（电子科学与技术专业论文）基于powerpc的机车监控显示系统设计与实现.pdf

d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o fl o c o m o t i v em o n i t o r i n gd i s p l a y s y s t e m b y l i uj i a n p i n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 6 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r o n i c ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl if u h a i a p r i l ，2 0 1 1 眦2帆4詈三5m 6 0m 9iiiii-m y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：如霞耳 日期：玉硎年r 月e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：胡随耳 导师签名：嗜d 乏融 e t 期：驯年，月矽e 1 日期：纩，年，月2 7 日 基于p o w e r p c 的机车监控显示系统设计与实现 摘要 近年来，我国的高铁事业发展迅速，对机车上的安全监控设备提出的功能性 和可靠性要求也不断提高。l k j 2 0 0 0 作为保障列车安全运行的监控记录设备，对 减少列车运行事故的发生，促进机务管理等有着显著的效果。但随着电子技术的 日益发展和铁路行业对系统安全要求的不断提高，作为这个系统的人机交互部分， 即基于x 8 6 架构的显示系统已不能很好的满足需求，其发热量大，结构存在缺陷， 因此，有必要研制出一种新型的机车监控显示系统，以解决基于x 8 6 架构的显示 系统的不足，达到更高的显示性能和可靠性。而嵌入式系统领域微处理器的性能 和集成度的不断提高、嵌入式操作系统的不断完善以及制造工艺的不断成熟也为 研制新的显示系统提供了保障。 文章首先分析了嵌入式技术的发展现状和趋势、p o w e r p c 架构的技术特点以 及机车监控系统的发展形势，比较了国内外机车安全监控系统的优缺点，分析了 x 8 6 架构的显示系统的缺陷和隐患，以及新型机车监控显示系统在设计上的可行 性。然后，针对我国铁路运营不断提高的对机车安全性、稳定性等方面的要求， 设计了基于p o w e r p c 处理器的机车监控显示系统，硬件上采用m p c 5 1 2 l 作为处 理器，集成需要的工业接口，并采用c p l d 来做系统的逻辑控制器，软件上采用 嵌入式l i n u x2 6 2 4 版本的操作系统，最终完成了硬件设计、l i n u x 系统的移植以 及设备驱动的加载，实现了要求的各项功能，改善了基于x 8 6 架构的机车监控显 示系统的不足，提高了机车监控显示系统的性能和可靠性。 在样机生产出来后，以铁路行业对产品的指标为指导，对样机进行了高低温 测试和e m c 等其他性能测试，结果表明系统优化了人机交互操作界面，具有较强 可靠性，能提高机车监控管理效率、。 关键词：机车监控；p o w e r p c ；嵌入式l i n u x ；人机界面 i i 硕十学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a st h eh i g hs p e e dr a i l w a yb u s i n e s so fo u rc o u n t r yd e v e l o p s q u i c k l y ，t h er e q u i r e m e n t sf o rf u n c t i o na n dr e l i a b i l i t yo fs a f em o n i t o rd e v i c e o n l o c o m o t i v ea r eh i g h e ra n dh i g h e r l k j 2 0 0 0i sad e v i c eu s e dt ok e e pt h et r a i ns a f ea n d t or e c o r dd a t a ，i th a sm a g n i f i c e n te f f e c to nr e d u c i n gt r a i na c c i d e n t sw h i l er u n n i n ga n d a d v a n c i n gt r a i nm a n a g e m e n t h o w e v e r , a se l e c t r o n i ct e c h n i q u ei m p r o v e sa n dr a i l