（电力系统及其自动化专业论文）高速试验列车控制网硬件环境的研究.pdf

a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h eh i g h s p e e dr a i l w a yd e v e l o p sr a p i d l yi n t h ew o r l da n dt h eh i g h s p e e dt r a i nw i l lc e r t a i n lyw i ni s o w np o s i t i o ni nc h i n ai nn e a rf u l u r e u n l i k et h eo r d i n a r y t r a i n s ，t h eh i g h s p e e dt r a i nn e e d sh i g h e rq u a l i t yi ni t s c o n t r o l ，d i a g n o s t i c ，c r e d i b i l i t y ，c e n s o ra n dm e a s u r e w i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ，t h eh i g h s p e e dt r a i nc a n m a k eu s eo f c o m p u t e r s t oa c h i e v et h e f u n c t i o n ，s u c ha s c o n t r o lo fr u n n i n g ，c o n t r o l0 fl o c o m o t iv ea n dv e h i c l e s ， m o n i t o r i n g0 fs t a t u s ，d i a g n o s i n go f f a u ll s ，s e r v i c eo f p a s s e n g e ri n f o r m a t i o n ，a n ds oo n t h ep r o j e c tm a i n l yd e a ls w i t ht h eh a r d w a r ee o n f i g u r a t i o no ft h e h i g h s p e e d t r i a l t r a i nn e t a st h em a i nc o n t r o lu n i t0 ft h eh i g h s p e e dt r i a lt r a i n n e t ，t h ec o m p u t e rp a r ta d o p t sp c 1 0 4b u sa sic ss y s t e mb u s p c , 1 0 4i sak i n do fe m b e d d e dp cb u s i ti st h em o d u l ed e v i c e h a v i n gt h ea d v a n t a g e s0 fs m a l1v o l u m e ，l o wp o w e r ，r e ll a b l e c o n n e c t i o n ，a n df l e x i b l ei n s t a l l a t i o n t h ee m b e d d e dm e t h o d o fp c 1 0 4m o d u l e si su s e di nt h ep r o j e c t t h e1 0 4l i n e so f p c 1 0 4a r ec h a n g e dt o6 4 1i n e s a st h e8 - h i tb u s i t i s c o m p l e t e l yc o m p a t i b l ew i t hi b mp c x tc o m p u t e ra n dc a na d j u s t o ni t so w n b e s i d e s ，a l1t h ec p um o d u l e so fp c 1 0 4h a v et h e s s d ( s o i i ds t a t ed i s k ) s o c k e t s ，s s i ) a 1 1 0 w st os o l i d i f ya 1 1 k i n d so ff il e s ，s a v i n gt h eh a r d w a r er o o m t hism a k e st h e s y s t e mm o r er e l i a b l e h o wt ob u i l ds s di sd e s c r i b e di nt h e t h e s j s t h e r ei st h ee l e m e n t a r yr e s e a r c ho ft h ef a c t o ro f d a t a a c q u i s i t i o ni nt h i ss t