（电力电子与电力传动专业论文）100％低地板车网络调试及监控系统.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：10 0 l o w - f l o o rl i g h tr a i lv e h i c l e ( l r v ) r e p r e s e n t st h em o s t a d v a n c e dt e c h n i q u eo fl o w f l o o rl r vi nt h ew o r d t r a c t i o nd r i v e ra n di t sc o n t r o l s y s t e mi s o n eo ft h ep i v o t a lt e c h n i q u e si n t h i sa r e a i no r d e rt om a k ei ts a f ea n d c o n v e n i e n tt od e b u gt h ev e h i c l eo nl i n e ，i ti sn e c e s s a r yt h a ts e n s o r sa n dn e t w o r kr e p l a c e n o r m a lm e a s u r i n gt o o l s o nt h eo t h e rh a n d ，t h et e c h n i q u eo fv i r t u a li n s t r u r n e n t s d e v e l o p sv e r yq u i c k l y a n di th a sb e e no n e o ft h em o s ti m p o r t a n td i r e c t i o n si nm o d e r n m e a s u r i n g a r e a s i nt h i sp a p e r , n e t w o r kt r a n s m i s s i o na n dd s pp r o g r a m m i n gl o a d i n gs y s t e m ，w h i c h c o m b i n e se t h e m e tw i t hf i e l db u s ，i sd e s i g n e d a n dt h ec o r eo ft h eb o a r di sd s pa n d f p g a b e s i d e st h a t ，t h es o f t w a r ef o rd e b u g g i n gb a s e do nl a b v i e wa n dv c + + i s d e v e l o p e do nt h ec o m p u t e r t h en e t w o r ki nt h ep a p e ri n c l u d e sr s 4 2 2 ，c a na n de t h e r n e t f p g ai su s e df o r s e r i a lc o m m u n i c a t i n gt or e a l i z el o n gd i s t a n c ep r o g r a m m i n gl o a d i n gf o rd s p s t h e i n t e r f a c e so fc a n b u sa n de t h e m e te x t e n d e db yd s pa r eu s e dt oc o m m u n i c a t i n g b e t w e e nt r a c t i o ns y s t e ma n da u x i l i a r ys y s t e m ，t r a c t i o ns y s t e ma n dt h ec o m p u t e r t h e p a p e rd e v e l o p st h ed e b u g g i n gs o f t w a r eb yl a b v l e w i nt h eu p p e rl a y e r i tc a l l d i s p l a yt h ed a t ao fi n v e r t e r ss t a t u s ，a l a r mw h e nf a u l t sh a p p e n a n d i tp r o v i d e su s e r s s o m eo t h e rf u n c t i o n st om a k ei tc o n v e n i e n tt oo p e r a t e m o r e o v e r , av i r t u a lo s c i l l o g r a p h i sd e v e l o p e dt od e s c r i b et h ew a v e so fi n v e r t e r sp a r a m e t e r s b e s i d e st h ed e s c r i b i n g f u n c t i o n ，i th a so t