（模式识别与智能系统专业论文）基于arm的mvb接口机车逻辑控制模块设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着列车高速化、自动化的发展，越来越多的列车采用了列车通信网络( t c n ) ， 列车通信网络是集现代列车控制、状态检测、故障诊断及旅客服务等信息传输为一体的 高性能综合控制系统，多功能车辆总线( m v b ) 是该系统的重要组成部分。本文主要研 究了“韶山7 e ( s s 7 e ) 电力机车网络控制系统”中基于a r m 的m v b 接口机车逻辑控 制模块的硬件设计与实现方法。 模块化s s 7 e 电力机车网络控制系统是由铁道部北车集团大连研发中心与大连理工 大学信息与控制研究中心合作进行研发，主要包括中央控制模块( c c u ) 、逻辑控制模 块( l l c ) 、空气管路控制模块( d k l ) 、司机室控制模块( c a b ) 。逻辑控制模块主 要由c p u 及m v b 控制单元、数字量输入输出单元( d x ) 、电源控制单元和背板总线 单元四部分组成。 本文在深入了解国内外列车通信网络的发展现状和嵌入式系统技术应用的基础上， 根据韶山7 e ( s s 7 e ) 电力机车网络控制系统的设计需求，研究了t c n 国际标准和多功 能车辆总线( m v b ) 协议，对s s 7 e 中的逻辑控制模块( l l c ) 进行设计和实现。详细 地阐述了l l c 中c p u 及m v b 控制单元、数字量输入输出单元、电源控制单元和背板 总线单元的设计方法。主要从各单元的原理设计、器件的选型、p c b 设计方案、电路抗 干扰措施设计和硬件调试方法等几个方面进行了分析。鉴于铁路机车运行环境的复杂 性，在原理设计时充分地考虑了机车电磁兼容的问题，并研究了多层p c b 电路板设计 方法，分析了多层电路板设计中的电路抗干扰措施，以保证其运行的可靠性。 最后，对基于a r m 的m v b 接口机车逻辑控制模块的调试、运行、验收结果表明， 该模块的开发达到了设计目标要求，并取得了满意的效果。 关键词：列车通信网络；多功能车辆总线；嵌入式系统：电磁兼容 李峰：基于a r m 的m v b 接口机车逻辑控制模块的设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f m v bi n t e r f a c ev e h i c l el o g i cc o n t r o l m o d u l eb a s e do na r m a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g h - s p e e da n da u t o m a t i o no ft h en e wg e n e r a t i o nt r a i n t h e t r a i nu s e st r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ( t c n ) i n c r e a s i n g l y t c ni sah i g h p e r f o r m a n c e i n t e g r a t i v ec o n t r o ls y s t e r nt h a ti su s e dt ot r a n s f e ri n f o r m a t i o no fm o d e mv e h i c l ec o n t r 0 1 s t a t u sm o n i t o r i n g ，f a i l u r ed i a g n o s i sa n dp a s s e n g e rs e r v i c e sa n ds oo n m u l t i f u n c t i o nv e h i c l e b u s ( m v b ) i so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t so ft c n h a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n m e t h o d so fm v bi n t e r f a c ev e h i c l el o g i cc o n t r 0 1m o d u l eb a s e do na r m w h i c hi sap a r to f n e t w o r kc o n t r o ls y s t e mo f m o d u l a r i z a t i o ns s 7 ee l e c t r i c a lv e h i c l e a r es t u d i e di nt h et h e s i s t h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e mo fm o d u l a r i z a t i o ns s 7 ee l e c t r i c a lv e h i c l e ，i n c l u d e dc c u l l c ，d k l ，c a b ，i