（电工理论与新技术专业论文）mvb四类设备控制器研究.pdf

大连理工大学硬学位论文 r e s e a r c ho nc l a s s4n 嗍d e v i c ec o n t r o l l e r a b s t r a c t a u t o m a t i cc o u p l i n go f r a i l w a yv e h i c l e sh a se x i s t e ds i n c et h em e c h a n i c a lj e n n yc o u p l e r a tt h e t u r no ft h e19 t hc e n t u r y ，n l er a i l w a yi n d u s t r y sn e x tc h a l l e n g ei sa u t o m a t i cc o u p l i n go ft h e v e 鞋e l e se l e c t r o n i ce q u i p m e n t st h r o u g had a t ab u s 磁sr e q u i r e saw o r l d w i d es t a n d a r d i z a t i o n o f o n b o a r dd a t ac o m m u n i c 撕o n n et c n w g s a d o p t 。da st h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di e c 一6 1 3 7 5 i n1 9 9 9 1 + 日l e 掰e er a i lt r a n s i tv e h i c l ei n t e r f a c es t a n d a r d sc o m m i t t e ew o r k i n gg r o u pl c o n t r i b u t e dt ot h i sw o r ki nt h el a t ep h a s ea n da d o p t e dt c na s 砸e es t d 1 4 7 3 1 9 9 9t y p et 谢t h1 2 0m o d i t i c a t i o n st h es a m e y e a r 。 t h et c na r c h i t e c t u r ea d d r e s s e sa l lr e l e v a n tc o n f i g u r a t i o n sf o u n di nr a i lv e h i c l e s i t c o m p r i s e s t h et r a i nb u sc o n n e c t i n gt h ev e h i c l e sa n dt h ev e m c l eb u sc o n n e c t i n gt h ee q u i p m e n t a b o a r dav e h i c l eo rg r o u po fv e h i c l e s t os i m p l i f ya s s e m b l y , c o m m i s s i o n i n g , a n ds u b s y s t e m r e u s e t h et c na r c h i t e c t u r es p e c i f i e st h em u t t i f u n c f i o n 删c l eb u s ( m v b ) a sav e h i c l eb u s 霹礁m v bc o n n e c t se q u i p m e n tw i t h i nav e h i c l eo rw i t h i nd i f f e r e n tv e h i c l e si nc l o s e dt r a i ns e t s s t a n d a r dm v bi n t e r f a c ec o n t r o l l e ri sn e e d e dt oc o n n e c tv a r i o u se q u i p m e n t st ot h ev e h i c l eb u s t c nh a sb e e ns t u d i e d ，t e s t e da n da p p l i e dv 矗d e l y a b r o a d ，e s p e c i a l l yi ne u r o p e ，i ti s r e s e a r c h e da c t i v e l yi nc 越n ai nr e c e n ty e a r s s e l f - d e v e l o p e ds t a n d a r d d e v i c e sw i t ho w n i n t e l l e c t u a lp r o p e r t ya r eo f g r e a ti m p o r t a n c ea n dh a v eg r e a tm a r k e tp o t e n t i a l s t h e r ee x i s tf i v