h e rn e c e s s a r yf u n c t i o n sw h i c ha r ep r o v i d e db yn o r m a lo s c i l l o g r a p h t h i sp a p e rc o m b i n e sn e t w o r kt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ew i t hv i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n i q u e a n dt h ep r o c e s s o r so ft r a c t i o nc o n t r o ls y s t e mc a nb ep r o g r a m m i n gi nl o n gd i s t a n c e t h e d a t ao fi n v e r t e rc a nb er e a l t i m ec o l l e c t e d ，t r a n s m i t t e da n dd i s p l a y e di nt h eu p p e r s o f t w a r e b e c a u s eo ft h a t ，t h ev e h i c l ec a nb ed e b u g g e dc o n v e n i e n t l y m o r e o v e r , t h ec o s t i sm u c hl o w e r k e y w o r d s ：10 0 l o w - f l o o rl i g h tr a i lv e h i c l e ；n e t w o r kd e b u g g i n g ；l o n g d i s t a n c e p r o g r a m m i n g ；v i r t u a li n s t r u m e n t c l a s s n o ：t m 9 2 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： 导师签名： 签字日期：年月1 7 1签字日期：年月日 独创性声明 本人声明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。与我一同工作的同志对本研究所做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：签字日期：年月日 7 6 致谢 本论文的工作是在我的导师刘志刚教授的悉心指导下完成的，刘志刚教授严 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。在实验室学习期间， 刘志刚教授在科研方面给了我很多实践机会和宝贵的意见，在做人方面给我树立 了学习的榜样，同时在生活方面给了我莫大的帮助和支持。在论文撰写期间，刘 志刚教授的指导和关心让我的基础知识和动手能力得到了进一步提高，同时让我 再思维的灵活性和创造性方面有了质的飞跃。在此衷心感谢两年来刘志刚老师对 我的关心和指导。 在实验室学习及撰写论文期间，实验室的沈茂盛老师、刁利军、牟富强、李 哲峰、岳岱巍、王磊、梅樱、陈洁等师兄、师弟和同学们都给了我无私的帮助， 使我在实验室罩感受到了家一样的轻松和温暖。这些都是我的学业和毕设得以顺 利完成的重要因素。在此也向他们表示真心的感谢。 借此机会，也向本论文中所引用和参考的文献资料的作者和出版者致以崇高 的敬意和感谢。 最后要感谢我的父母和家人，正他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业。还有我的朋友以及电气学院所有帮助过我的老师和同学们，祝好人一 生平安。 i 曼塞交垣厶堂亟堂僮途塞里l 壶 1 引言 1 1 课题背景及意义 2 0 世纪6 0 年代以后，工业化进程的飞速发展使得城市中汽车的数量过度增加， 导致了道路阻塞、环境污染和交通事故增加。2 0 世纪7 0 年代中后期，随着世界经 济的发展和人类环境保护意识的不断提高，各国开始考虑发展城市的新一代快速 轨道交通系统。新一代快速轨道交通系统采用封闭式线路、自动化信号及运输调 度系统，对车辆也提出了更高的要求。进入2 0 世纪8 0 年代，城市轻轨车辆得到 了前所未有的飞速发展【l 】。低地板轻轨交通系统填补了公共汽车和地铁运量之间的 空白，其运量适应范围为单向高峰1 3 万人次i l ，最高可达4 万人次m ，一般可用 作中等城市的干线交通和大城市的支线交通。同时轻轨系统的建设费用仅为地铁 造价的2 0 - 3 0 2 1 。1 0 0 低地板车在市场中备受青睐，该项技术也代表了国际低 地板轻轨车的最先进技术。 牵引传动及控制系统是1 0 0 低地板车的关键技术之一。研制适合我国快速城 市轨道交通系统的1 0 0 低地板车牵引传动系统，进行可持续研发，提高自主创新 能力，形成中国特色的低地板轻轨车牵引传动技术，制造拥有完全自主知识产权 的1 0 0 低地板车交流电力牵引传动系统产品，具有重大的战略意义。 在车辆调试阶段，对牵引变流模块和辅助变流模块一些重要参数的测量是不 可避免的，也是非常必要的。