（计算机系统结构专业论文）wtb列车总线网的研究和实现.pdf

摘要 列车通信网络将整个列车的电气设器连成一个憋体，司机对整个列t i 的控制 命令通过列乍通信网络送到列车的各个1 1 厢列车的各个车厢工作状念j - j i 过列1 1 通信网络送到司机显示台上，让整个列乍有效而安仓地工作。此外，该系统能够 满足列车重联和铁道客车智能化、网络化的需要。 1 9 9 9 年6 月i e e e 委员会通过了i e c 6 13 7 5 1 标准作为r c n ( 列车通信川) 的 标准。同年，】e e e 委员会也制订出了i 载通价协议杯玳ie e e b t d1 1 7 ： 1 9 9 9 标 准， 将i c n 嗣【l o n w o r k s 同时纳入其中。我f _ 剁4 、推荐使兀jt c n 标h j 二，垓礼：准 总体结构把列车通信嗣规定为：由绞式列车总线w t b 捌多功能车辆总线m v b 川成。 其中w t b 应，h 丁整个列乍，将全部车厢连接起来构成列车通信网络；, v i v b 川j 乍 厢内部连接各个电器设备。小义研究的是作为列1 ：总线网的w t b 绞，列乍总线 i 网。 在消化i t c 6 l9 7 51 标准后，我们发现网络通配器足w t b 总线俐的天谜邮件， 从l 叭f 点加以研究。明确了网络适配器的功能，纰成删技术篮求，许逊行j 。m q l l 设计。按照实时协议设计了通信指令和数据帧的类型和格式，f e c6 1 3 7 5l 畅、? f i - 规定了阴种通信方式：“摧于源地址寻址技术蹦姗帕：数拟e 传送”羊“b j f l ( j 消息数j ：i 传送”。f 0 送采j 1 m m c h e s t e r 码。母个遁刚器有： 个通道，f ：；个j 啦通 要求是双余度结构。根据c 技术要求进行节点机及兀、器f ，l ：等的选择。选川1 水移 小、湍度范围宽、可靠性高的嵌入式9 c 1 0 4 工控机仵为节点处琏机；选j 5 ，m l 公司的c y c l o n e 系列f p ( ；a 器件作为网卡的核心器件。最后实现了坫j ：i c 1 o d 系统处明! 机的删络适配器。 n 斗q 铽通y 屺器。耍现过 生一i ，聚舛j 了先进f nq t u 、r ll l s i l4 ( 11 0 ：f , o a 【! i ，州决 了系列天键技术：通信利索引存储器的优化，分川，数掘阼，型彻斯1 0 编刚器、 解码器循环冗余校验器、恤f 内，f ：成，多个状念机的典现并集成在一”f t ( ，r 、l h 此项具有克仑自主知u 产权的堪于t c n 标准的w r i 刚络控制系统，j jj 破 l i d 外扫：t ( ：n 例络通信技术j ：的孳断，填补【_ e j 内存这。技术领域的空白i 仃e 婴 意义。 关键宁：别1 j 总线：i c 1 0 4 ；适配器：列4 ：通仿h 络；实时传输m 议 a b s t r a c t t h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ( t c n ) i n t e g r a t e sa l ld e v i c e so ft h ev e h i c l e si n t oa u n i tv i at c n ，t h em o t o r m a nc a ns e n di n s t r u c t i o n st oa n yv e h i c l ea n dc o n t r o lt h e w h o l et r a i ne a s i l y ；a n dv a r i o u sv e h i c l e ss t a t u sc a nb es e n tb a c kt ot h en q o r l i f o ro ft h e m o t o r m a n t c nh e l p st h em o t o r n l a nt oc o n t r o it h et r a i nm o r ee 币c i e n t l ya n dm o l e s a f e l y f u r t h e r m o r e ，t c nc a ns u p p o r tt h et r a i ni n t e l l e c t u a l i z a t i o n ，a n dn e t w o r k i z i n g ， i n c l u d i n gt r a i nr e c o n n g u r a t i o n i nj u l y1 9 9 9 i e e ec o m m i t t e ea p p r o v e di e c 6 1 3 7 5 1a st h et c ns t a n d a r d ，a n d p u b l i s h e di e e es t d1 4 7 3 一1 9 9 9c o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t a n d a r df o rv e h i c l e s i n c l u d i n gb o t ht c n a n dl o n w o