（电力电子与电力传动专业论文）基于wince智能车载终端的研究与应用.pdf

北京交通大学硕上学位论文 abst rac t a b s t r a c t ： a b s t 队c t v e h i c l ed i s p l a yt e r m i n a li sa l li m p o r t a n td e v i c et od i s p l a ys t a t e so fl o c o m o t i v e i t p r o v i d e si n f o r m a t i o nt oe n s u r el o c o m o t i v eo p e r a t i o ns a f e a sa ni n f o r m a t i o nw i n d o w , i t r e a l i z e sc o n d i t i o nm o n i t o r i n go fv e h i c l ep a r t so rs u b s y s t e m s ，f a u l td i a g n o s i s ，a n d r e g u l a t i o no fc e n t r a l i z e dc o n t r o lf u n c t i o n sv i a t h ev e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e m i nr e c e n t y e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to f r a i l w a yi n f o r m a t i o np u tn e wd e m a n d so nd i s p l a yt e r m i n a l ：a r i c hg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，h i g h s p e e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ，r e a l t i m es t a t u so f l o c o m o t i v e sa n ds t o r a g ef u n c t i o nf o rf a u l tr e c o r d t h e r e f o r e , s t u d ya n dd e v e l o p m e n to n h i g h - p e r f o r m a n c et o w - p o w e rd i s p l a yt e r m i n a lh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e d u r i n gt h em a s t e r st h e s i s ，t h ea u t h o rs t u d i e do nt h ea r m 9 c o r es t r u c t u r e , r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，a n dd r i v e rd e v e l o p m e n t , a n dc o m p l e t e ds o f b , v a r ea n d h a r d w a r ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e l l i g e n tv e h i c l et e r m i n a l ( i v t ) b a s e do nw i n c e t h e d e s i g nu s e d $ 3 c 2 4 1 0a sp r o c e s sc e n t e ro f i v t , t a k i n gl c d ，b u t t o ni o ，e t h e m e t ，a n d u s bh o s t & s l a v ea sh a r d w a r ee x p a n s i o n t a k i n gw i n d o w sc ee m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e ma u ss o f t w a r ep l a t f o r m ，a n dc o m p l e t e dd e s i g nw o r ki n c l u d i n gb s pc h a n g e s ， k e r n e lc u t t i n g , d r i v e rd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g t ot e s tt h es y s t e m i v tw a se q u i p p e do ns s 3 bl o c o m o t i v e , a n dt