（电力电子与电力传动专业论文）mvb智能节点的设计与实现.pdf

a b s n 认c r a b s t r a c t ：t c n ( t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) i sac o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf o r c o n n e c t i n g e l e c t r i c e q u i p m e n t si nat r a i na c c o r d i n gt o i e c6 1 3 7 5 n eg e n e r a l a r c h i t e c t u r eo ft h et c ni n c l u d e st w ob u st y p e s ：w t b ( w i r e dt r a i nb u s ) a n dm v b ( m n i t i f n n c t i o nv e h i c l eb u s ) w t bi n t e r c o n n e c t sv e h i c l e so fat r a i n ；m v bi n t e r c o n n e c t s e l e c t r o n i ce q u i p m e n tw i t h i nav e h i c l e m v bi sb r o a d l yu s e da n di ti st h ef o u n d a t i o no f 1 n f o rm v b st e s t i n gr e q u i r e m e n t sa n dt h es p e c i a ln a t u r eo ft h el a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t ，t h es y s t e ms i m u l a t e sm a n ye q u i p m e n t sw h i c ha l et o ol a r g eo rt o o e x p e n s i v e a f t e rr e s e a r c h i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h ee q u i p m e n tw h i c hw ew a n tt o s i m u l a t ea n dc o m b i n a t i o nt h ef e a t u r e so fu s ba n dl a b v l e w ，w ep r o p o s et h ed e s i g no f m v b i n t e l l i g e l t tn o d e t h es y s t e ms i m u l a t e sl o c o m o t i v es t a r t i n g f i r s t l y , t h ep a p e ro u t l i n e st h ei m p o r t a n t m e n to ft h em v bi nt h et r a i nn e t w o r ka n d t h en e c e s s i t yo ft h ed e s i g no fm v bi n t e l l i g e n tn o d ei nt i l e t e s t i n go f m v b n e t w o r k ；s e c o n d l y , hi n t r o d u c e ss o m ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e sw h i c ha r eu s e di nm v b i n t e l l i g e n tn o d ea n dd e t e r m i n et h ew h o l ed e s i g np r o g r a m ；t h i r d l y , i ti n t r o d u c e st h e d e s i g no fm v b u s bc o n v e r t e n l ti st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nm yp a p e r ；f i n a l l y , i t d e s i g n sp cp r o g r a mb yt h er e q u e s to fs t i m u l a n tn o d e i nh a r d w a r ep o r t i o n , w ed e s i g n t h es y s t e mo fn i o si ii nf p g ab yu s i n gs o p ca n df i r m w a r ep r o c e s s i ns o f t w a r e p o r t i o n w ei n t r o d u c et h ed e s i