w a y d e p a r t m e n ta s k sf o rh i g h e rs e c u r i t yl e v e l ，t h eo r i g i n a lh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c es y s t e m b a s e do nx 8 6c a nn o ts a t i s f yt h en e e d sv e r yw e l l h e n c e ，o nt h ep u r p o s eo ff i x i n gt h e d e f e c to fd i s p l a ys y s t e m ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pan e wl o c o m o t i v em o n i t o r i n g d i s p l a ys y s t e m a n dc o n t i n u o u s l yd e v e l o p e dm c ut e c h n i q u e ，e m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e ma n dm a n u f a c t u r i n gc r a f tg u a r a n t e et h et e c h n i q u ef o ri t f i r s t l y , t h i s t h e s i si n t r o d u c e st h es i t u a t i o no fi n t e r n a t i o n a la n dn a t i o n a l l o c o m o t i v em o n i t o rs y s t e m ，c o m p a r e st h ed i f f e r e n c e so fl o c o m o t i v em o n i t o rs y s t e m b e t w e e nn a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a ll e v e l ，a n a l y s e st h ed e f e c to ft h eo r i g i n a lm o n i t o r d i s p l a ys y s t e mw h i c hi sb a s e do nx 8 6a r c h i t e c t u r e ，p r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t t r e n do fe m b e d d e ds y s t e m ，a n dt h et e c h n o l o g ya d v a n t a g eo fp o w e r p ca n df e a s i b i l i t y o fr e s e a r c h i n gn e w s y s t e m s e c o n d l y a c c o r d i n gt ot h eg r o w i n gd e m a n d sf o rs e c u r i t y , s t a b i l i t y o ft h e p r e s e n tr a i l w a yo p e r a t i n g ，t h i st h e s i sd e s i g n san e wl o c o m o t i v e m o n i t o r i n gd i s p l a ys y s t e mb a s e do np o w e r p cp r o c e s s o r , u s i n gm p c 5 121a st h em c u a n d l i n u x2 6 2 4a st h eo p e r a t i n gs y s t e m f i n a l l yt h i st h e s i sa c c o m p l i s h e st h e h a r d w a r ed e s i g n ，a n de m b e d d e dl i n u xs y s t e mp o r t i n ga n dd e v i c ed r i v e rp o r t i n g ，a n d t h i st h e s i si m p r o v e st h ed e f i c i e n c yo ft h el o c o m o t i v em o n i t o r i n gd i s p l a ys y s t e mb a s e d o nx 