ec l a s s e so fd e v i c e sa t t a c h e dt ot h e 艮b w h i c hd i f f e ri nt h e i rc a p a b i l i t i e s i nt h i se s s a y d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc l a s s4 刖bd e v i c ec o n t r o l l e ra r ed i s c u s s e d r e l a t e d t e c h n o l o g i e ss u c h e m b e d d e ds y s t e ma n df i e l d b u sa r ea l s oi n t r o d u c e di na d v a n c e , t h e nag e n e r a l d e s c f i r ) t i o no f i e c 6 1 3 7 5 1t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sg i v e n , h a r d w a r es y s t e md e s i g n a n ds o 是w a r es y s t e md e s i g na r ed i s c u s s e di r ld e t a i la tl a s t 。 k e y w o r d s ：e m b e d d e d s y s t e m ；f i e l d b u s ；t r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ；1 w e bd e v i c e s - 珏。 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 及取得磺究成采。尽我所籍，除了文中特嚣l 热以标注帮致谢酶遗方外，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 或者其健单位憋学位或 正书掰使鼷过鲍材料。与我一嗣王作酶越志对本辑究 所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示- y n 意。 作者笤名伽弘、 作者签名：竺： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源及意义 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i e c 6 1 3 7 5 1 ( 1 9 9 9 ) t c n ( 列车通信网络国际标准) 的推荐方案，它与w t b ( 绞 线式列车总线) 构成的列车通讯总线具有实时眭强、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己相当普及，国内也加紧了对这一标准中关键总 线技术的研制。本课题即源于北车集团电力牵引研发中心t c n 项目中v b4 类设备的 研究成果。我国尚未有独立知识产权的符合t c n 标准的产品问世。自主研发列车通信 网络设备将具有很好的市场前景和重大的意义。 1 2 嵌入式系统概论 随着后p c 时代的到来，嵌入式系统已成为计算机业界的热点，被广泛应用于信息家 电、移动计算设备、网络设备、工业控制和仪器仪表、生物医学仪器、汽车、船舶、航 空、航天、军事等众多领域。嵌入式系统有着广泛的应用前景和发展潜力，嵌入式系统技 术已经成了最热门的技术之一。 嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指嵌入在宿主设备中的微处理机系统。它 所强调的要点是：计算机不为表现自己，而是辅助它所在的宿主设备，使宿主设备的功能智 能化、网络化。因此通常把嵌入式系统定义为“一种以应用为中心，以计算机为基础，软硬 件可以剪裁，适用于系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系 统”q 嵌入式系统由硬件和软件两部分组成。硬件包括微控制器、微处理器、d s p 、存储 器和i o 端口等；软件部分包括嵌入式操作系统、数据库、支撑软件及应用程序，统称为嵌 入式软件。 12 1 嵌入式系统软件 嵌入式软件( e m b e d d e ds o f t w a r e ) 包括指嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。 m v b 四类设冬控镌嚣磅究 一般援是否禽嵌入式臻穆系统为撂潦寰：嵌入式系统分隽寒端系统与繇壤系绞耀类。 低端系统：对于一些功能相对简单的设备，嵌入式软件不含操作系统，仅具备循环控制应用 程序。麓满系统：多任务、实露攥作，系绕任务复杂藏者必须吴各爨络功筑瓣，若不袋爱嵌 入式操作系统，则很难达到预期目标。 嵌入式操俘系统是耱与跨建戆应壤程序配合、全方经增强痰震程黟凌能夔滚入式 的软件环境平台，嵌入式操作系统的主要 乍用包括系统功能的设置、硬件抽缘层的定义、 应用程序谖碍接躺戆标港纯、实陵基务瀵度、疼霉筝管理、提供各耱逶诿协议残等。