（通信与信息系统专业论文）mvb1类设备控制器的fpga设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 基于分布式控制系统的列车通信网络( t c n ) 包括连接列车内不同车辆的铰链式列车 总线( w t b ) 平t t 连接车辆内固定设备的多功能车辆总线( m v b ) 。在m v b 产品中，实现数 据链路层协议的核心：卷片m v b 设备控制器是m v b 技术的关键，其功能是实现m v b 与其物理设备之间的通信。目前m v b 控制器的技术被国外的几个公司垄断，致使在国 内购买孩芯片价格昂贵，并且我国对弓 进技术的理解消化和二次歼发都傲的不够，这些 因素严重阻碍了m v b 在国内枫车上的推广使用，同时也不利于研制具有鬓主知识产权 的列车通信网络产：品和日后制定中国自己的列车通信网络标猴。 正是基于这些原因，本文对t c n 中的m v b 技术进行了仔细研究，并在深入了解 m v b 的通信机制的基础上，提出了采用f p g a 替代m v b 控制器专用芯片的解决方法。 根据t c n 协议，连接在m v b 上的设备可以分为5 类，其中1 类设备可以在不需要c p u 的基础上实现自动通信，最为常用。本设计的目的就是采用f p g a 替代m v b l 类设备 控告8 器。 本文采用自项向下的模块化设计方法，根据m v b l 类设备控制器要实现的功能，将 设计划分为3 个模块：发送模块、接收模块和m v b l 类模式控制模块。其中发送模块又 划分为位控制单元、c r c 生成单元、f i f o 单元和曼彻斯特编码单元等。接收模块又划 分为帧起始检测单元、时钟恢复单元、帧分界符检测单元、数据译码单元、c r c 校验单 元、译码控制单元和长度错误检测单元等。m v b l 类模式控制模块又划分为报文错误处 理单元、主帧寄存器单元、t m 控制单元和主控单元等一匕述各模块的r t l 级设计都是 采用硬件描述语言v e r i l o g 实现豹。 在完成r t l 级设计的基础上，进一步构建了整个系统的功能仿真平台，在该平台 上验证了设计的正确性。针对x i l i n x 公司的x c 2 s 2 0 0 芯片，利用i s e 集成工具对本设 计进行了综合及时序仿真，验证了其收发帧及报文分析等功能，得到了符合1 e c 6 1 3 7 5 1 协议的帧波形。 关键词：列车通傣圈；多功麓车辆总线；m v b l 类设备控翩器；f p g a m v b i 类漫备控制器的f p g a 设计 t h e d e s i g no f c l a s s1m v b d e v i c ec o n t r o l l e rb a s e df p g a a b s t r a c t 删nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf t c n ) w h i c hb a s e so nd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi s d i v i d e di n t ow i r et r a i nb u s ( w t b lw h i c hi su s e df o ri n t e r c o n n e c t i n gv e h i c l e si no p e nt r a i n s a n dm u t i f u n c t i o nv c h i c l eb u s ( m v 酌w h i c hi su s e df o rc o n n e c t i n gf i x e dd e v i c e si nav e h i c l e r e f e r r e dt ot h ep r o d u c t so fm v b t h em v bc o n t r o l l e rw h i c hr e a l i z e st h ep r o t o c o lo fl i n k l e v e li st h ek e yt e c h n o l o g yo fm v b ，i t sf u n c t i o ni st or e a l i z et h ec o m m a n i c a t i o nb e t w e e n m v ba n dt h el i n k e dp h ) r s i c a ld e v i c e t h em v br e l a t e dt e c h n o l o g i e sa n dp r o d u c t sa r e m o n o p o l i z e db ys o m ef o r e i g nc o m p a n i e s ，w h i c hb a f f l e st h ea p p l i c a t i o n so fm v bi no u r e o u r l l i f f 、i ss i t u a t i o nd o e s n tp r o f i tt h er e s e a r c ho f o d ro v np r o d u c t sa n dt h ee s t a b l i s h m e n t o f o u ro w ns t m l d a r d 。 