g no fl o c o m o t i v es t a r t i n g ss i m u l a t i o n t 1 l ec o m m u n i c a t i o n m o d u l ef o ru s b ，t h ed e s i g no fi n t e l l i g e n tn o d es i m u l a t i o nm o d u l eb yu s i n gl a b v i e w i tp r e s e n t st h eo u t c o m eo ft h es u b j e c t ，a n dt e s t st h er e s u l t su n t i ln o wi nt h ee n do ft h e p a p e r f r o mt h et e s t i n ga n dt h er e s u l t ，w ec a nc o n c l u s i o nt h a tm v b ，r u s bc o n v e r t e rm e e t s t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s b yt h es y s t e mo fp c ss i m u l a t i o na n dm o n i t o r , i tc a ns i m u l a t e v a r i o u sn o d e sa n dc h a n g et h ef u n c t i o no fn o d e i tb r i n g st h eg r e a tc o n v e n i e n c eo fm v b n e t w o r kf o rt h ed e s i g na n dd e b u g g i n g k e y w o r d s ：m u l t i f o n c t i o nv e h i c l eb u s ( m v b ) ；s y s t e m - o n - a - p r o g r a m m a b l e - c h i p ( s o p c ) ；s l a v ef i f o ；f i r m w a r ep r o c e d u r e ；l a b v i e w 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：王磊 签字日期：珈7 年凋3 j 日 导师躲【p 蓐 签字日期：印9 年，调哆只 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 致谢 在论文完成之际，我要衷心的感谢我的导师申萍教授。本论文是在申老师的 悉心指导下完成的。申萍教授渊博的学问、活跃的思想、严谨的态度以及宽厚的 为人令学生获益匪浅，她严谨求实的治学态度对我目前的研究工作以至今后的工 作和学习影响深远。另外，申老师在科研及生活上给予我的关怀令我深受感动、 难以忘怀。她为我创造了一个良好的科研条件以及许多难得的锻炼机会，她不断 的鼓励增添了我的信心，使我敢于直面困难，在科研的道路上逐步成熟起来。硕 士学业即将完成之际，在此衷心感谢三年来申萍老师对我的关心和指导。 同时还要感谢王永翔博士，在他的带领下，项目组里充满了浓厚的学术氛围。 他的严谨求实的治学态度和追求创新的科研方法对我科研能力的提高起到了极大 的推动作用。项目研发过程中，他鼓励我克服难关并给予了我极大的帮助，使我 能够顺利完成自己的研发工作。在此向王永翔博士表示衷心的谢意。同时也向本 课题组的聂晓波、杨宁、姜娜和徐海涛表示衷心的感谢，他们都在我课题研究过 程中给予过我支持和帮助。 。 在学习和科研期间，有幸结识了刘彪博士、王苏敬博士以及周东、宋娟等师 兄师弟师妹。在与他们相处的日子里，不仅通过学术交流与积极有益的探讨令本 人获益良多，而且他们的关心和帮助让我感到了友谊的珍贵和集体的温暖。 另外也感谢我的父亲母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 最后，承蒙各位专家、教授的评阅和评议，你们提出的宝贵意见将使作者受 益匪浅。谢谢! 韭塞銮通鑫堂琢堂焦i 幺塞箍= 童缝盈 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 随着嵌入式控制技术和现场总线技术的发展，现代列车的过程控制已从集中 型的直接数字控制系统发展成为基于网络的分布式控制系统。基于分布式控制的 m v b ( 多功能车辆总线) 是1 9 9 9 年国际电工委员会( i e c ) 颁布的i e c 6 1 3 7 5 - 1 ( 列 车通信网络国际标准，简称t c n ) 标准的推荐方案，它与耵b ( 绞线式列车总线) 构成的列车通讯总线具有实时性强、可靠性高的特点。列车车辆的现代化的发展 趋势与可靠性、安全性、通讯实时性的要求使m v b 逐渐成为下一代车辆的通讯总线 标准。 目前t c n 标准在国外特别是欧洲已相当普及，国内也加紧了对这一标准中关 键总线技术的研制。 