r k s t h i ss t a n d a r di sr e c o m m e n d e di nc h i n a ，a n d d e f i n e da sf o l l o w st h e “c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko ft r a i n ”i sc o m p o s e do l w r i s t e d t w i s t e db u s ( w t b la n dm u l t i - v a r i a b l eb u s ( m v b ) i nw h i c hw t bi su s e dt oc o n l l e c t a l lv e h i c l e st ob eaa t t t o c o n f i g u r a t i o nn e t w o r ko f t h et r a i n ，a n dm v bi su s e di n n e r e a c hv e h i c l et oc o n n e c tv a r i o u se l e c t r i cd e v i c e so ft i l ev e h i c l e t h i st h e s i so n l ys t u d i e s t h ew t bn e t w o r k h a v i t a gd i g e s t e ds t a n d a r di e c 6l3 7 5 - 】w ef o u n dt h a tw t b n e t w o r ka d a p t o li s t h ek e yc o m p o n e n to fw t b ，s ow et r e a ti ta st h em o s ti m p o r t a n to b j e c t i t sl 1 t n c t i o n s ， c o m p o s i t i o na n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa r et h o u r o u g h l ys t u d i e da d e t a i l e dd e s i g n h a sb e e nc o m p l e t e d t h et y p e sa n df o r m a t so fe o m n l u n i e a t i o ni n s t r u c t i o n sa n dd a l a f r a m e sf l u ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e a lt i m ep r o t o c 0 1 t h e r ea r e2k i n d so l c o m m u n i c a t i o n ：“c y c l i c s o a r c e a d d r e s s e db r o a d c a s to f p i 。o c e s sd a t a 一a n d “s p n r a d i c ， c o n n e c t i o n l e s st r a n s m i s s i o no fm e s s a g e ”t r a n s m i s s i o nu s e sm a n c h e s t e re n c o d i l 强 t h e r ea r e3c h a n n e l s ，2f 、o rw t ba n dlf o rm v b ，e a c hw i t hd u a l r e d u n d e n t c o u s t r u e t i o n a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，t h ee m b e d d e dp c 10 4w i t h m i n i s i z ea n dw i d et e m p e r a t u r er a n g ei ss e l e c t e da sn o d ep r o c e s s o r af p g ac h i p ( a l t e r ac y c l o n ec 6 ，w i t h5 9 8 0l o g i ce l e m e n t s ) i ss e l e c t e da sk e r n e ld e v i c eo f t i l e a d a p t o rw h o l el o g i cc i r c u i t sa r ei n t e g j a t e di nas i n g l ec h i p ，j u s tl i k eas o c ( s y s t e m o nac h i p ) w eh a v es u c c e e d e dt ob u i l dap r o t o t y p ea d a p t o r t od e s i g nt h i sc h i p a l la d v a