sr e s e a r c h e db yr e s e a r c hc e n t r eo fi n f o r m a t i o na n dc o n t r o lo fd a l i a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g ya n dd a l i a nr e s e a r c hc e n t r eo fn g rt h a tb e l o n g st ot h er m l w a y d e p a r t m e n t t h el l cj sc o m p o s e do fc p ua n dm v bc o n t r 0 1u 血t ，d i g i t a li n p u ta n do u t p u t u n i t ，p o w e rc o n t r o lu n i t 。b a c k b o a r db u su m t t h ed e v e l o p m e n to ft r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dt h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e d s y s t e ma r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fs s 7 en e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ， t h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do ft c na n dt h ep r o t o c o lo fm u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u sa r e r e s e a r c h e d t h el l co fs s 7 ei sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h ed e s i g nm e t h o d sa b o u tc p u a n dm v bc o n t r o lu 茄t ，d i g i t a li n p u ta n do u t p u tu n i ta n db a c k b o a r db u su n i ta r ee x p o u n d e d t h ea n a l y s e s c o m p r i s ei t sd e s i g ns c h e m e ，c h o i c e so ft h ec o m p o n e n t sa n da n t i - j a m m i n g m e t h o d s ，c i r c u i td e b u g g i n gm e t h o d sa n dm u l t i l a y e rp c bd e s i g n b e c a u s eo f t h ec o m p l e x i t i e s o f v e c h i l et r a n s p o r t a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h ep r o b l e m so f e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) a r ec o n s i d e r e di nt h ed e s i g n f u t h e r m o r e ，m u l t i - l a y e rp c bd e s i g nm e t h o d sa n da n t i - j a m m i n g m e a s u r e sa r er e s e a r c h e di no r d e l t oi n s u r eo p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t y f i n a l l y ，t h er e s u l to fd e b u g g i n g ，m u n i n ga n dc h e c k i n go fm v bi n t e r f a c ev e h i c l el o g i c c o n t r 0 1m o d u l eb a s e do na r mr e a c h e st h eg o a l so f d e s i g na n do b t a i n ss a t i s f i e de f b c t s k e yw o r d s ：t c n ：m v b = e m b e d d e ds y s t e m = e m c 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 列车通信网络( t c n ) 发展概况 1 1 1t o n 产生及特点 列车通信网络( t c n ) 是由国际电工委员会( m c ) 第9 技术委员会( t c 9 ) 委托 由来自中国、美国等2 0 多个国家以及国际铁路联盟( u 【c ) 的代表组成的第2 2 工作组 ( w g 2 2 ) ，为铁路设备数据通信制定的一项标准。