f o ra l lo ft h er e a s o n sa b o v e m v bi sr e s e a r c h e da n do nt h eb a s eo fu n d e r s t a n d i n gt h e m v bc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m am e t h o dw i t hf p g at or e p l a c et h em v bc o n t r o l l e ra s i c i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r d e v i c e sa t t a c h e dt ot h em v ba r ed i v i d e di n t of i v ec l a s s e sa c c o r d i n g t ot h et c np r o t o c 0 1 c l a s s1d e v i c e sw h i c ha r em o s tw i d e l yu s e di nt c nc a nr e a l i z e a u t o m a t i cc o m m u n i c a t i o nw i t h o u tt h eh e l po fc p u t h ep u t p o s eo ft h i sp a p e ri st od e s i g n c l a s s lm v bc o n t r o l l e rw i t hf p g a b a s e do nt h ef u n c t i o no ft h ec l a s slm v bc o n t r o l l e rt or e a l i z e at o p d o w nm o d u l e d e s i g nm e t h o di sa d o p t e da n dt h ed e s i g ni sd i v i d e di n t ot h r e em o d u l e s ：e n c o d e r , d e c o d e ra n d c l a s s ld e v i c ec o n t r o l l e r t or e a l i z et h ef u n c t i o n so fe n c o d e r t h i s p a p e rd i v i d e s i ti n t o f o l l o w i n gb a s i cn n i t s ：b i tc o n t r o l ，c r cg e n e r a t o r , f i f oa n dm a n c h e s t e rc o d i n ge t c t h e d e c o d e ri sa l s od i v i d e di n t os t a r td e t e c t i n g c l o c kr e c o v e r , f r a m ed e l i m i t e rd e t e c t i n g d a t a d e c o d e , c r cc h e c k o u t ，d e c o d i n gc o n t r o la n dl e n g t he r r o rd e t e c t i n gu n i t se t c a n dc l a s s1 d e v i c ec o n t r o l l e rm o d u l ei sd i v i d e di n t oe r r o rh a n d l e m a s t e rf r a m er e g i s t e r m c ua n dt r a 蕊c m e m o r yc o n t r o l l e ru n i t se t c t h er t ld e s i g no fa l lt h em o d u l e sa b o v ei sc o m p l e t e dw i t h v e 矗l o gh d l + a t i e rt h er t ld e s i g n ，t h ef u n c t i o ns i m u l a t i o n p l a t f o r mf o rt h ew h o l es y s t e mi s c o n s t r u c t e da n dt h ed e s i g n sv a l i d a t e do ni t t h e n t i l ed e s i g ni ss y n t h e s i z e da n dt i m i n g s i m u l a t e dw i t hi s ef o rx c 2 s 2 0 0f p g a t h ef u n c t i o n so ft h em v bc o n t r o l l e rs u c ha s e n e o d e r 。