n c e dq u a r t u s1 14 0e d at o o li su s e d a n di n a l l ，k e y t e c h n o l o g i e sa n dm e t h o d sa l er e s o l v e d - i n c h l d i n g t r a f i cs t o r e ”a n d i n d e xi n e m n r y o p t i m i z e dd e s i g n d i s t r i b u t e dd a t a - b a s e ，m a n c h e s t e re n c o d i n ga n dd e c o d i n g ，f r a m e 她i l “ 一 g e n e r a t t o n ，v a r i o u sf s m sf o rd i f f e r e n tf l a m e s ，e t c k e yw o r d s ：w i r et r a i nb u s ( w t b ) ；p c 1 0 4 ：a d a p t 。r ：t r a i nc 。m m u n j c a l i o n n e t w o r k ( t c n l ：r e a l - t i m ep r o t o c o l ( r t p ) 讹1 1 1 “ 1 1 引言 第一章绪论 当今人类正进入网络手卜会，计算机h 络的迅猛发腱乖在改变苻人们i l jl i l ic f h 生活。别铁路运输而言血不例外。为了满足机葺：照联和铁道客1 i 智能化、州络化 n 勺需要，我国钬路在未束几印内将构筑数字铁蹄，逐步实现车对车、1 。刈地、地 对车的全面监控，其中列午监控刚络系统承担着重婴角色。 当前，我幽列车使用的列车通信和控制网络没有完全的自主知识产权披术。 罔内没有成熟的产品，符厂家纷纷将目光投向了国外。由于国内外技术落豫的存 住，幽外j i 商) r j 1 了天价，使得控制系统成为了一个奢侈品。同时在系统的丛姨、 调试耳维护等力面也存在各种各样的问题。例如：台湾商铁的1 钠科】1 斋弓、变乜 设备、轨道等是同本系统，而车站采用德国系统通信采用法吲系统，u 4 ：i 1 动 控制装置( a t c ) 月i j 采用欧式的单线双向。成为“几欧混衄”的台湾系统，造成竹建 l 三经远超于甲j l j 预算。台湾高铁还而临欧洲与卜1 乖技术相容性问题；欧洲, f lj 1 f 本 方珀1 均称刑于j 能发生的事战4 i 负任何责任。此外地碰紧急应变、隧道内迎姒、 列1 ：故障排除等2 6 项核心机电系统问题有待解决。 此研制出具有完全自i ：知识产权的网络控制系统产品，打破幽外t i ， ：t c n 嘲 络通信技术上的垡断，填补丁幽内在这一技术领域的l ；f i ，具仃配耍的意义，小 课题是在受江苏海豪智能交通系统集成有限公司的委托干u 资助f ，j l ：腱这利- j 女术 的研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国际状况 7 0 年代术仝8 0 年代初i 4 戋微机的锥形分别n 西门了公司和b b c 公州现， j 始仪仅足用 传动装霄的控制。随着控制、服务刈缘的增多，人i t 巴饮道系统 依次划分为人个层次：公副铃理、铁路运营、别乍控制、机年1 ：辆控制、f 0 ：山控 制和过程驰动列4 1 通信网络在初期的r t 行通信总线的基础上应运而，卜，j f ：从坞i 末不同公司的企业标准推向因际标玳，逐步形成了列1 ：通信与控；| j | j 系统l l ：j 标准化、 模块化的硬件系列和全方何的月发、调试、维护、管理软件一i 。 雏l 乱 曲北i i , l k 人学项十论丈 笫一章绪论 a b b 公n j 的微机自动化系统m i c a s 8 2 在列乍层采用了f s k 列个总线，波特 率1 9 2 k b p s ，车辆总线采f l j 了在r s 4 8 5 控制器总线基础卜进一步丌发的m i c a s 车辆总线m v b ，波特率1 5 m b p s ，这_ 种总线均j 女有全方位的软件t t 支持。 1 9 8 8 年，i e c 第九技术委员会t c 9 成立了笫2 2 上作组w g 2 2 ，其任务足制订 个丌放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够干h h 联挂，并h 车卜的町 编程电了设备能够互换。 1 9 9 2 年6 月，t c 9w g 2 2 以委员会草案c d ( c o m m i t t e ed r a f t ) 的形j 阳抨吲 发出列午通信嘲t e n 的钲求意见稿，浚稿分成叫个部分：第一部分总仆绵构，筇 二部分实时协议，第三部分多功能车辆总线m v b ，笫四部分绞式列车总线w 7 r b 。 总体结构把列车通信网规定为由多功能车轴总线m v b 利绞式列车总线w t b 组成。其中多助能车辆总线m v b 以a b b 的m i c a s 车辆总线m v b 为蓝奉，w t b 以西门予的d i n4 3 3 2 2 和意大利的c d4 5 0 为蓝本。 