8 6 a f t e rt h ep r o t o t y p em a c h i n ei sp r o d u c e d ，i na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t i n d e xo fr a i l w a yp r o d u c t ，t h ea r t i c l ed oe x p e r i m e n t st ot h i ss y s t e mo nh i g ha n dl o w t e m p e r a t u r e ，e m ca n di s o l a t i n ga n dv i b r a t i o n ，w h i c hc o n c l u d e st h a tt h el o c o m o t i v e m o n i t o r i n gd i s p l a ys y s t e mb a s e do np o w e r p ci sr e l i a b l e ，c a ne f f i c i e n t l yi m p r o v e l o c o m o t i v em o n i t o r i n gm a n a g e m e n ta n dh u m a nm a c h i n em a n i p u l a t i o n k e y w o r d s ：l o c o m o t i v em o n i t o r ；p o w e r p c ： e m b e d d e dl i n u x ；h u m a nm a c h i n e i n t e r f a c e i i i 基于p o w e r p c 的机车监控显示系统设计与实现 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 1 1 国内外发展现状1 1 1 2 课题来源及意义2 1 2 机车监控显示系统分析2 1 2 1x 8 6 架构在工控行业的发展瓶颈3 1 2 2p o w e r p c 架构的技术特点及发展趋势3 1 2 3 现有机车监控显示系统存在的缺陷4 1 3 本文主要内容4 第2 章机车监控显示系统硬件设计6 2 1 系统整体设计6 2 2 最小系统设计8 2 2 1m c u 及其外围电路一8 2 2 2r a m 存储电路10 2 2 3f l a s h 存储电路1 1 2 2 4e p m 5 7 0 电路1 2 2 3 外围接口电路1 3 2 3 1c a n 总线电路1 3 2 3 2 以太网总线电路1 4 2 3 3l c d 与v g a 显示电路15 2 3 4 智能背光调节电路1 6 2 4 板卡的供电系统1 6 2 4 1 系统的供电电路16 2 4 2 系统的上电顺序l7 2 5 本章小结18 第3 章机车监控显示系统底层软件设计1 9 3 1 嵌入式系统1 9 3 1 1 嵌入式系统的发展状况1 9 3 1 2 嵌入式系统的特点1 9 i v 硕士学位论文 3 1 3 嵌入式操作系统的分类2 0 3 2 系统开发环境的建立2 1 3 2 1l i n u x 操作系统2 l 3 2 2 l i n u x 系统内核结构2 2 3 2 3 开发环境建立一2 3 3 3 嵌入式l i n u x 系统移植2 3 3 3 1b o o t l o a d e r 制作2 3 3 3 2d t b 文件制作2 5 3 3 3l i n u x 内核制作2 6 3 3 4 文件系统制作2 7 3 3 5 嵌入式系统下载与调试2 9 3 4l i n u x 系统设备驱动开发3 l 3 4 1l i n u x 设备驱动特性。3 l 3 4 2s p i 总线驱动3 2 3 5c p l d 的逻辑编程实现3 4 3 5 1 软件开发工具3 4 3 5 2c p l d 控制逻辑的设计及实现3 4 3 6 本章小结3 8 第4 章机车监控显示系统的冗余显示设计4 0 4 1 可靠性的要求4 0 4 1 1 可靠性的概念4 0 4 1 2 铁标对可靠性的要求4 0 4 2 冗余显示技术4 1 4 2 1 冗余显示系统总体设计4 l 4 2 2 冗余显示的硬件实现4 l 4 2 3 冗余显示的软件设计4 3 第5 章机车监控显示系统测试实验4 6 5 1m p c 5 1 2 1 e 的图像显示性能测试4 6 5 2 绝缘性能测试4 7 5 2 1 绝缘电阻测试4 8 5 2 2 工频耐压测试4 8 5 3 常温工作性能测试4 8 5 4 高低温测试4 9 5 5 电磁兼容性能测试5 0 5 5 1 浪涌和电快速瞬变脉冲群抗扰度试验5 0 v v l 一 硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 1 9 6 4 年l o 月1 日，世界上第一条真正意义上的高速铁路东海道新干线在日本 正式通车，之后法国、意大利、德国等发达国家政府对修建高速铁路引起了重视， 纷纷修建高速铁路。