h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h i sn e wd i s p l a yt e r m i n a lw a si n n o v a t i v ea n dp r a c t i c a l k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n t ；d i s p l a y ；w i n d o w sc e ；a r m ；e m b e d d e dv c + + ；d r i v e r c l a s s n o ：t p 3l6 7 ：u 2 6 0 3 9 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：杨宁 导师签名： 签字同期：w 7 年月争同签字日期：护尸年占月2 细 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 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 本论文的工作是在我的导师王立德教授的悉心指导下完成的，王立德教授严 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。在此衷心感谢两年多 来王立德老师对我的关心和指导。 王保华、施洪生老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在 此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王苏敬，丁国君，叶华等同学对我论文的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父母，姐姐，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 q k 。 引言 1 1 研究背景和意义 1 引言 我国铁路处于飞速发展的时期，机车车辆也在不停的更新换代，根据铁道部 最新数据，我国拥有机车1 7 3 1 1 台，其中内燃机车1 1 2 2 9 台，占机车拥有量的6 4 9 ； 电力机车拥有量5 9 9 3 台，占机车拥有量的3 4 6 ，且电力机车的数目在不断上升。 近年来我国引进了很多国外先进技术，包括大批动车组、大功率交流传动电力机 车和内燃机车。 在引进技术消化吸收的基础上，使我们有条件和能力对仍具有很高保有量的 既有机车进行技术改造和升级。我国目前正在向客货分离的目标迈进，从机车角 度讲，高速、重载对机车动力系统和控制系统有较高的要求，要求机车可靠性更 高，尤其我国目前有很大部分的普通客车和货车使用的是s s 3 ( 电力) ，d f 4 ( 内 燃) 等机车，机车生产年代早，采用模拟仪表，机车的监测和控制也没有采用网 络的方式，维修和检查主要凭的是司乘人员的经验，机车故障分析记录的不健全， 给司乘人员的驾驶和维修都带来了困难，在运输任务异常繁忙的今天，发生故障 后无法快速排除，将造成重大的经济损失，且责任落实也缺乏数据依据。针对这 些老式机车，需要走技术改造的路线，加强机车信息化和网络化，为机车安全快 速可靠运行护航。智能显示终端作为信息化改造的重要组成部分，它的性能直接 影响司乘人员对机车情况的掌握程度。 技术改造的主要目的是保证机车可靠运行，从两个方面考虑： 首先，是运行故障的报警。当有故障发生时，越早发现就越能减少损失。此 外由于轨道运输的特殊性，出现故障的机车如果尽早离开运行线路就可以避免对 后面运行列车的阻塞。 其次，要为定期检修提供尽量多的列车运行期间的数据。因为火车运行期间 各部件磨损严重，在现有的情况下必须定期检修更换才能提高机车运行的可靠性。 检修一般在机务段进行，机车处于静止状态，一些关键部件的检修只能依靠模拟 机车运行来判断，无法真正得到机车处于运行状态时的数据，这就给机车的检修 带来了不便，同时无法得到运行期间各部件损坏情况变化的趋势。 因此，技术改造后的机车实施监测与故障诊断系统应当具备以下功能： 司乘人员能够获取实时的机车各主要部件的工作状态。 车载设备能够对机车故障过程进行记录并保存。 显示终端能够提供丰富的操作界面和功能。 北京交通人学硕： ：学位论文 显示终端能够分析当前故障来源，给出相应的排除和调试方法。 为满足以上需求，吸取国内外经验，项目采用图1 1 所示网络构建机车实施监 测与故障诊断系统，并基于此系统研究开发智能车载终端： 网络总线 s 渺号采集设备 i 端显示屏 机车控制设备妙 i i 端显示屏 机车故障检测设备 图1 1 机车网络结构 f i g u r e l 1m o t o r e y e l en e t w o r ks t r u c t u r e 基于该网络结构，通过车载监控系统可以实现车辆部件或子系统的状态监测、 故障诊断、集中控制调节等功能。当设备出现故障时，通过车载监控系统能够准 确判断出故障的部位，并报告故障原因等有关信息。通过车载监控系统还可以随 时知道列车的运行状态，如当前速度、工况、网压及其他主要设备状态等等。 