d e c o d e ra n dc l a s sld e v i c ec o n t r o l l e ra r ev a l i d a t e da n df r a m ew a v e f u m a si 1 1c o m p l e t e c o n f o r m a n c ew i t hl e c 6 1 3 7 5 一lp r o t o c o la r ea c h i e y e d k e yw o r d s ：t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ；m v b ；c l a s s1m v bc o n t r o l l e r ；f p g a 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 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：查红 日期：墨! ! ：兰：竺 人连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：奎丝 新签名：勉苎滥 盟年上月旦日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 问题的提出 当今人类正进入网络社会，计算机网络的迅猛发展正在改变着人们的工作和生活。 对铁路运输也不例外。列车上的信息可以分为远程控制信息、诊断信息和旅客服务信息。 远程控制信息包括用于牵引的信息和车辆的照明、车门、空调和倾摆控制等信息；诊断 信息包括设备故障和维修等信息；旅客服务信息有报站、意外、转车和订座等信剧1 1 。 随着列车上设备控制和服务对象的增多，需要传输的信息的数量和种类也在不断增长， 因此，就迫切需要一种大容量、高速度的信息传输系统来提高控制、监视和诊断水平【2 】。 列车通信网络( t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，简称t c n ) 就是在这种背景下产生的，列车 通信网络包括地铁、城市轻轨列车上的通信网络，是面向现场控制的一种连接车载设备 的数据通信系统，它集整列列车内部测控任务和信息处理任务为一身，把全列车各个由 计算机控制的部件进行联网通信【3 1 ，是分布式列车控制系统的核心组成部分。在列车通 信网中，司机对整个列车的控制命令通过列车通信网络送到列车各个车辆中的设备上， 这些设备通过车辆总线控制器把各自的状态传输到车辆总线上，再由列车通信网络送到 司机显示台上【4 j ，让整个列车有效而安全的工作。 国际电工技术委员会( i e c ) 为实现车载数据通信的国际标准化于1 9 9 9 年通过了一项 列车通信网络专用标准即m c 6 1 3 7 5 1 。该标准将t c n 分为用于连接各节可动态编组的列 车级通信网络铰链式列车总线( w t b ) 以及用于连接车辆内固定设备的车辆通信网络多 功能车辆总线( m v b ) 1 5 l 。m v b 控制器用于实现车辆内设备与m v b 之间的通信，在列车通 信网中起着举足轻重的作用，但是目前该项技术被国外的几个公司如b o m b a r d i e r ， s i e m e n s 等垄断m ，致使在国内购买昂贵，所以，研制m v b 控制器，开发具有自主知识 产权的产品，对我国列车通信网络的建设有重要意义。 1 2 列车控制网络及m v b 控制器在国外的应用现状 由于铁路运输在世界上不同地区和国家的特点和竞争程度不同，不同的国家或地区 的列车控制网络技术采用了不同的技术开发路线和模式。欧洲的铁路运输市场竞争较为 激烈，用户对机车车辆及其控制技术的要求也较高，同时由于欧盟的形成，客观上对列 车及其控制系统的互通和互联提出了更高的要求。1 9 9 9 年通过的i e c 6 1 3 7 5 1 的t c n 列车 网络国际标准就是以s i e m e n s 和a o t l a n z 等大公司的原有技术为原型经共同开发后所形 成的。 日本的铁路运输业也十分发达，但由于日本地形十分封闭的特点，其列车控制网络 m v b i 类设备控制器的f f ，g a 设计 技术模式不同于欧洲，而是采用了一种适用主义的技术路线：列车总线采用实时的 a r c n e i 令牌环型或梯型网络，而车辆总线则采用基于h d l c 的r s 4 8 5 总线，同样满足 了包括新干线高速列车在内的各种列车的控制需求，且具有较高的性价比。 美国铁路运输业有辉煌的过去，而目前主要以重载货运为主，其列车控制网络技术 以实用为原则，大量采用包括l o n w o r k s 、c a n 和无线网络等通用或在通用技术基础上的 改进技术，也较好地满足了铁路运输的需要。 t c n 网络是专门为铁路机车动车的控制而开发的网络技术。