其目的是有利于铁路运营部门、装 配厂和设备供应商之间实现世界范围内车辆的相互操作和插入式设备的联接。t c n 是面 向控制的一种连接车载设备的数据通信系统，是分布式列车控制系统的核心组成部分。 t c n 集高速列车控制系统、故障检测与诊断系统以及旅客信息服务系统三大系统为一 体，以车载微机为主要手段，将这些系统产生的大量列车信息转换为统一的数字信息进 入车载微机并在网上交换口捌。 列车通信网络的主要功能是作为沟通各个控制、诊断单元的信息通道，实现信息交 流，从而达到控制统一和资源共享的目的。具有实时性、协议简单性、短帧信息传送、 信息交换的频繁性、n 络负载的稳定性、较高的安全性和容错能力等特点。 列车通信网络属于局域网，采用总线型拓扑结构，按照国际铁路联盟2 2 节车厢构成的 列车组织介质，连接电缆延伸仅有8 5 0 米，其中包括所有的干线电缆、扩展电缆和耦台 电缆，这与2 2 节车厢，每节车厢2 6 米的结构相对应。另外与一般的地面局域网相比， 列车通信网络具有实时性高、电磁干扰及震动严重、车载网络设备体积小等特点。由于 节点数目不多，且整个列车长度不足一公里，列车通信网络比较适合构建两级结构，即 连接车厢内部各终端设备( 计算机、各传感器和执行机构等) 较低一级的多功能车辆总 线( m v b ) 和连接车厢之间各网络节点较高一级的绞线式列车总线( w t b ) ，同时车 辆内部的数据通信总线m v b 也作为了该t e n 标准的推荐方案【3 “。 1 1 2 国外t c n 的发展与应用 2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初，车载微机雏形分别在西门子公司和b b c 公司出现， 开始仅仅是用于传动装置的控制。列车上的报务可以分为远程控制、诊断和旅客服务信 息。远程控制信息包括用于牵引的信息和车辆的照明、车门、空调、倾摆控制等信息； 诊断信息包括设备故障和维修等信息；旅客服务信息有报站、转车、订座等信息啷。随 着微处理器发展、服务对象的增多，引入了铁路控制系统层次划分的思想，人们把铁路 系统依次划分为六个层次：公司管理、铁路运营、列车控制、机车车辆控制、传动控制 和过程驱动。列车通信网络在初期串行通信总线的基础上应运而生，用于较为独立的控 李峰：基于a r m 的m v b 接口机车逻辑控制模块的设计与实现 制设备或层次间信息交换的总线标准，如a b b 公司的连接机车控制层与传动控制层的 串行控制器总线，该总线后来发展成为用于连接机车内所有智能设备的m i c a s 车辆总 线。2 0 世纪9 0 年代初，产生了列车总线，以满足机车和动车组重联控制的需要，如西 门子的d i n 4 3 3 2 2 列车总线。至此，一些大的铁路公司以牵引控制系统为基础、以列车 通信系统为纽带、以新器件和新工艺为载体，相继推出广泛覆盖牵引、制动、辅助系统、 旅客舒适设备控制和显示、诊断等列车通信与控制系统，在欧洲一般简称为t c c ( t r a i n c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r 0 1 ) 。在北美，类似系统被称为基于列车通信的控制系统，简 称c b t c ( c o n t r o lb a s e do nt r a i nc o m m u n i c a t i o n ) 。 1 9 8 8 年，i e c 第九技术委员会t c 9 成立了第2 2 工作组w g 2 2 ，其任务是制订一个 开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够互联，并且车上的可编程电子设备能 够互换。1 9 9 2 年6 月，t c 9 w g 2 2 以委员会草案的形式向各国发出列车通信网t c n 的 征求意见稿，该稿分成四个部分：第一部分总体结构，第二部分实时协议，第三部分多 功能车辆总线( m v b ) ，第四部绞线式列车总线( w t b ) 。总体结构把列车通信网络 规定为由多功能车辆总线m v b 和绞线式列车总线w t b 两部分组成，其中多功能车辆 总线m v b 以a b b 的m i c a s 车辆总线为蓝本，w t b 以西门子的d i n 4 3 3 2 2 列车总线和 意大利的c d 4 5 0 列车总线为蓝本。1 9 9 9 年6 月，m c t c 9 ，w g 2 2 制订了“列车通信网 络( t c n ) 标准( 草案) ”i e c 6 1 3 7 5 1 铁道电气设备一一列车总线第1 部分：列车通 信网络( t c n ) ，并正式成为国际标准【7 月j 。 在北美，e c h e l o n 公司于9 0 年代初开发的主要用于建筑自动化和工业控制的现场总 线l o n w o & s 被部件供应商和铁路公司所接受。紧跟在i e c 6 1 3 7 5 1 正式成为国际标准之 后，i e e e 于1 9 9 9 年制订了i e e e l 4 7 3 列车通信协议。