显示终端作为人机交互部分，为司乘人员服务，是整个监控系统的窗口，需 要完成网络数据分析，节点状态控制，机车状态刷新显示，故障分析与记录等等 功能，它的稳定性和性能是整个网络系统构建的关键。 在技术快速发展的今天，始终依靠国外技术引进会给我国机车信息系统自身 发展带来不利影响，课题在解决实际问题的同时，也在对新技术新结构进行创新 性探索，为机车网络信息设备的开发和生产拓宽思路。 1 2 国内外研究现状 早期机车由于电子设备较少，信息显示装置比较简单，在我国第一代内燃、 电力机车上采用仪表和信息指示灯设备等显示相关信息。随着机车电子柜等设备 的出现，传统的显示方式已不能满足机车信息显示的要求，车载信息数码显示器 应运而生，如，l k j 9 3 ( 用于列车超速防护) ，j k 2 h 监控器和s s 3 型电力机车 的故障显示屏等。数码显示装黄为乘务员提供了更多的实时信息，但信息内容仍 然有限，无法提供直观的文字和图形信息。随着机车控制技术的进一步发展，采 用数字控制和微机控制的机车控制系统在国内外已经得到广泛的应用，特别是微 机系统的应用为乘务员和检修人员获取更多的机车信息提供了条件。在国外采用 微机控制的机车上，大量采用了智能化的显示屏来补充和替代常规的仪表显示。 2 引言 智能化的信息显示屏已成为机车上不可缺少的一个重要组成部分。我国车载显示 屏的研制工作从9 0 年代初开始起步，首先在d f 6 和s s 4 等机车上陆续开始安装 了车载显示屏。随着车载显示屏技术的进一步完善，新造机车采用车载显示屏的 数量和显示内容都将不断增加。车载得结构可分为硬件和软件两部分。软件系统 由操作系统和基于操作系统的上层应用软件组成。操作系统在整个车载显示屏软 件中占有重要地位，它制约着应用软件的功能以及整个系统的性能。目前我国的 机车车载显示屏大多采用d o s 操作系统( s s 系列电力机车、d f 系列内燃机车等) ， 其应用软件的实时性较差，功能较少，特别是软件的扩展性非常弱，难以满足越 来越多的功能要求。d o s 操作系统有以下难以解决的问题： 实现网络接口困难，即使采用专用的软件包，网络实时性也难以达到要求， 如果自己开发，难度较大。 为了使用图形界面，必须自己从底层开始开发。调色板、直接写屏、鼠标 驱动和消息循环等都需要自己建立，难度和工作量很大。 系统升级困难，扩展性差，若增加功能，可能要对全部软件进行重新设计。 由于d o s 操作系统平台的根本限制，不能提供进程保护，完全依靠中断 进行处理，系统稳定性较差，难以满足多任务的要求。 国内有的车型采用了w i n d o w s3 1 操作系统( 如“奥星 、“天梭”、“中 华之星 【”等) 的车载显示屏。但随着新技术的不断出现，用户对车载显示屏的功 能提出了越来越高的要求，比如通用的高速数据转储接口( 例如u s b 、以太网接 口等) 、g p s 定位、与地面实时无线卫星数据通信，g p r s 通讯等、数据库以及更 为丰富友好的人机界面等。而d o s 和w i n d o w s3 1 操作系统在满足这些需求方面 已经显得无能为力1 2 j 。 硬件方面，在现有国产车型中，显示设备如今已基本升级到3 2 位处理器平台， 比如l k j 9 3 改进版l k j 2 0 0 0 3 1 ，采用了3 2 位微处理器m c 6 8 3 3 2 ，同时也有采用 p c i 0 4 或者d s p 作为显示终端处理核心的方案，在一定程度上都取得了成功，但 面对信息化需求，这几种方案也都各有其不足。p c i 0 4 为x 8 6 结构，继承了p c 机 的一些优点，可以搭建d o s 操作系统，设计方案灵活，开发较为容易，但x 8 6 结 构耗电量高，体积较大，在现场应用不断要求提升性能的情况下，p c i 0 4 系统散 热困难，长期运行于高温下，其寿命和安全性都存在问题。使用d s p 作为显示屏 核心一定程度上解决了性能需求，但因为自身资源的短缺，无法搭载操作系统， 因此每添加一项新的功能，都可能需要从头开始，其软件设计不具备继承性。且 d s p 本身不具备液晶屏驱动能力，需要外加c p l d 来控制液晶显示，可移植性较 差。因此，在技术和应用层面上，采用高性能低功耗a r m 9 处理器作为处理核心， 是一次全新的探索与尝试。 3 北京交通大学硕。t ：学位论文 国外的机车监测装置大多是由机车生产厂家研制开发的，并作为机车的组成 部件提供给用户使用，如日本的新干线、法国的t g v 、德国的i c e 等。德国i c e 高速列车自检系统，在列车运行过程中可以不断监测列车的运行状态及机车车辆、 电器和机械方面的故障。国外的机车监测系统已广泛采用分布式结构，并推出了 针对机车的m v b 、l o n w o r k s 等总线，但是这些产品价格普遍较高，不适合我国 的国情和电力机车技术改造的经济指标。再者由于机车的监测是与机车的机械、 电器结构密切相关的，所以开发机车监测系统不能照搬国外的方式，必须结合我 国机车特点并借鉴国外在系统结构、实现方式等方面的优点进行开发。 综上所述，智能车载显示终端作为列车信息系统的窗口，具有重要的地位， 在以往基础上进行新型显示终端的研究和开发，对加快我国列车信息系统的发展 和维护列车安全快速发展具有重大意义。 