u d y t h ed m 5 4 0 6b o a r di nm c uc a f f i e s 北方空矩 掣u 掌鼬支第1 i 剪 a u tt h ed a t aa e q u is i t i o na n do u t p u t i ti su s e dt os i m u l a t e t h ef u n c t i o i l0 fv e h i c l eb u sd e v i c e s i nt h i sw a y i tise a s y t o a d j u s te v e r yp a r t sa n dc a l lh e l pt h em o r es t u d y i ti si n t r o d u c e dh o wt od i s d l a yt h ei n f o r m a t i o no fm c u i nt h ec h a u f f e u rr o o m t h es y s t e mt os u p p o r tt h ef i a t p a n e 【 i sa l s o c o n f i g u r e db yp c j i 0 4n o d u l e s t h ed a t aa r e t r a n s f e r r e d b y r s 一4 8 , 5s e r i e s c o n n e c t i o n ，a n dt h e y a r e d i s p l a y e di nt h ed o se n v i r o n m e nlb yc h i n e s ec h a r a c t e r s i n a d d i t i o n ，t h e r ei s p r e l i n i m a r y d i s c u s s i 0 1 1o fw f e l e s s c o n l n l u l lic a tio nb e t w e e nm c ta n dt h e1a n d k e y o r d ： p c t 0 4b u s ，m a i nc o n t r o lu n i t ( m c u ) ，s o l i ds t a t ed i s k ( s s d ) ，d a t aa c q u is i t i o n ，c o m m u n i c a t i o n 北方支锺大掣訇t 士学位论支第rw 第一章高速铁路的发展 在现代社会中，交通运输一直是衡量一个国家和地区发展水 平的标志。铁路从它一出现开始，就为世界经济的发展作出了巨 大贡献，直到现在，它仍然是些国家和地区的交通大动脉。然 而，近几十年来，随着世界各国联系的更加紧密和现代人生活节 奏的加快，人们对曾经是最快的交通工具火车，却越来越不 满意。导致这一问题的原因之一就是现在的火车速度太慢了。我 国幅员辽阔，作为交通运输大动脉的铁路，从东到西、从南到北 都要几天的时间，如果是货运，用的时间就更长了。这远远不能 满足现代社会人们快节奏的生活需要，f 是发展高速铁路就成为 满足人民生活的一种迫切要求。 其实，国外在很早以前就开始重视对于高速铁路的研究了。 早在1 9 6 0 年东京奥运会之前，日本就开通了新干线，它不仅为 圆满举行奥运会奠定了基础，为日本在国际上争得了荣誉，更为 日本的经济腾飞打下了坚实的基础。进入八十年代后，各国在高 速铁路上的竞争日益激烈，列车速度也越来越快，迭创记录。其 中以法国、德国和日本的发展最为引人注目，其高速试验列车的 速度都超过了每小时5 0 0 公里。近年来，高速铁路的发展已开始 走出试验阶段，进入到了实际应用阶段。这样，铁路运输快速的 优点又显现出来了，加上它一直所具有的经济、舒适、安全等优 点，相信在不久的将来，高速铁路将会给交通运输带来一场新的 革命。 我国在改革开放后，尤其重视对一些基础设施( 包括交通运 输) 的建设。长期以来，铁路运输一直是我国交通运输的主要方 式，但近几年，由于公路及航空运输的快速发展，铁路运输越来 越显示不出“铁老大”的应有作用，发展中国的高速铁路事业已 经迫在眉睫。今年十一，铁道部再次对四大干线进行提速，京沪、 京广、京哈、陇海四大干线的平均时速己达1 4 0 公里，最高时速 “：手r 通 掌掌m * 文第l 第一章离遗铁路的3 ，晨 可达1 6 0 公里；广深高速铁路也正式开通，引进的x 2 0 0 0 摆式列 车，时速已达2 0 0 公里，可谓高速列车了。但是，这辆列车并不 是我们自行设计研制的，为此。铁道部决定在下世纪开通我国真 正的高速列车。而本课题正是在这一背景下提出的，所研究的 3 0 0 k m h 高速试验列车就是为我国京沪高速铁路的开通服务的。 高速列车不同于普通列车。它在列车控制、检测、诊断、可 靠性等方面提出了更高的要求 1 。由于计算机技术的迅速发展， 使得高速列车可以借助于计算机来完成这一系列复杂的要求。高 速列车控制、检测和诊断系统，是以车载微机为主要技术手段， 对高速列车的运行控制、机车控制、车辆控制、状态监控、故障 诊断以及对旅客信息服务进行综合处理的大系统。