m v b 的传输介质可以是双绞线，i ： i 可以足光纤。在后一种场合，le 跨距为 2 0 0 0 m ，最多可联结2 5 6 个智能总线站。数据划分为过秤数掘、消息教训和龄盼数 据，对过程数据的传输作了优化。发送的基本周期是i m s 或2 m s 。 w t b 的传输介质为双绞线，最多可连接3 2 个1 点总线跨距8 6 0 m ，w 1 、b 具有列车仞运行和接触处防氧化功能。发送的慕水周期是2 5 m s 。 1 9 9 4 年5 月至1 9 9 5 年9 月，欧洲铁路印 究锣ie r r i 耗资3 0 0 万荚儿，柏j 瑞1 的i n t e r l a k e n 至荷兰的阿姆j 9 特丹的区段，对【_ 瑞士s b b 、德圈d b 、意人利f s 、 衙兰n s 的i 二辆编组成的运营试验列车进行了全而的t c n 。爻验。 1 9 9 8 年1 1 月，在c i i 吲湖南株洲召- ；q ：i e c 年会。1 9 9 9 年6 月，t c n 标准一j ! 案 6 13 7 5 i 征式成为国际标准。在6 13 7 5 1 中，除了以l m 日个部分外，还有第 i 部分 列车州络臀理，附录a 列4 ：通信刚导引，附录b 致。h - n 试导! l ! j 。 1 2 2 国内状况 近 r 束，我国j r 发或j r 准备丌发的电动4 i 组、高速乍、城f i 轨道4 。，如附后 春筛。这螳新n 勺铁路机1 i l i 辆都需要装上列i 通信网络j “：r 以实现把个列i - f ( j i f 常运行。然而闻内形势j ： j 1 i 容乐观，f j 场卜见小剑自己的产品。 ：j 为1 ， 尽p 抢占1 1 r 场，纷纷从阉外进 j 仃网络功能的控删系统，如 1 - 伊 ：! j j 的t m iq - 、 唐l i i 厂研制的内燃动车纽年p q 方厂研制的液力传? 讪动i - ：f l i ，分别从a d t r a n z 瑞f 分公司、德幽西门子公司和 1 本新泻公司进u 了棚应f ，j 产品以解燃刷之急。 昆叫石林的动车组采用r s 4 8 5 标准，分时j 并年辆通信。拎制命令z i 纷m 络， 通瞒只传送状惫数掂，供显1 屏显示。它的i l ： ：越s s 4 b 楚机4 i ，但s s 4 b 型1 0l - i - i 籀2i “ 曲北1 业人学硕- t ： 仑文 第一。，绪论 的通信是在两节柏邻的机1 ：问，而住昆明一百林动年组上，距离j j 兀长了，刚i f | j 须 采取许多自- 效的抗干扰措施。向伊朗出口的动ic f l 为：础八拖，首尾为机乍l l m l 。 为解决机乍重联从瑞士a d t r a n z 购买了m i c a s s 2 系统。控制网络山j 二绒卡勾成。 这些进l 产品非常昂贵，同时在系统的安装、渊试用i 维护等乃面也仃台：嚣种t 各样的问题，许多可能发生的故障无法预知。因此研制出自己| 1 勺产品势任必i _ j ：。 1 3 论文结构安排 论文各章内容安排如下： 第章：绪论。 这一章介绍了本论文的研究背景、研究意义、研究内容和日标。最后，刈本论文 的主臻内容和组织结构作了简要介绍。 第二章：p c 1 0 4f 沃入式【控机。 这一章闸述介绍：嵌入式系统的发展史；p c 1 0 4 嵌入式 控机系统体系结构， p c 10 4 工控机的。阽能，接口等。 第三灌：改计方法与关键投术 本章讨论了t i ) t ：；h 适配器所用的e d a 方法和各利吠键技术，如v h d l 语禹编样投术、 f p g a 雨lc p l d 技术。最后，本章还介绍了适配器- i t 所采j f j 的q u a r t u s l l 4 0 和p r o l e 等e d a 设计1 具。 第四章w t b 网络。 本章介绍首先w t b 网络体系结构，网络实时协泌r t p 的两种通信方式，列| - ) j j 运行等关键投术。 第“嚣：列车例络适配器的i f o b l , 0 。 蜊述了采川q u a r t u s l i4 0 i - 的v h d l 谱啬进行各功能器件f p g a 逻辑设计。介缁 适配器的组成、功能，内部逻辑进行详细设汁，井根据! 资i f l ；! 要求进j j ：器件选样 然后使剧p r o t e l 上具进行印制扳的设计。 第六争：啦动氍序设计。 本啦将简要介绍适配器艇动程序的设计，适配器的测试情况。 筇七章：测试成分析。 对适配器和网络的相关测试数据进行分析，总 全文并别陔力。向今后的研究i 作 进行了瓞型。 雏3p 第学p c 1 0 4 嵌入j i 控机 第二章p c 1 0 4 嵌入式工控机 与一般以太m 相比列年通信网络节点的体私孙、丈时性立、7 作濉艘范i | i 宽、可靠性高，能适应各种恶劣自然条件，并具仃持续的高速数挑采集能力。该 系统具有以下的特点： 1 ) 该系统要求体积小； 2 ) 实时、n i 确无误地采集大量的各种数捕，并方便保存和显示结梨； 3 ) 更高抗震性，能抗较高的冲击和振动： 4 ) 更宽的工作温度范围； 5 ) 具有更高的抗干扰电磁兼容性能。 i - 而白1 先束介绍下嵌入式实时系统的一些背景知讨 。 