（机械电子工程专业论文）基于sopc的amt控制单元设计.pdf

c l a s s i f i e di d e x ：t p 3 3 2 at h e s i ss u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fg r a d u a t eo f s h a n d o n gu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g d e s i g no fa u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nc o n t r o l l e ru n i t b a s eo ns o p c t e c h n o l o g y c a n d i d a t e ： q iz h e n j u n s p e c i a l t y ： m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gc h e n g r u i s h a n d o n gu n i v e r s i t y , j i n a n p r c h i n a a p r i l ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。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己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：越拯笙日期：塑血垒：丛 关于学位论文使用授权的声明 本人完全丫解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：遗益玺导师签名： 目录 目录 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 2 概念介绍和国内外研究现状2 1 2 1a m t 和t c u 概念介绍2 1 2 2 国内外研究现状和存在的问题2 1 3s o p c 技术介绍4 1 4 课题提出和主要研究内容8 第二章t c u 功能需求分析和总体规划9 2 1a m t 的工作原理9 2 2t c u 功能需求分析1 2 2 3t c u 设计方案总体规划1 3 2 4 本章小结1 4 第三章t c u 硬件电路设计15 3 1 信号归类和模块划分15 3 2 前向模拟通道模块17 3 3d 订向数字通道模块18 3 4 档位输入模块2 0 3 5 油门输入模块2 0 3 6c a n 及信息交换模块2 0 3 7 其它模块2 1 3 8 本章小结2 l 第四章s o p c 内核实现2 3 4 1 模块的划分和总体架构2 3 4 2 微控制器系统设计2 5 4 2 1c p u 设计2 5 4 2 2 数据存储器设计2 8 4 2 3 程序存储器设计2 9 4 2 4 外设扩展系统设计3 0 4 3 模拟量模块设计3 0 4 3 1 功能描述3 0 4 3 2 实现原理一3 0 4 3 3 具体设计3 1 4 3 4 试验验证3 3 4 4 频率量模块设计3 3 4 4 1 模块功能一3 3 4 4 2 实现原理3 3 山东大学硕十学位论文 4 4 3 具体设计3 4 4 4 4 试验验证3 7 4 5 液晶显示模块设计3 7 4 5 1 模块功能3 8 4 5 2 实现原理3 8 4 5 3 具体设计3 9 4 5 4 试验验证4 2 4 6p w m 模块设计4 3 4 6 1 功能描述4 3 4 6 2 实现原理与具体设计4 3 4 6 3 试验验证4 7 4 7 其他模块设计4 7 4 8 本章小结4 8 第五章c a ni p 核的重用4 9 5 1c a n 和i p 简介4 9 5 2c a n 核在a f s 6 0 0 上的移植4 9 5 2 1c a n 核的模块组织结构4 9 5 2 2c a n 核管脚信号有效电平的分析5 0 5 2 3r a m 块的添加一5 l 5 3 与c o r e 8 0 5 1 的连接设计5 2 5 3 1 双向总线改造为单向总线5 3 5 3 2 时序转换桥的设计5 4 5 4c a n 功能验证一5 5 5 5 本章小结5 6 第六章原型机验证和结果分析5 7 6 1 验证系统的组成5 7 6 2t c u 上位机调试系统设计5 8 6 3t c u 下位机调试程序设计5 9 6 4 原型机功能验证和结果分析6 0 6 4 1 连接验证系统6 0 6 4 1 功能验证6 1 6 4 2 试验验证和结果分析6 l 6 5 本章小结6 2 总结与展望6 3 参考文献6 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 8 致谢6 9 l l 摘要 摘要 机械式自动变速器( a m t ) 是有广阔市场的汽车变速器，其控制单元( 简称 t c u ) ，是a m t 系统的大脑，直接影响a m t 系统的性能。常见的t c u 使用m c u 作为核t l , 控制芯片，不具备硬件可编程性，限制了t c u 的可升级性。