该系统是确保 列车运行安全、舒适、节能的重要关键之一。国外高速铁路对这 一系统均投入了大量的人力、物力和财力进行开发，并已分别形 成各自的试验系统和原型系统。 车载微机的发展，大致可划分成以下三个阶段： ( 1 ) 初级阶段：以单一功能或单一设备的测控为目的的车 载微机； ( 2 ) 中级阶段：将一节车厢( 机车或车辆) 内的全部可编 程设备为对象( 例如一台机车中的全部的控制设备) 的车载微机 系统： ( 3 ) 高级阶段：集整列列车内部测控任务和信息处理任务 为一体的车载微机系统。 只有当车载微机发展到高级阶段，实行完善的高速列车控 制、诊断和检测系统才具备了坚实的技术基础。 从国外发达国家的情况来看，车载微机的发展水平目前已经 开始进入高级阶段，车载微机系统也已开始在高速列车上应用。 早在1 9 8 3 年西门子公司就推出了以1 6 位微处理器为中心的通用 型微机控制系统，并已正式用于机车试验：a b b 公司的m i c a s 系 统，明确提出了分级控制的思想：此外，还有德国k r a u s s m a f f e r 公司的k - m i c r o 系统以及由此发展起来的k d d i r e k t 微机控制 北者交趣太掌硕士掌位论文第2w a * - - j t -高追铁路鄯，摹最 系统等，都有广泛的应用 2 3 4 5 。 而我国由于对高速铁路的研究起步较晚，车载微机的发展大 致相当于剐剐进入中级阶段( 主要是对于新造机车的情况来说) ， 而且发展还很不平衡，例如在车辆方面的应用可能还处于初级阶 段。因此，发展我国自己的车载微机系统刻不容缓。即使某些设 备采用引进的方法解决，对它们的研究也是必不可少的，这对于 今后的消化、吸收、运用、维护以及国产化都有着非常重要的意 义。只有这样，才能从根本上解决我国铁路运输的困境，才能逐 步向国际规范靠拢，才能适应今后铁路迅速发展的新局面。 高速试验列车控制网是车载分布式系统，通过车厢总线把分 布在同一车厢( 动力车和拖车) 中的各计算机控制装置联网；通 过列车总线把分布在不同车厢中的主控单元( 节点) 联网，再通 过安装在动力车司机台上的显示屏，司机可以知道列车中主要设 备的运行状态。由此实现首尾两个动力车的重联控制和整个列车 的控制。在这个大系统中，本课题的主要任务是构成主控单元的 硬件环境，模拟各种底层信号，完成数据采集的功能，并实现数 据向司机室显示屏传送并且显示出来的功能。具体可分成以下三 个部分： ( 1 ) 主控单元的硬件构成 这一部分的主要工作是构成了一台车载微机。它在电气上部 分采用了p c f 0 4 总线标准，即i e e e p 9 6 6 1 标准。机械上满足 g b 3 0 4 7 4 - 8 6 高度进制为4 4 4 5 的插箱、插件的基本尺寸系列， 此外还考虑了i e c l 0 0 0 4 一x 的工业过程测量和控制装置的电磁 兼容性要求。 ( 2 ) 模拟数据采集的功能 在列车控制网中，数据采集的功能是由下层设备完成的，通 过车厢总线把它们采集来的各种信号送到本车厢的主控节点。而 主控节点本身实际上并不需要具备数据采集的功能。但由于条件 限制主控节点还不能够连成一个整个的网络，因此，用它来模 拟数据采集的功能，一方面可以模拟底层信号向上层的传输，另 北方空曩大掣硕士掌位论文，f3 霄 第一】t 离速镕路的j m 一方面可以模拟司机控制信号对下层的控制。 ( 3 ) 司机室中的显示 在司机室的显示屏背后，有一块p c 1 0 4 的核心( c p u ) 模块， 通过它与机车主控节点之间的通讯，可将主控节点中的各种信息 在显示屏中显示出来。考虑到距离和干扰因素，采用的是r s 一4 8 5 平衡差分方式。 第二章高速试验列车控制网的总体结构 本章系统地阐述了列车控制网络的总体结构，并分别给出厂 各级的控制任务和功能。 2 1 高速试验列车网的总体结构 高速试验列车控制、检测、诊断信息网，把安装在铁路车厢 上的各种可编程设备互连在一起，它由列车总线和车厢总线构 成，见图2 1 。 高速试验列车网支持遥控驾驶( 如牵引、制动、防滑、车厢 v e h i d eb u sd e v i c e s t r a i nb u s ： 列车总线 m c u ： 主控单元( 节点) v e h i c l eb u s 车厢总线 v e h ic l eb u sd e v i c e s ：车厢总线设备 图2 - 1高速试验列车网总体结构 倾斜等的遥控) 、旅客舒适( 如照明、车门控制、信息服务等) # 方r 通 掣唾掌位论支 第= ：t 高速试验，u 丰控* u 网的电体结构 以及维护工作( 如远程诊断等) 。 如前所述，高速试验列车刚由列车总线和车厢总线陶成。从 圈2 - 1 中可以看出，车厢总线将一节车厢内的各种设备连接起 来，而列车总线叉将一列车的各车厢总线连在一起，除此之外， 在车厢总线下边还可以肯第三级，由限制在一个车厢内或一个车 厢的一部分内的传感执行总线构成，这一级不受列车网络的限 制，可被认为是车厢总线_ ! 殳各的一部分，因此在图中没有体现出 来。 f 面就这两级总线分影讨论列车控制级和车厢控制级的托扑 结构和控市0 任务。 