在m 、r b 技术的研发过程中，由于客观条件的限制，很多机车上的大型设备或者 比较昂贵的设备无法在实验过程中使用，在这种条件下，利用机车模拟技术，在 p c 机上模拟机车设备，将p c 机与m v b 总线相连，参与m v b 技术研发的试验、测试将 使研发过程变得更快捷、方便灵活并且节省研发成本。 以往列车通讯网络技术与计算机的连接采用p c i 、r s 2 3 2 等接口，例如d u a g o n 公司的d 2 1 3 是m v b 转p c i 的接口转换卡，d 4 1 2 是m v b 转r s 2 3 2 的接口转换卡，它们都 有比较广泛的应用。但是随着计算机接口技术的发展，r s 2 3 2 接口传输距离太短； p c i 虽然高速，但其主要缺点是占用有限的系统资源，设计复杂、需要有高质量的 驱动程序保证系统的稳定，且无法用于便携式计算机的扩展。相比之下，u s b 接口 具有外设安装简单( 可实现热插拔) 、通讯速率高( u s b zo 全速传送速率为 4 8 0 m b s ) 、支持多设备连接、提供内置电源等诸多优点。因此自主开发m v b t ou s b 的协议转换卡成为了我们的最佳选择。 上位机的模拟和监控系统与w v b u s b 协议转换卡结合，共同构成了m v b 总线网 络上的一个节点，通过上位机程序我们可以对m v b 总线网络进行实时监控并模拟机 车上的设备。利用软件实现的灵活性，我们可以灵活的模拟一些在实验过程中无 法使用的机车设备。 因此本课题便基于上述需要进行了选题，设计了一套功能相对全面且具有很 好的通用性的模拟和监控系统。通过该系统可以对m v b 总线网络上各节点进行监 控，为m v b 网络的调试带来很大的便利。下面几节针对本系统设计过程中涉及到 的一些关键技术进行简要介绍。 i 2s o p c 技术概述 计算机通信技术的发展和提高离不开微电子技术和计算机技术在各个生产和 科学技术领域不断的广泛而深入的应用。列车通信技术及现场总线技术在此影响 下也取得了巨大的发展。微电子技术与计算机技术的发展历史是一个不断创新的 过程，这种过程包括原始创新、技术创新和应用创新等。每一项创新都能开拓出 一个新的领域，带来新的巨大的市场，对我们的生产、生活方式产生巨大影响。 s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a n n a b l ec h i p ，片上可编程系统) 是以p l d ( 可编 程逻辑器件) 取代a s i c ( 专用集成电路) ，更加灵活、高效的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 解决方案。s o p c 代表一种新的系统设计技术，也是一种初级的软硬件协同设计技 术。 与s o c 技术相比，集成电路只有安装在整机系统中才能发挥它的作用。i c 芯片 是通过印刷电路板( p c b ) 等技术实现整机系统的。尽管芯片的速度可以很高，功 耗可以很小，但由于p c b 板中芯片之间的连线延时、p c b 板的可靠性及重量等因素 的限制，整机系统的性能受到了很大的限制。 而s o c 技术的产生基础是由于随着半导体工艺水平的不断进步，使器件特征尺 寸越来越小，芯片集成规模越来越大，数百万门级电路可以集成在一个芯片上。 多种兼容工艺技术的开发，使差别很大的不同种器件可在同一个芯片上集成，把 功能复杂的智能核( 处理器) 和数字逻辑电路集成到同一个芯片上，做成一个完整 的单芯片电子系统，形成s o c 器件。 s o c 技术的研究、应用和发展是微电子技术发展的一个新的里程碑。s o c 能提 供更好的性能、更低的功耗、更小的印制板( p c b ) 空间和更低的成本，带来了电子 系统设计与应用的革命性新变革，可广泛应用于移动电话、硬盘驱动器、p d a ( 个 人数字助理) 和手持电子产品等。s o c 是2 1 世纪电子系统开发应用的新平台。s o c 从 整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路，直至器 件的设计紧密结合起来，在单个( 或少数几个) 芯片上完成整个系统的功能。s o c 的 设计以i p 核为基础，以硬件描述语言为系统功能和结构的主要描述手段，借助于 以计算机外平台的e d a i 具进行。研究表明，与i c 组成的系统相比，由于s o c 设计 能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，因而可以在同样的工艺技术条件下， 实现更高性能的系统指标。s o c 技术，也大大促进了软硬件协同设计及计算机系统 设计自动化的发展。 s o p c 是a l t e r a 公司提出来的一种s o c 解决方案。它将处理器、存储器、i o 口、 l v d s 等系统设计需要的功能模块集成到一个p l d 器件上，构建成一个可编程的片上 系统。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 2 备软硬件在系统可编程的功能。可编程器件内，还具有小容量高速r a m 资源。由于 市场上有丰富的i pc o r e 资源可供灵活选择，用户可以构成各种不同的系统，如单 处理器、多处理器系统。有些可编程器件内还可以包含部分可编程模拟电路。