可编程片上 系统( s o p c ) ，用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，具有软硬件在系 统可编程的特点，被称为“半导体产业的未来 。 本文设计的目的就是将s o p c 技术应用到t c u 设计上，从而使t c u 具有硬 件可编程性。本文先介绍了a m t 的工作原理，分析了t c u 的功能需求，进而给 出了t c u 设计的技术指标。本文以f p g a 芯片a f s 6 0 0 为核心构建s o p c 内核， 采用“开发板+ 接口板”的方案来设计t c u 。 本文将汽车与t c u 交互的各种信号划分到前向数字、前向模拟、档位输入、 油门输入和离合器控制等模块，并给出了各个模块的电路原理图。 本文使用c o r e 8 0 5 1 知识产权核作为c p u ，通过添加数据存储器和程序存储器 和设计外设扩展系统，完成了微控制器系统的设计；设计了频率量模块、模拟量 模块、液晶显示模块、脉宽调制波( p w m ) 产尘模块和其他模块，完成了s o p c 内核的搭建。文中对模块的功能、原理和具体设计给出了说明，对设计中遇到的 问题和难点进行了分析和解释，并对每个模块的功能，进行了仿真和验证。将s o p c 技术应用到t c u 设计上，使其具备硬件可编程性，是本文的第一个创新点。 通过将开源c a n 知识产权核重用到芯片a f s 6 0 0 上，使t c u 获得了c a n 通 信能力。本文分析了该c a n 核的文件组织，分析了引脚的有效电平和触发方式， 实现了c a n 核在a f s 6 0 0 上的移植；通过将双向总线改造为单向总线和设计时序 转换桥，实现了c a n 核和c o r e 8 0 5 1 核的通信，并进行了试验验证。对丌源c a n 核进行适用性改造，实现其在a f s 6 0 0 上的重用，是本文的第二个创新点。 为了验证t c u 原型机的功能，进行了验证试验并分析了试验结果。为了直观 地观察t c u 的各种状态信息，设计了上位机调试系统；使用单参数( 车速) 换挡 山东人学硕十学位论文 规律，编写了下位机程序；配合d s p a c e 半实物仿真设备，对t c u 原型机的功能 进行了验证试验。试验结果表明，t c u 执行的单参数换挡规律与预期结果一致， 满足设计要求。 关键词机械式自动变速器；变速器控制单元；可编程片上系统 i v a b s t r a ct a b s t r a c t t r a n s m i s s i o nc o n t r o l l e ru n i t ( t c u ) i st h eb r a i no fa u t o m a t e dm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n ( a m t ) s y s t e m ，w h i c hh a sab r o a dm a r k e t ，a n dh a sad i r e c ti m p a c to n a m t s y s t e m sp e r f o r m a n c e t r a d i t i o n a ls o l u t i o no ft c u u s e sm c ua st h ec o r ec h i p w h i c hi sn o t h a r d w a r e p r o g r a m m a b l e ，a n d l i m i t st h e u p g r a d e s y s t e m o n a p r o g r a m m a b l ec h i p ( s o p c ) ，at e c h n o l o g yo fb u i l d i n gac o m p l e t ec o m p u t e rs y s t e mo n a p r o g r a m m a b l es i l i c o nc h i p ，w i t h s o f t w a r ea n dh a r d w a r ei n s y s t e mp r o g r a m m a b l e f e a t u r e i sw e l lk n o w na s ”t h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y sf u t u r e ” t h i s p a p e ra i m s t o d e s i g nat c ub a s e do ns o p ct e c h n o l o g y t h i sp a p e r i n t r o d u c e sh o wt h ea m t s y s t e mw o r k s a n a l y z e st h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft c u a n dg i v e st h et e c h n i c a li n d i c a t o r so ft h et c ud e s i g n i nt h i sp a p e r ，a f s 6 0 0 ，af p g a c h i p w a sc h o s e nt ob et h ec o r ec h i pi nw h i