到了9 0 年代，欧洲大部分国家大规模修建本国或跨国界高速 铁路，逐渐形成了欧洲高速铁路网络。时至今日，在包括中国、韩国、美国、澳 大利亚在内的国家推动下，世界范围内掀起了建设高速铁路的热潮。在我国，根 据中国铁路中长期发展规划，到2 0 2 0 年，为满足快速增长的旅客运输需求， 我国将建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横铁路快速 客运通道及四个城际快速客运系统，建立客运专线1 2 万公里以上，客车速度目标 值达到每小时2 0 0 公里及以上1 1 1 。建设高速铁路之所以会得到如此广泛的重视和发 展，是因为它在节约能源、减少土地使用面积、减少环境污染等方面有着很积极 的作用。 高速铁路由于列车速度快、密度大，因此，对行车安全保障体系提出的要求 更高。世界各国在建设高速铁路时，都把确保旅客生命财产和行车安全首位，把 安全技术作为高速铁路的先导型核心技术加以系统研究，并在实际运用中不断完 善。而随着一个又一个最高速度记录的刷新，对列车上的安全监控设备的要求也 不断提高，对其相应的显示系统的要求也不断提高，从而适应更高速的列车，进 一步保障乘客的安全，并给列车驾驶员一个舒适的操作环境，杜绝各种隐患。 1 1 1 国内外发展现状 欧洲、日本的高速铁路起步早，针对其所处的自然环境、地理条件以及运营 条件的不同，分别采用了各自不同的安全保障系统。日本新干线已运行3 0 余年， 以高安全性著称，其早期的列车运营管理自动化系统( c o mt a r c ) 包括行车调 度、车辆调度、旅客调度、电力调度、通信信号调度以及设备( 线路) 调度；德 国高速铁路因隧道约占线路长度的1 1 3 ，除了采用安全监测系统外，还制定了严格 有效的防范措施以及运营措施；法国高速铁路创造了当前世界上轮轨列车的最高 试验速度5 1 5 3 k m h ，运营速度达到3 0 0 3 2 0 k m h ，以机车信号为主的列车自动化 控制系统由t v m 3 0 0 ，逐步发展为t v m 4 0 0 、t v m - - 4 3 0 ，其采用集中结构方案， 双机热备，具有较高的可靠性及安全性能【2 】。我国在铁路控制技术的吸收引进过程 中，主要以法国的a t p 技术为主，自动防护系统a t p ( a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ) 是以监测运行速度为手段对列车进行控制的系统，通常，a t p 系统由运行指令信 基于p o w e r p c 的机车监控显示系统设计与实现 息传递、运行所处线路参数信息传递、列车自身运行状况信息采集等信息获取环 节和对信息进行处理并做出控制的主机组成。监控装置以在中国铁路已普遍使用 的轨道电路及机车信号设备作为列车运行指令信息源，以线路数据预置于主机的 独特方式获取运行线路参数信息，采用计算机智能处理对列车运行速度进行安全 监控，实现a t p 功能【3 】。由于推出较早，其系统采用的是x 8 6 架构的c p u ，核心 模块通过p c 1 0 4 总线与扩展底板通信的结构，操作系统则采用的是稳定性极高的 q n x 。 1 1 2 课题来源及意义 高速铁路建设在我国发展迅速，已运营的线路稳定而日益成熟，也有新的线 路在修建当中，在此基础上，西部偏远地带也在未来的规划中。在这样的发展环 境下，如何有效地进一步提高列车安全性、可靠性和舒适性就成了铁路运输行业 的重点研究对象，而安全性又是重中之重。l k j 2 0 0 0 型列车运行监控装置是1 9 9 8 年的铁道部重点项目，经过不断完善，已成为铁道部主导型列车安全监控装备， 为保障铁路运输安全作出了重要贡献。然而，l k j 2 0 0 0 型机车运行监控系统的显 示部分采用了x 8 6 架构的处理器和基于p c 1 0 4 扩展总线的主板与底板通信模式， 存在如下缺陷：首先，系统发热量大，由于整个系统在密封空间内运行，除了散 热系统要做好，系统本身的散热量也需要优化减少；其次，采用p c 1 0 4 主底板结 构会影响系统稳定性并增加功耗；另外，相对低端的基于x 8 6 架构c p u 有可能面 临停产的问题，而一旦停产，问题会变得相当棘手。 1 2 机车监控显示系统分析 机车监控显示系统是列车监控记录装置的人机交互部分，以动态图形方式预 显示运行前方线路的弯道、坡道、及信号机布置情况，并根据实际情况滚动显示 实际速度和限速曲线，图形化的屏幕显示直观，易于操作，与司机间交互性好【4 】【5 】。 机车监控显示系统广泛应用于国内外各种列车监控领域【6 l 。自1 9 9 5 年以来，我国 先后推出了l k j 9 3 、l k j 2 0 0 0 现代列车运行监控记录仪，与国外装置相比，我国 的机车监控系统具有装置简单、功能复杂、记录能力强等优点。