目前，测量电参数主要依靠示波器和电压表、电流 表、万用表等一些仪表类装置，但这些工具在车辆在线调试期间使用是不现实的。 不但会影响变流器、电机等装置的正常运行，也会威胁技术人员的人身安全，同 时会使整个调试过程复杂化。因此，必须开发一种新的技术来代替传统的测量仪 器。 自2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算机技术的迅猛发展，虚拟仪器技术在数据 采集、自动测试和测量仪器领域得到了广泛应用，促进和推动测试系统和测量仪 器的设计方法与实现技术发生了深刻的变化。“软件就是仪器”已经成为测试与测 量技术发展的重要标志。美国国家仪器公司( n i ) 是虚拟仪器的主要倡导者和贡 献者，在1 9 8 6 年开发出了创新软件产品l a b v i e w ，该软件自问世以来在研究、制 造和开发等众多领域得到广泛应用【3 j 。 与此同时，网络技术的发展也是突飞猛进。随着t c p i p 协议网络上发明的 e m a i l 和w w w 普遍应用，i n t e r n e t 国际互联网被大众所接受。以太网是现在世界 上应用最为广泛的计算机网络，它遵循国际标准规范，传输速度快，可以满足实 时性要求。传输介质可以采用双绞线，或者使用抗干扰能力强的光纤。 另外，牵引传动系统控制器主控芯片采用t i 公司生产的数字信号处理器 ( d s p ) ，车辆调试过程中不可避免的需要对处理器中的软件进行改写，目前的仿 真器烧写方式在车辆调试过程中并不适用，需要根据处理器自身的特点进行远程 程序烧写，并且程序烧写过程可控。 本课题基于以上背景，将网络技术与虚拟仪器技术相结合，设计完成了处理 器程序远程烧写系统，信息传输网络，上层监控界面与虚拟示波器，实现了车辆 牵引传动系统的远程监控和现场数据的远距离实时传输，并将底层数据在上位机 实时显示，同时实现了底层处理器软件的远程可控修改，替代了传统的测量仪器。 1 2 低地板轻轨车发展与现状 低地板轻轨车通常是指车辆地板距轨面高度小，一般为2 5 0 3 5 0 m m 的车辆。 低地板轻轨车主要有三个发展阶段：第一代低地板轻轨车的中间部分有一个低地 板进口，低地板大约占车长的1 0 1 5 ，随后经过改进可达到车长的5 0 。这种 类型轻轨车采用常规高转向架，分段式低地板，车内需要台阶过渡。第二代低地 板轻轨车辆有较长的低地板部分，约占整车的6 0 - - 一7 0 ，车内还需要台阶向高地 板区过渡。第三代1 0 0 低地板轻轨车动力转向架采用独立轮对，取消车轴，动力 转向架上方的中间通道也可以做成低地板，从而实现1 0 0 低地板。 低地板轻轨车自2 0 世纪8 0 年代以来在欧美取得了飞速发展。世界上的3 0 多 个国家1 4 0 多个城市已拥有低地板轻轨车。低地板车发展最多的国家是德国，有 5 6 个城市；美国有1 6 个城市。全世界轻轨电车的数量，目前已有5 0 0 0 辆左右。 生产低地板车的主要三大公司为s i e m e n s ，a l s t o m 和b a m b a r d i e r t 2 1 。另外国外的车 辆调试部分多己形成模块，使用的测量方式及数据传输方式各不相同。 低地板车辆在国内处于刚起步阶段。大连市轻轨公司在原有有轨电车线路上 进行改造，研制了两关节三模块的7 0 低地板轻轨车。2 0 0 6 年1 2 月，国内首辆铝 合金车体的7 0 1 k 氏地板车在长春下线。国内目前还没有1 0 0 低地板轻轨车，也尚 未形成完整的城市轨道车辆成套技术与专项技术，尤其是1 0 0 低地板轻轨车辆及 其关键技术，仍属国内空白。 国家在1 0 0 低地板车的研制方面给予了越来越高的重视，科技部在“十一五 国家科技支撑计划重点项目“新型城市轨道交通技术 中把“1 0 0 低地板轻轨车 研制作为一项重要研究课题。要求研制一列五模块铰接的1 0 0 低地板轻轨车样 车，完成运行考核试验，达到商业化运行水平。在此项课题中，我校承担了牵引 传动系统、辅助供电系统、牵引传动综合试验研究等课题的研究任务。 2 j 匕塞交垣塞堂亟堂位论塞曼i 盍 1 3 本文的研究内容和主要工作 在研究了网络技术、虚拟仪器技术、面向对象编程技术和国内外低地板车的 发展动态之后，通过查阅大量文献资料，本文完成了基于1 0 0 低地板车牵引传动 系统和辅助供电系统的网络调试及监控系统。将以太网传输技术、虚拟仪器技术 及面向对象编程技术结合在一起，完成了底层网络与上位机之间的大数据量通信， 同时在上位机的监控软件中实时显示，实现了车辆调试过程的数据远程测量及监 测。同时将现场总线技术和可编程逻辑器件结合，实现了处理器软件的远程程序 烧写。 本系统底层采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主处理器，嵌入以太网传输协 议，完成数据传输。同时采用可编程逻辑器件扩展串行通信接口，并对处理器进 行选择和控制，完成软件修改。上位机软件采用美国n i 公司的l a b v i e w 进行开 发，应用软件中提供的以太网传输模块完成数据收发，并在界面中实时显示，另 外再加入一些操作按钮完成其它一些辅助功能。此外，应用v c + + 开发虚拟示波器 以方便观察模拟量参数的波形。 