2 2 列车控制级 2 2 1 列车总线的拓扑结构 列车总线的拓扑结构见图2 - 2 。 m c u ：主控单无( 节点) 3 t p ：自动列车防护装置 o p d ：司机台 s f ：旅客信思系统凄门 图2 - 2列车总线拓扑结构 从图中可以看出，动力车的主控单元( 节点以及列车总线 北方女通 学掌m 镕文 第_ 二章高速试验，车控制月总体镕构 ( 双绞屏蔽线) 均采用双份冗余自动转换，而拖车中的主控单元 不考虑冗余 6 。下面分别说明图中各设备的功能以及它们之间 的接口信启、。 2 2 1 1 高速列车自动防护装置( a t p ) 高速列车自动防护装置( a r p ) 须根据信号允许速度和列车 实际运行速度采取相应对策，以确保高速列车的安全运行。a t p 系统还应及时将分相区预告信号通知列车主控单元，它们之间通 过串行通信来交换信息，具体交换的信息内容为： ( i ) 由a t p 送往主控单元的信息包括：目标速度、列车距 前方目标的距离、分相区预告信号、a t p 诊断信号、减速以及 级或二级常用制动命令。这些信息送到主控单元后，再由主控单 元进行处理送到相应设备。 ( 2 ) 由主控单元送往a t p 的信息有：接收应答信号、牵引， 制动信号、大闸级位信号、时间校正信号、电制动单元以及空气 制动单元的状态信息。 2 2 1 2 司机台( o p d ) 司机台是控制整个机车的操级台，它发出的各种命令都要送 往机车的主控单元，主控单元与司机台的接口为： ( 1 ) 1 1 0 v 控制命令的输入和输出：采用光电隔离和继电器 隔离。 ( 2 ) 司机给定：为1 5 v 的模拟信号，也可由车厢总线送来。 ( 3 ) 大闸级位：采用4 根l l o v 线编码。 2 2 1 3 旅客信息系统接口( s i i ) 为实现高速列车的旅客信息服务功能，在某一节拖车的主控 单元要设有与旅客信息系统的接口( 图2 2 中为拖车1 ) ，它们 之间传送的信息也是双向的。 从拖车主控单元发往s it 的信息有：列车速度、距前方目标 北者交遗大学j t - 掌诧定第7 * 第= 章】| r j 毫试女到车控_ 埘总俸镕 9 的距离以及时间校正信号：而s li 负责向m c u 报告旅客信息系统 设备和通信信道的状态参数及故障信息。 2 2 1 4 列牟控制级需要在列乍总线一f ：传输的命令和数据 从图2 2 中可以看出，无论是动力车还是拖车，它们的主控 单元之间要协调运馋，必须经由列_ 棼总线来交换各种信息。 动力车之间交换的信息有：li o v 的控制量、模拟量、以及 控制所需的状态信息和故障信息。 动力车与拖车之间交换的信息有： ( 1 ) 拖车从列车总线上接收的信息： 列车运行制动状态信息 列车制动级信号 列车紧急制动信号 列车的运行速度 列车的再生制动力 与a t p 相关的制动信号 开闭左侧门命令 开闭右侧门命令 开闭所有车门命令 空调装置工作状态命令 拖车控电状态命令 时间校正信息 ( 2 ) 拖车发送到动力车的信息： 车门状态信息 车门紧急开关动作信息 车厢制动系统工作状态信息 防滑控制器工作状态信息 空调系统工作状态信息 轴箱温度状态信息 车厢供电设备工作状态信息 北方女通 掌顽掌论二 _ = 章龠迪试验列车月总体镕构 拖车主控单元诊断信息 旅客信息系统状态参数及故障信息 以i 二是列车总线上各设备功能及其接口信息。此外，每个动 力车司机室中没有两块t f t 彩色液晶显示屏，其中一块刚于显示 动力车数据，另一块显示拖车数据。 2 2 2 列车控制级的任务 ( 1 ) 获取司机台( 包括牵引制动给定、大闸级位) 和高速 列车防护系统( a t p ) 对列车控制的要求。 ( 2 ) 由前导动力车实现对尾部动力车的重联控制。 ( 3 ) 实现自动的牵引电制动控制。 ( 4 ) 传送列车速度、动力车再生制动力大闸级位和a t p 要 求，以便动力车和拖车的制动控制单元对各种制动设备进行制动 力的分配。 ( 5 ) 在列车到站停车时，按列车运行方向和站台位置，对 拖车同一侧的车门进行开启和关闭。 ( 6 ) 收集动力车祁拖车中主要设备的诊断数据，采取相应 的故障对策，并在显示屏上显示。 ( 7 ) 主控单元根据大闸级位和a t p 的要求，对备用制动线 输出控制要求，以便在通信失败时，司机仍能对列车进行常用制 动和紧急制动的控制。 ( 8 ) 与旅客信息系统接口，提供基本的旅客信息服务。 以上是列车控制级的情况，而对于车厢控制级来说，动力车 和拖车的车厢总线在功能和拓扑结构上都有所不同，需分别进行 说明。 2 3 动力车车厢控制级 北方交迥太掣坷e 掌m 论文 第= 章离逮试验，q 牟担制目的总体l 言 暂 2 3 1 动力车车厢总线的拓扑结构 动力车的车厢总线结构如图2 - a 。 m c l ：主控单元( 节点) r a c k ：牵引电制动控制单元 a r c ：空调 d i s ：显示屏 b l ：c ：空气制动单元 p l c ：可编程逻辑控制单元 图2 - 3 动力车车厢总线拓扑结构 它采用冗余结构，有两个主控单元和两个牵引电制动控剐 单元。