随着 新功能的增加，特别是必须具备实时多任势处理与控制以及联网功能，离开嵌入式操作系 绞环境平台款支持，编写应曩程廖涛变鲮器鬻复杂与墨难，罄至于痰鼹程黟擐本无法歪豢 运行。在嵌入式操作系统平台基础上编写应用程序，可以有效减小开发难度、缩短开发时 闻、减少开发成本、降低开发风险。 国外著名的嵌入式操作系统包括w i n c e 、u c p o s 2i i 、u c l i n u x 、p a l m o s 、v x w o r k s 、 e m b e d d e dl i n u x 、p s o s y s t e m 、n u c l e u s 、v r t x 、q n x 穰o s 2 9 等。国内获得软传著终 权的嵌入式操作系统有：中科院的h o p e n 、红旗嵌入式l i n u x 、北京科银的d e l t a s y s t e m 、 普天慧讯靛m o t i o n ，深圳桑夏魄黎夏一2 0 0 0 和山东挣思鲍$ 2 6 等。 嵌入式应用软件是针对特定的实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬件平台的，并能 完成用户硬期任务的计算机软件。它与凿通的计算枫应用软件有一定的区别。用户蛇任 务一般有时间和精度的严格要求，遮就使得嵌入式_ 陂用软件必须保证高实时性、准确性、 安全性、稳定性朔抗于扰性，两且还要尽可能地优化。 1 2 2 嵌入式系统硬件 嵌入式硬传( e m b e d d e dh a r d w a r e ) 主瓣篷摇焱入式怒疆器及箕辨鏊设餐。 嵌入式处理嚣是嵌入式硬件系统的核心部件。当前嵌入式系统处理器的发展懑势是 采爝3 2 位嵌入式c p u ，蘩主流系列有a r m ( 包捂i n t e l 公镯戆s t r o n ga r m 器x s e a l e ) 、 m i p s 和s h 三大系列。 嵌入式系统c p u 鳆爨一类型建嵌入式徽控番l 器( m c u ，m i c r o c o n t 戤酝u p , t ) 耪袋入 式d s p 处理器。与嵌入式微处理器相比，m c u 的最：赶特点是单片化，体积大大减小，功耗 器残本下降、可纛健提毫。嵌入式d s p 处理器戆类是缝遘单片化、e m c 改造、增麴 片上外设成为嵌入式d s p 处理嚣，如t i 公司的t m s 3 2 0 系列和m o t o r 0 2 1 a 的d s p 5 6 0 0 0 系列；一类是在逶熙单片枧藏s o c 中增热d s p 协处理爨，镬懿i n t e l 戆m c s 2 9 6 器 i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t f i c o r e 。嵌入式系统的智能化是推动嵌入式d s p 处理器发展的 大连- n m 大学硕士掌怔论文 葵中一个因素，这类餐讫算法般誊怒运算量鞍大，特嬲是彝燮运算、豢针线蕊罨蕴等 较多，而这些正魁d s p 处理器的长处所在。 还煮一类嵌入式系统c p u 炎型是邈鼹嵌入式片上系统s o c ( s y s t e m o na c h i p ) 。建 着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个醚片上即可实现 一个更为复杂懿系统，送裁是s o c 及可缝程片上聚统s o p c ( s y s t e mo np m g r a m r r m b l e c h i p ) 。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块域几块 芯片中去瘟羁系统毫路投提变缮缓篾瀵，对于减，j 、体积鄢功趣、掇麓可靠热 豢存剃。 1 ，3 现场总线概论 由于现场总线技术檄诸多方面的优点，应用日益普敷，是当今自动控制技术发展的 热点，代表了工她控制领域今后的一种发展方向。现场总线技术不仅是神通信技术， 它实际上融入了蟹能化电气仪表、计算辊网络和开放系统互连( o s i ) 等技术的精粹。信 息处理的现场化才是智能化仪表和现场总线所追求的目标，也是现场总线不同与其它计 算梳通信技术煞标志。 现场总线在控制系统中的使用，简化了系统结构，降低了系统成本，提高了信号传 输可靠往帮精度，热强了现场设备鑫治瞧，使控割系统往靛全面撬筒。 1 3 1 现场总线发展 工业控制附络的起源可以追溯到2 0 世纪7 0 年代，为了克服集中式计算机控制系统 “危险集中”的弊端，集数控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n 打o is y s t e m ) ) 立运薅生，在d c s 中，出飘了工业控制网络的雏形。通过控制网络，来实现d c s 监视站和控制站之间的通 信。 经过二十多年的发展，d c s 技术己缀相当完善，是逡续流程工业过程控制中主要的 控制系统。但d c s 仍然存在很多闳题：d c s 的控制网络协议是厂家专有道信协议，对于 用户和其它厂家来说，怒完全封闭的，备生产厂家的产品之间不w 替换；d c s 仍然采用 控制站嘏对集中控制的体系结构，没有实现控肯蚴能的完众分散；在现场设蛋层，在d c s 的控制站和现场设备之间，仍然采用4 - 2 0 m a 等模拟信号传输标礁，信息传送误差较大。 