本论文共分六章，各章的内容安排如下： 第1 章：简述课题的背景、研究意义，介绍了国内外低地板车的发展和现状， 并说明论文所做的主要工作： 第2 章：介绍了网络调试与监控系统的底层结构，阐述了各个网络传输单元 接口的实现方式和以太网通信软件的设计； 第3 章：叙述了可编程逻辑器件实现多个d s p 程序串行加载，详细阐述了 f p g a 的程序设计及仿真结果； 第4 章：应用l a b v l e w 开发上层监控软件，叙述了监控对象，软件功能，监 控软件的程序设计以及人机界面的设计； 第5 章：应用v c + + 开发虚拟示波器，以网络传输为基础进行程序设计，根据 实际示波器功能设计人机界面和操作面板； 第6 章：总结已完成的工作并提出现有工作的不足。 2 网络调试及监控系统底层结构 2 1 系统总体结构 1 0 0 低地板车网络调试与监控系统主要用于整车的调试，可对运行中或停车 状态下的牵引变流器和辅助变流器系统进行在线监测，能够实时方便地显示各种 模拟量、数字量。在机车运行的过程中采用多路传感器实时地采集系统状态参数， 在c p u 中进行计算处理将牵引变流系统和辅助变流系统的各种运行数据传输给上 层监控系统进行监控显示。同时如果列车发生了某种故障，将故障发生前后一段 时间的运行数据和环境数据记录到数据存储器中，同时在监控界面上发出警告或 故障信号，提供故障发生时故障部位的信息等。系统网络如图2 1 所示： 图2 1 变流器网络监控系统结构图 f i g u r e2 1 s t r u c t u r eo fc o n t r o la n dd i a g n o s es y s t e mf o rc o n v e r t o rn e t w o r k 整个系统包括数据采集单元、网络传输单元、故障存储单元和上层监控单元。 数据采集单元由传感器和对应的调理电路组成，电压、电流、温度等参数经 过传感器测量，再经过调理电路放大，输入到处理器的a d 转换输入端，处理器 根据采集到的数据进行控制和计算，并将数据通过网络传输到上位机。 网络传输单元包括串行通信部分、以太网通信部分、c a n 通信部分。串行通 信部分连接上位机与f p g a ，用来实现d s p 远程程序烧写。以太网通信部分负责 牵引变流系统与上层监控系统之间的大数据量通信。c a n 通信负责牵引变流系统 和辅助变流系统之间的控制信号和重要数据的传输。 故障存储单元用来存储故障信息。采用非易失性存储器f l a s h 长期存储故障 数据，f l a s h 属于可擦除性r o m ，掉电之后仍能保存数据，同时可通过以太网 接口上传故障数据，进行故障分析。 上层监控系统采用l a b v i e w 和v c + + 实现以太网通信功能，能够实时接收以 4 太网上传的状态数据，并进行相应的显示。l a b v i e w 主要负责系统运行状念的显 示，并向用户提供故障报警功能。v c + + 主要负责一些参数的实时波形显示，具有 实际示波器的主要功能。 2 2 网络传输单元 2 2 1串行通信部分 网络传输单元中串行通信部分用于d s p 远程烧写程序。由于r s 4 2 2 总线采用 差分信号进行传输，所以对共模噪声有较强的抑制能力，抗干扰能力强，与r s 2 3 2 总线相比可以有更远的传输距离和更高的传输速率，在1 2 0 m 之内可达1 0 m b p s 。 接口芯片采用m a x i m 公司生产的r s 4 2 2 总线收发器m a x 4 9 0 e s a ，该芯片 可以进行全双工通信，可以实现最高2 5 m b p s 的传输速率，单电源5 v 供电，驱动 器具有短路电流限制，并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止 过度的功率损耗。接收器输入具有实效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑 高电平输出。 为了提高系统的抗干扰能力，m a x 4 9 0 与控制器之间通过光耦h c p l 2 6 1 0 进 行隔离，并实现电平转换。硬件电路如图2 2 所示。 z s 4 8 2 a v 图2 2r s 4 2 2 接口电路图 f i g u r e2 2 i n t e r f a c ec i r c u i to fr s 4 2 2 2 2 2 以太网通信部分 2 2 2 1 工业以太网 随着技术的不断进步和发展，传统现场总线越来越多地表现出了其本身的局 限性。一方面，随着现场设备智能程度的不断提高，控制变得越来越分散，分布 在工厂各处的智能设备之间以及智能设备和工厂控制层之间需要连续地交换控制 数据，这使得现场设备之间数据的交换量飞速增长；另一方面，随着计算机技术 的发展，企业希望能够将底层的生产信息整合到统一的全厂信息管理系统中，于 是，企业的信息管理系统需要读取现场的生产数据，并通过工业通信网络实现远 程服务和维护，因此，用户希望管理层和现场能够使用统一的、与办公自动化技 术兼容的通信方案，这样可以大大简化工厂控制系统的结构，节约系统实施和维 护的成本。基于这样的需求，以太网开始逐渐从工厂和企业的信息管理层向底层 渗透，以太网技术开始应用于工厂的控制级通信。 