牵引电制动控制单元以功率因数接近于1 和恒定中间直 流电压为目的，对网侧变流器进行控制。逆变器采用直接力矩法 ( 或矢量法) 或转差法实现对三相异步牵引电动机的控制。 2 3 2 动力车车厢总线上传输的命令和数据 2 3 2 1 牵引电制动控制单元与主控单元之间交换的信息 由牵引电制动控制单元发给主控单元的信息有：模拟量、 故障信息以及控制所需的状态信息。 出主控单元送往牵引4 1 制动控制单元的信息有：司机给定、 分相区预告信号、a t p 的减速命令以及时间校正信号。 北方j j 遗大掣呵士r 掌位论冀 第_ = | i 龠追* n ，g 车m _ 晴总体镕自 2 3 2 2 气制动控制单元与主控单元之间交换的信息 气制动控制单元发给主控单元气制动控制的值、设备状态以 及通信故障信息。 主控单元送往气制动单元的信息包括： ( 1 ) 动力车速度 ( 2 ) 大闸级位 ( 3 ) 制动状态( 牵引7 制动、紧急，7 常用、保持) ( 4 ) 本车中间直流回路电流 ( 5 ) 时间校正信号 2 3 2 3 空调与主控单元之间交换的信息 由主控单元向空调发出时m 校正信息，而空调告诉_ e 控单元 空调是否故障、是否正在使用。 2 3 3 动力车车厢控制级的任务 ( 1 ) 两个牵引电制动控制单元须根据来自主控单元的指令 及列车实际速度计算目标控制值，分别对动力车两个转向架自动 进行牵引电制动和防空转滑行控制。 ( 2 ) 牵引电制动控制单元应对动力车的重要电参数进行监 测，采取必要的保护措施，避免事故的扩大。 ( 3 ) 牵引电制动控制单元应采取适当措施来防止过分相区 时的电流冲击。 ( 4 ) 制动控制单元应根据列车控制要求和动力车再生制动 力，对动力车上的空气制动设备分配制动力。 ( 5 ) 实现司机室空调控制。 ( 6 ) 通过列车总线传来的数据，判断牵引电制动的逻辑， 起到安全互锁的作用。 北方交通 掌司l 士掌位论文 $ ：| r 高速试女到车控制月总绪 2 4 拖车车厢控制级 2 4 1 拖车车瓶总线的拓扑结构 拖车车厢总线结构 如图2 - 4 。 通过与主控单元连 接的人机接口，能查知 本车中各计算机控制装 置的状态，主控单元与 本车中的各种计算机装 置既可通过车厢总线， 也可通过输入输出口 进行信息交换。 i 、门控制2 、审调 3 、防滑控制4 、制动控制 j 、轴温检测m c 叱主控单元( 箝点) m m i ：人机接口 图2 - 4 拖车车厢总线拓扑结构 2 4 2 拖车车厢总线上所需传送的数据 2 4 2 1 制动控制器和拖车主控单元之间交换的信息 ( 1 ) 由拖车主控单元发给制动控制器的信息： 列车运行制动状态信息 列车制动级信号 列车紧急制动信号 列车运行速度 列车再生制动力 与a t p 相关的制动信号 时间校正信息 ( 2 ) 由制动控制器发给拖车主控单元的信息： 制动控制器状态信息( 自校、正常运行、故障运行、 检修) 指示制动控制器的故障码 北方交通 掌硕掌位诡文 第= 章商追试齄，车控制月镕镕 目 2 4 2 2 防滑控制器和拖车主控单元之间交换的信息 拖车主控单元发给防滑控制器时间校正信息。 防滑控制器发给拖车主控单元它的故障信息。 2 4 2 3 车门控制器和拖车 控单元之间交换的信息 ( 1 ) 拖车主控单元发往车门控制器的信息： 速度信号 开、闭右侧门信号 开、闭左侧门信号 开、闭所有车门信号 车辆运行中停止使用车fj 指令 时间校正信息 ( 2 ) 车门控制器发往拖车主控单元的信息： 车门位置信息 紧急开关动作信号 车门故障诊断信息 2 4 2 4 空调控制器和拖车主控单元之间交换的信息 ( 1 ) 拖车主控单元发往空调控制器的信息： 空调装置工作状态命令 列车交会或进入隧道信息 时间校正信息 ( 2 ) 空调控制器发往拖车主控单元的信息 空调温度状态信息 空调装置故障诊断信息 2 4 2 i 轴温检测装置与拖车主控单元之间交换的信息 拖车主控单元发给轴温检测装置时间校正信息。 轴温检测装置发给拖车主控单元轴箱温度状态及轴温检测故 障渗断信息。 j e 方交通 掌m 士掌位 支第l ：l 页 第三章列车网中主控单元的硬件构成 本章主要讨论高速试验列车控制网中，主控单元( m c u ) 的 硬件构成，提出了采用嵌入式工控机p c 1 0 4 实现m c u 的方法。 3 1p c 1 0 4 总线及其优点 3 1 i 概述 在过去的十年中，p c 总线的广泛普及及其应用己超出最初 被期望的“个人”台式电脑应用领域。专用p c 系统及p c 的嵌入 式应用开始随处可见。将p c 当作控制器的应用包括在了各个行 业中。 为使其适用于嵌入式控制应用，p c 体系结构的硬件和软件 再标准化，使嵌入式系统的设计者能够大幅度地降低开发成本， 减少风险及缩短开发周期。并且，由于规模化生产的经济性，与 p c 兼容的软件、硬件、外没和开发工具都比其它体系结构的相 应部件便宜。 由于以上原因，那些在自产品中嵌入微机作为控制器的公司 一直希望将p c 嵌入到其产品中，从而获得采用p c 体系结构所带 来的益处。