现代工业控制思想的核心是“分散控制，集中监控”网。但是由于技术的发矮和设 备可靠散韵提高，用于工监过程控制的过程控翎壶占规模焚得日益赢大，功能变得翰益集 中，d c s 的上述问题正是对“分数控制，集中监控”思想的违背。现场总线出现予8 0 年代中后期，随着计算枫技术，通信技术，集成电路技术及智能传感技术的发展，在工 业控制领域形成了一种新兴的控制技术，即现场总线。采用现场总线技术构建控制系统 m y b 四类设备控制器研究 是继基地式气动仪表控制系统，电动单元组合式模拟仪表控制系统，集中式数字控制系 统、集散式控制系统( d c s ) 后的新一代控制系统。 现场总线控制系统( f c s ，f i e l dc o n t r o ls y s t e m ) 把控制下放到现场，其通信总线在现场 设备中的延伸，允许将各种现场设备，如变送器、调节阀、基地式控制器、记录仪、显 示器、p l c 及手持终端和控制系统之间，通过同一总线进行双向多变量数字通讯。现场 的智能设备就能完成诸如数据采集，数据处理，控制运算和数据输出大部分现场功能， 只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才由上位机来完成。同时现场节点之间可以 相互通信实现互操作，现场节点也可以把自己的诊断数据传送给上位机，有益于设备管 理。 根据国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 标准的定义： 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网 络【3 】。 现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成。根据国际电工委 员会i e c 和现场总线基金会f f 的定义，现场总线技术具有以下5 个主要特点： ( 1 ) 数字信号完全取代4 2 0 m a 模拟信号； ( 2 ) 使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场完成； ( 3 ) 使设备增加非控制信息，如自诊断、组态以及补偿信息等，提高设备的智能化； ( 4 ) 实现现场管理和控制的统一； ( 5 ) 真正实现系统开放性、互操作性。 132 现场总线协议模型 i s a 和i e c 共同提出了粗略的现场总线框架模型，它是国际标准化组织i s o 开放系 统互连( o s i ) 模型的简化型。o s i 模型原本有互相独立的7 层：物理层、数据链路层、 网络层、传送层、会话层、表示层和应用层，规定了每一层的功能及其对于上一层的服 务。现场总线模型采用了其中的第1 、2 、7 层，没有“网络”层到“表示”层( 即第3 6 层) ，又增加了一个用户层，作为第8 层。所以，该漠型的4 个功能层分别是：物理层、 数据链路层、应用层和用户层。 与o s i 参考模型的相应层次相比，现场总线标准的物理层、链路层与其有相同的含 义。 大连理工大学硕士学位论文 f 1 ) 物理嚣：该层缎定了璇汤总线熬传赣夯溪、传输速率、每条线路可按俊裹蛩琴， 最大传输距离、电源、涟接方式及信号簇：型等。 ( 2 ) 数据镳路层：该层援定了物理滋察应麓屠藏戆羧日，冀中包括：数据缀拇、 输差错控制、多主站使用的规范化等。该层将通过帧数搦检验保证信息传输的e 确性及 完整瞧。 ( 3 ) 应用层：它向用户提供了一个简单的接口，其中定义了读、写、解释或执行一 令售患袋条命令兹方法。其中缀大郝分是定义僖惑数潺法。魏努，应怒屡还寇义了信 息传输的方式，如：周期式、立即响应贰、次性方式投使用者请求方式等。 ( 4 ) 用户屡；该层定义了过程控划懿基本态容。其中，惫撂瑗场总线蠹嫠售怒懿存 取方法及信息在网内同一节点或不同节点的其它设备间的传送方法。现场总线结构的基 硝是功块，自蛋功块完成数援采集、控戋l 或竣出。舔令功坟都毽会一令算法功麓 和运算中所需的数据库以及由用户定义的该功能块的唯一标识符。 ，3 s 疆场慧线控裁系统及英鼓拳特卺 现场总线控制系统( f c s ) 是集当今计算机技术、网络技术和控制技术为一体的全分 数、全数字、全开放兹擦麓系绫，是襄找诗葬辊羧涮系统豹主流。适焉于工业过程控翎、 制造业及楼宇自动化等领域，现场总线控制系统商如下技术特色： l 系统开敬淫妊，设冬蠢蒸有互搡 擘淫窝互换注 现场总线采用标准的通信协议，对现场设备所采用的测控功熊指令进行了规范和统 一。这熬技术使凝场慧线控摹l 蓉统其鸯较爵豹开艘淫，可敬季l 锤俺遵瓢秘商标疆麓萁它 设备或系统实现互联。来自于不同厂家，符合同一种总线协议标准的现场设各之间可以 耀互理解繇传递懿绩惠，霹戳实现互操修密互换。惩户獒有高度瓣系统集藏主动投，不 再受制于系统制造商，可以根据实际需蜜选择不同厂家的设备，通过现场总线技术来组 感趣摸逐合戆开教型控制系统。 ( 2 ) 系统结构高度分散 瑰炀总线技寒构或瓣系统，是一耱安时分鸯式爨络浚毒l 系统，现瑷戆捡溪l 蠢羧李亍规 构的输入和输出，可以通过现场总线构成闭环控制回路，将控制功能彻底下放到现场。 