工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网( 即i e e e 8 0 2 3 标准) 兼容， 但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、 可靠性、抗干扰性甚至本质安全等方面能满足工业现场的需要h 1 。 目f j 的以太网主要基于t c p i p 协议，它是一个四层协议系统，包括链路层、 网络层、运输层和应用层，每一层负责不同的功能。链路层通常包括操作系统中 的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡，它们一起处理与电缆( 或其它任 何传输媒介) 的物理接口细节；网络层负责处理从源发送方到目的地报文的地址 和路由信息，以便让信息可以发送到相邻的t c p i p 网络的主机上；运输层主要为 两台主机上的应用程序提供端到端的通信；应用层负责对接收的数据提供解释服 务。 工业以太网具有以下主要特点： 1 ) 环境适用性、可靠性、安全性：工业以太网都采用工业级的电子元器件。 其具有耐腐蚀、防尘、防水、加固型r j 4 5 、d b - 9 、航空接头等接插件，双冗余电 源供电方式，d i n 导轨的安装方式，满足e n 5 0 0 8 1 - 2 、e n 5 0 0 8 2 - 2 电磁兼容。 2 ) 通信确定性和可靠性：交换式以太网技术的出现大大提高了以太网的确定 性；通信速率从i o m 、1 0 0 m 增大到如今的1 g ，在数据吞吐量相同的情况下，速率 的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络冲突概率的大大下 降；全双工通信使得端口间两对双绞线( 光纤) 上分别同时接收和发送报文帧， 也不会发生冲突。 3 ) 网络安全性：可采用用户密码、数据加密、防火墙等多种安全机制加强网 络的安全管理；另外也可实施控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离 和安全过滤的现场控制器与系统主干网相连，实现各控制区域与其它区域之间的 逻辑上的网络隔离。 4 ) 安全防暴：在工厂现场，尤其是化工、石油、煤矿等工业现场，不可避免 的存在易燃、易爆、有毒等危险因素。需要对以太网系统采用隔爆、防爆的措施。 对以太网现场设备采取增安、气密、浇注等隔爆措施，使设备本身的故障产生的 6 电火花能量不会外泄，以保证系统使用的安全性。 5 ) 网络的可维护性和可恢复性：通过提高可靠性设计来提高现场设备的可靠 性，也可采用环形冗余结构；另外，还可采用智能化的现场设备，对现场设备进 行在线监视、诊断、维护管理；可恢复性是指以太网系统中的任一设备或网段发 生故障而不能正常工作时，系统能依靠预先设计的自恢复程序将断开的网络重新 连接起来，并隔离相应的故障段；同时系统能自动定位故障，以使故障能得到及 时修复【5 j 。 2 2 2 2 以太网接口芯片的选择 以太网控制器既可以选择现成的网卡，也可以只选用以太网控制芯片。现有 的网卡都使用i s a 或者p c i 总线作为扩展总线，而本系统作为一个小型系统，没 有必要再去实现复杂的i s a 或者p c i 总线。所以我们直接选用以太网控制芯片来 完成与以太网的连接。随着以太网在不同领域的广泛应用和发展，各种以太网控 制芯片层出不穷，c s 8 9 0 0 a 就是其中性能十分优良的一款。它主要为嵌入式应用系 统、便携式产品和适配卡等提供一种切实可行的以太网解决方案。相对于r e a l t e k 的r t l s 0 1 9 网卡芯片，c s 8 9 0 0 a 提供了更加简单、方便的用户接口，同时适用于工 业场合。大量实践表明，该芯片可靠易用，是实现以太网的良好选择。 c s 8 9 0 0 a 是c i r r u sl o g i c 公司生产的低功耗、性能优越的1 6 位以太网控制器， 功能强大。该芯片的突出特点是使用灵活，其物理接口、数据传输模式和工作模 式等都能根据需要而动态调整，通过内部寄存器的设置来适应不同的应用环境。 c s 8 9 0 0 a 内部功能模块主要是8 0 2 3 介质访问控制块( m a c ) 。8 0 2 3 介质访问 控制块支持全双工操作，完全依照i e e e 8 0 2 3 以太网标准( i s 0 i e c 8 8 0 2 3 ，1 9 9 3 ) ， 它负责处理有关以太网数据帧的发送和接收，包括：冲突检测、帧头的产生和检 测、c r c 校验码的生成和验证。通过对发送控制寄存器的初始化设置，m a c 能自 动完成帧的冲突后重传。如果帧的数据部分少于4 6 个字节，它能生成填充字段使 数据帧达到8 0 2 3 所要求的最短长度。 它的主要特点如下【6 】： 1 ) 符合i e e e 8 0 2 3 以太网标准，并带有i s a 接口； 2 ) 片内4 k 字节r a m ； 3 ) 适用于i o 操作模式，存储器操作模式和d m a 操作模式； 4 ) 带有传送、接收低通滤波的1 0 b a s e t 连接端口； 5 ) 支持1 0 b a s e 2 ，1 0 b a s e 5 和1 0 b a s e f 的a u i 接口； 6 ) 自动生成报头，自动进行c r c 检验，冲突后自动重发； 7 ) 最大电流消耗为5 5 m a ( 5 v 电源) ； 8 ) 全双工操作； 7 9 ) 支持外部e e p r o m 。 