c ht h es o p ck e m e lw o u l d b eb u i l t ，w i t ht h e s o l u t i o no f ”f u s i o ns t a r t k i tb o a r d + i n t e r f a c eb o a r d ” t h i sp a p e rd i v i d e dt h ei n t e r a c t i v es i g n a l si n t os e v e r a lc h a n n e l s 1 i k ef o r w a r da n a l o g c h a n n e l ，f o r w a r dd i g i t a lc h a n n e l ，g e a ri n p u tc h a n n e l ，a c c e l e r a t o ri n p u tc h a n n e l ，c l u t c h c o n t r o lc h a n n e l e t c a n dg i v e st h ec i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a m so fs o m ec h a n n e l s b ye m b e d d i n gc o r e 8 0 5 li pc o r ea sas o f tc p u ，a d d i n gr a n d o ma c c e s sm e m o r y ( r a m ) a n dc o d em e m o r y ( r o m ) a n dd e s i g n i n gc u s t o m d e s i g n e dp e r i p h e r a l sm a p p i n g s y s t e m ，t h ed e s i g no fm i c r o c o n t r o l l e rs y s t e mw a sc o m p l e t e d ；b yd e s i g n i n gf r e q u e n c y s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，a n a l o gs i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y m o d u l e ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) m o d u l ea n do t h e rm o d u l e s ，s o p ck e r n e lw a s c o n s t r u c t e d i nt h i sp a p e r , m o d u l e sf u n c t i o n s ，p r i n c i p l e sa n ds p e c i f i cd e s i g n sa r e d e s c r i b e d 。d e s i g n i n gp r o b l e m so rd i 伍c u l t i e sa r ea n a l y z e da n di n t e r p r e t e d ，a n dw a v e s i m u l a t i o n so rv e r i f i c a t i o nt e s t so fm o d u l e sw e r ec a r r i e do u t a p p l y i n gs o p c t e c h n o l o g yt ot c ud e s i g nt oe n a b l ei t sh a r d w a r e p r o g r a m m a b i l i t yi s a ni n n o v a t i o n p o i n to f t h i sp a p e r t h eo p e ns o u r c ec a ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ( i p ) c o r ew a sr e u s e di na f s 6 0 0 b y a n a l y z i n gt h ef i l e s o r g a n i z a t i o n ，a n a l y z i n g t h es i g n a l s e f f e c t i v el e v e la n dt r i g g e r c o n d i t i o n a n da d d i n gr a m ，t h ec a ni pc o r ew a st r a n s p l a n t e di n t oa f s 6 0 0 b y c o n v e r t i n gb i d i r e c t i o n a lb u si n t oo n e - - w a yb u s e sa n dd e s i g n i n gat i m i n gc o n v e r t i o n b r i d g ei p , c o r e 8 0 5li pc o r ea n dc a n i