除 了系统使用的资源外，可编程器件内还具有足够的可编程逻辑资源，用于实现其 他的附加逻辑。 s o p c 的基本特征：至少含有一个嵌入式处理器内核；具有小容量片内高速r 埘 资源；丰富的i pc o r e 资源可供选择；足够的片上可编程逻辑资源；处理器调试接 口和f p g a 编程接口等。 s o p c 技术成为一个设计主流的原因主要有以下几点： 1 、运用嵌入式的n i o s 软核。对于n i o s 软核，由于它是可配置的，所以还可以 应用于a l t e r a 公司任何其他的f p g a 芯片上。 2 、n i o s 可配置为3 2 位或1 6 位的c p u ，使设计人员能够在速度与占有资源上做 出最优选择。 3 、n i o s 带有大量的外设和接口库，如u a r t 、时钟、d b i a 、s d r a m 、并行i o 等， 这些特点使得设计变得简单化，提供了设计可靠性，降低了设计成本。 4 、采用先进的e d a 开发工具，如a l t e r a 公司的q u a r t u si i ，以及s o p cb u i l d e r 的出现，都极大地提高了开发人员的工作效率。s o p cb u i l d e r 是一个自动化的系 统开发工具，它能够极大地简化高性能s o p c 的设计工作。该工具可以自动进行开 发中的系统定义和集成过程，从而大大缩短产品的上市时问，采用s o p cb u i l d e r ， 设计人员能够在一个工具内定义一个从硬件到软件的完整系统，而花费的时间仅 仅是传统s o c 设计的几分之一。s o p cb u i l d e r 内建的i p 核库是业界领先的o p e nc o r e p l u s 版的n 1 0 s 嵌入式软核处理器。 5 、知识产权得到重视，越来越多的设计人员以“i p 核设计及复用”的方式对 现在的i p 核加以充分利用，从而提高他们的设计效率并缩短上市时间。 6 、由于连接延迟时间的缩短，s o p c 可以提供增强的性能，而且由于封装体积 的减小，产品尺寸也减小了。 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 1 m 的a s i c 产品制造价格仍然相当 昂贵，而集成了硬核或软核c p u 、d s p 、存储器、外围i 0 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 技术，同目前流行的a r m 系列i c 不 同，它是软件、硬件都可裁减的，是完全意义上的嵌入式系统。所以，专家认为 s o p c 代表了半导体产业未来发展的方向。 1 2 1n i o sl l 软核处理器 3 2 0 0 0 年，a l t e r a 公司发布了n i o s 处理器，它是基于r i s c 技术的通用嵌入式处 理器芯片软内核，特别为可编程逻辑进行了优化设计第一代n i o s 嵌入式处理器 采用1 6 位指令集，1 6 3 2 位数据通道，5 级流水线技术。 2 0 0 4 年，a l t e r a 发布了n i o si i 嵌入式处理器采用流水线技术、单指令流和哈 佛结构的通用r s i c 处理器，n i o si i 系列3 2 位嵌入式处理器具有很大的灵活性，可 以在多种系统设置组合中进行选择，达到性能、特性和成本目标，具有超过2 0 0 d m i p 的性能。它具有以下特点； ” 1 ) 合理的性能组合：n i o si i 包括三种内核，即快速的n i o si i f ( 最高性能 的优化) 内核、经济的n i o si i e ( 最小逻辑占用的优化) 内核以及标准的n i o si i s ( 平衡于性能和尺寸) 内核，每静内核根据不同的性能而优化；三种n i o si i 内核 的比较如下表： 表卜1 三种n i o si i 内核比较 t a b l e1 - 1t h ec o m p a r eo f n i o s n i o si i fn i o si i sn i o si i e ( f a s t ) ( s t a n d a r d ) ( e c o n o m y ) 流水线级数 65 无 乘法器1 周期3 周期软件仿真实现 分支预测 动态 静态 无 指令缓冲可配置可配置无 数据缓冲 可配置无无 逻辑单元 1 4 0 0 - 1 8 0 01 2 0 0 1 4 0 06 0 0 - 7 0 0 定制指令最大可达2 5 6 个 2 ) 多处理器系统：在同一片f p g a 内集成多处理器，而不用重新设计p c b ； 3 ) 定制指令：扩展处理器指令，是处理复杂算术运算和加速逻辑的最佳途径； 自定制指令是n i o si i 的一大特色。n i o si i 处理器是一种软核处理器，设计者可 以将自定制逻辑集成到a l u 中，这就是自定制指令。与n i o si i 处理器自带的指令 4 集中的指令一样，自定制指令可以从两个寄存器中取操作数，进行某种处理后将 结果返回目的寄存器。自定制指令能够大大改善系统的性能。 4 ) 硬件加速：在同一片f p g a 内不仅集成处理器，还可集成用户自定义的硬件 加速模块； 5 ) a v a l o n 总线架构。 