另外，要实现c s 8 9 0 0 a 与主机之间的数据通讯，在电路设计时可根据具体情 况灵活选择合适的数据传输模式。c s 8 9 0 0 a 支持的传输模式有i o 模式、m e m o r y 模式和d m a 模式。其中，i o 模式是c s 8 9 0 0 a 上电后的默认模式，同时和主机相 连通信比较简单，所以我们在本设计中采用i 0 模式。另外，c s 8 9 0 0 a 既支持8 位数据模式，也支持1 6 位数据模式，可以灵活的与多种控制器连接。 2 2 2 3 以太网控制器c s 8 9 0 0 a 的工作原理 c s 8 9 0 0 a 基本工作原理是：在上电初始化以后，c s 8 9 0 0 a 工作在设定的模式。 当接收到有主处理器d s p 发来的数据报( 从目的地址域到数据域) 后，侦听网络 线路。如果线路忙，它就等到线路空闲为止，否则，立即发送该数据帧。发送过 程中，首先，它添加以太网帧头( 包括前导位和帧起始位) ，然后生成c r c 校验 码，最后，将此数据帧发送到以太网上。当c s 8 9 0 0 a 接收以太网数据时，它将从 以太网收到的数据帧经过解码、去掉帧头和地址检验等步骤后缓存入片内缓冲区。 在c r c 校验通过后，它会根据初始化配置情况，通知主机收到了数据帧。最后， 可以通过i o 模式、m e m o r y 模式、或者d m a 模式将以太网数据帧传输到主机d s p 的存储区中。这里需要注意的是，前导位、帧起始位和帧校验序列仅供控制器本 身使用，在初始化时也可以选择是否传输c r c 校验到主机上。c s 8 9 0 0 a 传输到主 机的以太网数据帧或者主机传输到c s 8 9 0 0 a 的数据是从目的地址开始的数据域， 依次包括：目的地址、源地址、数据长度、数据段。 由于在设计c s 8 9 0 0 a 与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 接口电路的时候，需要考虑c s 8 9 0 0 a 工 作在i o 模式下的一些要求条件：芯片的a e n 管脚必须为低，而其地址线上面的 i 0 地址必须与c s 8 9 0 0 a 的地址空间相同，i o r , n i o w 管脚则分别控制i o 的读 写操作。其它一些控制信号可以忽略。i o 工作模式是c s 8 9 0 0 a 的缺省模式，从上 电复位起一直有效。c s 8 9 0 0 a 工作在i o 模式时，主机通过8 个1 6 位的i 0 端口 来访问它的内部p a c k e t p a g e 寄存器。这8 个1 6 位的端口被映射到主机i o 空间 中1 6 个连续的地址。它们都有一个c s 8 9 0 0 a 设置的基地址。c s 8 9 0 0 a 上电默认的 i o 基地址设为0 x 3 0 0 。用户也可以在系统初始化时将基地址改为任意的偶地址。 由于在i o 模式下，c s 8 9 0 0 a 只占用主机系统地址空间中的1 6 字节。所以对于地 址空间有限的系统，1 1 0 模式也是正确的选择。表2 1 说明了c s 8 9 0 0 a 在i o 模式 下的端口映射情况。 表2 1i o 模式下的端口映射 偏移量读写类型说明 0 0 0 0 h读写接收发送数据端i ：30 ( p o r t o ) o 0 0 2 h 读写接收发送数据端口1 ( p o r t l ) 0 0 0 4 h只写 t x c m d ( 传输命令寄存器) 0 0 0 6 h只写 t x l e n g t h ( 传输长度) 0 0 0 8 h只读i s a ( 中断状态队列) 0 0 0 a h读写 p a c k e t p a g e 指针寄存器 0 0 0 c h读写 p a c k e t p a g e 数据端h o 0 0 0 e h读写 p a c k e t p a g e 数据端1 ：31 当c s 8 9 0 0 a 工作在i o 模式下，与主机d s p 的通信都全部通过这1 6 个端口。 主机要发送和接收数据时，数据通过接收发送端口0 进行传送( 当3 2 位数据总 线时同时使用接收发送端口1 ) 。主机要发送数据时，需要先对t x c m d 和t x l e n g t h 寄存器进行设置。当主机收到c s 8 9 0 0 a 发出的中断，可以通过读取中断状态队列 ( i s q ) 来确定是何种中断，从而进行相应的处理。 当主机在对c s 8 9 0 0 a 进行初始化，或者读取c s 8 9 0 0 a 状态时，都需要对其内 部的寄存器进行读写，这就要通过p a c k e t p a g e 指针寄存器来实现。将想要获取的 内部寄存器地址写入p a c k e t p a g e 指针寄存器内，再通过读取p a c k e t p a g e 数据端 口0 即可获得该寄存器的值( 3 2 位数据总线时同时使用p a c k e t p a g e 数据端口1 ) 。 