它的开发和应用主要由 s i e m e n s 和b o m b a r d i e r 等公司主导，其主要应用在互操作性和控制实时性要求高的国际联 运高速机车动车组以及地铁列车等关键的轨道交通领域等。一个典型的t e n 网络系统包 括两层总线结构：铰链式列车总线( w t b ) 和多功能车辆总线( m v b ) ，w t b 与m v b 之间 通过网关( 节点) 进行协议转换。列车总线w t b 是对s i e m e n s 的d i n 4 3 3 2 2 总线的改进，主 要用于车辆之间的重联通信，其最大的特点是具有列车初运行和烧结( 通信连接器触点 去氧化) 等功能，能自动识别车辆在列车编组中的位置和方向，从而满足开放式列车需 要频繁编组等特殊要求。车辆总线m v b 则来源于a d t r a n z 公司的m i c a s 总线( 后更名为多 功能车辆总线m v b ) ，主要用于车辆内控制设备的互联。t c n 网络采用基于总线管理器 ( b a ) 的集中式介质访问控制，并支持介质和总线管理器的冗余，因而具有强实时性和高 可靠性等特点。 在m v b 产品中，实现数据链路层协议的核心芯片m v b 控制器( m v b c ) 是掌握m v b 技术的关键，它主要完成数据链路层的控制功能，提供与物理层的接口能力，同时提供 了和c p u 以及通信存储器通信的数据、地址总线和控制总线，自主完成总线通信。m v b 控制器的开发正处于逐步发展并不断的更新换代中。最早由芯片b a p1 5 2 3 和b a c 协同 工作实现数据链路层的控制，随后由a b b 公司和s i e m e n s 公司专门定制的m v b 控制器专 用芯片来实现数据链路层功能控制。瑞士的d u a g o n 等公司则开发出了基于f p g a 的系列 m v b 控制器和i o 设备，用户可以通过购买网络部件来进行t c n 网络控制系统的集成和 应用开发【刀。 1 3 列车控制网络及m v b 控制器在国内的应用现状 1 9 9 9 年，i e c 6 1 3 7 5 1 标准被我国铁道行业标准t b t 3 0 3 5 2 0 0 2 列车通信网络所 采纳嗍。上海铁道大学、北方交通大学等单位与株洲电力机车研究所对列车通信网络标 准t c n 以及t c n 中的m v b 总线进行了研究，研制了由a r c n e t 列车总线和h d l c 车辆总 线构成的列车通信n 1 9 1 。株洲电力机车研究所从国外购买的m v b 产品正在逐步国产化； 四方机车车辆研究所、铁道科学研究院等单位对m v b 及w t b 进行了研究，购买了或准 大连理工大学硕士学位论文 备购买l o n w o r k s 、m v b 及w r b 的开发工具。以上这些研究有一部分成果正在逐步应用。 m v b 在国内已先后用于“先锋”、“澳星”、“蓝箭”、“中原之星”及“中华之星”等动车组。 为解决机车重联，从瑞士a d t r a n z 购买了m 1 2 c a s s 2 系统。其控制网络由3 级构成： 列车总线为f s k ，速率为1 9 2 k b i t s ，介质为屏蔽双绞线；车辆总线为m v b ，介质为光 纤，速率为1 5 m b i t s t l o l 。 m v b 控制器在列车通信网中负责车辆内设备之间的通信。掌握m v b 控制器的技术 对研究列车通信网，开发具有自主知识产权的高速列车有着非常重要的意义。虽然我国 引进的一些m v b 产品包括m v b 控制器已经应用于一些国内的动车组，但是单靠引进的 方法不但价格昂贵，而且不利于开发自主知识产权的产品。用f p g a 取代专用芯片的功 能很好的解决了这个问题。所以我国建设列车通信网要一方面从各种渠道获取m v b 控制 器专用芯片进行网络构建及网络协议栈的开发，另一方面采用f p g a 开发替代专用芯片， 开发具有自主知识产权的高速列车。本课题的任务就是用f p g a 来实现m v b 控制器专用 芯片的功能。 1 4 论文的内容和结构安排 本文以列车通信网络标准i e c 6 1 3 7 5 - l 为基础，研究了多功能车辆总线( m v 8 ) ，分 析了m v b l 类设备控制器要实现的功能，采用自项向下的模块化设计方法对m v b l 类 设备控制器进行了模块划分，并利用v c r i l o g 硬件描述语言实现了各个模块的功能。利 用i s e 集成环境及第三方工具m o d e l s i m 和s y n p l i f y p r o 对设计进行了综合以及时序仿真 验证了m v b l 类设备控制器的功能，得到了符合i e c 6 1 3 7 5 1 协议的帧波形。 本文结构安排如下： 第一章主要介绍了本论文的研究背景、研穸意义、研究内容，最后简单介绍了本文 的组织结构； 第二章主要对列车通信网络i e c 6 1 3 7 5 1 的m v b 协议及m v b i 类设备控制器的功能 进行了研究和分析； 第三章简要介绍了数字系统设计流程； 第四章介绍了m v b i 类设备控制器的总体设计。具体介绍了各个子模块的实现方 法： 第五章介绍了设计的仿真情况。在本章中具体介绍了为验证本设计构建的仿真平 台，并具体对m v b i 类设备控制器的各项功能进行了仿真，给出了仿真波形。