1 3 主要研究工作和创新点 1 3 1 主要研究工作 本课题所研制的智能车载终端( 1 l i n t e l l i g e i l tv e h i c l et e r m i n a l ) ，在具 备实验室上一代司机室显示屏功能的基础上，采用全新的嵌入式操作系统，添加 了故障记录和数据转储、更加良好的人机交互接口和g p s 等全新功能，并且使得 系统维护和升级变得简捷高效。着重解决原有系统中存在的系统体积过于庞大， 操作相对复杂，单线程执行，实时性及数据处理能力较低等方面的问题。力图在 性能和操作便捷性方面有所突破。 本系统的理论研究工作开始于2 0 0 7 年3 月，主要研究了设计要求，进行芯片 选型，开发板的选择和学习。于2 0 0 7 年1 0 月，开始根据现场应用需求，在硬件 方面研究设计p c b 电路板，并同时开展驱动编写和b s p 修改移植及主体应用程序 的编写工作。经历两个版本的修订，成品于2 0 0 8 年8 月完成。9 月即进入现场总 线联网调试阶段。在调试过程中对网络的通信质量有了具体的了解并根据其现场 工况对显示终端的实时性要求及本系统的通信协议做了进一步的修改，达到预期 效果。 本文的主要工作如下： l 、系统整体方案的设计和试验论证。 2 、系统的硬件选型及平台搭建。 3 、系统的操作系统平台搭建。 4 引言 4 、底层控制软件的编写、移植、驱动程序开发。 5 、显示主程序的设计及实现。 文章的内容安排如下： 第二章：介绍系统的总体设计目标，分析i v t 功能需求。 第三章：介绍系统的硬件平台设计方案。包括芯片简介，芯片外设接口电路， 扩展网络卡电路部分。 第四章：介绍系统的软件平台设计方案。包括操作系统的定制开发和板级支 持包( b s p ) 的修改设计，n b o o t 欢迎界面制作，给出修改的关键点。 第五章：详细介绍系统的设计难点部分s p i 驱动程序的开发，给出w i n c e 下驱动程序的主要设计思路及设计关键步骤和代码。 第六章：详细介绍系统主程序的开发。用e m b e d d e dv i s u a lc + + 开发主程序， 包括了系统的数据处理及人机界面( h m i ) 的设计。 第七章：总结与展望。 1 3 2 创新点 a r m 9 芯片及w i n d o w sc e 操作系统的应用，是新型智能车载显示终端的创新 设计元素，相比以往的显示屏，嵌入式操作系统具有多任务，多线程，高实时性 网络通信等系统级别的优势，并且在操作界面设计，外设扩展方面都有长足的进 步，不仅作为现场应用需求，同时在理论上验证了嵌入式操作系统作为显示系统 平台所带来的高效和便捷，也为今后高速列车的信息显示系统的开发和设计提供 理论实践依据并拓宽思路。 5 北京交通人学硕i ：学位论文 2i v t 设计目标 t 是机车上完成人机对话和机车信息显示的重要设备，为司乘人员的操作及 机车安全运行提供信息保证。其设计应当满足当代信息社会对列车的监控需求， 并符合相关产品标准。在以往显示终端基础上，i v t 应当具有如下新功能： 1 具备良好的人机交互界面，丰富的扩展接口 2 实时查询列车网络各节点状态 3 实时刷新显示列车状态信息( 包括多路模拟量和数字量) 4 列车故障时，进行判断分析，并给出排除故障的操作提示 5 对行车故障进行记录，方便本地及上位机软件察看。 以上功能即为m 所应实现的设计目标，本章详细分析了机车监测系统结构， 明确t 在系统中的功能地位和现场应用需求，为全新的嵌入式平台的设计建立 标准。 2 1 机车实时监测系统结构 机车的实时检测和故障诊断是一项复杂的工程，除了用于分析显示结果的n 丌 之外，还有很多数据采集及诊断设备，因此，i v t 的系统设计需要考虑到监测系统 的结构。 2 1 1 系统网络组成 如图2 1 ，车载监控系统包括四类设备，数据采集设备c o l ，逻辑控制设备 l c m ，瞬间故障检测记录设备j c y ，显示屏设备d i s 。四类设备采用车载网络连 接。各节点名称功能如下： j c y ：瞬间故障检测记录仪，采集电子柜数据 d i s l 、d i s 2 ：司机室车载显示终端，两个屏同级，程序相同 l c m l 、l c m 2 ：逻辑控制模块，代替低压柜小型继电器，反馈继电器状态 c o l m 、c o l s ：数据采集模块，采集机车l1 0 v 、1 5 v 数字量 6 i 、陌设计目标 l c m 2 c o l s ； l 、 m v b 同络： ：b 、，少 i q 。，r 、 ， 卜毯燃戮鬟荔黧缀戮缎翟嚣麓黢i 焉鬟篓嚣戮篡黧鬻霪鬟：2 黝卜1 c o l m ：l c n i：j c v i 麓赌子捧ii 靖低压柜 电子柜ii l 端低压柜li i 蠕端予捧 ! 图2 1 实时监测和故障诊断系统网络组成 f i g u r e 2 1n e t w o r ks t r u c t u r eo f r e a l - t i m em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e m 网络拓扑：网络设计使用t c n 网络协议，m v b 车辆总线，源端口和宿端口 的分配依据节点功能，提高网络通信效率。 