然而，标准p c 总线( 体系结构) 的产品体积庞大、 功耗高，对大多数嵌入式控制应用来说可靠性差，唯一实际的选 择是使用各种芯片设计的p c 机，将它直接嵌入到产品中，但这 却违背于现时发展趋势摆脱“一切从头做起”，即现代管理 鼓励尽可能专业化分工合作，以减少开发成本，缩短产品设计周 期。 因此，这就要求p c 总线的计算机的集成度更高，以满足嵌 入式应用对减小体积和降低功耗的要求。并且这些目标实现的同 时，必须保证与通用p c 总线标准在硬件和软件卜完全兼容，使 北方变通 牟掌位论文第1 4w 第= 章，9 车用中主4 元的硬件构成 得已有的与p c 机相关的硬件、软件、开发工具和系统设h 知识 仍可全部沿用。 p c 1 0 4 就满足了以上要求，它是超小型p c 微机所使用的总 线标准，这种超小型p c 微机由于体积小、结构紧凑( 9 0 x 9 6 m m ) ， 可被嵌入到对体积和功耗要求都很高的产品之中，因而常称为嵌 入式p c 机。这种p c 机有两个总线插头，其中p 1 有6 4 脚，p 2 有4 0 脚，共1 0 4 脚 7 ，这也是p c 1 0 4 名称的由来。总线及整 机除小型化的结构外，在硬件和软件上与p c 总线标准完全兼容， 使得已有的与p c 机相关的硬件、软件、开发工具和系统设计知 识仍可全都沿用。 3 i 2p c 1 0 4 的特点 如今复杂的有计算机嵌入的产品，其开发者们面临着些相 关而又矛盾的挑战： 使用最新i c 技术提高复杂性和集成度 使成本最低 使产品尽可能快地上市 为试图满足以上这些相关而又矛盾的要求，多数开发者努力 于尽可能多地使用现成的硬件和软件，在缩短开发周期和最新使 用技术的同时节省宝贵的内部开发资源。 然而，除了那些允许使用高成本和体积大的总线板卡，像 v m e 、m u l t i b u s 或s t d 的产品有嵌入式微机供选外，其它产品在 p c 1 0 4 模块出现之前没有现成的嵌入式微机选择，因此，带有 微机的产品开发通常要从芯片设计做起。 p c 1 0 4 嵌入式汁算机模块系列的推出为系统设计者们提供 了一种激动人心的选择：一套低成本、高可靠性，能迅速配置成 产品的集成化的结构化模块。此外，由于与通用的p c 和p c j a t 标准( i e e e p 9 9 6 ) 完全兼容，因此，可以很快地掌握其软、硬 件的使用，而且费用低、不存在风险。使用p c 1 0 4 模块，可以 北方交通太掌硕士掌m 论文第1 5 页 第= j t 列4 月中主控单元的硬* 自成 大大地缩短产品开发周期，降低开发成本，体现最新技术。 3 1 2 i 基于芯片漫计的代价 要精确地估算出基于芯片的产品开发周期和成本，必须考虑 以下几个可预见的因素： 系统定义所占时间 当设计一个以芯片为基础的系统时，要确定其体系结构定义 ( 这包括基本的硬件和软件技术规范) 。对于一个基f 芯片设计 的项目，这项工作会占去大量的前期时间并增加了技术风险。 开发资源的低效使用 由于实际上不存在嵌入式系统设计标准，硬件开发者除了要 开发与应用相关的接口及组件外，还必须设计c p u 体系结构。同 样地，软件人员除了开发应用所须的控制软件外，常常还必须开 发相当于一个小操作系统的系统软件，这又是一个费时而必须的 过程。 学习和开发工具成本 由于没有可寻的标准，开发：亡具包括编译器、操作系统 和调试工具随着项目的不同而变化。于是，每个项目都需要 大量的经费投资，并且增加了学习掌握的时间。 制造工艺和工具加工成本 最新的高集成度的微处理器和外围集成电路均采用细脚的表 面安装式封装，这种细脚表面安装工艺的制造支持需要大量的制 造工程费用和设备投资。 3 i 2 2p c 1 0 4 与芯片的权衡 p c 1 0 4 嵌入式p c 模块为构造嵌入式系统提供种类繁多的各 种构件。它的高集成性和可模块化的结构适用于多种应用：并且 它的与i b mp c 和p c a t ( i e e e p 9 9 6 ) 的兼容性能够大大地减少 对开发人员的培训和开发工具的投资。 与芯片化设计相比，使用p c 兼容的现成模块的主要益处在 m 方交通大掌掌论文第1 6 第三章，n - , t - - 网中主控单元的穹e 件十目成 于： 缩短和简化了开发周期： 使用研制好的现成模块，可以把项目的硬件开发简化为以f 几个部分：选择和配置现成模块、外设、接口和机械设计。这样， 就明显地减少了开发时间、费用及技术风险。 增强了功能和产品精致性： 由f 使用模块，可使其构成的产品比已经开发出来的其它种 产品具有更多的功能。并且，一旦省去“一切从头开始”，更多 的开发预算费用常常可以用于产品专用软件开发上。因此，可以 生产出具有更多功能、更具竞争性和更高利润的最终产品。 增加了产品的灵活性 在模块式系统体系结构中，通过不同的c p u 和i ，_ 0 模块的组 合，可以构成各种不同特性和功能的系统。例如，同一个基本的 产品设计可以由s u p e r x l i 或3 8 6 c p u 卡配置实现。类似地，在同 一地点安装的调制解调器模块或l a n 模块可使产品得到不同通讯 功能。 防止受组件陈旧之苦 p c 兼容技术发展极快，在模块化产品设计中，在功能上能 够实现用一块板替换另一块板，有效地防止了重复设计。