仿真结果 验证了设计的正确性。 m v b l 类设备控制器的f p g a 设计 2m v b 的实时协议 2 1t c n 概述 t c n 在网络拓扑结构上为两层总线型结构：铰链式列车总线( w t b ) 和多功能车辆总 线( m v b ) 。w t b 用于解决列车级标准数据通信的需求，用于车辆间通信。m v b 用于解 决车辆级标准数据通信数据的需求，用于车辆内部各种设备之间通信。w t b 与m v b 是 两个独立的通信子网，两种总线之间通过节点( 网关) 互联。拓扑结构如图2 1 所示【1 ”。 设备 设备设备 图2 1 列车通信网络拓扑结构图 f i g 2 1t o p o l o g ys 咖c t u f ed i a g r a mo f t c n 绞链式列车总线用于构成经常发生变化的开放式列车，它在双绞线对上传输距离达 8 6 0 m ，标准运行速率为1 m b p s 。列车总线采用屏蔽双绞线作为通信介质，经变压器耦合 可连接多达3 2 个站。列车总线上连接的设备称为节点，每节车辆中可能有一个以上的节 点。节点可以不连接车辆总线，也可以连接几个车辆总线。列车总线节点可作为列车总 线和车辆总线之间的网关。通常将有动力装置的车辆内的节点称为主节点，无动力装置 的车辆内的节点称为从节点。列车总线采用总线型的拓扑结构。由于是共享总线，每一 列车在一次运行中必须是有一个且只有一个控制列车总线工作的节点，称为控制节点。 控制节点必须是主节点，称为总线主设备。在一个运行周期内，由总线主设备管理列车 总线的运行，必要的时候总线主设备可以切换。列车总线是自组态的，当列车编组改变 时，列车总线主动重新构成，得到一个总线主设备，并自动指定各节点地址、位置及识 别运行方向【1 2 1 。 多功能车辆总线用于连接一个车辆内或者一个不可分割的车辆组内的设备。它规定 了物理层和数据链路层，车辆总线在一个车辆内可支持多达4 0 9 5 个设备和传感器执行机 构。在双绞线上作短距离传输或在光纤上进行长达2 0 0 0 m 的传输时，其速率可达 1 5 m b p s t l 3 1 。车辆总线具有固定的结构和地址，且拓扑结构为一对多点的主从方式。在 矗羔藉 大连理工大学硕士学位论文 一定周期内，由总线管理器负责控制整个车辆内各设备对总线的访问。总线上可有多个 冗余备份的总线管理器，但在一个给定的时间内，只能有一个总线管理器是主动的，称 为主设备，其他的管理器作为一个从设备在总线内出现，并作为冗余以防故障的出现。 总线主之间以令牌算法进行切换管理总线【1 4 1 。由于列车的干扰状况和运行环境的恶劣程 度是其它工业场合不可比拟的，所以车辆总线通信的可靠性要求极高。同时，车辆总线 要求通信具有强实时性，能在规定的采样周期内，及时响应操作命令，及时采集机车内 设备的状态参数，及时给出控制命令等。在m v b 总线中，总线访问每个设备由专用的总 线控制器控制。m v b 控制器包含编码器和译码器，以及控制通信存储器的逻辑。总线控 制器对到达的帧译码并寻址相应的通信存储器。由于总线上的设备都必须具备控制器， 否则无法在总线上通信，所以控制器芯片的开发对于整个m v b 系统来说是一个技术核 心。 m v b 的实时协议包括物理层和链路层。 2 2 物理层 m v b 的物理层的设计可以得到很高的鲁棒性。一个m v b 结构应包括一个或多个总 线段，这些总线段由下述介质之一构成【1 5 】： ( 1 ) e s d ：电气短距离介质是依照r s 4 8 5 标准的差分传输导线对，在无需电气隔离 的情况下在2 0 m 的传输距离内最大可支持至1 j 3 2 个设备，若使用电气隔离则传输距离更远。 ( 2 ) e m d ：由屏蔽双绞线组成的电气中距离介质。在2 0 0 0 m 的传输距离内最大可支 持3 2 个设备，允许使用变压器作电气隔离。 ( 3 ) o g f ：光纤介质。通过星耦器汇出，传输距离可达2 0 k m ，主要用于较为苛刻 的环境( 如机车上) 。 m v b 拓扑结构包括上述特定介质的一个或多个总线段。每一个总线段可被设置成无 冗余状态或双线冗余状态。m v b 标准定义双线冗余状态为默认状态，用以避免单线传输 数据出错的情况。在双线中的一条传输数据失败时，线路冗余可以保证连续的数据通信。 每一个设备或端接器都可以辨识有故障的线路并且自动切换到另一条线路接收数据。 不同总线段通过总线连接器或星耦器相连。这些连接器包括信号再生逻辑可以用来 恢复信号质量。信号再生器( r e g a ) 从一个总线段接收信号，经过过滤和重新同步后再 把信号传送到其它总线段。总线连接器还可以检测线路干扰、寂静或闲聊暂停t j a b b e r ) 状态。当检测到发送器工作长于时间tj a b b e r 时，信号将不会被传输到另一个总线段， 这种机制避免了干扰信号在整个拓扑结构中的传输【1 6 1 。一个总线上最多可以连接4 0 9 5 个设备。每个设备拥有唯一的设备地址。连接在m v b 上的设备按性能可分为5 类【l _ 7 】： m v b l 类设备控制器的f l e a 设计 l 类设备：1 类设备具有设备状态性能和过程数据性能。注：在此类设备中，过程数 据的端口地址与设备的地址有关，例如端口地址与设备地址相同。 