现场总线技术，锯疫改交了d c s 现场设袈密控毒l 懿之趣模羧焦号辖输懿钵系结穆，在凌 场设备之间，以及现场设备和控制管理设备之间，实现了全数字式通信，从而实现了真 _ c l 三意义上约分散挖毒霸嶷中管理。 ( 3 ) 现场设备的高度智能化和功能自治 m v b 因类设备擒籍器醑究 现场设备自身媳有检测、控制和诊断等诸多功能，仅靠域场设备就可以实现自动控 裁数熬本功耱，著隧蹲诊舔设蚕静运行状况。这一方覆，整褥信患处理稻控露l 可敬瑷场 本地化处理；另一方面，能为用户提供更丰富的现场设备和环境信息。这就为实现现场设 备的远程诊断、维护和控制奠定了基础。现场总线技术在过程自动化中的应用，会提供 更有效瓣缓态露诊凝功毙。 ( 4 ) 对现场环境的适应往 现场总线作为底层控制网络，是专为工业现场环境而设计的，具有较高的噪声抑制 和抗予貔能力。独特的物理层设计，使得多数璇场总线提供总线供电功能，并支持本安 防瀑。可采焉双绞线、冠轴宅缝、光纤、逄力线裙无线传埝簿物理介质避行信惠传输。 ( 5 ) 提高了控制和数据质量 除了过程参数外，现场总线允许将更多的谢用信息通过数字通信的方式提供给控制 系绞麴上凄警理部分。售惠量懿瓒热，搜褥系统g 慰过程工艺炊嚣嚣褒场设备运嚣凑爨 具有全面的掌握，从而提高控制散果。可靠的数字通信，摄离了信息传输的精度，减少 了失舆，提高了数据质量。同时，控制功能分布在现场设备中，使控制慰为可靠，也会 大大撼高注割品质。 ( 6 ) 系统可靠馁鬻，施工成本低 观场总线技术窟现了串行、移点和双向全数字式通信，提高了信息传输的准确性和 可靠性，抗干扰能力强，精度高，减少了传送误差，大大提麓了系统的可靠性。控制回 爨分散妻现凌没蚕串，系统危险攒疯分教。与爨蠢d c s 一嚣一熬模毅信号接线维筏穗毯：， 大大减少了接线的复杂性，减小了系统硬件成本，节约了安装和维护费用。 1 4 列车通讯网络t c n 弼车遂信霹终( 惫捂途铁歹车、城市轻鞔戮牟上赘逶僖弼络) 是蟊岛掩靠酶一稀连 接车裁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。目前有多种通用 现场总线技术被应用在列车通讯嗣络中。 。 。 朝车逶讯蠲终发藤概；嚣 计算机在轨道交通工具上的应用随着7 0 年代后期微处理器技术的酱及而迅速发 展。最初微处理器主要应用于枫窜车辆单个设铸的控制，随蓿微处理器控制、服务对象 兹壤多，；| 天了铁鼹控摹l 系统层次翔势耱愚想，产生了基予窜行逶羡豹周予较为独立熬 控制设备或层次间信息交换的总线与企业标准，如b b c 的滚接机车控制屡与传动控制 层的酗行控制器总线，该总线后来发展成为用于连接机车内的所有智能设备的m i c a s 大连理工大学硕学嶷论文 车疆总线，麓称m v b 。9 0 年代裙，产生了舞车憨线，鞋瀵足视车移动车臻霍骖冀、撬需 要。至此，一些大的铁路公司以牵引控制系统为撼础、以列车通信系统为纽带 二l 新器 臀稆瑟王艺为载簿，褪继接塞广泛覆盖零弓l 、毒麓、辏魏系统、簸窖舒适设备控锄翮显 示、诊断等的列车通信与控制系统，在欧洲般简称为t c c 。在北美，类似的系统被称为 基于逶信戆歹l 车控铡系绞，篱穆c b 曩：。 1 9 9 9 年6 月，经过长达1 1 年的工作i e ct c 9 w g 2 2 在a b b 的m v b 、两门子 粒d i n4 3 3 2 2 耱寒大剥黪c d 4 5 0 等运行经验戆蒸礁上铡s t 麴列车遥售翳终( t c n ) 标准 i e c 6 1 3 7 5 1 正式成为国际标准i 4 j 。 在j l 荚，曩l 一家美黧公司e c h e l o n 予9 0 年代裙开发懿主要耀于建筑鑫动讫寝工业 控制的现场总线l o n w o r k 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 1l 正式 成为国际标准之羼，i e e e 于1 9 9 9 年镪嚣了i e e e l 4 7 3 列车邋售蛰议。该协议包含 i e c 6 1 3 7 5 - 1 规定的t c n ( 1 4 7 3 2 t ) 和7 8 k b p s 数据速率的l o n w o r k s ( 1 4 7 3 2 l ) ，分别简称 为t 型网络和己型网络。 参照上述两大国际标准，并结合国内铁道牵引的实际情况，2 0 0 2 年我国铁道部也制 定了相应的中牮人民共和国铁道芎亍业橼准一列摹运信瞬络。阕撵也援定了嚣$ 孛类型 的列车通信网络：t 型和l 型。嗣前，阐内列车通信网络的应用主要集中于l 型网络。 l 鱼2 戮车总线戆传羯 圈1 1 烈辜慧线我主要功能 f 逸，1 1f u t l c t i o n o f t r a i n c o m m u n i c a t i o n b u s 如图1 1 ，不同类型晌车辆在列车总线上进行通讯，萁主要目的在于： m v b 四类设备控制器研究 ( 1 ) 远程控制( t e l e c o n t r 0 1 ) ：牵引控制( 遥控，动车组控制) 和车辆控制( 照明，门窗，空 调等) 。 ( 2 ) 设备诊断( d i a g n o s t i c s ) ：包括设备故障，维护信息 ( 3 ) 旅客信，官, ( p a s s e n g e r ) ：报站，坐位预定，通讯等 1 4 3 列车总线与其它现场总线 i e c 6 1 3 7 5 1 标准制定之前，有多种现场总线作为候选列车总线。