1 2 2a v a i o n 总线主要功能和结构 a v a l o n 总线由a l t e r a 公司提出，用于在基于f p g a 的片上系统中连接片内处 理器和片内外设的总线结构，并规定了主设备和从设备的端口连接方式和时序关 系。a v a l o n 总线本身是一个数字逻辑系统，它在实现。信号线汇接”这一传统总 线功能的同时，增加了许多内部功能模块，引用了很多新的方法，比如从端仲裁 模式，多主端工作方式，延时数据传输，这些功能使得在可编程逻辑器件中可以 灵活的实现系统增减和i p 复用。 a v a l o n 总线主要功能： 1 ) 数据通道复用； 2 ) 地址解码： 3 ) 产生等待状态； 4 ) 动态总线宽度调整； 5 ) 中断优先级分配： 6 ) 延时传输能力； 7 ) 流读写能力。 连接到a v a l o n 总线的设备分为主从设备，并各有其工作模式。不同于传统的 计算机总线的概念，a v a l o n 并非“各种信号线的集合”，而是由一组预定义的信 号所组成的参数化接口总线，用户可配置信号定义，连接一个或多个i p 核。a l t e r a 的s o p cb u i l d e r 系统开发工具能自动产生交换结构总线逻辑，从而减轻了用户的 设计使用难度。事实上，这正是a v a l o n 总线的特殊之处，也是a v a l o n 的优势所 在。 单个总线仲裁器控制总线主机和从机之间的通信。每个总线主机发起总线控 制请求，由总线仲裁器对某个主机授权接入总线。如果多个主机试图同时接入总 线，总线仲裁器会根据一套固定的总裁规则，分配总线资源给某个主机。由于每 次只有一个主机能够接入总线、使用总线资源，因此会导致带宽瓶颈。下图为传 统总线结构： 5 图卜1 传统总线结构 f i g u r e l 一1t h ea r c h i t e c t u r eo f t r a d i t i o n a lb u s a v a l o n 总线的同时多主机体系结构提高了系统带宽，消除了带宽瓶颈。采用 a v a l o n 总线，每个总线主机均有自己的专用互联，总线主机只需抢占共享从机， 而不是总线本身。每当系统加入模块或者外设接入优先权改变时，s o p cb u i l d e r 利用最少的f p g a 资源，产生新的最佳a v a l o n 总线结构。a v a l o n 总线支持多种系 统体系结构，如单主机多主机系统，可实现数据在外设与性能最佳数据通道之间 的无缝传输。总线同样支持用户设计的片外处理器和外设。下图为a v a l o n 总线结 构： a v a l o n 奄赣舱缝 拯捌器l 挖纠器ll 艘副器ll 档凇嚣 a v a l o n 窿援缔陶 腱铺啦备翟 图1 - 2a v a l o n 总线结构 f i g u r e l - 2t h ea r c h i t e c t u r eo f a v a l o nb u s 6 f 伊揣 1 3u s b 总线技术 1 3 1u s b 总线技术优势 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 不但是一种新的总线标准，也是近年来应用在p c 领域的一种新型接口技术。 总体来说，u s b 总线的主要优势体现在： 使用方便 传输速率高 菊花链式的星形总线拓扑结构 独立供电 标准接口和外设 1 ) 使用方便： 使用u s b 接口可连接多个不同的设备，支持热插拔；在软件方面，为u s b 设计 的驱动程序和应用软件可自动启动，无须用户干涉。u s b 设备也不涉及i r q ( 中断 请求) 冲突等闯题，它单独使用自己的保留中断，不会与其他设备争用p c 机有限 的资源，为用户省去了硬件配置的烦恼。u s b 设备真正能做到“即插即用”。 2 ) 传输速率高： u s b 支持3 种信道速率：低速的1 5 m b s ，全速的1 2 m b s 以及高速的4 8 0 m b s 。 3 ) 星形总线拓扑结构： u s b 总线的物理连接是一种分层的菊花链式的星形总线结构，这可以防止在 u s b 系统中出现环形连接的情况，它能够支持多达1 2 7 个外设的同时连接，充分满 足了外设的需求。以u s bh u b 为“中转站”的模式。大大降低t u s b 主机的工作负 荷，同时为设备的工作提供更高的稳定性。 7 图i - 3u s b 总线的拓扑结构 f i g u r e l - 3u s bt o p o l o g y 3 了i 甜4 整个u s b 总线拓扑体系由三个要素组成：主机( h o s t ) 、集线器( h u b ) 和端 点( n o d e ) 。h u b 是每个星形结构的中心，用于连接设备和主机。在目前的p c 应用 中，p c 就是主机( h o s t ) 和根集线器( r o o th u b ) ，用户可以将外设或附加的h u b 与之相连，这些附加的h u b 可以连接其他的外设以及下层h u b 。 4 ) 独立供电： 普通使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统，而u s b 设备则不需要，这 是因为u s b 接口提供了内置电源。