节点数据：为了减小网络带宽的浪费，各个模块的状态采用事件触发传输结 合周期轮询的方式更新。即各个模块只有在状态发生改变时，才主动向网络发送 数据。同时，为了防止模块掉线等情况，由j c y 以较慢的速率轮询各个端口另 外，为了满足各个模块可以独立的运行的原则，各个模块在较长时间未被轮询时 隔一定时间主动发送端口数据。j c y 主要进行机车模拟量的采集，包括机车运行 速度，牵引电机电流，电机电压，网压等，c o l 进行数字量采集，l c m 判断当前 继电器逻辑状态，并且这三类节点最终将数据传输到显示终端。 故障处理：诊断系统中，j c y ，c o l ，d i s 都可以判断故障，并由d i s 综合后 显示并记录，故障包括了机车当前故障和历史故障，对于当前故障，d i s 给出分析 结果和操作建议指导司机排除故障，继续行车。对于历史故障，d i s 进行记录并保 存到永久存储介质中，以备司机及地面人员行车查看，为检修机车及责任确定提 供可靠的数据依据。 2 1 2i v t 结构 i v t 在监测系统中作为信息显示终端，其结构设计的优劣极为重要。常见机车 网络主要有t c n ，a r c n e t ，c a n ，r 4 8 5 等等，为了使i v t 能够顺利应用在不 同网络环境下，设计做了精心考虑。 7 北京交通人学硕1 j 学位论文 其它网络节点其它网络节点其它网络节点 j k 令十 1 rk 、 j 网络总线 r i v t 网燕f 算。攀 l c d ； 转 图2 2m 网络扩展 f i g u r e 2 2i v tn e t w o r ke x p a n s i o n 如图2 2 所示，t 使用了s p i 和网络转换卡相接合的方式进行网络扩展。s p i ( 串行外围设备接口) 是一种高速的，全双工，同步传输的通信总线，在芯片的 管脚上只占用四根线，在为p c b 的布局上节省空间的同时，具有较高的传输速率， 正是出于这种简单易用的特性，越来越多单片机芯片集成了s p i 协议，这就使得 i v t 的网络扩展尤其方便。t 可以利用s p i 和内置网卡构成的网络接口，通过 c a n ，m v b 等网络总线与车载网络进行数据交换，实现相应功能。 2 2i v t 功能需求分析 2 2 1 硬件设计需求分析 t 硬件设计遵循三大原则：降低功耗，安全可靠，经济高效。设计包括了核 心处理器选择，外围设备设计，p c b 电路板绘制，接v i 设计等等，在设计之前， 需要针对应用场合进行硬件需求分析。 ( 1 ) 硬件性能要求 a 、环境条件要求：鉴于车载显示屏运行环境的特殊性，必须满足铁道机车 车辆电子装置【3 】( t b t3 0 2 1 2 0 0 1 ) 要求，保证在下列条件下正常工作： 1 海拔高度不超过2 5 0 0 米。 2 环境温度：机车内部空气温度为2 5 到4 5 。c ，但是，直接临近电子元 件处的空气温度可在2 5 到7 0 c 之间变化。显示屏应在o 到5 5 范 围启动工作，允许在不低于4 0 c 环境温度下存放。 3 相对湿度：最湿月的月平均最大相对湿度不大于9 0 ( 该月月平均最 低温度为2 5 ) 。 8 t 设计目标 b 、车载显示屏机械尺寸： 1 箱体：2 2 0 r a m ( 宽) x1 6 5 m m ( 高) x1 0 5 m m ( 深) ； 2 前面板：3 0 8 m m ( 宽) x2 8 0 m m ( 高) ； c 、电气参数： 1 输入电压：7 5 v 1 3 5 v ；功耗：冬1 5 w ： 2 对内部供电：+ 5 v ( 1 士2 )3 a ；+ 1 2 v ( 1 士3 )1 a ； ( 2 ) 硬件功能要求 1 c p u - c p u 性能必须能够满足车载显示屏软件对资源的需求，且其功耗应 当控制较低适应在高温环境下的连续工作。 2 存储器：鉴于车载显示屏的运行环境，存储器必须抗震动、不易损坏，适 合嵌入式应用； 3 显示屏：符合工业应用标准，色深，亮度和可视范围均达到现场应用标准 4 硬件接口：列车网络通信接口、串行通信接口、以及u s b 主等常规计算 机接口。 2 2 2 软件设计需求分析 ( 1 ) 图形用户界面需求 作为人机交互的终端，图形界面必不可少，它不仅直接影响司乘人员察看机 车信息的效率，也是显示终端优劣的重要标准。相较以往显示屏的单色且简单图 形显示，i 应当具备以下图形界面功能： 绘图：丰富的图形接口函数，可以直接进行点、线描绘，并能够画矩形、 圆形等常规图形 语言：国际化语言支持，中英文字符显示，字体可调 色彩：支持黑白和8 位、1 6 位、2 4 位彩色显示 多媒体特性：支持位图、图标的直接加载，美化图形界面，支持音频、视 频数据的解码 界面：支持多页面方式的界面显示，能够通过按键等进行子界面的切换， 充分利用有限空间显示更多的信息，满足列车信息量大的特点 设计元素：支持常见窗口控件的使用，使软件设计多元化，更新及使用方 便，提高i 、呵软件开发效率和运行效果 体化：应用程序和操作系统形成整体，能够在启动时显示欢迎界面，并 且自动加载应用程序 ( 2 ) 实时性需求： 9 北京交通人学硕l ：学位论文 多任务作业能力：t 在进行网络通信，数据分析的同时，需要进行显示内容 的更新替换，为了保证实时性，软件设计当具备多任务执行能力。 