该协议包含两种类型的列车 通信网络：t 型和l 型。t 型为i e c 6 1 3 7 5 1 ，1 9 9 9 规定的t c n 型：l 型为e i a 7 0 9 1 ： 1 9 9 8 控制网络协议规范和e i a 7 0 9 3 ：1 9 9 8 自由拓扑双绞线信道规范规定的 l o n w o r k s 型。 t 型( t c n ) 网络适用于铁路各基本运转单元之间传送时间要求确定，时限紧追的 过程数据周期性传送以及由事件驱动的消息数据传送。它既可用于编组经常改变的非固 定编组列车，也可用于编组固定的固定编组列车。t 型网络由绞线式列车总线( w t b ) 和多功能车辆总线( m v b ) 组成。w t b 用于连接编组经常改变的列车中各基本运转单 元，m v b 用于连接一个基本运转单元中的车载电子装置。l 型( l o n w o r k s ) 网络用于 连接一个基本运转单元或一组基本运转单元内的电子装置，传送时间不太紧迫、时间不7 要求确定、由事件驱动的消息数据，只适用于编组固定的列车【9 】。t 型网络在国外已大 量使用，主要用在西欧电动车组上；而l 型网络主要用在美洲内燃动车组上 1 0 1 。 大连理工大学硕士学位论文 目前，国际上列车通信网络控制技术已经成熟，西欧的一些国家和公司，如瑞士的 a d t r a n z 、德国的s i e m e n s 、意大利的a n s a l d o 公司都是国际上列车监控与通讯设备的著 名供应商，其基于t c n 的各种机车车辆得到了广泛的应用。t c n 的核心技术由s i e m e n s 、 f i r e m a 、a e g 和a b b 组成的联合开发组开发，并能应用于各自的t c c 系统。t c n 的 芯片可以在市场上自由购买，还有一些公司提供m v b 电路板、w t b 节点、组态和监控 工具、实时协议栈或文件等。t c n 的发展得到了在制动、车门、卫生间、仪表、显示、 自动控制等方面的许多部件供应商的支持【l ”。 1 1 3 国内t o n 的发展与应用 国产电力机车微机控制系统的开发始于1 9 8 7 年。1 9 9 1 年株洲电力机车研究所在购 买a b b 公司的牵引控制系统开发工具，特别是软件开发工具的基础上，联合铁道部所 属的高校开发出了我国第一套电力机车微机控制装置，安装于s s 4 0 0 3 8 电力机车上。在 该装置中划分为人机界面显示级、机车控制级和传动控制级。级和级之间通过串行总线 连接，形成了二级总线的雏形。其中连接司机台显示器与机车控制级之间的显示总线在 “春城”号动力分散电动车组上，扩展为贯穿列车连接各动力车的机车控制级与司机台 显示器的列车显示总线；连接机车控制级与传动控制级的近程控制器总线在“先锋”号 动力分散交流传动电动车组上，扩展为连接动力车节点与传动控制单元和a t p 的中程 控制器总线i lj 。 9 0 年代中期，国内列车通信网络随着动车组的兴起而发展起来。目前在国内动车组 上，l o n w o r k s 、m v b 、w t b 都已有一定数量的应用【l2 。 为使列车通信网络标准化、简单化，在参照国外列车通信网络方面的标准并结合国 内实际情况的基础上，铁道部制定了关于列车通信网络的铁路行业标准：t b t 3 0 3 5 2 0 0 2 列车通信网络，并于2 0 0 2 年7 月1 日开始实施【l ”。 t b t 3 0 3 5 2 0 0 2 列车通信网络中规定了列车通信网络的选用原则。鉴于国内铁 路机车通信网络的实际情况，本着不能只采用一种标准但也不宜品种太多，且应对实际 使用具有指导意义的原则，参照国际标准m c 6 1 3 7 5 1 ( i e e e l 4 7 3 - t ) 和i e e e l 4 7 3 一l ， 指出今后推荐使用t 型网络，但也保留l 型网络一定的使用空间。 铁标中规定在下面三种场合中推荐使用t 型网络：非固定编组列车；实时性高、传 输时间确定和时限紧迫的场合；有列车互操作性要求的场合。对于节点数较少、传送数 据量不大、时限不太紧迫的固定编组列车可以采用l 型网络，但其性能及互操作性应由 设计者验证和保证。 尽管标准中规定了t 型和l 型两种网络，但在同一列车中只宜采用一种网络：t 型 或l 型。因为目前还没有在这两种不同且各自独立的通信网络间沟通的桥梁，一列列车 李峰：基于a r m 的m v b 接口机车逻辑控制模块的设计与实现 中相同的设备也不可能挂在两种不同的通信网络上，而只采用一种网络可使通信网络简 单化，减少协议间的转换，从而提高网络通信的可靠性。我国铁标不同于i e c 6 1 3 7 5 1 ， 因为其允许使用l o n w o r k s ；也不同于i e e e l 4 7 3 ，因为其推荐使用t 型网络但不允许使 用w t b 和l o n w o r k s 组合【1 4 】。 目前，随着铁标t b t 3 0 3 5 2 0 0 2 的实施，国家铁道部也加大投资力度，开展了关于 列车通信网络的研究课题，同时国内许多单位也先后自发地开展了自我开发、联合开发 或技术引进工作，并向列车通信网络t c n 标准靠拢，为我国铁路行业的发展注入了新 的活力。 1 2 嵌入式系统技术及应用 1 2 1 嵌入式系统定义 嵌入式系统是继i t 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。