由于u s b 电源能向低压设备提供5 v 的电源，因此 新的设备就不需要专门的交流电源，从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。 5 ) 标准接口和外设： u s b 在诞生之初，便以尽可能方便用户使用为目的。因此，其接口的通用性必 然是其特点之一。同时，由于越来越多的用户对u s b 的认可，使得许多计算机设 备制造商都在其产品中加入了对i j s b 接口的支持。因此，在市场上可以方便地得 到有u s b 接口的键盘、鼠标、光驱、硬盘、摄像头等一系列的外围设备。同时， 这些外设都是非常标准的，从底层的物理和电气特性到上层的软件协议、数据通 讯都有明确的定义。因此，在计算机上可以方便地连入这些设备。正是由于不同 的外设可以使用同一个u s b 接口，使得操作系统不需为每种设备都配置不同的中 断和i 0 口，从而最大限度地节省了计算机系统资源；同时，也是由于上述特点， 用户不必再为不同硬件使用系统的中断和i o 口时产生的冲突而犯愁，也不必再 去手动地协调其分配了。 8 1 3 2u s b 2 0 标准的优势 u s b 2 0 于2 0 0 4 年4 月发表，它与u s b l 1 标准相比较的优势在于以下几个方 面： 从传输速度看：u s b 2 0 版本的接口的传输速度可以达到4 8 0 m b s ，u s b l 1 版 本的接口传输速度是1 2i i b s ，在连接容量较大的移动硬盘和播放电影、音乐等大 容量流媒体文件时只有u s b 2 0 接口才能保证画面流畅； 从输出电流看：u s b l 1 版本接口对外的输出电源的负载能力很低，其最大输 出电流只有2 5 0 毫安。这样就不可能带动移动硬盘这些需要大电流驱动的流媒体 设备，而u s b 2 0 协议其输出电流达到5 0 0 毫安以上，可以适合任何u s b 移动存储 设备，根本不需要外接直流电源； 从兼容性看：u s b i 1 版本的接口是已经过时的接口，2 0 0 3 年以前的电脑一般 采用1 i 版本，现在的电脑已经全部为u s b 2 0 版本，u s b l 1 的接口的驱动能力差。 基于上述比较，在本系统中选择了u s b 2 0 这种高速协议来实现m ，b 到u s b 的 转换。 1 4 机车模拟技术 机车车辆模拟技术分为3 种类型：计算机模拟、实物模拟与半实物、半虚拟 的混合模拟。 l 、实物模拟的对象是实物，它是一种物理方法。实物模拟的最大优点是直观、 形象。对于机车车辆模拟来说，由于采用实物，如轮轨关系这些难以描述的特征 可以直接用实物的真实模型来模拟，既避免了仿真计算中的模型误差，又提高了 模拟的精度。实物模拟是最有效的模拟方法，但实物模拟应遵循以下几点原则： i ) 行为相似。要求真实系统和模拟系统有相似的行为属性，其确定关系的定 律、定理应相似。 2 ) 几何相似。主要强调在几何形状上的比例关系，即所模拟系统和真实对象 之间除形状相同，各部件的比例关系应一致。 3 ) 物理相似。主要指模拟系统和真实对象之间的物理量的相似。 计算机数值模拟就是通过建立被模拟系统的数学模型，利用计算机进行数值 求解，计算出每一时刻模拟对象各部件的运行状态和综合性能。计算机模拟的最 大优点是可以脱离实物，对研究对象进行性能或运行状态的预分析，同时具有模 拟过程费用低，模拟工况或参数改变方便、灵活等优点，既环保又没有危险性， 所咀计算机模拟是现代科学研究中不可或缺的手段。 9 所谓混合模拟是一种半实物、半虚拟的模拟方法。在模拟系统中，一部分是 实物系统，另一部分则是用数学模型，组成一个完整系统。模拟时，借助于实物 试验和计算机实时仿真计算相结合的方法，模拟被试系统的运行状态。一般来说， 实物部分是需要研究的对象虚拟部分往往是用实物构建( 装置建设或经费) 困难， 而又可以用数学模型精确描述的部分。 纵观铁路机车车辆动态模拟技术的发展，围绕机车车辆动态性能的试验技术， 将朝小型化、仿真化的零部件试验台试验发展。 本系统采用l a b v i 阴作为上位机程序的开发平台，l 曲v i e l r 是美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 公司的产品，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析、 数据显示等领域。l a b v i e w 功能强大，灵活方便，广泛被工业界、学术界和研究实 验室所接受，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。 1 5 主要内容和研究目标 本课题主要围绕m 邗智能节点的设计展开研究，以c y p r e s s 公司出产的e z u s b f x 2 系列单片机c y 7 c 6 8 0 1 3 a 和a l t e r a 公司出产的f p g a 芯片e p 2 c s q 2 0 8 为例讲述了 m v b 与u s b 协议转换卡的设计原理及其软硬件设计和实现，以n i 公司的l a b v i e w 作为 开发平台设计实现了上位机模拟和监控系统。