同时，如果主机要顺序读取几个地址连续的寄存器时，可以把要写入p a c k e t p a g e 指针寄存器的地址的最高位设为1 ，这样p a c k e t p a g e 指针寄存器会自动移到下一 个寄存器的地址，减少了主机在连续读取时的开销。 下面简要介绍c s 8 9 0 0 a 内部寄存器。用户允许访问的内部寄存器内容可以分 为六部分，寄存器具体划分和功能如表2 2 所示。 寄存器地址寄存器内容寄存器功能 0 0 0 0 b 叫0 4 5 h总线接口寄存器组用于配置i s a 总线接口和基地址 0 1 0 0 h 0 1 3 f h状态和控制寄存器组 控制芯片和获得芯片的状态 0 1 4 0 l l 叫1 4 n l发送初始化寄存器组 在系统有数据发送时进行设置 0 1 5 0 b 叫1 5 d h地址过滤寄存器组 由目的地址过滤器使用的单个物理地 址和逻辑地址 0 4 0 0 h 接收帧地址与i o 模式中接收发送数据端口作用 0 a o o h 发送帧地址 相同 9 2 2 2 4 以太网总线接口硬件设计 c s 8 9 0 0 a 的接口电路主要实现两种功能： 1 ) 与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 总线相连，包括数据总线读写、地址总线驱动、中断控制 信号的产生、存储器读写信号以及i o 端口读写信号的引入等； 2 ) 对网络芯片内部的操作，包括对缓冲r a m 的读写、对内部寄存器的配置等。 从工程实际出发，考虑到系统内存资源的限制，同时为了简化软硬件设计， 我们采用了i o 模式，将c s 8 9 0 0 a 的寻址空间安排在d s p 的i o 地址空间，同时 不使用e e p r o m 对c s 8 9 0 0 a 进行初始化，以减少嵌入式系统板上空间。c s 8 9 0 0 a 仅 通过i o b a s e t 与网络连接。 c s 8 9 0 0 a 的i o 基地址取默认值o x 3 0 0 h 。考虑到t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是以1 6 位字长 进行i o 操作，对c s 8 9 0 0 a 是以偶地址进行寻址，因此可以将s a o 、s a 4 s a 7 以 及s a i o s a l 9 一同接地，s a 8 、s a 9 接3 3 v 正电压，这样仅需3 根地址线控制。 a e n 可作为片选信号，低电平有效，s b h e 为系统数据总线高8 位使能信号线，在 每次复位后，进行i o 或存储模式访问前，需要重新给该管脚一个由高到低、再 由低到高变化的电平信号来进行触发，这在网络驱动程序中可以予以实现；当 c s 8 9 0 0 a 作为1 6 位通讯时，此信号为低有效。因此可以将a e n 与s b h e 相连接用 同一个片选信号控制。由于采用i o 模式，因此m e m o r y 模式的读写管脚m e m w 和 m e m r 被置高电平，以关闭m e m o r y 方式。为了有效分配i 0 地址空间，选用f p g a 对c s 8 9 0 0 a 控制信号进行译码编址，将其i 0 地址映射为系统外部扩展区域的i o 空间内，同时i o r 和i o w 管脚也接到f p g a 的i o 口上，通过f p g a 来控制读写选 通。 c s 8 9 0 0 a 通过一个带扼流圈的隔离变压器( 变比为l ：2 5 ) 将d s p 要发送的 数据经过r j 4 5 端口发送到网络上；接收数据时，也要经过隔离变压器( 此时变比 为1 ：1 ) 接收网络传来的数据。加隔离变压器的作用主要是将外部线路与c s 8 9 0 0 a 隔开，防止干扰和烧坏元器件，实现带电的插拔功能。结合以上的设计考虑，具 体的连接电路见图2 3 所示。 l o 图2 3 以太网接口电路图 f i g u r e2 3 i n t e r f a c ec i r c u i to fe t h e m e t 2 2 3c a n 通信部分 c a n 通信部分主要用于牵引传动系统和辅助供电系统之间的数据通信。 c a n 总线是目前国际上应用最为广泛的现场总线之一。它是由德国b o s c h 公 司2 0 世纪8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制器与测试仪器之间的数据交换 而开发的一种串行数据通信协议，属于现场总线的范畴。由于c a n 总线本身的特 点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机 械、数控机床等领域发展。并已经形成国际标准，被公认为几种最有前途的现场 总线之一【7 1 。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 集成了c a n 控制器的改进型e c a n 控制器。它有3 2 个邮 箱，并且所有邮箱都有自己的接收屏蔽寄存器和3 2 位时间标签，都可配黄为发送 和接收邮箱。所有进行数据传输和接收滤波的协议功能都是由c a n 控制器执行的， 通过d s p 内部的特殊功能寄存器可配置c a n 控制器访问接收到的数据以及传输 数据。 c t m l 0 5 0 t 是一款带隔离的高速c a n 收发器芯片，内部集成c a n - b u s 所必 需的收发电路，完全电气隔离电路，隔离电压d c 2 5 0 0 v 。