其中包括：f i p ， p r o f i b u s ，b i t b u s ，c a n ，l o n w o r k s 等。这里对其中几种与w t b 以及m v b 进行比较 5 1 1 6 1 1 7 1 1 8 1 。 表1 1w t b 、m v b 与其它总线的比较 t a b1 1c o m p a r i s i o no f w t b ，m v bw i t ho t h e rf i e l db u s e s 总体来讲，作为通用的现场总线，w o r l d f p ，l o n w o r k s 和c a n 都可以在列车控 制系统的通信中找到合适的应用。w t b 用作编组经常改变的列车的列车总线无疑是最为 合适的，其它的总线都不能提供编组自适应的能力。 m v b 是为快速的过程控制优化的总线，能提供最佳的响应速度，适合用作车辆总线。 对于固定编组的列车，m v b 也可以用作列车总线。此外，m v b 也可被应用于其它需要 快速响应的工业控制网络。 w o r l d f i p 是一种优秀的通用现场总线，具有比m v b 更多的优点，完全可替代m v b 的应用。 大连理王大学硬士学缱论文 l o n w o r k s 怒一释在实时凌、灵活淫耧安全瞧等方蔷采取辑中、平簿麓丽获篱围琉场 总线。l o n w o r k s 可应用于固定编组的列车总线，车辆总线或专门的传感器、执行器总线。 在零予时润关键懿应雳时应经过仔缍戆设计帮验证。 c a n 总线简单可靠，非常邋于用作传感器、执行器总线。同l o n w o r k s 一样，其实 时性需蘩应廷熬设诗秘虢证。蠢予英缺乏漓惑黄稔篷力帮传赣鼯蕊受隈，掰戮不逶合霜 作车辆总线。 4 4 列车逶戳阏终t 翎与多功麓车辆慧线麓键 正如i e c 6 1 1 5 8 现场总线标准一样，i e c 联合u i c 经过十年的工作制定了一个用于 溉范车载设备数据通信的标准i e c 6 1 3 7 5 捌车通僖网络标准郎t c n 标准。 t c n 将列车通信网络分为两层：用于连接各节可动态编组的壤辆的列车级通信网络 w t b ( w i r e d t r a i n b u s ) 和用于连接车辆肉瑟定设备的车辆通信丽络m v b ( m u l t i f u n c f i o n a i v e t i c l eb u s ) 。从莱种程度上来看，w t b 和m v b 也可以被认为是应用于列车上的现场总 线标准。菇圈i 2 ，臻车惑线稻车掰总线通过瘸关节点连接。 囤1 2 翻车遴女嚣络的挺羚结梅 f i g 1 2t o p o l o g yo f t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 图1 , 3 机车内部的多功能车厢总线 f i g 1 3m u l t i f u n c t i n nv e h i c l eb u s 速al o c o m o t i v e m v b 四类设备控制器研究 多功能车辆总线m v b 是应用于一个车辆或固定车组这一特定环境下的局域网，它 将位于同一车辆，或不同车辆中的标准设备连到列车通信网络上的车辆总线。它提供了 两种连接：一是可编程设备之间的互连，二是将这些设备与它们的传感器和执行机构互 连吼 为了符合t c n 标准并能方便地实现m y b 设备：艺间的互连，各个与m v b 相连的设 备都必须具有统一的硬件和软件接口。 硬件接e l 主要由各个设备中的m v b 网络接口单元( 或称网络接口卡) 实现，网卡实现 物理层信号的转换，执行数据链路层的通信功能，基本任务是将网络设备发送的数据送 入网络，或从网络中接收其他设备发来的数据并将它送给设备。 软件接口则实现m v b 链路层服务功能，为高层提供服务及服务访问接口，从而屏 蔽底层协议，提供透明的、可靠的链路通路，方便用户的使用。网络接口单元m v b 网 络中占有重要的地位，所有与m v b 连接的设备通过m y b 网络接1 ：3 单元访问m v b 。 大连理工大! 学硕士学位论文 2 系统实现概述 2 1m v b 设备分类 m c 6 1 3 7 5 1 列车通讯网络标准中将m v b 设备分为6 类，即： ( 1 ) 0 类设备：不参与通信。中继器和光星耦器属于这一类。 f 2 ) 21 类设备：连接简单的传感器或执行机构，例如现场设备。它不可远程组态，没 有应用处理器，它们的工作完全由它们的总线控制器支配，不参与消息通信。 ( 3 ) 2 类设备：配有应用处理器的智能输入和输出设备，它们可以组态，可以预处理 信息，但处理器的程序是固定的，它们可以位于现场设备或插件箱中，并参与消息通信。 ( 4 ) 3 类设备：是完整的站，如带有与应用相关程序的可编程逻辑控制器( p l c ) ， 含有大量的端口，典型的是2 5 6 个。 ( 5 ) 4 类设备：有与2 3 类设备相同的结构，但提供附加的服务，它们拥有大量的端口， 甚至能预订所有的总线通信，但要求附加硬件。 ( 6 ) 5 类设备：具备多个链路层( m v b 或w t b ) 的设备。 本系统为标准的m v b4 类设备通讯控制器，并实现了模块的的硬件接口以及软件接 口。 