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统是以应用为r 1 心，以计算机技术为丛础，妒h 软t i 蛆l l ：j 域i j j ，u 应用于对功能、可靠性、体积、功耗有严格要求f | 】计算机应h j 系统。i 汝入一弋系统 一般由嵌入式微处理器、外【刊硬件设备、嵌入式操作系统以及川t 户皿川l = i ! 序等 p q 个部分组成，用于实现对设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式微处理器一般具备以f5 个特点： 1 ) 羽实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务j ：j j i 有较短的中断响应州i h j ， 从而使内部的代码和实时内核心的执行时m 减少到域低限度。 2 ) 具有t j j 能很强的存储区保护功能。这是i l i j ：嵌入式系统的软件结构已悦火化， 而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作川，需要改计强火的存f i f i | ) _ ：俅护 功能，l j 时也有利于软件渗断。 3 ) 可扩展的处理器结构，具仃能迅速地丌发满足j , 、- g 的高。p l 确卧q 嵌入式微处j = i | 器。 4 ) 嵌入式微处理擀具有较低的功耗，尤其是刚j 他携。的无线及移动的汁 荆通 信设备ir 靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功 t 只有m w 毖争g w 绒。 5 ) 嵌入式系统最典型的特点是与人们的n 常生活紧密棚关，嵌入式技术的i ur 产 h 小到m p 3 、p d a 等微型数字化设备，大到信息家i 乜、智f e , l i 器、1 ：钱g i s ， 各种新型嵌入式设备在数龄上已经远远超过了通刚i r 算机。 第，章p c 1 0 4 嵌入i 控机 2 2 嵌入式系统体系结构 根据图际电气和电子t 程师协会( i e e e ) 的定义，嵌入式系统是”控制、舱视 或者辅助殴蒉、机器和乍m 运行的披置”( d e v i c e su s e d t oc o n t r o l ，m o n i t o r o ra s s i s t t h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。一艘i f l j 言整个嵌入式系统n 0 体 系结构可以分成四个部分：嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操f 1 ：系统和 嵌入式应用软件，如图2 1 所示。 ，! + 、每警紫寓 。 霪 嵌人式撼住系统 l l - 瑟聪礤丞“_ _ 孺蠊触i 辩萱l 耄 g 嵌入式磋件平台i 2 2 1 嵌入式处理器 图2 1i | ! 定入式系统的纰成 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器与通用处州器 最火的不同点在于，嵌入式处理器夫多工作在为特定用户群所擘门没讣的系统l ， 它将通川处理器。| l7 1 ：多由板# 完成的任务集成到芯片内部，从而囱+ 利于嵌入式系 统在设计州趋r 小型化，同时还具有很高的效率和叫嚣性。 嵌入处理器的体系结构经历了从c i s c ( 复杂指令集) 伞r i s c ( 骱 旨令 集) 和c o m p a c t r t s c 的转变，位数则由4 位、8 位、i6 化、3 2 位逐步发j 疋硎6 4 位。日日0 常j h 的限入式处理搽叫+ 分为低端的嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l eru n i t ， m c u ) 、中两端的嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r op r o c e s s o r u n i t ，e m p u ) 、 用于计算机通信领域的嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o l ， e d s p ) 和高度集成的嵌入式j l 上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。 日而几乎母个半导体制造向都生，叫次入式处理器，并睦越来越多的公i q 外始圳f r 自 三的处耶器殴计部门，j ) ：1 ：4 ；完全统计，全u 界嵌入式处理器已经超过10 0 0 多平l | j ， 流行的体系结构自3 0 多个系列，其1 1 1 以a r i v l 、p o w e r p c 、m c6 8 0 0 0 、m i p s 等 辩6w 曲北 业大学颂十论文第章p c 1 0 4 嵌入式ij j 、机 使用得最为广泛。 2 2 2 嵌入式外围设备 在嵌入式硬件系统中，除了中心控制部件( m c u 、d s p 、e m p u 、s o c ) 以外 用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件事实卜都可以锥作嵌 入式外田设备。目前常用的嵌入式外围设备投功能可以分为存储设备、通竹议备 和显示设备三类。 