l k j 9 3 的显示系 统主要采用数码管，只能显示一些简单的数据，人际交互性弱。而l k j 2 0 0 0 型机 车监控显示系统吸收了l k j 9 3 型的成熟技术经验，较大程度的提高了功能性和可 靠性。值得注意的是，l k j 2 0 0 0 型机车监控显示系统采用了t f t 高亮度图形化彩 色液晶显示器，这在很大程度上增强了显示的信息量，加强了人机交互性，因而 很快得到了全国范围内铁路上的广泛采用【7 】。图1 1 是机车监控显示系统的实物 图。 2 硕士学位论文 图1 1 机车监控显示系统 1 2 1x 8 6 架构在工控行业的发展瓶颈 市场研究机构预测，工业与医疗应用领域的嵌入式微处理器营利到2 0 1 5 年可 达3 2 亿美元的水平，比2 0 1 0 年的1 6 亿美元翻一番。过去，嵌入式处理器一般是 以“类p c 应用的x 8 6 架构组件为主，如a t m 、e p o s 与单片机等等。s e m i c a s t 预测x 8 6 架构组件在工业与医疗领域的主导地位只能维持到2 0 1 2 年。究其原因， 主要如下： ( 1 ) 相对于x 8 6 ，其他架构的嵌入式处理器如p o w e r p c 、a r m 等具有集成度高、 低成本、高性能的优势。 ( 2 ) x 8 6 采用的是c i s c 结构，功耗始终比采用r i s c 的处理器高。 ( 3 ) x 8 6 架构的嵌入式处理器牵涉到i n t e l 的一些专利，只能购买其核心板，不 利于研发。 1 2 2p o w e r p c 架构的技术特点及发展趋势 1 9 8 0 年i b m 发布了第一台基于r i s c 架构的原型机。r i s c 理念大大简化了计 算机操作指令，加快了计算机运行速度，使得计算机性能大幅度提升。1 9 9 1 年， a p p l e 、i b m 、m o t o r o l a 组成的a i m 联盟，推出了基于p o w e r p c 架构的c p u ，其 基本设计源自i b m 的p o w e r ，意为增强r i s c 性能优化( p e r f o r m a n c eo p t i m i z e d w i t he n h a n c e dr i s c ) 。p o w e r p c 处理器有着广泛的实现范围，包括从p o w e r 4 那样 高端的服务器c p u 到嵌入式c p u 市场，依靠的是它非常强的嵌入式表现，具有 优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。其次，基于p o w e r p c 架构的处 理器可伸缩性比较大，尽管产品都具有基本一致的体系结构，但具体规格型号却 基于p o w e r p c 的机车监控显示系统设计与实现 由制造公司决定【8 】。 嵌入式p o w e r p c 核由嵌入式p o w e r p c 核心、指令、数据缓存及各自的存储器 管理单元( m m u ) 组成，从功能上可分为两个功能模块：整数模块和加载存储模 块。整数和加载存储操作均由具有3 2 位内部数据通道，支持3 2 位整数操作及算 术操作的硬件直接执行。p o w e r p c 核中的整数模块使用3 2 3 2b i t 定点通用寄存器， 每时钟周期可以执行一条整数处理指令。整数模块中的单元仅在数据队列中的有 效数据被传输时才被占用，这样使得p o w e r p c 内核一直处于低功耗工作模式。总 体上来说，p o w e r p c 架构的技术特点如下【9 】： ( 1 ) 多处理器结构。除了提供了程序运行的通用处理器，根据不同的应用场合 提供用于通信的特殊通信处理器、图形处理器等。 ( 2 ) 3 2 个3 2 位或6 4 位的通用寄存器( g p r s ) 以及诸如p c ( 程序计数器) 、l r ( 链接寄存器) 、c r ( 条件寄存器) 等各种其他寄存器。 ( 3 ) 采用r i s c ( 精简指令集计算) 体系结构。能以更快的速度执行操作。 p o w e r p c 是一个成熟的高性能体系结构，技术上可以与p e n t i u m 处理器相媲 美，却有着x 8 6 所不具备的独特优势，很适用于嵌入式工业领域。 1 2 3 现有机车监控显示系统存在的缺陷 随着l k j 2 0 0 0 的应用越来越广泛，基于x 8 6 的监控显示系统的缺陷也逐渐暴 露出来，主要表现为【1 0 】： ( 1 ) 发热量大。x 8 6 结构的处理器本身发热量大，整个系统又在封闭的箱体内， 板卡发热量过大则可能导致芯片不能正常工作，尤其是夏天，故障率比较高。 ( 2 ) 可靠性低。系统采用的是x 8 6 核心板加种扩展板的结构，板卡通过各种接 口通讯，这样就必然导致可靠性降低。 ( 3 ) e m c 辐射与抗干扰能力差、数据转储方式单一等。 1 3 本文主要内容 本课题结合具体的应用背景，设计了一种基于p o w e r p c 处理器的机车监控显 示系统。完成了硬件和软件两个层次的研发，最终完成了设计。本文主要研究了 机车监控显示系统的发展现状和功能特点，以及p o w e r p c 架构的技术特点，介绍 了设计的过程和其中的关键技术。 本文共分5 章，每章内容安排如下： 第l 章介绍了课题背景，国内外机车监控系统发展现状，课题来源以及嵌入 式系统的发展现状。 第2 章详细介绍了基于p o w e r p c 的机车监控显示系统的硬件设计部分，设计的 主要工作包括器件选型，原理图设计，p c b 布局和走线等。 第3 章详细介绍了基于p o w e r p c 的机车监控显示系统的软件设计部分，设计的 4 硕士学位论文 主要工作包括b o o t l o a d e r 修改，嵌入式l i n u x 内核剪裁，文件系统制作，此外还有 c p l d 的v h d l 语言编程。 第4 章介绍了课题所采用的双冗余显示系统，包括硬件电路设计和软件设计。 第5 章对设计出来的板卡进行性能测试实验，并分析结果，对在在的问题提 出整改意见。 5 据，以图 制，此外 对最小系 计。由芯 心处理器 尽相同， 复杂，有 器和可编 组成，各 结构虽然 核心模块 性能落后 w e r p c 系 部集成到 合模式， 并集成了 背光亮度 隔离。此 外，系统采用双冗余显示技术，最大程度上提高了稳定性和可靠性，降低可能出 现的人为操作失误。 我国铁路安全监控设备研发设计晚，与发达国家之间还存在一定差距，但 l k j 9 3 和l k j 2 0 0 0 在我国的成功装车运行表明了我国在列车安全监控技术正在一 步一步走向成熟。鉴于现有机车监控显示系统的缺陷以及p o w e r p c 架构在嵌入式 领域的技术优势，吸收现有显示系统的成功经验，对新型的机车监控显示系统形 成如下设计构思： ( 1 ) 最小系统器件 6 硕十学位论文 间： 嵌入式m c u ：采用p o w e r p c 架构，主频4 0 0 m h z 或以上； 系统内存：2 5 6 m b 或以上d d r i ir a m ，保证系统流畅运行； f l a s h 存储：3 2 m bn o rf l a s h 系统存储空间和1 2 8 m 或以上扩展用户存储空 操作系统：l i n u x2 6 2 4 ，保证各驱动正常工作； c p l d ：a l t e r a 公司的m a xi i 系列，满足系统的逻辑控制需求。 ( 2 ) i 业级外围接口 c a n 总线：2 路独立c a n 总线，作隔离处理； 以太网：1 0 m 1 0 0 m 自适应网卡，作隔离处理； u s b 接口：支持u s b 2 0 协议标准： i c 卡接口：s p i 总线； r s 4 8 5 4 2 2 总线接口：带隔离。 ( 3 ) 显示和其他 l c d 接口：t f t 液晶真彩显示，背光高度能自动根据外部环境调节； v g a 接口：支持v g a 接口标准； 键盘输入：支持4 8 矩阵键盘，采用高性能键盘。 ( 4 ) 工作环境 电源供应：1 1 0 v 直流供电，3 8 v 1 8 0 v 范围内能正常工作，工作电流小于1 a ： 工作温度：2 5 - 7 0 。 系统的整体框图如2 1 如示。 r s - 4 8 5 4 2 2 n a n df l a s h p o w e r p c c p l d 逻辑控制器 图2 1 基于p o w e r p c 的机车监控显示系统框图 7 一一一一一一吼一一一一一一一一 墨一 鲎岈矍岈 基于p o w e r p c 的机车监控显示系统设计与实现 2 2 最小系统设计 嵌入式最小系统是指在尽可能减少上层芯片的情况下，系统能够运行的最小 化模块配置。一个典型的嵌入式最小系统的组成模块包括m c u 微处理器、s d r a m 和f l a s h 存储器以及其他几个必不可少的接口模块，其组成框图如图2 2 所示。 图2 2 嵌入式最小系统框图 其中晶振模块提供系统各模块运行和和总线所需的时钟频率输入，f l a s h 存储 模块用来存放启动代码、操作系统和用户文件系统以及应用程序代码，s d r a m 则 为系统运行提供动态存储空间，是系统和应用程序运行的主要区域，j t a g 模块是 用来实现对程序代码的下载和调试，u a r t 模块实现对系统调试信息的终端显示， 复位模块实现对系统的上电复位。 2 2 1m c u 及其外围电路 机车监控显示系统的根本是图像显示功能，现有的基于x 8 6 架构的显示系统 是采用处理器加显示芯片来保证图像显示功能。而f r e e s c a l e 公司的m p c 5 1 2 1 e 因 为集成了专业的图像处理器，所以能够满足系统显示要求，因此采用这个m c u 来 作为整个系统的核心处理器【1 3 】。 