由于嵌入式系统具 有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用等突出特征，目前已经广泛地 应用于军事国防、消费电子、网络通讯、工业控制等各个领域。 关于嵌入式系统的定义目前还存在一些争论，对于这个问题可以分别从广义上和狭 义上来对其进行定义。 从广义上讲，可以认为凡是带有微处理器的专用软、硬件系统都可以称之为嵌入式 系统。一种观点认为嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中 简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似于b i o s 的工作方式，具有软 件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。另一种观点认为嵌入式系统就是“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”。应该说后者从功能应用特征上比较好的给出 了嵌入式系统定义，对嵌入式系统概念的分析根本上应该从应用上加以切入。从狭义上 讲，更加强调那些使用嵌入式微处理器构成的独立系统，并具有自己的操作系统并且具 有某些特定功能的系统，这里的微处理器专指3 2 位以上的微处理器。按照这种定义， 典型的嵌入式系统指使用x 8 6 的小型嵌入式工控主板，在各种自动化设备，数字机械产 品中有非常广阔的应用空间；另外一大类是使用a r m 核c p u 、m o t o r o l a 等专用芯片构 成的系统，它不仅在新兴的消费电子和通讯仪表等方面获得了巨大发展和广泛的应用空 间，甚至有取代传统工控机的趋势f l 孓。 嵌入式系统的最大特点是具有很强的目的性或针对性，即每一套嵌入式系统的开发 设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系统最主要 的区别。另外，嵌入式技术与实时性有着必然的联系。由于嵌入式系统是为特定目的而 一4 大连理工大学硕士学位论文 设计，且常常受到空间、成本、存储等条件的限制，因此它必须最大限度地在硬件上和 软件上“量身定做”以提高效率，以增强系统的实时性 1 8 19 】。 1 2 2 嵌入式微处理器分类及特点 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。它具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高 等优点，比较有代表性的主要有x 8 6 、p o w e r p c 、a r m 等，每种芯片都有其自身的特点： ( 1 ) x 8 6 系列处理器起源于i n t e l 架构的8 0 8 0 ，再发展出2 8 6 、3 8 6 、4 8 6 ，直到现在p e n t i u m 4 、a t h l o n 和a m d 的6 4 位微处理器h a m m e r 。从嵌入式市场来看8 0 8 0 是第一款主流的微处 理器，今天的p e n t i u m 和当初的8 0 8 0 使用相同的指令集，这样可以保持兼容性，但弊端 是限制了c p u 性能的提高。 ( 2 ) p o w e r p c 是早期m o t o r o l a 和i b m 联合为a p p l e 的m a c 机开发的c p u 芯片，商标权 同时属于m m 和m o t o r o l a ，并成为他们的主导成品。p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好， 方便灵活。p o w e r p c 处理器品种很多，既有通用的微处理器，又有嵌入式微控制器，而 且应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品 到大型通信设备，无所不包。但由于它们的功耗、体积、整合程度不同，而价格差异悬 殊。 f 3 ) a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 的缩写，是一种低功耗、高性能的通用3 2 位微处理器，并基于r i s c ( 精简指令集计算机) 构建。a r m 公司于1 9 9 0 年成立于英国， 并i 扫a c o m 计算机公司和a p p l e 计算机公司合资组建。1 9 9 8 年，a r m 公司正式启用现在的 公司名，同时向市场推出了a r m 7 t d m i s 微处理器内核f 2 2 】。短短几年时间，市场份额 迅速增长，目前已占据r i s c 芯片7 7 以上的市场份额。究其原因，是因为a r m 系列产 品具有独特的优势，主要表现在： 它是基于r i s c 结构而构建，较c i s c ( 复杂指令集计算机) 结构，r i s c 结构具备 如下一些优势：r i s c 结构指令数目少，指令长度固定，执行速度快，通常只需要一个周 期；c i s c 结构处理器内需要微指令翻译器，r i s c 结构处理器不需要；r i s c 结构采用流 水线方式处理指令，大大提高指令执行效率。 