高速网络通信：t 需要和其他车载设备交换数据，为保证数据的实时性，通 信速率选择l o o k b s 以上，并且其他扩展接1 3 ( u s b ，串口等) 均应采用标准传输 方式。 高速外设响应：t 通过按键进行界面切换，故障信息查询等等操作，对按键 的响应当保证实时性，响应间隔设计应小于l o m s 。 ( 3 ) 可移植性需求 嵌入式系统硬件技术发展非常迅猛，所设计的车载显示屏软件平台应该具有 对多硬件平台支持的特性，可方便以后将其移植到其他硬件平台。同时为了适应 车载显示屏的可移植性，必须将显示屏软件平台设计为可裁剪、可伸缩的体系结 构。系统具有高度的可裁剪性，各个基本模块之间独立，如文件系统、多任务窗 口系统等可以根据实际应用进行完全的删减和替换。 l o n 丌系统设计方案 3 1i v t 硬件系统设计 3i v t 系统设计方案 根据2 1 1 节所叙述的硬件设计需求，t 硬件核心力求高性能，低功耗，并 能够满足构建嵌入式操作系统的所需的性能。随着科技发展，a r m 9 核心芯片从 高端市场进入工业领域，成本进一步降低，作为i v t 处理核心非常合适。在比较 成本和功能需求各方面后，笔者选择了基于a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 作为i v t 处理器。 3 1 1 $ 3 c 2 4 1 0 简介 $ 3 c 2 4 1o 【4 】是三星公司的3 2 位r i s c 嵌入式处理器。它专为手持设备和一般应 用而设计，能满足嵌入式系统中的低成本低功耗高性能小体积的要求。$ 3 c 2 4 1 0 是利用a r m 9 2 0 t 内核，采用0 1 8 微米标准c m o s 技术制造的。它的小巧低功耗 全静态设计特别适合于价格和功耗敏感的系统设计。它采用了一种全新的总线设 计，即a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 。a r m 9 2 0 t 内核实现了 m m u a m b a 总线和分离的指令和数据c a c h e 哈佛结构。芯片之所以提供了完整 的系统外围是为了使得$ 3 c 2 4 1 0 能够尽可能的减少系统的整体成本和减少另外的 设备组件。如图3 1 给出了$ 3 c 2 4 1 0 内部结构。集成在片上的功能包括： 指令c a c h e 和数据c a c h e 、m m u 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) l c d 控制器，提供1 通道l c d 专用d m a 4 通道d m a ，并有外部请求管脚 3 通道u a r t ( i r d a l o ，t x 和r x 各有f i f o ) 2 通道s p i 1 通道多主c 删1 通道i i s - b u s 控制器 兼容s d 主接口协议1 0 版和m u l t i - m e d i a c a r d 协议2 1 1 版 2 端口的u s b 主机和l 端1 2 的u s b 设备( 版本1 1 ) 4 通道p w m 定时器和l 通道内部定时器( t i m e r ) 看门狗定时器( w a t c h d o g ) l17 个通用i o 和2 4 通道外部中断源( i n t e r r u p t ) 北京交通人学硕 ：学位论文 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接d ( t s p ) 具有日历功能的r t c s 3 c 2 4 1 0 平台资源丰富，扩展方便，作为嵌入式系统平台用于多种领域，技 术相对成熟，是开发车载智能终端的理想选择。 3 1 2 外围设备p c b 设计 为保证系统稳定性，设计采用了$ 3 c 2 4 1 0 核心板( 6 层) + 外围设备( 4 层p c b 板) 的方案。核心板上配备6 4 m b 的n a n d f l a s h 存储器和6 4 m b 的s d r a m ，构成 了核心处理模块。笔者按照i 的软硬件设计需求，以模块化方式添加外围电路： 1 2 v 、5 v 、3 3 v 电源模块 1 0 4 英寸1 6 位色深的t f r 彩色l c d ( 夏普l q l 0 4 v 1 d g 5 9 ) c s 8 9 0 0 以太网控制器 i t s 音频控制器 u s b 主从接口 2 个串行通信接口电路 9 键式操作按键 机车网络通信接口( 采用d b 9 标准接口) 如图3 1 所示，各模块均与$ 3 c 2 4 1 0 相连接以实现其功能： 显示界面 操作界面 网络通信 图3 1 t 硬什组成方框图 f i g u r e 3 1h a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo fs y s t e m 考虑到i v t 工作电磁环境较为恶劣，电力机车有许多高电压，大电流的电力 设备，同时i v t 本身的复杂性也要求对i v t 的p c b 电路板设计时考虑其电磁兼容 n 呵系统设计方案 特性。