2 类设备：2 类设备具有设备状态性能、过程数据性能和消息数据性能。注：2 类设 备是一种可通过总线配置的智能设备，但不可编程。 3 类设备：3 类设备具有设备状态性能、过程数据性能、消息数据性能和用户可编程 性能。 4 类设备：4 类设备具有设备状态性能、过程数据性能、消息数据性能和总线管理性 能。注：也可具有用户可编程性能。 5 类设备：5 类设备具有设备状态性能、过程数据性能、消息数据性能和t c n 网关性 能。5 类设备也可具有总线管理器性能。注：带有总线管理器性能的网关可使总线同步。 信号产生速度应为1 5 m b i t s ，使用曼彻斯特编码( b r = i 5 m h z 或1 5 m b i t s ， b t = 6 6 6 7 n s ) 。如图2 2 所示为一种由m v b 不同介质的混合总线段连接的拓扑结构酬。 注： 1 ) b c 为总线连接器。 2 ) s c 为星耦器。 图2 2m v b 拓扑结构图 f i g 2 2t o p o l o g ys t r u c t u r ed i a g r a m o f m v b 在m v b 中大量应用的是具有过程数据传输和设备状态数据传输能力的1 类设备。l 类设备逻辑的功能不支持c p u 或微处理器的操作。它主要作为传感器执行单元，只进 行数据的采集和传输，不进行处理，因此可以单独用f p g a 和简单外围电子电路实现网 络传输和控制功能，不需要c p u | 1 9 , 2 0 1 。在设计好m v b t 类设备控制器的基础上，可根 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 据需要采用模块复用技术把m v b l 类设备控制器扩展为主设备控制器。本课题任务就是 用f p g a 的方法设计m v b i 类设备控制器。 2 2 链路层 2 2 1 主帧和从帧的内容 帧的编码和解码采用两种不同电平的二进制介质，这两种电平称做h i g h 和l o w 。 单个的数据位，“l ”和“0 ”，应按如下规则在位单元中编码：一个“l ”的编码 在位元的前半部分应为h i g h ，后半部分为l o w ；一个“0 ”的编码在位元的前半部分应 为l o w ，后半部分为h i g h 。此编码称做曼彻斯特或b i - p h a s e l 编码。 非数据符，n h 和n l ，应按如下规则在位元中编码：一个“n i ”的编码在整个位单 元为h i g h ；一个“n l ”的编码在整个位单元为l o w 。 发送器用一个起始位来开始一个帧，该起始位以逻辑“1 ”送出。 数据以帧的形式传送，解码器能辨认的有效帧应包含：一个起始分界符，其后为由 “0 ”或“l ”编码组成的帧数据；接着为一个终止分界符。起始分界符可以用来辨别主 从帧，其中主帧起始分界符的序列为： 起始位，“n h ”，“n l ”，“0 ”，“n h ”，“n l ”， “0 ”，“0 ”，“0 ” ，如图2 3 所示。 图2 3 主帧起始分界符 f i g 2 3m a s t e rf r a m es t a r td e l i m i t e r 从起始分界符的序列为： 起始位，“l ”，“1 ”，“l ”，“n l ”，“n i t ”，“1 ”，“n l ”， “n h ”，如图2 4 所示。 起始位 123 60 。l 。l 。l 。l n h i ii l 图2 4 从帧起始分界符 f i g 2 4s l a v ef r a m es t a l td e l i m i t e r m v b l 类设备控制器的f p g a 设计 在帧的最后一位位单元后，发送器将发送一个终止分界符，终止分界符根据介质区 分：当介质为e s d 时，添加一个“n l ”编码，并停止发送；当介质为e m d 时，在“n l ” 编码之后添加一个“n h ”编码，并停止发送；当介质为o g f 时，添加一个“n l ”编码， 并停止发送。 一个主帧以主起始分界符开始，其后为1 6 位帧数据，接着为8 位校验序，最后为终 止分界符。如图2 5 所示。 卜_ + 帧数据一 起始位主帧起始分界符 王三三至 二 二匹至习二i 二 校验序列终止分界符 卜+ l + 8 位+ + 1 6 位+ 8 位叫l 或2 9 t 图2 5 主帧格式 f i g 2 5m a s t e rf r a m ef o r m a t 一个从帧以从起始分界符开始，接着为1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 或2 5 6 位帧数据，在每“个 数据位后包含一个8 位的校验序列或当帧数据只有1 6 或3 2 位时将一个8 位的校验序列附 加其后，如图2 6 所示。 起始位从 卜_ 帧数据i 一 f 撒囡啦 。位垦 国国 触垦雠垦触垦 图2 6 从帧格式 f i g 2 6s l a v ef r a m e sf o r m a t 终止分界符 国 啦 l 或2 位 大连理工大学硕士学位论文 主帧1 6 位字中最高有效前四位应为f d e 。次有效的后1 2 位应表示f - c o d e 所指定的 地址或参数。