2 2 硬件功能概述 如图2 1 ，系统实现4 类m v b 设备的主要功能。其中中央处理器，负责用户程序以 及协议的执行，总线控制器m v b c 是设备电路和物理层的接口单元，支持i e c 6 1 3 7 5 1 标准中规定的过程数据，消息数据，监视数据以及总线管理功能。冗余的m v b 总线采 用r s4 8 5 标准差分信号传输。背板总线负责板级的通讯。 m v b 四类设备控制器研究 m v 日 冗余总线 2 3 软件功能概述 图2 1 系统硬件框图 f i g 2 1 s y s t e mh a r d w a r ef u n c t i o nb l o c k 图2 2 系统软件框图 f i g 2 2s y s t e ms o f t w a r ef u n c t i o nb l o c k 作为i e c 6 1 3 7 5 1 规定的标准m v b 设备，系统软件部分主要包含用户应用程序，实 时协议栈。系统同时还需要实时操作系统以及相关的设备驱动程序，如图2 2 。实时协议 栈提供了与o s i 体系结构类似的层次结构，为具体应用实现了通信机制。实时操作系统 不但为具体应用的实现提供基本功能( 如信号量，时间组，任务创建等) ，还对任务进 行实时调度，满足通讯网络对实时陛的要求。 大连理工大学硬士学位论文 3 系统硬件实囊 3 。 系统硬 牛实褒淼灌框匿 2 5 v 图3 1 系统硬件实现功能框图 f i g , 3 3 f u n c t i o nb l o c k so f h a r d w a r e s y s 耙m 图3 1 为m v b 控制模块的具体硬件实现功能框图。系统包括总线控卷器、中央处理 器、存储系统、遴讯存储器、其它功能并设以及邋讯接口。其中m v b c 0 2 通讯控制器是 机车车辆网络通讯专用芯片，实现m v b 链路层以下的功能。存储器与中央处理嚣构成 主处理系统，n e t + 5 0 为n e t s i l i c o n 的a r m t r d m i 处理器，存储器包括程序存储器 ( f l a s h ) 苇内存空i f j ( s d r a m ) 。系统通过r s 4 8 5 接口与i v i v b 总线连接，背板总线采用 v m e 总线。其它功能矫设主要包括支持远程访问的珏太湖模块，实时时钟以及温度监测 模块，电源管理以及硬件看门狗模块，j t a g 仿真器调试接口。板级供电为5 v ，2 5 v ， 3 v 混合供电。 m v b 四类设备控制器研究 3 2a r m 7 处理器n e t + 5 0 3 2 1a r m 体系结构 a 2 , m 7 处理器的生产厂商很多，除外部一些功能模块外，其内核是相同的。n e t s i l i c o n n e t + 5 0 的处理器内核属于a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 系列中的a r m 7 t d m 。 a r m 7 t d m i 核是冯诺依曼( v o n n e u m a n n ) 体系结构，使用单一3 2 位数据总线传送指 令和数据，分为三级流水，空间统一的指令与数据c a c h e ，平均功耗为o 6 m w m m z ，时钟 速度为6 6 m h z ，每条指令平均执行1 9 个时钟周期。 a r m 7 处理器是典型的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 处理器，其指令系 统的特点如下： ( 1 ) 多组通用寄存器 ( 2 ) l o a d s t o r e 结构，只能对寄存器数据直接处理而不能直接处理内存数据 ( 3 ) 寻址方式简单 ( 4 ) 指令定长，格式统一，简化了指令解码 a r m 指令系统继承了r i s c 结构，因此它除了具有r i s c 指令系统的特点之外，还 有其自身独特的优点： ( 1 ) 每条数据处理指令都能同时操作a l u 和移位寄存器，提高了它们的利用率。 ( 2 ) 自动增量模式提高循环程序效率。 ( 3 ) 同时l o a d s t o r e 多个寄存器，提高数据吞吐量。 ( 4 ) 所有的指令都可以条件执行，提高执行吞吐量。 a r m 处理器总共有3 7 个寄存器，其中3 0 个通用寄存器，1 个程序计数器( p c ) ， 6 个程序状态寄存器( p s r ) ，长度都是3 2 位。这些寄存器被安排成部分重叠的组 ( o v e r l a p p i n gb a n k ) 。每种处理器模式都有不同的寄存器组。分组的寄存器在处理处理 器异常和特权操作时可得到快速的上下文切换。在任何时刻，可访问的只有当前模式的 一组寄存器：r 0 到r 1 5 、c p s r ( 当前程序状态寄存器) 。不处于用户和系统模式时，还 可以访问当前模式的s p s r ( 保存的程序状态寄存器_ ) 。 3 2 2n e t + 5 0 n e t + 5 0 内部集成a r m 7 t d m ir i s c 处理器，1 0 1 0 0m b p s 以太网媒体访问控制器 ( e t h e m e tm a c ) ，串口，i e e e1 2 8 4 并口，内存控制器，以及并行i o 。