基于模块化的设计思想，采用4 层p c b 板结构，电源和地与信号线分离， 并且区分了模拟信号地和数字信号地，使得i v t 的电磁兼容特性和安全性能都达 到应用需求。限于篇幅限制，仅对部分电路设计进行介绍： l 、j t a g 接口 $ 3 c 2 4 1 0 采用j t a g 2 m p i n 标准接口：如下图 v n n1 1 v 图3 2j t a g 接口原理图 f i g u r e 3 2c i r c u i to fj t a gi n t e r f a c e 注意t d i 、t m s 、t c k 和t d o 等引脚需要加上拉电阻。 2 、以太网口实现 以太网接口模块是以低1 6 位数据总线扩展的c s 8 9 0 0 芯片而实现的，具体如 下图： 1 3 北京交通人学硕：j ：学位论文 图3 3c s 8 9 0 0 以太网原理图 f i g u r e 3 3c i r c u i to fe t h e m e ti n t e r f a c e 需要注意的是根据c s 8 9 0 0 a 手册1 5 】，当c s 8 9 0 0 0 使用+ 5 v 电源时，其变压器 设计参数如下图： 图3 4 网络变压器应用 f i g u r e 3 4a p p l i c a t i o no f n e t w o r kt r a n s f o r m e r 1 4 t 系统设计方案 而$ 3 c 2 4 1 0 所用电压为+ 3 3 v ，因此，需要对网络变压器的参数进行重新选 择，将t x d + 和t x d 一之间的6 8 p f 电容替换为5 6 0 p f ，网络变压器发送端变比应选 择l ：2 5 ，保证以太网接口的正常工作。 3 、按键接口： 现场应用环境要求i v t 的操作方式可靠安全，因此设计时放弃使用触摸屏， 使用9 键式的按键对i 进行控制实现界面切换，故障察看，存储等等功能。 九个按键使用以下管脚： g p f og p f lg p f 2g p f 3g p f 5 g p f 6g p g 3g p g 5 g p g l1 对应按键名称( 见附录a 实物图) 为： u pd o w nabcdee s co k p c b 设计原理图如下： v d d3 3 vv d d3 3 vv d d3 3 vv d d3 3 vv d d3 3 v d g n d v d d3 3 v d g n d i x ；n d d g n d i ) 1 3 n d j pk e y 1 2 9 - 1 0 j pk e y 图3 5 按键接i ：1 原理图 f i g u r e 3 5s c h e m a t i co f b u t t o ni n t e r f a c e 按键所接i o 默认状态是3 3 v 高电平，当某个按键被按下时，对地短接，i o 将变为低电平，判断当前哪些i o 是低电平即可知晓当前被按下的键。 4 、电源模块： 1 5 北京交通人学硕j ? 学位论文 机车设备电源一般采用d c li o v ，和蓄电池电压标准统一。而i v t 需要使用 1 2 v ，5 v ，3 3 v 三个电源等级，因此需要进行电平转换。 首先通过开关电源模块将li o v 转为1 2 v 和5 v ，5 v 到3 3 v 的转换通过芯片 l l l 7 完成：如下图所示： ：o ， i 一一，u 呈：一一 黼n d n i o u t 二一 l p e g l 11 7 - 3 一r 一 = c p 5 一、1 0 u 6 l 3 2 m 6 l o v = c p 7 o 1 u f o 1 u f d g n d 图3 65 v 转3 3 v 原理图 f i g u r e 3 6s c h e m a t i co fv o l t a g ec o n v e r s i o nf r o m5 vt o3 3 v 5 、接口电路设计 设备接口设计的好坏直接影响现场应用，笔者对i 的接口设计做了精心考 虑。根据应用需要，t 引出7 个端口，分别是以太网、u s b 主、u s b 从、串口、 电源接口，以及2 个用于车载网络的d b 9 接口( 1 公1 母) 。功能和接口特性如 表3 1 所示 表3 1 t 硬件外围接口 t a b l e3 1h a r d w a r ei n t e r f a c eo fi v t 接口功能封装样式 以太网i n t e r n e t 连接直立r j 4 5 u s b 主( 前面板) 移动磁盘前面板接口 u s b 主( 后面版)鼠标，键盘 镜像下载 双排直立 u s b 从 a c ti v e s y n c 同步 串口 调试信息输出，外设扩展直立d b 9 接口 车载网络接口t c n 及c a n 网络使用直立d b 9 接口 1 l o v 电源接口接车载蓄电池3 针航空插头 实物图见附件。 