存储发备主要用于各类数掘的存储常用的有静态易失掣存储器( r a m 、 s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 和非易失犁存储器( r o m 、e p r o m 、e e p r o m 、 f l a s h ) 兰种，其r | if l a s h 凭借其可撩写次数多、杯储速度快、存储容：l ! 人、价 格使宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。 闷前存n 的绝大多数通信设备都可以商接在n * 入。系统巾应j h ，包括r s 一2 3 2 接il ( 行通信接i ) 、s p i ( 串j i - ； b 幽设备接厂 ) 、l r d a ( 自：外线接l j ) 、1 2 c ( 现场总线) 、u s b ( 通川串行总线接1 1 ) 、e t h e m e t ( 以太网接1 2 1 ) 等。 在外围显示设备方佃，山于嵌入式麻用场合的特殊性，通常使用的址傲射 线管( c r t ) 、液晶显示器( l c d ) 和触摸板( t o u c hp a n e l ) 等。 2 2 3 嵌入式操作系统 为了使嵌入式系统的丌发更加方便和快捷，i l j 要仃专门负贵锊理仃储器分眦、 t p 断处埋、任务调度等功能的软件模块，这就足嵌入垛作系统。嵌入- u i ! f l 系 统足来支持嵌入式应j 的系统软件，是嵌入式系统极为重要的纽成部分，迎常 包括与硬什相关晌底层驱动程序、系统内核、设矫驱动接口、通信m 议、h 彤 j 户界面( g u i ) 等。嵌入式操作系统具有通用操f 1 ：系统的丛本特点，如能够仃效证- 日! 复杂日：j 系统饶源，能够刈馊件进行抽象能匈多摊gj 4 函数、牲动柞序、外技【： 贝集等。但与通用操作系统千比较，嵌入式操作系统n ：系统。史时一f t 、仙f l ：恢赖一盹、 软件圳化性以及越用专用性笛方向，具有更加鲜f 纠的特点。 嵌入式操作系统根据j , 、ij l 场合可以分为两火类：类足丽向消赀i u - ，“。l | l l i 的 非实时系统，这类设备包括个人数字助理( p d a ) 、移动f u 话、机顶盒( s q l b ) 等； 另一类则是研f 旬控制、通信、医疗等领域的实时操作系统，如w i n d r i v e r 公r d 的 v x w o r k s 、q n x 系统软件公司的q n x 等。实时系统( r e a lt i m es y s t e m ) 址利， 能够在指定或者确定时川内j 芒域系统功能。并h 、f 外部和内b - g q q ：在旧步或打片 步问内能做出及时i j 内应的系统。在实时系统。 t ，探作的币确性彳i 仪依赖 逻辑 发汁n 川“砌枰度，而且与这螳操作进行的时f l f j 彳；r 火，也就是酏，实时系统埘j 型j ； _ 托7i k 心北i ：业人学颇十论文 筇一章p c 0 4 映入j f ：挎机 和时序的要求1 f 常严格，如果逻辑和时序控制小偏难将会产卜严重后果。 2 2 4 嵌入式应用软件 嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基1 ：某一刷定的硬件平台。川来达剑 用户预期目标的汁算机软件，由于用户任务可能有时削和精度 二的要求，因此有 些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。嵌入式应用软件承ff f 迎戍川 软件有定的l 式别它不仅要求其准确性、安今性和稳定性等乃_ 6 1 能够 | ；i j 足1 峡际 应用的需要，而且还要尽可能地进行优化以减少对系统资源的消耗，降低仙f ，f = 成本。 2 3p c 1 0 4 工控机 2 3 1p c 1 0 4 总线简介 p c 1 0 4 是一种号j j 为嵌入式控制而定义的工业控制总线，赴t | i 戈 州i j a m p r o 公闭1 9 8 0 年首先丌发的，近年来在幽际上，“泛流 - j ：。1 9 9 2 i 被i e e e 叭会 定义为i e e e p 9 9 6 1 。我f j l - i i 道，i e e e p 9 9 6 足p c 和p c a t 5 1 叫k 总线舭池，从p c 1 0 4 被定义为 e e e p 9 9 61 就可以看, q l ，p c 1 0 4 实质i ：是。坤 紧凑型f j e e e p 9 9 6j l 型号定义和p c a t 基本一致，但电气和机械规范削完全1 i 川，世种优化的，小 型堆栈式结构的嵌入式控制系统。 随着计算机技术的飞速发展，计算机嵌入式越来越受到业界的关注。p c 1 0 4 i e e e 国际标准广泛满足了嵌入式领域的要求，难在迅速成长为主流的嵌入j 汁算 机。该系统计算机一般采川超大规模、极低功j 毛的a s c i 、c m o s 、i ci 乜蹿，综合 了高抗干扰电磁兼容技术、t ：i 抗震的叠层栈接投术，超小型商精度多层板投术， 高精密双佩s m t 技术。山j i j e 体积小、功能强、j 靠性高、温度范剧j “等特点， 广泛地应只j ：通讯、医疗、r b 子、机械等行业，及智能仪器仪表、便携式设符、 数据采集等各个力俩。 