本文的主要内容包括以下几点： l 、本文首先在绪论中，就本系统在设计过程中所涉及到的一些关键技术进行 简要介绍，使读者能够更加深入地了解本系统的设计思路； 2 ，总体设计方案的介绍，包括器件的选型、主要芯片的特性以及上位机开发 平台l a b v i e w 的特点。 3 、1 6 f b u s b 协议转换卡的软硬件设计： 1 ) u s b 单片机c y 7 c 6 8 0 1 3 a 在从属f i f o 模式下固件程序的设计； 2 ) 基于f p g a 芯片e p 2 c s q 2 0 8 的软硬件设计，主要包括基于s o p c 技术在f p g a ( 大 规模可编程阵列) 上集成m v b 总线访问i p 核、u s b 接口模块和n i o si i 软核处理器， 各模块与a v a l o n 总线的接口设计，基于n i o si i 的m v bt ou s b 协议转换上层程序设 计。 4 、上位机模拟和监控系统的设计，包括上位机程序总体结构、u s b 通信模块 和节点功能模拟模块。 本系统的研究目标是作为一个m v b 智能节点与m v b 总线通信，上位机模拟和监 控系统既可以实时的监控m v b 总线上其它节点的信息，也可以通过参数的设定灵活 的模拟机车设备的信息并传送到m v b 总线上。 l o 2 1 总体设计方案 第二章系统总体设计方案 本节点在m v b 网络中的位置图如下： 图2 - 1 智能节点在m v b 网络中的位置 f i g u r e 2 - 1t h el o c a t i o no fi n t e l l i g e n tn o d e m v b 智能节点需要完成两方面的任务： 一是监控m 1 ，b 总线上各节点的信息；二是模拟机车设备信息并传到m v b 总线上。 这一切的前提条件就是上位机能够与m v b 总线准确无误的通信。 根据以上需求，将m v b 智能节点系统分为两大部分，总体框图如下图所示： m v b m v b u s b 协议转换卡 上位机模拟 广= 1 币百百 皇坚控系统 i i 殳发利喘叫 接口 兀h 0 s i e - u s 廿 - - - v 愦l | 1r 一二恒盐 - - - - - - - - j _ - - - - - - - 一 f p g au s b 控制器 p c 机 图2 2 系统总体框图 f i g u r e 2 - 2t h ed i a g r a mo fs y s t e m 1 、m v b u s b 协议转换卡： l l 主要包括一片f p g a 和一片u s b 控制器，f p g a 内的m v b 总线访问i p 核通过4 8 5 接口与m v b 总线相连，它的主要功能是将w v b 传过来的过程数据解码传给u s b 接 口模块和将o s b 接口模块传过来的数据编码传到m i r b 总线上；m v b 总线访问i p 核 与u s b 接口模块通过f p g a 内部的a v a l o n 总线相互通信；u s b 接口模块与u s b 控制 器的f i f o 相连并交换数据；u s b 控制器对数据进行编解码并与上位机进行通信。 f p g a 与u s b 单片机共同构成了一块m v b u s b 协议转换卡，它负责m v b 总线网 络与上位机模拟和监控系统的通信。 2 、上位机模拟和监控系统： 上位机通过u s b 接口与m v b u s b 协议转换卡相连，通过协议转换卡将上位机 中模拟机车设备的数据传到m v b 总线上，也通过协议转换卡接收来自m v b 总线上 各节点的信息。上位机模拟和监控系统主要完成模拟并取代机车设备和对m v 8 网 络上各节点的监控这两方面的功能。 2 2 器件选型 2 2 1u s b 控制芯片的选型 在进行u s b 功能设备的开发时，首要的任务就是定义其性能指标并选择一款 合适的u s b 接口芯片。如果选择得好，可以大大节省开发时间的费用。 几种u s b 控制器芯片的特性比较： 从芯片的构架来划分，市面上所有的u s b 控制器芯片可以分为不需要外接微处 理器的和需要外接微处理器的两类芯片。不需要外接微处理器的芯片又可以分为 u s b 接口专用芯片和嵌入通用微控制器内核的芯片。 u s b 接口专用芯片内部装有特定指令集的微控制器，如c y p r e s s 公司的u s b m 8 系列和e n c o r eu s b 系列芯片。它们所能实现的功能有限，但是因为具有专门为u s b 应用优化的指令集，所以实现u s b 通信非常方便。 内嵌通用微控制器的u s b 控制芯片，一般是在通用微控制器的基础上扩展u s b 功能，其优点是开发者熟悉这些通用微控制器的结构和指令集，相关资料丰富。 易于进行开发。如c y p r e s s 基于8 0 5 1 的e z u s b 系列，m i c r o c h i p 基于p i c 的1 6 c 7 x 5 ， m o t o r o l a 基于6 8 h c 0 8 系列的6 8 h c 0 8 j b 8 ，a t m e 基于a v r 的a t 7 6 c 7 1 1 等u s b 控制芯片。 需要外接微控制器的芯片，只处理与u s b 相关的通信工作，而且必须由外部微 控制器对其控制才能正常工作，这些芯片必须提供一个串行或并行的数据总线与 微控制器进行连接。