这样， 基于模块的产品结构为防止部件陈旧提供了极可靠的保证。 可延长产品预计寿命 模块化产品在其使用期限内很容易升级，以保持它的竞争性 和合理的性能价格比。可能的升级包括：增强计算能力、增强或 改进i o 功能及其它系统资源、加强软件和降低成本。这样，模 块式产品就能持续其先进性，延长使用寿命。 3 1 2 3p c 1 0 4 总线的特点 由以上对比可见，p c 1 0 4 总线的特点取决于按其生产的 p c 1 0 4 模块的特点： ( 1 ) p c 1 0 4 模块使用超小型尺寸，包括c p u 模块在内，全 北方变遣大掌女掌位论文第1 7 第= 幸车月中主# 4 # 辛鲁_ 茸 部功能模块均按p c 1 0 4 标准设计，模块尺寸只有9 0 9 6 r a m ，而 一般的p c 系列微机总线模块尺寸要大得多。这使得它可以很方 便地被嵌入到各种设备中，使我们可以从模块级而不是：笛片级开 始设计产品。 ( 2 ) 为减小通常母板、背板、卡架等占用空间，p c 1 0 4 模 块采用了独特的“自栈式”总线连接器，多个模块可以直接栈接， 取消了底板和插座，组装更为紧凑和灵活。 ( 3 ) p c 1 _ 0 4 模块采用触点镀金的中心间距为0 1 英寸的针 座连接器，它比普通的6 2 点及3 6 点的金手指连接器的连接更 为可靠。 ( 4 ) p c j _ 0 4 模块总线驱动电流小( 6 m a ) ，功耗低( 典型为 l 2 w 模块) 。为适应小型化要求，各模块都采用v l s i 器件、门 阵列、a s i c ：落片，以及大容量固态盘( s o i d s t a t e d i s k ) 。 ( 5 ) 与i b mp cx t a t 软件、硬件完全兼容，因此资源丰富， 具有良好的开发环境，而不需要再配有专用开发设备。 3 1 3p c 1 0 4 模块的应用方式 p c 1 0 4 有各种扩展功能模块和核心模块( c p u 模块) ，将它 们采用栈接方式连接在一起，就可以构成各种功能的计算机。如 图3 - 1 为一个典型的p c 1 0 4 模块栈接图。 版本l ，8 位s t 版本2 ，1 6 位d s t 版本2 ，1 6 位d s t ( c p u 模块) 图3 - 1典型的p c 1 0 4 模块栈接图 北方寞迪犬掌硕女掌t 论文 第_ 三章列冉凋中主控单是的 件糟成 在新的c p u 模块的设计中，采用了p c 1 0 4 版本2 中的8 位 栈接( s t ) 或l 6 位双栈接( d s t ) 总线连接器，所有扩展模块都 有与p c 1 0 4 版本2 相配合的选择。 这种栈接式用法简单方便，拆装灵活，可选择各种扩展功能 模块构成自己的p c 系统，而且省去了自己制版的麻烦。采用这 种方法的缺点是，用它构成的p c 系统，由于受到已有功能模块 种类的限制，不能满足某些特定需要。因此，作为一种嵌入式p c 机，p c 1 0 4 最经常的应用方法是采用嵌入法。 本课题中所采用的就是p c 1 0 4 的嵌入式用法。将p c 1 0 4 的 c p u 模块嵌入到4 u 的插板上，构成m c u 的一个插件。图3 2 为 p c 1 0 4 的嵌入式用法示意图。 4 u 插板 图3 - 2p c 1 0 4 的嵌入式用法 3 2 固态盘( s s d ) 3 2 1 固态盘概述 器 在许多嵌入式应用系统中，相对于软盘和硬盘存储介质，人们 更喜欢使用可靠的电池后备式s r a m 、e p r o m 或f l a s he p r o m 来存 储软件和数据。这是因为，在环境恶劣的情况下，使用传统的旋 转式磁介质软、硬盘会使整个系统的可靠性大大降低。 p c 1 0 4 模块的一大优点就是能够插入固态盘。固态盘是一 种半导体存储器件( 如r a m 、r o m 、e p r o m 、e e p r o m 等) 组成的存 储系统，其数据组织和数据存取方法与磁盘机大致相同，可像存 j 方变通太掌硕士掌位论文 第= 幸，g 年月中主控元日忡构成 取磁盘数据那样存取固态盘的数据。 p c 1 0 4 模块生产厂家( 本课题采用的是盛博科技公司的产 品) 提供的固态盘支持软件，能够把以上存储器件代替通常使用 的磁盘驱动器，用于启动系统和运行应用软件。s s d 支持软件直 接把软件转换成固件( f if m w a r e ) ，无需专门的编程技术，也不 需修改操作系统和应用软件。 盛博生产的所有的p c t 0 4c p u 模块上都有可插入s s d 的插 座，c p u 模块或其扩展模块上的存储元件可以被几个一组地构成 独立的s s d 驱动器，其容量最大可达1 4 4 m 字节。固态盘可以与 软驱、硬盘共存于系统中，并可以从软盘、硬盘或固态盘上启动 系统。 要注意的是，不同的存储元件构成的s s d 在操作上有所不 同： e p r o m ：随机读取，写操作须在编程器上进行，须紫外线擦除。 f 1 a s he p r o m = 随机读取，写操作可通过s s d 实用程序在目 标系统上直接编程，整片电可擦除。 s r a ) , h 高速随机存取，操作同通常存取软驱操作，但断电后 数据不保存。 