a p , m 内核具有业界领先的体系结构，能够实现低功耗，高性能a r m 系列微处理 器，提供各种性能和版本的产品，能够互相兼容，方便系统升级，支持各种嵌入式应用。 a r m 公司授权各主要芯片生产商生产基于a r m 核的微处理器芯片。用户具有更 多的选择，产品的性价比高，并保证有稳定和畅通的供货渠道。 a r m 公司及其合作伙伴提供完整的技术支持。如提供支持a r m 内核的r t o s ( 实 时操作系统) ；提供软、硬件设计和开发工具；提供应用软件和标准外设。 在a r m 内核中有四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的不同要求来配置生 李峰：基于a r m 的m v b 接口机车逻辑控制模块的设计与实现 产。这四个模块分别用t 、d 、m 、i 来表示。 t ：表示t h u m b 核，是3 2 位a r m 指令集的1 6 位扩充指令集。 d ：表示d e b u g ，该内核中设置了用于调试的接口，通常为边界扫描链j t a g ，可使 c p u 进入调试模式，从而方便地进行断点设置、单步调试。 m ：表示m u l t i p l i e r ，是3 2 8 位的乘法器，用于处理6 4 位的计算结果。 i ：表示e m b e d d e di c el o g i c ，用于控制调试功能，实现断点观测及变量观测的逻辑 电路部分，其中的测试访问接口( t a p ) 控制器可接入到j 1 a g 调试口【2 0 0 。 1 2 3 嵌入式操作系统介绍 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统极为 重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通 信协议和图形界面等。 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统 资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能 够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。但嵌入式操作系统与通用的操作系统 相比，又具有体积小、实时性高等特点。 嵌入式实时多任务操作系统是指具有实时性、能支持实时控制系统工作的操作系 统。其首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机 系统的使用效率，主要特点是要满足对时间的限制和要求。下面简单介绍一下主流的嵌 入式实时操作系统： ( 1 ) v x w o r k s 操作系统。t o m a d o v x w o r k s ( w i n dr i v e rs y s t e m si n c ) 是目前十分流 行的嵌入式实时操作系统，美国市场占有率第一名。t o r n a d o 代表嵌入实时应用中最新 一代的开发和执行环境。主要包括t o r n a d o 系列工具、v x w o r k s 系统和可选用的连接主机 和目标机的通讯软件包。而且它支持多种微处理器，如x 8 6 、i 9 6 0 、s u n s p a r e 、m o t o r o l a 、 m c 6 8 x x x 、m i p sr x 0 0 0 、p o w e r p c 及a r m 等。其缺点是价格高，且需要版税 2 3 】。 ( 2 ) n u c l e u s 操作系统。n u c l e u s 由总部位于美国a l a b a m a 洲a t i 公司在1 9 9 0 年推出的。 n u c l e u s p l u s 是为实时嵌入式应用而设计的一个抢先式多任务操作系统内核，其9 5 的 代码是用a n s i c 编写的，因此非常便于移植并能够支持多种类型的微处理器。在典型的 目标环境中，n u c l e u s p l u s 核心代码区一般不超过2 0 k b y t e s 。同时n u c l e u s 还提供给用户 源代码。这除了商务上给用户带来巨大益处( 免交版权费) 外，还在技术方面给用户极 大的方便，即无需编写和调试b s p ，从而达到易学易用的目的，加速产品上市【2 4 。 ( 3 ) w i n d o w sc e 操作系统。m i e r o s o rw i n d o w sc e 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。其优良的模块化设计，可以让用户定制 大连理工大学硕士学位论文 从掌上电脑到专用的工业控制器等所需的电子设备。但缺点是操作系统基本内核至少需 要2 0 0 k 的r o m 【2 5 1 。 ( 4 ) p c l i n u x 操作系统。l _ t c l i n u x 是l i n u x2 0 版本的一个分支，其最大的特点就是没 有内存管理单元m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) ，很适合那些没有m m u 的处理器。 