pc o r ea r ec o n n e c t e da n dc a nc o m m u n i c a t ew i t h e a c ho t h e r r e u s a g ea n dm o d i f i c a t i o no fc a ni pc o r ei na f s 6 0 0 i st h es e c o n d i n n o v a t i o np o i n to ft h i sp a p e r i no r d e rt o t e s tt c u p r o t o t y p e sf u n c t i o n s v e r i f i c a t i o nt e s tw a sc a r r i e do u ta n d r e s u l t sw e r ea n a l y z e d s o f t w a r eo ft c u ，u s i n gs i n g l e - p a r a m e t e r ( s p e e d ) s h i f tp a t t e r n ， w a sd e v e l o p e d t c up r o t o t y p ev e r i f i c a t i o nt e s tw a sc a r r i e do u t ，w o r k i n gw i t ht h eh o s t d e b u g g i n gs y s t e ma n dt h ed s p a c eh a r d w a r e i n t h e l o o ps i m u l a t i o ns y s t e m t h er e s u l t s s h o wt h a tt c ue x e c u t e dt h es i n g l e p a r a m e t e rs h i f tp a t t e ma se x p e c t e d ，w h i c hm e e tt h e v r e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n k e y w o r d sa m t ；t c u ；s o p c 山东大学硕十学位论文 v l 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 近几年，我国汽车工业迅速发展，2 0 0 9 年中国汽车产量为1 3 7 9 万辆。在交通 拥挤的市区内，驾驶员需要频繁换挡来调整速度。这种单调、重负荷的换挡动作 会使驾驶员感到疲劳，进而增大交通事故发生的几率。在这种情况下，自动档汽 车丌始出现川。 拥有自动挡的汽车都装备了自动变速器。目前世界上使用最多的汽车自动变 速器有三种类型：液力自动变速器( a t ) 、金属带式无级自动变速器( c v t ) 和电 控机械式自动变速器( a m t ，是a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n 的缩写) 【2 1 。 其中，最具有竞争实力的是a t 和a m t 。a t 的最大优势是换挡十分柔和，并 且种类齐全、功能完善，适用于各种功率和扭矩级别的车辆【3 】【4 1 。但是它的生产投 资成本也相当高，上海通用仅加工a t 的外壳及阀体总成和进行总装，投资就达 6 0 0 0 万美元。另外a t 结构复杂、工艺麻烦、维修困难、传动效率较低，因此仅 仅从节省能源这个角度来看，目前的a t 可能不具备长久的技术生命力，人们需要 寻找其他途径来改善和替代它。a m t 保留原有的机械变速器结构小变，只是加装 微控制器控制的自动操纵机构，因此原来的手动变速器生产线仍然可以使用，容 易被生产厂商接受。它既具有a t 自动变速的优点，又具有手动变速器齿轮传动效 率高、生产和投资成本低、结构简单可靠、容易制造的长处，正好弥补a t 的弱点， 更加顺应追求功能完善与价格低廉的产品发展趋势【5 1 。 f 因如此，我国汽车自动变速器发展的重点是a m t ，国内已有多个a m t 开 发项目被列入国家“8 6 3 计划。尽管国家在a m t 研究方面投入了很多力量，也 取得了不少成果，但a m t 的产业化进程并不顺利，存在一些关键问题需要解决。 a m t 最大的问题在于其控制难度较a t 和c v t 大，a m t 是在动力中断情况下的 换挡，需要频繁地控制离合器。离合器控制的好坏直接影响起步和换挡控制的平 顺性，同时每辆汽车的离合器行程存在差异，因此离合器起步控制和换档控制难 山东大学硕十学位论文 于正确反映驾驶员操纵意图，不能适应复杂多变的行驶环境，成为困扰a m t 技术 发展的难点，造成离合器磨损和坡道弯道意外换挡等不良现象，影响了乘坐舒适 性，很难适应人们对轿车性能越来越高的要求。此外，系统性能稳定性和可靠性 也是困扰a m t 产业化的核心问题。 要解决上述问题并实现a m t 产品化和产业化，要解决的问题很多，但其中能 否设计出灵活且抗干扰能力强的a m t 控制单元，是解决上述问题的最基础和最关 键因素之一。 1 2 概念介绍和国内外研究现状 1 2 1a m t 和t c u 概念介绍 a m t ，是电控机械式自动变速器。它是对传统干式离合器和手动齿轮变速器 进行电子控制实现自动换档的新式变速器，其控制过程基本足模拟驾驶员的操作。 