n o v r a m ：后备电池的s r a m 高速随机存取，且断电后可保 存数据。 最近又新出了一种电子盘d o c ( d i s k o n c h i p ) ，这是一种d i p 封装的芯片，像般的存储元件一样，但它的容量要大得多，读 写速度更快，电可擦除，而且掉电后数据不会丢失。这种d o c 电 子盘对冲击、震动、温湿度、电磁干扰、粉尘等具有优良的耐受 力，而且价格与同等容量的硬盘对等，不会增加系统的成本。d o g 元件也可以像其它存储元件一样插入到p c 1 0 4 的c p u 模块上， 作为固态盘，相应的软件也已问世。 3 2 2s s d 的安装方法 北方竞通太掌日i 掌位* 支 第2 0 而 第= 章，u 车月中i 控l 元的& 件# 成 s s i ) 的安装有两种方式： l 、b l o s 安装( b i o s i n s t a li e d ) 使用b i o s 安装s s d 时，应在s e t u p 中将s s d 的插座选择为 “允许”( e n a b l e d ) ，并将起始地址设置为d o o o h 。此时如果系 统中存在软驱、硬盘，在盘符分配时从a z 分另, jj t l f , , 序分配给s s d 、 软驱和硬盘 8 。如果在s e t u p 中将默认启动盘设为软驱，系统 将从s s d 启动。 2 、驱动器安装( d r i v e t i n s t a ll e d ) b i o s 安装时，最多可安装两个s s d 。如果要安装更多的s s d ， 则须使用驱动器安装的s s d 了。 方法是使用s s d 支持软件中的固态盘驱动程序s s d d r v r s y s ，即在c o n f i g s y s 中加入：d e v i c e = p a t h s s d d r v r s y s s o c k e t 。其中 p a t h 为s s d d r v r s y s 路径，s o c k e t 为所安装s s d 的起始插座。此时如果系统中存在软驱、硬盘，在盘符分配时从 a z 分别顺序分配给软驱、硬盘和s s d 。此时系统不能从s s d 引 导。 3 2 3 生成s s d 的方法 不同类型的存储元件，生成s s d 的方法略有不同。在本课题 中，每个m c u 都采用的是s u p e r x t 的c p u 模块，它带有两个s s d 插座，插入相应的存储元件后，就可以作为整个系统的“硬盘”， 将实现各种功能的可执行程序固化在这个“硬盘”中，就可以运 行了。下面以两个5 1 2 k 的e p r o m2 7 c 0 4 0 为例，说明如何生成并 运行s s d 。 首先要生成一个执行文件f i l e n a m e e x e ，运行它可实现系 统所要达到的各种功能。将该程序运行通过后，就可以固化到两 个e p r o m2 7 c 0 4 0 中了。具体步骤为： ( 1 ) 根据所选存储元件的类型和容量，正确设置c p u 模块 上有关s s d 的跳线。 北方竟逼大掣啊_ 生- 掌位诧馕 第= 幸，g 车网中主控单 的4 件构成 ( 2 ) 进入s e t u p 设置，选择两个s s d 插座s 0 和s l 的起始 地址以及它们所插元件的容量。 ( 3 ) 在任何一台p c 机或p c 1 0 4 自主开发构成的p c 机的软 驱中插入一张空白磁盘，然后用p c 1 0 4 的s s d 软件工具将它生 成一张主盘。即键入： f o r m a t a ：一 格式化这张软盘，注意不要使用s 、v 等参数，且软盘 的容量要大于所选e p r o m 的容量。 e p r o m f m t a ：s o ，s l = e p r o m 5 1 2j e p r o m 格式化，说明插座s o 、s 1 都是5 2l k 的容量。这样 处理后的软盘容量等于所选e p r o m 的容量。 c h k d s k a ：一 s y s a ：一 c o p y c o t 4 a n d c o a ：一 c o p y f i l e n a m e e x ea ：一 把将要放入s s d 中的文件( 包括系统软件和应用软件) 拷 贝到母盘上。 ( 4 ) 从这张软盘启动系统，进行操作，检查是否正确，不 正确要重新修改，然后重复上一步。 ( j ) 生成映射文件。即键入： e p r o m g e na ： 执行该命令后，将在主盘的默认路径下生成两个映射文件 o u t f i l e s o 和o u t f i l e s 1 ，这两个文件在默认情况下为二进制 格式。 ( 6 ) 在p r o m 编程器上，将这两个二进制文件o u t f i l e s o 和o u t f i l e s 1 分别写到两个2 7 c 0 4 0 的e p r o m 中。 ( 7 ) 将这两个e p r o m 插到c p u 模块对应的s s d 插座上，写 入o u t f i l e s o 的e p r o m 要插到s o 插座，写入o