1 3 韶山7 e ( s s 7 e ) 网络控制系统设计 1 3 1s s 7 e 设计要求及组成结构 韶山7 e ( s s 7 e ) 型电力机车设计目标为最高时速1 7 0 公里，功率4 8 0 0 千瓦，其微 机网络采用符合i e c 6 1 3 7 5 1 中规定的列车通信网络，以满足机车的实时控制。 按照设计要求，s s 7 e 网络系统按照功能分为中央控制模块( c c u ) 、传动控制模 块( d c u ) 、逻辑控制模块( l l c ) 、辅变频控制模块( a i c ) 、司机室控制模块( c a b ) 、 供电控制模块( p s c ) 、空气管路控制模块( d k l ) 、监控设备模块( t a x 2 ，只上传， 不下载信息) 、信息显示模块( d u ) 。各功能模块具备完善的数据通信功能、高的可 靠性和冗余度及自我诊断功能。 模块化s s 7 e 型电力机车微机网络控制系统按要求分为三级：列车控制级、车辆控 制级( 包括逻辑控制) 和传动控制级。列车控制级主要实现与其它机车车辆之间的通信 控制和信息交换。车辆控制级主要实现车辆总线m v b 的管理以及机车车辆的故障评估 与诊断、机车逻辑控制等功能。传动控制级主要实现牵引和电制动特性控制、粘着控制、 对整流装置的脉冲控制以及机车的保护逻辑功能( 包括次边过流、牵引电机过流、励磁 过流等) 。 s s 7 e 电力机车网络结构如图1 1 所示。 图1 - 1s s 7 e 电力机车网络结构图 f i g 1 1n e t w o r ks t r u c t u r eo f s s 7 ee l e c t r i c a lv e h i c l e 李峰：基于a r m 的m v b 接口机车逻辑控制模块的设计与实现 1 3 2 $ s 7 e 系统各模块主要功能 ( 1 ) 中央控制模块( c c u ) c c u 位于端司机室后墙内，为6 u 或3 u 标准机箱结构，分为主中央控制模块 c c u l 和冗余中央控制模块c c u r ，正常时c c u l 工作，当c c u l 出现故障时，手动切 换到c c u r 进行工作。c c u 具有t c n 标准中规定的4 类设备能力，包括设备状态性能、 过程数据性能、消息数据性能和总线管理性能。用户可根据控制需要进行应用编程。其 通信介质为冗余的e s d 。 c c u 主要实现以下功能： 牵引制动特性控制，根据司机控制器指令产生两个转向架的牵引、制动指令等。 车辆总线m v b 的通信管理。 状态数据、故障数据的采集处理及记录，并通过司机台显示屏进行显示。 与其它设备( 如d x ) 进行数据交换。 对系统信息进行永久记忆。 保护功能，如欠压保护、主变压器油温保护。 自动过分相控制功能。 轮径补偿计算。 实现机车逻辑控制。 ( 2 ) 逻辑控制模块( l l c ) l l c 位于低压柜内，为6 u 标准机箱结构，装在一个6 u 8 4 r 标准机箱内。机箱内 为两组完全相同的逻辑控制模块( l l c 和l l c r ) ，每组装置能够实现全部的控制和通 信功能。正常时l l c7 - 作，l l c r 冷备：当l l c 故障时手动切换到l l c r 工作，以保 证机车的可靠运行。同时l l c 也具有t c n 标准中规定的4 类设备能力，包括设备状态 性能、过程数据性能、消息数据性能和总线管理性能。用户可根据需要进行应用编程。 其通信介质为冗余的e s d 。l l c 具有8 4 路开关量输入和3 6 路开关量输出。 l l c 主要执行以下功能： 预备控制：完成各项预备性操作。如分合主断路器、起动劈相机、空气压缩机 和通风机，完成机车向前或向后、牵引或制动的操作。 调速控制：完成调速控制中线路接触器、牵引接触器、励磁接触器和预备环节 的控制，确保机车预备完毕。 信号控制：完成部分信号的显示。如主副台的预备、零位、欠压、原边过流、 励磁过流、辅过流、劈相机1 、劈相机2 和过分相等显示。 保护控制：利用微机控制柜提供的过流、欠压和过压信号完成机车的过流、欠 一8 大连理工大学硕士学位论文 压和过压保护；利用接地继电器完成各种接地保护；利用风速继电器完成风速保护；利 用速度监控装置、紧急制动按键完成紧急制动，同时还具有故障保护的恢复控制功能。 ( 3 ) 空气管路控制模块( d k l ) d k l 位于空气管路柜中，为4 u 标准机箱结构，装在一个4 u 机箱内。d k l 主要完 成机车电控制动的逻辑控制，同时将一些传感信号和压力开关信号传输给中央控制模 块，参与控制和显示。d k l 也具有t c n 标准中规定的4 类设备能力，而且用户可根据 需要进行应用编程。d k l 通信介质为冗余的e s d 。 ( 4 ) 司机室控制模块( c a b ) c a b 位于司机室操纵台内，装在一个7 u 。6 0 r 机箱内。主要接受司机控制指令，如 升降受电弓命令、主断路器闭合分断命令、司机控制器级位指令等，并向c c u 传送， 同时接受c c u 的命令，提供给司机一些相应信息。c a b 分为c a b l 和c a b 2 ，分别位 于两个司机室操纵台内。c a b 通信介质为冗余的e s d 。 1 4 课题提出的意义及本文研究工作 由于t c n 核心技术掌握在欧洲一些国家和公司中，而目前我国尚没有自主研发的 列车通信与控制系统产品，因此研发符合列车通信网络标准的t c n 产品，从而提高列 车控制、监视和诊断水平，就显得极为重要和迫切，也有助于我国列车通信网络的设计 和性能的完善与发展。