同时，n e t + 5 0 还 可以与其它使用寄存器或者共享r a m 接口的处理器连接。n e t + 5 0 芯片提供了嵌入式 大连理工大学颓士学位论文 隧终应麓获罴熬掰有功麓。藏时，专爰强竣遣可以连菝n e t + 5 0 豹系统蕊线亲整撩其内 部的r i s c 处理器【i l 】。 o 洒l 毯藩2 4 窭* 3 。3 存储器系统 l l p 祷豳 图3 2a r mn e t + 5 0 功能框豳 f i g 3 2f u n c t i o nb l o c k so f a b mn e t + 5 0 n e t + 5 0 集成了内存控制模块( m e m o r yc o n t r o l l e rm o d u l e ) ，为存储设备( 闪存，动 态建嚣访溺存镰器d r a m , 毫哥擦写哭读存德器e e p r o m 帮静态隧静访翘存储器 s r a m 等) 提供光缝连接a 系统通过配置n e l l + 5 0 内存控制器模块的控制寄存器和片选( c s ) 控裁毒帮器来实现访露樱应存德瓣夔信号零j 逻辑。 33 1 嵌入式系统常用襻储器 不阍的存德设备根掇其内部物理实现酾不同，其备不同物理特性( 速度，容量，总 线宽度等) ，应用范围也有差别 1 2 l 。权衡应用领域和性价比，本系统存储器包含了闪存 ( f l a s h ) ，闻多渤态r a m ( s d r a m ) 。 m v b 四类设备控制器研究 3 3 2 存储系统 表3 1 存储器规格及应用 t a b3 1m e m o r y s p e c i f i c a t i o n sa n da p p f i c a t i o n s 系统采用的s d r a m 为具备同步时序电路接口的动态随即访问存储器。所谓同步， 是指s d r a m 的所有接口信号均在时钟信号( c l k ) 的上升沿生效。对s d r a m 的访问由 与c l k 同步的操作命令组合完成。需根据总线频率选择合适的s d r a m 。 n e t + 5 0 外部晶振频率f c r y 盯a l = 1 8 4 3 2 m h z ， 图3 3n e t + 5 0 系统控制寄存器的d 3 1 到d 1 6 f i g 3 3d 3 1 - d 1 6o f s y s t e mc o n t r o lr e g i s t e ro f n e t + 5 0 图3 4n e t + 5 0 锁相环控制寄存器的d 31 到d 1 6 f i g 3 4d 3 1 d 1 6o f p l l c o n t r o lr e g i s t e ro f n e t + 5 0 如图3 4 ，配置p l lc o n t r o lr e g i s t e “地址为：f f b 0o 0 0 8 ) 中的p l l c n t ( d 2 7 d 2 4 ) 3 f 设置n e t + 5 0 内部频率，本系统中p l l c n t = 1 0 ，。根据n e t + 5 0 系统时钟产生机理： 如果( p l l c n t = 3 ) 则 f s y s c l k = ( f c r y s t a l 5 ) + 6 否则 f s y s c l k 3 ( f c r y s t a l 5 ) + ( 3 + p l l c n t ) 大连理工大学硕士攀位论文 褥翻n e t + 5 0 内竣工俸频率为 f s y s c 拭。( 1 8 4 3 2 m h z 5 ) + ( 1 0 + 3 ) = 4 7 9 2 3 1 3 , u q z 如图3 3 ，系统b s p 配置s y s t e m c o r t t m ir e g i s t e r ( 地娥为：0 x f f b 0 0 0 0 0 ) 中款 b s p e e d ( d 3 0 , d 2 9 ) 为1 0 ，使n e t + 5 0 总线( b u s ) 工作在全速模式，总线频率f b c l k 为： f b c l k = f s v s c u ( = 4 7 。9 2 3 m h z 对予m t 4 8 l c 4 m 1 6 a 2 8 e ，其最高总线频率为1 0 0 m h z ，满足总线速度要求，并具 备相当的裕量。针对s d r a m 对于t r c d 和如以及t c a s 等时序参数要求，浆置n e 下+ 5 0 的片选选顼寄存裾( c h i p s e l e c t o p t i o n r e g i s t e r ，地黻为：0 x f f c 0 0 0 2 4 ) 中的w a i t ( d l i - d 8 1 和b c y c ( d 7 ，d 6 ) 选项。 这熙片选选项寄存器的值为0 x f f 0 0 0 0 7 0 ，对皮的w a i t 为0 0 0 0 b ，b c y c 为0 1 b ，故 t r p = t r c d = t w r = 2 f b c l k = 2 4 7 9 2 3 m h = = 4 1 n s * c m = ( 2 + 1 ) f s c t x = 3 f b c l k 一3 4 7 9 2 3 m h z = 6 2 n