用于c a n 控制器与c a n 总线之间的接口芯片，c a n 总线波特率应用范围：4 0 k b p s 1 m b p s ，完全符合 i s 0 1 1 8 9 8 标准。芯片的主要功能是将c a n 控制器的逻辑电平转换为c a n 总线的 差分电平并且具有d c 2 5 0 0 v 的隔离功能及e s d 保护作用。 c t m l 0 5 0 t 芯片功能和接口电路如图2 4 和图2 5 所示。在芯片接收端接入 d s p 之前，经过反相施密特触发器7 4 l v c 2 g 1 4 g w 对信号进行整形。c a n 总线终 端匹配电阻为1 2 0 欧姆。 v e e c 舯峨 l 8 c 绷隧黪嘲r 网 l s o o c 2 5 0 0 v d b l i i。 7c 真t 。= 攀点 ； ” e 郴c 吲畦b 一 矗 船：、- 一 。| 一、r 一 c 删 cv 也蚓 c 陵期。a 庀= = a 嚣麓庞_ 一卅函 ，r v 鬈蹴黼 1 ， - 陵掣h 删0， 一l 嚣黝，；卜焖：- j 怯。耐。u 六n 三矗i l i 一ii m l 獭曩l 1 ，r 、o 7 p l 伽t 断_ 门乙n ” 。锵v 2 锄嘲4 蝴三坠= - 一 图2 4c t m l 0 5 0 t 芯片功能框图 f i g u r e2 4 f u n c t i o n a ld i a g r a mo fc t m10 5 0 t 2 3 故障存储单元 c nc 0 h m u n i c 豇0 n 啦 c u 图2 5c a n 总线接口电路图 f i g u r e2 5 i n t e r f a c ec i r c u i to fc a nb u s 故障存储单元指发生故障之后的故障数据存储区，将系统发生故障时的状态 数据存储在f l a s h 中，便于技术人员查找、分析故障原因。 2 3 1 闪速存储器f l a s h 2 3 1 1f l a s h 介绍 本系统采用的是s a m s u n g 公司的n a n d 闪速存储器k 9 f 5 6 0 8 u o a 。它是一个3 2 m 8 b i t 的n a n d 闪速存储器，附带有5 1 2 k 8 b i t 的备用区。它的n a n d 单元为固态 大容量存储器市场提供了最合适的解决方案。编程操作编程一页( 5 2 8 b y t e s ) 的 1 2 典型时间为2 0 0 u s ，擦除操作在1 6 k b 的块上执行的典型时间是2 m s 。页中的数据 可以每字节5 0 n s 的循环时间读出。i o 引脚作为地址和数据的输入输出端口以及 命令的输入端口。片上的写控制自动化了所有的编程和擦除操作，这包括编程和 擦除所要求的脉冲重复和内部数据的验证和合并。即使是写密集型的系统也能够 通过提供e c c ( e r r o rc o r r e c t i n gc o d e ) 和实施映射算法来利用k 9 f 2 8 0 8 u o a 的具 有l o o k 编程擦除周期的扩展可靠性。k 9 f 5 6 0 8 u o a 是一个对大容量非易失性存储 应用( 诸如固态文件存储和其它要求非易失性的便携式应用的) 的最好的解决方 案。 2 3 1 2f l a s h 操作 k 9 f 5 6 0 8 u o a 的地址是多路复用8 个i o 端口，能有效的减少引脚数目，并允 许系统在升级到将来的密度时能够维持系统设计的一致性。 命令、地址和数据都是通过i 0 端口写入的，条件是在c e 为低电平时，将w e 编程低电平。数据在w e 的上升沿锁存。命令锁存使能( c l e ) 和地址锁存使能( a l e ) 分别是用于通过i o 引脚复用命令和地址的。 k 9 f 5 6 0 8 u o a 芯片还提供了一根状态指示信号线r b ，当信号为低电平时，表 示f l a s h 可能处于擦除、编程或随机读操作的忙状态；而当其为高电平时，则表 示为准备好状态，此时可以对芯片进行各种操作。 表2 3k 9 f 5 6 0 8 u o a 的命令集 t l b l e2 3c o m m a n d so fk 9 f 5 6 0 8 u o a 功能第一个周期第二个周期器件忙时该命令是否可接受 读1 0 0 l 怕l h 读2 5 0 h 读i d9 0 h 复位f f h 是 页编程8 0 h1 0 h 块擦除 6 0 hd o h 读状态 7 0 h 是 所有的命令要求一个总线周期。块擦除命令和页编程是例外，他们需要两个 周期，一个周期用于建立，另一个周期用于执行操作。表2 3 定义了k 9 f 5 6 0 8 u o a 的特有命令集。 2 3 2 实时时钟芯片r t c 故障存储单元在记录故障信息的同时还要记录故障发生的时间，需要带有时 钟。本系统选用m a x i m 公司的实时时钟芯片d s l 2 c r 8 8 7 ，采用其产生实时时钟， 用以正确记录机车运行时发生故障的时间。 d s l 2 c r 8 8 7 带有恒压涓流充电器，提供r t c 日历、定时闹钟、三个可屏蔽中 断和一个通用中断输出、可编程方波以及1 1 4 字节电池备份的静态r a m 。少于3