这也是本课题提出的意义所在。 基于上述原因，由铁道部北车集团大连牵引力研发中心和大连理工大学信息与控制 研究中心合作开发“韶山7 e ( s s 7 e ) 电力机车网络控制系统”。主要开发基于c 6 1 3 7 5 - 1 国际标准的机车网络通信控制系统，达到t b t 3 0 3 5 2 0 0 2 列车通信网络的标准，并 使各模块通过型式试验，在地面实现联调，符合t b f f 3 0 3 4 2 0 0 2 机车车辆电气设备电 磁兼容性试验及其限值的要求。 本项目主要研究开发内容包括：中央控制模块( c e u ) 、司机室控制模块( c a b ) 、 逻辑控制模块( l l c ) 和空气管路控制模块( d k l ) 。 本文结合上述项目课题，主要研究了基于a r m 的m v b 接口机车逻辑控制模块 ( l l c ) 的硬件设计与实现方法。该模块主要由伽及m v b 控制单元、数字量输入输 出单元( d x ) 、电源控制单元和背板总线单元四部分组成，实现车辆总线m v b 管理和 车辆故障评估与诊断、数字量采集、数字量输出以及用f p g a 实现数据处理、决策分析 等机车逻辑控制功能。全文一共由五章组成。 第l 章绪论。介绍了列车通信网络国内外的发展概况以及嵌入式系统的技术应用。 根据s s 7 e 网络控制系统的设计要求，对其中的中央控制模块( c c u ) 、逻辑控制模块 李峰：基于a r m 的m v b 接口机车逻辑控制模块的设计与实现 ( l l c ) 、空气管路控制模块( d k l ) 和司机室控制模块( c a b ) 的主要功能进行了阐 述，给出了系统设计结构框图，并对课题提出的意义和本文的主要工作进行了说明。 第2 章列车通信网络研究与分析。主要阐述了列车通信网络( t c n ) 体系结构和多 功能车辆总线( m v b ) 协议。 第3 章逻辑控制模块的总体设计。分析了逻辑控制模块的特点并针对组成l l c 的 c p u 及m v b 控制单元、数字量输入输出单元、电源控制单元和背板总线单元的设计要 求。提出了各自的设计方案。同时鉴于铁路机车运行环境的复杂性，在设计时，充分地 考虑了机车电磁兼容的问题，以保证其运行的可靠性。 第4 章c p u 及m v b 控制单元设计。详细地阐述了c p u 及m v b 控制单元中主要 部分的硬件设计方法，主要从该单元各部分的原理设计、器件选型、p c b 设计方案、电 路抗干扰措施和硬件调试方法等几个方面进行了详细的分析。 第5 章数字量输入输出单元设计。分别对数字量输入单元、数字量输出单元和f p g a 控制单元的设计原理进行论述，同时也说明了在d x 单元的p c b 设计中应注意的问题。 结论中给出了对全文的总结与展望。 大连理工大学硕士学位论文 2 列车通信网络( t o n ) 研究与分析 2 1t c n 体系结构 2 1 1t o n 协议模型 t c n 协议模型如图2 1 所示【2 酣。 应用层 会话层 传输层 网络层 图2 1 列车通信网络协议模型 f i g 2 it h em o d e lo f t c n p r o t o c o l 议 由图2 1 可以看出，t c n 结构遵循o s i 七层模型( i s o m c 7 4 9 8 1 ) ，但基于下述 考虑，t c n 也有一些区别和简化： ( 1 ) o s i 模型是针对互相连接的复杂网络总体框架，它支持应用范围广泛，如办公室 自动化、制造工厂、联合网络。而列车通信网络为特定的应用优化，它与外部的通信仅 通过网关，因此许多o s i j 艮务在t c n 中是多余的。 ( 2 ) t c n 强调整体兼容性，不同来源的设备可以通过接插件兼容。 ( 3 ) t c n 是实时工作的，o s i 中未考虑传输距离短，但频繁、时限紧迫的数据。 ( 4 ) 由o s i 报头引起的总开销是巨大的，这个总开销对高速网络( 1 0 m b i t s ) 是可以 承受的，但w t b 的带宽仅i m b i t s ，而m v b 的帧长度仅2 5 6 位，因而需要对数据译码和协 议进行优化。 ( 5 ) 符合o s i 标准的软件太复杂，不能与在t c n 上连接的大量小设备相兼容，所以在 t c n 中对几个o s i ) 昙进行了简化。 ( 6 ) t c n 上的通信由于引入部件相互之间的约定而大大简化。例如：当所有设备都 按约定使用相同的格式，在表示层就不必进行数据格式的协商。 一 总体结构 一 李峰：基于a r m 的m v b 接口机车逻辑控制模块的设计与实现 2 1 2t o n 拓扑结构 列车通信网络( t c n ) 采用总线型拓扑结构，它包含两级：连接各车厢间的绞线式 列车总线( w t b ) 和连接车厢内各设备的多功能车辆总线( 1 v l v b ) 。列车总线和车辆 总线之间通过一个列车总线节点相连接，每节车厢内设有通信节点，列车总线由各个车 厢内固定安装的物理传输介质( s r 绞线或光纤) 通过车厢之间的互连而构成。列车通信 网络拓扑结构如图2 2 所示【2 6 1 。 列车总线 列车总线 图2 2 列车通信网络拓扑结构 f i g 2 2t o p o l o g yo f t c n w