前4 位的f _ d e 限定了后1 2 位数据且表明了要接收的从帧的长度。f c o d e 应按表2 1 进行编码。 表2 1 主帧类型和fc o d e t a b 2 1m a s t e rf r d m et y | p 髂a n df _ c o d e 报文由主帧以及为响应此主帧而送出的从帧组成。 2 2 2w b 的介质访问方式 m v b 采用主- 从方式的确定性介质访问控制，介质访问由总线上唯一的主设备集中 控制。这时的主设备又称总线管理器，总线管理器设备在轮回时间内保持对总线的控制。 在轮回结束时，当前主设备将把控制权移交给下一个待选主设备，如果没有找到合适的 主设备则它将执行控制权【2 l 】。 9 一 m v b i 类设备控制器的f l e a 设计 为了保证实时变量通信确定的、不受负载影响的响应时间，同时使非实时的消息通 信能充分利用剩余的带宽，m v b 总线上的主设备将一个轮回时间划分为固定的时间片， 这个时间片称为“基本周期”，一个基本周期又分为四个相 2 2 1 ：周期相，主设备在此时 域轮询周期数据；监视相，主设备利用该相进行设备扫描和主权转移；事件相，主设备 在此时域内进行事件查询；保护相，作为提供下一个周期相的开始。如图2 7 所示【1 5 1 。 一 蓥牟硎l 1 一b ，j ：h 。_ 一| 1_ 甲，l 口1 一叩， 一f 一 l s p o r i c l i e j k 叫 周期相监视相事件相 | 周期相 监视相事件相l 颦2 罂 ；霸 霸l 醚 嗤l 。l 。l 5 9 l 卸|骊爨 悼l ；l 一旦i s n i 刳也旺 周期数据 管理数据监视数据 消息数据 图2 7 基本周期 f i g 2 7b a s i cp e d o d 总线主设备利用周期相来传送实时性要求很严的过程数据，利用监督相进行事件轮 询、设备状态扫描和主权的传送；在事件相，根据事件轮询的结果传递消息数据和改变 的设备状态。在偶发相发送之后保留的保护相作为缓冲以保证下一个周期能正确的开 始。 由于车辆总线的任务不同，周期相和偶发相在一个基本周期内的比例也不同。主设 备最小的带宽分配周期( 基本周期) 决定实时变量的最快响应时间，m v b 的最快响应时间 可达1 2 m s ，该周期的实现、各个相的比例通过配置通信存储器( t m ) 来实现。 2 2 3 报文类型 1 类设备控制器只能作为从设备来响应主帧数据，l 类设备可以响应主设备发送的 过程数据请求以及设备状态报文请求。 ( 1 ) 过程数据 过程数据通信是在周期相中进行的源寻址广播，在固定的时间间隔( 1 ，2 3 1 0 2 4 m s ) 发送，因此可以实现实时操作。通过设置主帧中的fc o d e 为0 、l 、2 或3 ，规定了响应从 帧的长度分别为2 、4 、8 或1 6 个1 6 位的数据字。主帧中存放的1 2 位地址指示的是逻辑地 址，这个逻辑地址在这4 0 9 5 个设备中的逻辑地址中是唯一的。过程数据的传送过程如下： 所有的设备都接收主帧，并且检查主帧中的逻辑地址是否指示的是本设备的一个逻辑源 大连理工大学硕士学位论文 地址、逻辑宿地址或者两者都不是。对于拥有c p u 的智能设备( 2 ，3 ，4 和5 类设备) ，收 到主帧后将检测外部存储器的数据端口并查询相关的端口设置参数以此决定是否响应 该主帧。对于简单的1 类设备，要通过判断硬件配置参数来决定是否响应主帧。如果一 个源端口被访问，设备将从外部存储器中提取数据，并以从帧的形式发送到m v b 上。所 有的具有宿端口的设备都将接收这一从帧并把它存放到外部存储器中。一般来说，c p u 有权访问外部存储器，即可以从外部存储器中提取帧数据或者把接收到的帧数据存放到 外部存储器中。1 类设备通常直接和外围设备( 如寄存器、a d 转换器或本地机械装置) 通 信以确保数据的一致性。总线上所有的主帧和从帧都是广播式，设备通过地址和自身属 性来判断如何处理帧。一个逻辑地址可以有多个宿设备，但只能有一个源设备。如图2 8 为过程数据报文的格式1 1 5 l 。 过程数据请求 主帧 过程数据响应 从帧 叵竺：竺：竺! 图2 8 过程数据报文 f i g 2 8p r o c e s sd a t at e l e g r a m ( 2 ) 设备状态响应 主设备在监视相中发送设备状态请求( f _ c o d e = l s ) ，当l 类设备被访问时，l 类设备由 设备控制器响应设备状态响应。设备状态响应的格式如表2 2 所示【1 5 】。 表2 2 设备状态响应 t a b 2 2d e v i c es t a t u sr e p o r t m v b i 类设备控制器的f l e a 设计 3 数字系统设计流程 3 1 硬件描述语言 硬件描述语言h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是- - 种用形式化方法来描述数 字电路和系统的语言。数字电路系统的设计者利用这种语言可以从上层到下层( 从抽象 到具体) ，逐层描述自己的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系 统。