a m t 的控制单元，简称t c u ，是t r a n s m i s s i o nc o n t r o lu n i t 的缩写。t c u 的 输入有：驾驶员的意图，包括加速踏板和档位选择等；汽车的工作状态，包括发 动机转速、节气门丌度和车速等。t c u 根据换档规律、离合器控制规律和发动机 节气门自适应调节规律等给出控制信号，对节气门丌度、离合器和换档操纵三者 进行综合控制，实现优化的换挡操作。 1 2 2 国内外研究现状和存在的问题 我国a m t 研制工作起步较晚。九五期间，a m t 的开发研制和产品化被列入 国家九五科技攻关项目。目前开展这方面工作的有吉林大学、北京理工大学、重 庆大学、上海盈达信汽车电子有限公司等多家高校和公司。 有关t c u 设计的文献和技术资料，国外公开的并不多，国内公丌的相对多一 些。下面分析国内的几种比较有代表性的t c u 设计方案。 合肥工业大学的孔慧芳和蒋本兵等，采用微控制器、传感器和电动执行机构 设计了a m t 系统。其主控：签片采用m o t o r o l a9 s 1 2 系列单片机，此款单片机 使用外部1 2 m h z 晶振，经过内部锁相环倍频至2 5 m h z 。其t c u 组成示意图如图 2 第一章绪论 1 1 所示【6 】。 厂 l 发动机转速传感器 输入轴转速传感器 阼速传感器等 商合器位置传感器 m 气门开度传感器 由门踏板位置等 i l ；档位开关 ； 刹车开关 i 启动开关 i i 彩5 r 。7 j 二 i j ? y 。j | ： ， 。 f 4 岳 油门电机， i 赫冲信罨镑? i 一 +i 输入电鼯一i斗控截，_ 爹。，谬囊 i戢 静派联薹 1 ，“ j 、| ；：。 ? 、 2 。葛 扣 象秘舅锄锄：；i ：蘧奴簇 豺o 孽 辫争 爹离仓器；：爹l a b v i e w7 ； 匿一i 善 ；电机控铡j ；，数据果策墨 “。o 一”? 。? 。4 乎5 彩 菇 + ；模拟信号墨。l 参_ 。 ；。分橱系统墨啼 #， 鬯? j 譬 输入电路霉 斗 #， +魄劾瑚京崩 爹：，秀 罄交速箱+ f 缸。谚 嚣秀 錾电机控制i 萋一： 虢；船? 一7 i 毓弘1 董 勃；旃”靠一黝弼缓 ；r 觥t 摹 ：复 +i 开关信号“j 爹串行 j + 雩 ；输入电路j l ，r o m ，j髫簇卜 j i 接1 2 1 ； 7 t 。 _ ，。嬲谤。锄荔 苏? ， 1 ij 。 一i ? ，0 j 。 i 模块7 j二 铥。= j 2e f 辫；差 f 位机系统 上位机系统 图1 - 1 合肥，i ：业人学的a m t 系统示意图 山东大学的张承瑞和綦声波等，采用微控制器和复杂可编程逻辑芯片( c p l d ) 设计了t c u 系统。其t c u 系统组成示意图如图1 2 所示【7 1 。 发动机转速传感器 输入轴转速传感器 车速传感器等 离合器位置传感器 一仃气门开度传感器 油fj 踏板位置等 档位开关 刹乍开关 启动开关 m c u 7 王 姆；n “一? 谚 鼢， ，”二 雾一_ 0 篓、：翻隧囝：7 乏 筏、? ；垮一一3 1 i 。一 蒸象磊麓；。i 蕊 图l - 2 山东大学的t c u 组成示意图 国外对a m t 的研究比较早，研究的机构和公司也比较多，但公开的文献和技 术资料比较少。m a g n e t im a r r e l l i ( 玛格内特马瑞利) 公司是一家世界知名的a m t 生产公司【8 】【9 】。图1 3 是其一款t c u 产品的电路板。它采用了一款a r m 芯片作为 3 山东大学硕十学位论文 微控制器，实现换挡规律和运动控制。 图1 - 3 马瑞利公司的一款t c u 产品的电路板 综观国内外公丌的或者可以获取到的t c u 设计资料，可以发现，对t c u 的 设计都采用了m c u 或者“m c u + c p l d ”作为核心器件的方案，这些方案都存在 一个问题：无硬件可编程性。 对于以m c u 为核心器件的系统，基本上没有硬件可编程能力。对于这类系统， 不存在严格意义上的硬件设计，而只有软件设计。这是因为，一旦方案确定，硬 件系统的核心器件是现成的，功能是确定的，结构是固定的，指令系统是不可更 改的，从而导致硬件组织方案和连接方案是限定的，用户只能被动地遵循和适应， 这时的硬件“设计”只能流于拼装和连接。系统构成后的唯一任务是依据既定的 指令系统来编程，除了系统功能和算法可以通过软件改变外，系统的性能和指标 已无从改变，设计者的创新能力、想象力和优化设计能力的发挥空问已被选定的 硬件性能所限定，导致了系统的综合性能基本取决于器件原有的性能和指标【1 0 】。 对于以“m c u + c p l d 为核心器件的系统，虽然获得了一定的硬件可编程能 力，但仍然没能彻底摆脱硬件性能对系统性能的限制。 1 3s o p c 技术介绍 s o c 和s o p c 自2 0 世纪下半叶以来，微电子技术得到了迅速发展，集成电路设计和工艺技 术水平有了很大的提高，单片集成度中每片已能包含上亿个晶体管，从而使得将 原先由许多i c 组成的电子系统集成在一个单片硅片上成为可能，构成所谓的片上 4 第一章绪论 系统( s y s t e mo nac h i p ，s o c ) 。与普通的集成电路相比，片上系统不再是一种功 能单一的单元电路，而是将信号采集、处理和输入输出等完整的系统功能集成在 一起，成为一个专用功能的电子系统芯片。 