2 芯片来进行l v t t l r s 2 3 2 电平间转换。m a x 3 2 3 2 是 m a x 2 3 2 的改进型，更低功耗，供电电压5 v 或3 3 v ，适用于a r m 的外围电路， 本系统采用两片m a x 3 2 3 2 芯片与a t 9 1 r m 9 2 0 0 的通用同步异步收发器( u s a r t ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 和调试串口相连，设计一个普通串1 3 和一个调式串口供用户使用。 图3 5 串行接口电路图 调试串口只有两个引脚，分别是调试接受数据引脚( d r x d ) 与调试发送数据 引脚( d t x d ) ，分别与m a x 3 2 3 2 的r i o u t 和t 1 i n 引脚相连。普通串口则有四个 引脚，分别是t x d 、r x d 、c t s 、r t s 。t x d 是发送串行数据引脚，r x d 是接收串 行数据引脚，c t s 与r t s 是发送清楚与发送请求引脚，这四个引脚分别与 m a x 3 2 3