然后利用电子设计自动化( e d a ) i 具逐层进行仿真验证，再把其中需要变为具体物 理电路的模块组合，经由自动综合工具转换成门级电路网表。接下去再用专用集成电路 ( a s i c ) 或现场可编程门阵y t j ( f p g a ) 自动布局布线工具把网表转换为具体电路布线结构 的实现。 v e r i l o gh d l 是硬件描述语言的一种，可以在算法级、门级到开关级的多种抽象设 计层次上对数字系统建模。v e r i l o gh d l 可以描述设计的行为特征、数据流特性、结构 组成以及包含响应监控和设计验证方面的时延和波形产生机制。此外，v e r i l o gh d l 提 供了编程语言接口，通过该接口用户可以在模拟、验证期间从外部访问设计，包括模拟 的具体控制和运行 2 3 j 。 一个复杂电路系统的完整v e r i l o gh d l 模型是由若干个v e r i l o gh d l 模块构成的， 每一个模块又可以由若干个子模块构成。其中有些模块需要综合成具体电路，而有些模 块只是与用户所设计的模块有交互联系的现存电路或激励信号源。利用v e r i l o gh d l 语 言结构所提供的这种功能就可以构造一个模块问的清晰层次结构来描述及其复杂的大 型设计，并对所作设计的逻辑电路进行严格的验证。 3 2a s i c 设计流程 在设计系统时，我们常采用自顶向下的设计思路。首先是设计系统级的功能行为， 接下来我们要将系统分解为不同的模块，用h d l 代码实现。然后将代码综合为具体的 门级实现。i c 产品的设计过程是：设计者根据设计要求，提出设计构思，并将这个构思 逐步细化，直至具体代码实现；再由代码综合出门级网表，生成版图，最终制成产品1 2 4 j 。 a s i c 设计流程中各个步骤简要说明如下： 规格定义：i c 设计的第一步，是给出设计规格，包括电气规格、功能规格等。它 是后面设计的依据，也是验证系统的依据。规格定义必须完整、清晰。 工艺选择：选择哪种工艺。 大连理工大学硕士学位论文 架构选择：是并行的还是串行的架构，是否需要流水线结构。架构基于设计规格来 选择。根据功能要求，设计者要考虑：采用并行设计还是串行设计，设计中各模块都采 用什么时钟，各时钟的相位有什么关系，是否用流水线等等。 电路设计：这一步骤是系统实现的重要步骤，需要划分模块，定义各模块的功能并 定义模块间的连接关系。电路设计一般要从行为级开始，在r t l 级完成设计，经过综 合后，得到门级网表。 电路仿真：包括功能仿真及时序仿真。在r t l 级可以进行功能仿真，而时序仿真 要在门级才能进行。 布局布线：一般是自动完成的，必要时进行手工布线。 布局的验证：包括设计规则检查( d r c ) 等。 布局后的仿真：通常称为后仿真，这个时候得到布线的延时，因而时序仿真更接近 真实的情况。 投片：时序仿真验证无误后，就要将设计送到i c 制造厂进行投片。 3 3f p g a 在a s i c 设计中的应用 3 3 1f p g a 的结构 简化的f p o a 的结构由4 部分组成【2 5 】：输入输出模块、二维逻辑阵列模块、连线 资源和内嵌存储器结构。如图3 1 所示。 鏖鲴卫雹圃田墨圊 阅勰嚣豳圈蠲圈髅 图3 1f p g a 内部结构图 f i g 3 1d i a g r a mo f f p g ai n t e r n a ls t r u c t u r e 输入，输出模块是芯片与外界的接口，完成不同电气特性下的输入输出功能要求； 二维逻辑阵列模块是可编程逻辑的主体，可以根据设计灵活地改变与配置，完成不同的 逻辑功能。二维逻辑阵列模块主要e hc l b 构成。在s p a r t a n 2 系列中，一个c l b 包括2 m v b l 类设备控制器的f p g a 设计 个s l i c e s ，每个s l i c e 包括两个查找表( l u t ) 、两个d 触发器和相关逻辑1 2 6 1 。s l i c e s 可以 看成是实现逻辑的最基本结构；连线资源连接所有的二维逻辑阵列模块和输入输出模 块，连线长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度；内嵌存储器结构可以 在芯片内部存储数据。f p g a 的二维逻辑阵列模块是基于查找表结构的。 f p g a 中寄存器资源比较丰富，适合做同步时序电路较多的设计。f p g a 可反复编 程，并能实现芯片功能的动态重构。f p g a 作为一种特殊应用的a s i c ，既继承了a s i c 的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了普通a s i c 设计周期长、投资大、灵 活性差的缺点，逐步成为复杂数字硬件电路设计的理想首选1 2 ”。 3 3 2f p g a 原型设计 把一个有专用目的，并具有一定规模的电路或子系统集成化并设计在一个芯片上， 这就是专用集成电路( a s i c ) 的设计任务，通常a s i c 的设计要么采用全定制电路设计方 法，要么采用半定制电路设计方法进行检验，若不满足要求，还要重新设计再进行验证。 这样，不但开发费用高，