p c 1 0 4 总线产i 存软什卜与p c a i 完拿兼窬。而住硬件l1 jp c a t i 嘤r f 订： 蓿以下儿方面不f d ： 小尺寸结构标准模块的机械尺j 为：3 6x38 英寸( 9 6 9 0 r a m ) ； 堆栈式“针”、“孑l 1 总线连接，即p c 1 0 4 总线模块之| 1 i j 总线的连接址迎 过上层的针和下层的孔棚互咬合相连，布极好的抗震性； 4 m a 总线驱动蚍可使模块证常i ：作，低功耗，减少元件数 盎： 盟! ! ! 些叁兰堡堡奎笙：要! ! ! ! ! 竖仝苎；! ! ! l 白我堆栈式连接，厄须母板。 p c 1 0 4 有两个版本，8 位、1 6 位分别与p c 和p c a t 相剥j 、i ；p c 1 0 4 p l u s 则与p c i 总线相对j 皿。在p c 1 0 4 总线的两个版水中，8 协p c 1 0 4 娃有6 4 个总线 管脚( 单列双排插针和插孔) ，1 6 位6 4 + 4 0 = 1 0 4 个总线话；脚( 双列双排插针删插f l ) ， 其有效信号线和控制线完全与“p c ”“p c a t ”兼容。p c i 0 4 p l u s 为t 列一排1 2 0 个总线管脚，有效信号线和控制线和p c i 总线完令旅客。一个p c 1 0 4c p u 模块拥 有p c 1 0 4 和p c i 0 4 p l u s 总线。 2 3 2s10 4 i d x - 4 5 0 工控机 列4 1 通信网络需要一个能在恶劣的条件下、需要刷冲寸、抗十扰的h m i 使 用的存似设备，对容量要求4 ；高，因此，吲念f 乜j 黼无疑是最佳的选扦。 埘胚 境进行分析及网络系统的整1 本需求报告，我们选择j ，思泰丛公刊s 1 0 4 d x 一4 5 0f 1 7 为一f 控j 【! l 。其西e 罱如一f ： m p u ：d x 4 8 6 1 0 0 ，速度为1 0 0m h z ； d r a m ：3 2 m ： l c d 液晶显示接口：v g a 显示模式，支持s t nc o l o r ，t f t 真彩等多种 规格的l c d 液品屏； c r l l 接口：s v g a 娃示模式，支持各种显示器： d o c 插座：可支持d o c ，f l a s he p r o m ； 书行l - i ：一个r s 2 3 2 门( c o m l ) ，一个t t l r s 2 3 2 1 r s 4 8 5 三r i 选 ( c o m 2 或u t i l i t y ) ： i 口：标艉l p t i _ 一个，支持e p p e c p ： i d e 接il ：可支持两个硬盘； 软驱拨l 1 ：支持标准软瓤； 其它：显示方面性能柚1 强：可支持w i n c e ，l i n u x 等 性能指标 尺、j ：9 0 m m x9 6 m m ； 工作温度：一2 0 0 c d 一7 0 。c ； 储存温度：4 0 。c + 8 5 。c ： 一r 作湿度：5 9 5 十日刘湿度，无冷凝； 功耗：+ 5 v d c ，1 a 该- 1 足一种高度集成，自栈结构，i b m p c a tj “容的p c 1 0 4 微处川! 器模块。 它rz j 被厅便与其它j 爿边i 殳备及模块构成完墼系统的核心部什i 。超小j i 、j ，1 + 籀9 们 【啊北1 业人学硕十论文 筇一章p c 1 0 4 嵌入i 控机 5 v 供电，宽工作温度范围，这都使陔毛板可独奇：作为一台p c a t0 l 。秘，或与 其它p c 1 0 4 模块一起构成嵌入式应用的理想方案。 第1 0 “ 曲北1 i 业人学硕士论文 第一- i 章波计方法1j 笑钮 上求 第三章设计方法与关键技术 在研制列车适配器时采h je d a 设汁方法和多种美键技术，例如：f i ，g a1 - j c p l d 技术、v h d l 语言编棍技术等。本章首先详细说明了适配器采用的设计方法 与各种关键技术，然后介绍了目酊较为流行的q u a r t u s l l 、a c l i v e h d l 等e d a 设 计工具。 3 1e d a 技术及其优点 随着t u 了技术的飞速发展，当前数字系统的设计币t 朗着速度快、容 | 人、体 积小、功耗低的方向发展。摊动该潮流迅猛发展的引擎就匙卜1 趋完善的e d a 技术。 e d a 技术是以大规模可编札 逻辑器件为设计载体，以馁件描述语矗( h d l ) j , j 系 统逻辑描述的上要表达方j ，以计算机、火规模u j 编程逻辑器件的丌发软仆及。实 验开发系统为设计工具，通过有关的丌发软件，n 动完成用软件方式设计的1 br 系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合与优化、逻g i 4 1 i 肘 布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配编泽、逻辑映剁、编程f 找等j ： 作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一新技术。 