微电子技术的近期发展成果，为s o c 的实现提供了多种途径。对于经过验证 而又具有批量的片上系统，可以做成专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 而大量生产。而对于一些仅为小批量应用或处于开发阶段的 s o c ，若马上投入流片生产，需要投入较多的资金，承担较大的试制风险。最近 发展起来的s o p c 技术则提供了另一种有效的解决方案，即用大规模可编程器件 f p g a 来实现s o c 的功能。 可编程逻辑器件产生于2 0 世纪7 0 年代。其出现的最初目的是为了用较少的 p l d 品种替代种类繁多的各式中小规模逻辑电路。在3 0 多年的发展过程中，p l d 的结构、工艺、功耗、逻辑规模和工作速度等都取到了重大的进步。尤其是在2 0 世纪9 0 年代，出现了高集成度的f p g a ，单片的集成度由原来的数千门，发展到 数十万甚至数百万门。芯片的i o 口也由数十个发展至上千个端口。有的制造商还 推出了含有硬核嵌入式系统的f p g a 。因此，完全可能将一个电子系统集成到一片 f p g a 中，即s o p c ，为s o c 的实现提供了一种简单易行而又成本低廉的手段， 极大地促进了s o c 的发展。 s o p c 的特点和技术 s o p c ，即可编程片上系统，用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上， 称作s o p c 。可编程片上系统( s o p c ) 是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上 系统( s o c ) ，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系 统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编 程的功能。 s o p c 结合了s o c 和p l d 、f p g a 各自的优点，一般具备以下基本特征【l l 】【1 2 】f 1 3 】： 1 至少包含一个嵌入式处理器内核； 2 具有小容量片内高速r a m 资源； 3 丰富的i pc o r e 资源可供选择； 5 山东大学硕十学位论文 4 足够的片上可编程逻辑资源； 5 处理器调试接口和f p g a 编程接口； 6 可能包含部分可编程模拟电路； 7 单芯片、低功耗、微封装。 s o p c 技术是美国a l t r e a 公司于2 0 0 0 年最早提出的。s o p c 是基于f p g a 解 决方案的s o c ，与a s i c 的s o c 解决方案相比，s o p c 系统及其开发技术具有更 多的特色，构成s o p c 的方案也有如下多种途径【。 1 基于f p g a 嵌入i p 硬核的s o p c 系统 即在f p g a 中预先植入嵌入式系统处理器。目前最为常用的嵌入式系统大多 采用了含有a r m 的3 2 位知识产权处理器核的器件。尽管由这些器件构成的嵌入 式系统有很强的功能，但为了使系统更为灵活完备，功能更为强大，对更多任务 的完成具有更好的适应性，通常必须为此处理器配置许多接口器件才能构成一个 完整的应用系统。如除配置常规的s r a m 、d r a m 和f l a s h 外，还必须配罱网络 通信接口、串行通信接口、u s b 接口、v g a 接口、p s 2 接口或其他专用接口等。 这样会增加整个系统的体积、功耗，而降低系统的可靠性。但是如果将a r m 或其 他知识产权核，以硬核方式植入f p g a 中，利用f p g a 中的可编程逻辑资源和i p 软核，直接利用f p g a 中的逻辑宏单元来构成该嵌入式系统处理器的接口功能模 块，就能很好地解决这些问题。这样就能使得f p g a 灵活的硬件设计和硬件实现 更与处理器的强大软件功能有机地相结合，高效地实现s o p c 系统。 2 基于f p g a 嵌入1 p 软核的s o p c 系统 将i p 硬核直接植入f p g a 的解决方案存在价格高、处理器硬核无可裁剪性等 问题，如果利用软核嵌入式系统处理器就能有效地克服解决上述不利因素。 目f i l l l k , 较有代表性的软核嵌入式系统处理器有a l t e r a 的n i o s 和n i o si i 核、 x i l i n x 的m i c r o b l a z e 核、a c t e l 的c o r e 8 0 51 核和丌源组织o p e n e o r e s 的o p e n r i s e 系列软核等。 软核处理器允许用户根据系统需求选择性地配置多种接口模块核，包括可配 置高速缓存( 外部s r a m 或s d r a m ) 模块，可配置r s 2 3 2 通信口、s d r a m 控 制器、标准以太网协议接口、d m a 、定时器、协处理器等。在植入f p g a 前，用 6 第一章绪论 户可根据设计要求，对软核处理器及其外围系统进行构建，使该嵌入式系统在硬 件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户系统设计的要求。 