此外，还需要一个中断引脚，当数据收到或发送完，这个中 断引脚会向微控制器发出中断请求信号。其优点是芯片价格便宜，而且便于用户 使用自己熟悉的微控制器进行开发。 由于本系统采用u s b 2 0 协议，而由c y p r e s s 半导体公司生产的e z - u s bf x 2 系列芯片就是专门为使用u s b 2 0 协议而设计的芯片，本系统最终采用c y p r e s s 基 于8 0 5 1 的e z u s bf x 2 系列的u s b 单片机c y 7 c 6 8 0 1 3 a 下面就e z - u s bf x 2 的一些特性进行介绍： c y p r e s s 半导体公司的e z - u s b 系列芯片以其良好的性能和独特的设计在u s b 接口开发领域中占有重要位置。e z - u s b 2 1 0 0 和e z - u s b f x 系列芯片是全面支持 u s b l 1 的全速系列芯片在此基础上，c y p r e s s 半导体公司又研制了e z - u s bf x 2 芯片。该芯片符合u s b 2 0 协议标准，同时兼容u s b l 1 全速工作方式，是对e z - u s b 系列产品的又一推动。 e z - u s bf x 2 内部结构框图如下： 2 4 m h z 晶体 图2 - 3e z - u s bf x 2 内部结构框图 f i g u r e 2 - 3t h e l a t e m a ls t r u c t u r eo fe z - u s b e z - u s bf x 2 系列单片机特性如下： u s b 2 0 收发器、s i e ( 串行接口引擎) 和增强性8 0 5 1 微处理器； 软件运行：8 0 5 1 程序从内部r a m 开始运行，可以借助下列几种方式进行 程序装载： 1 ) 通过u s b 下载； 2 ) 从e e p r o m 中装载； 3 ) 通过外部存储器设备( 仅限于1 2 8 管脚的封装) 。 8 位或1 6 位外部数据接口； 通用可编程接口( g p i f ) 作为一种微编码状态设备，可实现时序管理，使 得f x 2f i f o 达到无缝连接。可以同大多数8 位或者1 6 位并行接口进行直 接连接；具有可编程的波形描述符和配置寄存器；支持多个r e a d y 输入和 c o n t r o l 输出； 集成标准8 0 5 1 内核，且具有下列增强特性： 1 ) 可以达到4 8 m h z 时钟； 2 ) 每条指令只占四个时钟周期，工作在4 8 m h z 频率时为8 3 3 n ss 3 ) 两个u s a r t s ； 4 ) 三个定时计数器； 5 ) 扩展的中断系统； 6 ) 两个数据指针。 为缩短i s r ( i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e ，中断服务程序) 的等待时间， 采用u s b 矢量中断； 8 0 5 1 可工作在4 8 m l l z ，2 4 , 姗1 z 或1 2 硼z ； 4 个接口f i f o ，它们都可以用外部提供的时钟或者内部异步选通信号；端 点f i f 0 与接口f i f 0 两者相结合可实现缩短u s b 和外部逻辑电路数据传输 的时间；可以用1 6 位总线进行自动转换；可工作在主从模式；为a s i c 和d s p 提供方便的接口。 i 、串行接口引擎( s m ) ： 每一个u s b 设备都有串行接口引擎( s i n ) 。s i e 用于连接u s b 数据线( d + 和d ) 以及从u s b 设备发送和接收字节数据。一般的u s b 设备的s i e 的功能包 括对信息包p i d 进行译码，利用传输的c r c 位进行错误检测，并且传输下载数据 到u s b 设备。 e z - u s bf x 2 中设计的s i e 不但能完成上述功能，而且可以完全独立地完成设 备枚举任务。并将f x 2 作为一个u s b 设备进行连接，同时下载固件代码到其r a m 和对c p u 进行复位操作。这种增强的s i e 功能使得用e z - u s bf x 2 进行开发的用 户非常方便，缩短了开发的周期。 2 、端点缓冲区 u s b 协议定义了端点( e n d p o i o t ) 作为数据的接收器和发送器。由于u s b 是一 个串行总线，所以设备端点实际上是一个用u s b 数据字节不断取空和填满的f i f 0 。 主机通过发送4 位地址和1 个方向位来选择端点，因此u s b 最多可有3 2 个端点定义： i n 0 i n l 5 和o u t 0 o u t l 5 。下图为e z - u s b 数据传输原理图： 。 1 4 图2 - 4e z - u s bf ) 【2 数据传输原理 f i g u r e 2 - 4d a t at r a n s f e rp r i n c i p l ee z - u s bf x 2 从f x 2 的角度来看，端点就是一个充满了总线上接收或保持传输字节的缓冲 区。f x 2 从o u t 端点缓冲区读主机发出的数据，并且向i n 端点缓冲区写要传输给主 机的数据。f x 2 包含3 个6 4 字节端点