与传统的乜了- 设计技术相比，e d a 技术的优越性 要表现在： 缩短设汁周期 采j 千je d a 技术，设汁人员无需通过门级原理图州j 述 u 蹿，m 是针刘设汁标 进行功能描述。m 于拦脱了电路细节的束缚，设计人员可以将梢力集 ，0 “刨造性 的方案与概念构思上。 i 这些方案或概念构思以商层次描述的形式输入计钟f l 后，e d a 系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设汁，大大缩短丁j “- 门研发 周期。 节省设计赀j = j e d a 技术使电子工程! j i | j 在实际的电子系统产，上之 订就i u 以采用较为十i 确的模 型，全面地了解系统的功能特性和物理特性，实现各利分析，从n j j 暂j 1 ：发过槲，i ， 出现的缺陷淌火在设计阶段，小仪缩短了刀：发时问，也降低了j r 发成冰。 设计资源共享 托e d a 系统t h 成熟f 内单7 殴汁、各种模型投其棚关寥数均存放n ：毂驯胙文 件r h - 1 ：训锋机存储量_ 人、数挪 处理能力强所以，4 ：完成电路设计 j ，一r j 以 很方便地生成各种需要的数n 义件与报表文什，川户t j 以盥接# 卒这北改资源。 验证l 乜路方案发计的丌：啪性 始1 1j 玎 堕，化i ：业人学颂十论文 第二辛i 5 2 计方法与天地坎术 e d a 技术可用于系统方案设计或某利，新理论、新构思的方案设计进m 埘构 成系统的各种电路结构进行横拟分析，以判断电路结构设计的萨确一眺及其性能指 标的可实现性。 实现电路特性的模拟测试 电子电路的设计过程中，人量的工作就是各种数折：测试及特p f ：分析。采川e d a 方式可以方便地实现全功能测试，也可以直接模拟子种恶劣的i 作环境及荇种极 限条件下的电路特性而不损坏器件或r 乜路，比传统的设计方式要经济的多。 总之，利朋e d a 技术进 j 电子系统的设计爻质l 就是 3 软什的方，设计f 瞧什， 它最突m 的优点就是软件方j 设计的系统到硬什系统的转换是山相关的j r 发软什 自动完成朐，设训过程中可使硝仃关软件进彳1 j 备种仿真，系统町现场绷烈、仡线 升钦，整个系统可集成在一个，出片上，体积小，功耗低，可弘l + k 高。i i ：是这u * 优 点，使得e d a 技术成为现代 i 子设计的发展趋势。 3 2t o p - d o w n 的设计方法 传统的艘件系统采用的是自f 而上( b o t t o m u p ) 的1 5 2 计方法，这种，沈的仍 真和调试部在设计后期进行，凶而对设计人员存较商的要求，h 考虑4 i 剧，就 会引起殴汁叫溯，使得设计周期和开发成本大大增加。另外，它的：t 要没汁2 ；i t 足电路，小利于归档、保存和维护，同时阅读、修改也非常小使。随符i b 了i ： 业的飞速发展这 i ，方法娃然已不能适应新的形c ，为此，引入了利r 高层次的 设计方法，即自上而下( t o p d o w n ) 的设计方法。 t o p d o w n 的设计方法从系统的整体出发，n 上至下逐步将问题细化，使搿在 设计衲期就能及甲发现问题，这样大大降低了设汁龄川并缩短了设汁删期。f r j l i , ， 1 o p d o w n 的设计方法可使设汁者在没计仞期将 t 7 s s 集巾在f u 蹄f ，j 功能l ，m 不去 父一i l , 乜踏实现的具体细1 ，。具体地c 兑，t o p d o w n 漩汁方法j 1 肯以卜优点： 提r 可了殴汁速度，缩g o ；f 了产d 瑚07 1 ：发周期 j 于高层次设计的描述采 日行为级描述语寺。这0 t , i 等二i i 仪踢j 二狮述，l i 筋沽易障。一般束说，行为级h d l 人约仪为相同功能r t l 级h d l 代们的【分之 一。这可以明显地提高设计速度，缩短设计周期，并n 使7 ：川：集成电路予家州f 接参与从仃为舶述到芯片设i ：t 1 的各项工作，从而i j 使皿多的人员同时- ：作，加速 了整个设i | 进程。 有效地保证了设计质毙降低了设计成本 商屡次设计中行为拙述通常要比低层次的结构狲述简沾而t i 功r 编，i 年 堕! ! ! ：些兰婴笙茎塑：兰竺生互鲨：! 茎壁! ! ：生 理解，这就相应地降低了垃计的复杂性，减少丁描述错误，且容易检食刷修改。 另外，山于描述层次的提高而大大缩短了仿真时f l j ，并使设计中“j 现的问题能在 早期得到发现，降低整体设计的成本。 优化产品设计方案 基于行为级的设计可以优化系统的体系结构，i - j - 寻求最优或较优的设计力案， 并快速评估多种结构间的性价比。 与二l 艺无关。提高了设计的珂利用性 在高层次设计r | ，e i l l v h d l 语言具有与 ：艺见关的特性，凼而确：行为和结 构级司1 i 必关一0 与工g * t t 关f i , j n 节，这就为设计的再利用性提供了条f l ，也为今 后更快地设计出新产品刨造了条件，即使半导体j 商的丁艺改变，电 jl 哎蹙川 应的映射l 具，重新进行综合即可。 大大提高了设计的可交流性 在高j 。；次设计中，用户一般以v h d l 语言描述作为设计的规范酏 j 怫j * j 求说 明，在经商层次综合、用户修改、验证之后，仍可将结果转换为v h d