3 基于h a r d c o p y 技术的s o p c 系统 通过强化s o p c 工具的设计能力，在保持f p g a 开发优势的前提下，引入a s i c 的开发流程，从而对a s i c 市场形成直接竞争。这就是a l t e r a 推出的h a r d c o p y 技 术。h a r d c o p y 就是利用原有的f p g a 开发工具，将成功实现于f p g a 器件上的 s o p c 系统通过特定的技术直接向a s i c 转化，从而克服传统a s i c 设计中普遍存 在的问题。 与h a r d c o p y 技术相比，对于系统级的大规模a s i c ( s o c ) 开发，有不少难 于克服的问题，其中包括丌发周期长、产品上市慢、一次性成功率低、有最少的 投片量要求、设计软件工具繁多且昂贵、开发流程复杂等。然而如果利用h a r d c o p y 技术设计a s i c ，丌发软件费用低廉，s o c 级规模的设计周期不超过2 0 周，转化 的a s i c 与用户设计习惯的掩膜层只有两层，且一次性投片的成功率近乎1 0 0 ， 即所谓的f p g a 向a s i c 的无缝转化。而且用a s i c 实现后的系统性能将比原来在 h a r d c o p yf p g a 上验证的模型提高近5 0 ，而功耗则降低4 0 。一次性成功率的 大幅度提高即意味着设计成本的大幅降低和产品上市速度的大幅提高。 三种s o c 方案的比较如表1 1 所示。 表l 一1 三种s o c 方案的比较 s o p c 的前景 s o p c 是p l d 和a s i c 技术融合的结果，目前0 1 3 微米的a s i c 产品制造价 格仍然相当昂贵，相反，集成了硬核或软核c p u 、d s p 、存储器、外围i o 及可编 程逻辑的s o p c 芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。s o p c 被称为“半导 7 山东大学硕士学位论文 体产业的未来”。 1 4 课题提出和主要研究内容 s o p c 具有传统嵌入式系统电路所欠缺的硬件可编程的技术优势，t c u 的市 场前景又如此看好，那么能不能将这两者结合在一起昵? 本文的目的就是将s o p c 技术应用到t c u 设计上，即设计一个基于s o p c 技 术的t c u ，从而使t c u 系统获得硬件可编程性。课题来源于与某一汽车配件公司 合作的开发项目液压型汽车a m t 系统开发。原系统具有机械、液压和电控三 个部分。a m t 控制单元简称t c u ，属于电控部分。 本文的主要研究内容有： 1 从a m t 的工作原理出发，分析t c u 的功能需求，给出t c u 的技术要求； 2 围绕f p g a 。”t h , 片a f s 6 0 0 ，设计出硬件电路板，实现t c u 硬件的构建； 3 在a f s 6 0 0 上设计一个s o p c 内核。该内核应该是一个完整的s o p c 系统， 具有硬件可编程性，应具有嵌入式微处理器，具有数据存储器和程序存储 器；可以采集和处理汽车给出的各种信号，执行换挡规律，给出换挡动作； 4 研究开源c a ni p 核，实现其在a f s 6 0 0 上的重用设计，使t c u 具备c a n 通信功能； 5 对t c u 原型机进行功能验证。设计下位机调试程序和上位机调试系统， 配合d s p a c e 半实物仿真系统，对t c u 原型机的功能进行验证，并分析 试验结果。 第二章t c u 功能需求分析和总体规划 第二章t c u 功能需求分析和总体规划 为了设计t c u ，先要分析t c u 的功能需求。t c u 作为a m t 系统的重要组成 部分，其功能需求与a m t 系统的功能需求密不可分。本章将从a m t 的工作原理 出发，分析t c u 的功能需求，进而给出t c u 设计的技术要求和软硬件设计方案 及总体规划。 2 1a m t 的工作原理 传统车辆传动系的组成部件有：离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速 器、驱动桥掣5 】【16 1 ，如图2 1 所示。 图2 1 传统汽车传动系统 传统汽车传动系的主要优点是：结构简单、制造容易、工作可靠、价格低廉、 重量轻等，但也存在以下缺剧1 7 】【1 8 1 ： 1 采用人力换挡，换挡时动力要中断。在驾驶汽车时，既要操作变速杆，又 要交替踩离合器踏板，操纵不太方便，特别是在交通复杂、道路不良的情 况下，换挡十分频繁，要求驾驶员技术熟练，在上坡或停车起步时，稍有 不慎，发动机就会熄火。这样容易引起驾驶员紧张和劳累，增大驾驶员的 劳动强度。 2 传动系受到附加冲击力，动载荷大，使得发动机及传动系零件的使用寿命 降低。 3 行驶阻力的变化直接改变发动机的工况，为了充分利用发动机的功率，提 9 山东大学硕十学何论文 高车辆的燃油经济性，要求增加变速器的挡位数，因而使变速器结构复杂， 并增多驾驶员的换挡次数，增加驾驶员的劳动强度。 4 每次换挡都要离合器分离、接合，在结合过程中离合器摩擦片都要经历一 个滑摩过程，对于换挡频繁的车辆，就会降低离合器摩擦片的使用寿命， 缩短使用周期，增加停车维修时间，从而降低了生产率。 为了克服传统汽车传动系统的缺点，包括a m t 在内的自动变速器开始出现。 图2 2 为马瑞利的