1 6 t 系统设计方案 3 2i v t 软件系统设计 a r m 硬件平台的高性能使得t 可以搭载操作系统，这样不仅提高开发效率， 尤其在图形界面上具有较大优势，并且其可移植性也为今后的升级、扩展和维护 提供了足够的空间。而操作系统的选型需要依据t 的软件设计需求进行。 现在主流的操作系统有l i n u x ，v x w o r k s 、w i n d o w sc e 等等。v x w o r k s 专用 性强，价格较为昂贵。l i n u x 具有低成本特点，但其图形界面开发难度较高，主要 适用于不需要图形界面的开发项目，如网关，路由等设备。由2 2 2 节所述的软件 需求可知，t 需要一个多任务，高实时，图形界面开发方便的操作系统。微软公 司的w i n c e 嵌入式操作系统具备了丰富的图形界面开发工具，继承了桌面 w i n d o w $ 很多优良特性，在移动电话、手持设备方面具有很多成功应用，因此， 笔者选用w i n c e 作为i 软件开发平台。 3 2 1w i n c e 概述 w i n d o w se m b e d d e d 产品家族是美国微软公司设计的主要用于建立支持具有 丰富应用程序和服务的3 2 位嵌入式系统，从而针对广泛的用户需求提供灵活解决 方案。 i n t e r n e t 霭： 第三方应用程序 用户界面 ；户端服务 阿i 矗d 石谳泣圈 ( 国际化) l 一用程序_ 一_ j 应用和服务 c o r e d l li 磅剑 匾亘 二亘口 降叫回 厂一一 驱动程序 | 酝。：? 2 z r 。+ ”。一 堡堡垩竺星l 图3 7w i n d o w sc e 操作系统模型 f i g u r e 3 7m o d e lo fw i n d o w sc e 咖t i o ns y s t e m 1 7 北京交通人学硕一l ：学位论文 如图3 7 所示，w i n c e 操作系统分为4 层结构，分别是硬件层，o e m 层，操 作系统层，应用程序层。 w i n d o w sc e 的不同层的功能作用如下： 硬件层：操作系统的硬件基础，w i n c e 操作系统支持多种c p u 架构； o e m 层：是逻辑上位于硬件和w i n d o w sc e 操作系统之间的一层硬件相关 的代码，对具体的硬件进行抽象，抽象出统一接口； 操作系统层：承接应用程序和硬件，实现硬件资源管理调度和文件系统管 理： 应用程序层：基于操作系统实现所需要的功能。 由其结构可知，w i n d o w sc e 的应用不仅设计到软件，也设计到底层硬件的管 理，是一项较为复杂的工程，需要对其开发流程及相应工具进行学习和研究。 3 2 2w i n c e 开发工具及流程 i 鼍b 撇s pl i 装；w 图3 8w i n c e 操作系统开发流程图 f i g u r e 3 8w i n c eo p e r a t i n gs y s t e md e v e l o p m e n tp r o c e s s 如图3 8 ，w i n c e 操作系统设计步骤如下： 1 8 i v t 系统设计方案 1 安装b s p 2 修改b s p 与期望的硬件配置相适应 3 基于b s p 建立平台 4 定制平台 5 编译生成镜像文件 6 下载镜像到目标板 7 运行调试 8 导出s d k w i n d o w sc e 的定制与应用程序开发主要依赖以下由微软提供的开发工具： l 、p l a t f o r mb u i l d e r 4 2 5 0 6 0 p l a t f o r mb u i l d e r 是用于定制w i n d o w sc e 平台的集成开发环境( i d e ) 。提供 所有与w i n d o w sc e 平台设计、创建、编译、测试和调试相关的开发工具。且该 集成开发环境提供统一的与平台和项目相关的工作空间。 p l a t f o r mb u i l d e r 具备以下功能： 平台向导帮助你创建一个新的平台 b s p 向导帮助你创建新的板级支持包( b s p ) 目录( c a t a l o g ) _ 显示用户定制的平台o s 属性列表 依赖性自动监测( a u t o m a t e dd e p e n d e n c yc h e c k i n g ) n - i 确保与平台相关的 所有属性都会被包含在o s 镜像中 导出向导可以导出目录中的属性给其它p b 使用者 基本配置( b a s ec o n f i g u r a t i o n s ) 是创建用户特定定制o s 的起点 w i n d o w sc e 测试套件( t e s tk i t ) 提供了整套驱动测试工具 内核调试器可以调试定制的o s 镜像，同时提供给用户镜像运行状况的信 息 应用调试器可以调试在特定o s 上运行的应用程序 远程工具可以调试基于w i n d o w sc e 的目标机上运行任务，并获取信息 模拟器通过模拟硬件可以加快和简化开发过程，使用户可以在宿主机上完 成平台和应用程序的初步开发 s d k 导出向导可以为用户导出一个特定的软件支持包( s o f t w a r e d e v e l o p m e n tk i t s