m p c 5 1 2 1 e 处理器以一个综合多媒体和出色的计算能力，为嵌入式解决方案需 要的图形用户界面和网络连接提供支持。m p c 5 1 2 1 e 内采用的是高性能的p o w e r p c 架构e 3 0 0 c p u 核心，具有3 2 k b 的高速指令缓存和3 2 k b 的数据高速缓存，支持 众多的实时操作系统和设备驱动程序。内部集成有一个图像引擎p o w e r v r ，可支 持3 d 加速，1 2 8 位宽接口让此图形引擎功能强大，另外还有一个独立的3 2 位r i s c 音频加速引擎。m p c 5 1 2 1 e 还集成了丰富的i o 接口，包括p c i ，s a t a ，p a t a ， 以太网，u s b 2 0 ，c a n ，1 2 个可编程串行控制器，以及支持6 4 通道的d d r l d d r 2 内存控制器，大量的内置内存缓冲器保障了均衡的系统性能和系统总线吞吐量。 此外，集成的显示控制器( d i u ) 支持t f t 液晶显示器的分辨率可达1 2 8 0 7 2 0 。该 芯片的结构框图如图2 3 所示。 8 硕士学位论文 图2 3m p c 5 1 2 1 9 处理器结构框图 根据m p c 5 1 2 1 e 的芯片手册，系统要求的输入晶振频率为1 5 6 m h z 3 5 m h z ， 设计中采用的是典型的3 3 m h z 晶振源作为系统的工作频率源，将晶振的o u t 口 接至m p c 5 1 2 l e 芯片的外部时钟输入引脚s y sx t a l i ，而s y s 一x t a l o 口则不接。 m p c 5 1 2 1 e 有三个重启管脚：p o r e s e t ( 上电复位) 、h r e s e t ( 硬复位) 和 s r e s e t ( 软复位) ，这三个管脚都接入c p l d ，由c p l d 控制。另外，实时时钟频 率为芯片手册提出的3 2 7 6 8 k h z ，再根据晶振的要求配上相应大小的电容。 m p c 5 1 2 1 e 的复位电路，r t c 时钟晶振电路及系统晶振电路图2 4 所示。 图2 4m p c 5 1 2 1 e 复位及晶振电路 9 基于p o w e r p c 的机车监控显示系统设计孑实现 j t a g 是一种边界扫描技术，利用此技术可以对装配进行测试、调试和系统编 程，并且诊断出硬件问题。第一次加载程序至芯片一般使用j t a g 下载。设计中 将c p u 的j t a g 管脚和c p l d 的j t a g 管脚放在同一个2 0 p i n 的j t a g 调试接口， 以节省板卡空间。 2 2 2r a m 存储电路 r a m 的总线频率及存储容量大小直接影响到系统的运行速度和稳定性，而系 统所采用的m p c 5 1 2 1 e 处理器的主频为4 0 0 m h z ，且它支持普通s d r a m 和d d r 2 内存，考虑到性能因素，采用了d d r 2 的内存，内存总线频率为2 0 0 m h z ，以保 证系统稳定快速运行。 d d r 2s d r a m 是由j e d e c ( 电子设备工程联合委员会) 进行开发的内存技术 标准，与第一代d d r 内存技术标准最大的不同是，虽然同样是采用了在时钟的上 升下降延同时进行数据传输的基本方式，但d d r 2 内存却拥有两倍于上一代d d r 内存预读取能力( 即：4 b i t 数据预读取) 。也就是说，d d r 2 内存每个时钟能够以 4 倍外部总线的速度读写数据，并且能够以内部控制总线4 倍的速度运行。 m p c 5 1 2 1 e 内部集成了s d r a m 控制器，在设计过程中，综合考虑系统性能与稳定 的取舍，使用了4 片6 4 m b y t ed d r 2s d r a m ，组成3 2 位数据总线带宽，总线频 率为2 0 0 m h z ，读写频率可达8 0 0 m h z 。图2 5 为四块内存中的两块d d r 2 内存电 路图。 s d r a m 是多b a n k 结构，当其中一个b a n k 在进行预充电时，其他b a n k 可以 马上被读取，这样就无需等待时间，也就大大提高了存储器的访问速度。 系统采用的内存型号是m i c r o n 公司的m t 4 7 h 6 4 m 8 c f t l 4 】。m t 4 7 h 6 4 m 8 c f 内 有四个b a n k ，由b a o b a 2 信号控制选择哪一个b a n k 。其他的信号线为：c k e 为片内时钟使能信号，c s 为片选信号，r a s 和c a s 分别为行地址锁存和列地址 锁存，c k 和c kb 是一对差分信号，所有的地址信号和控制信号都要在c k 上升 或下降沿读写数据。a 0 a 1 5 为地址总线，d q 0 d q 7 为数据总线，这些信号线在 m p c 5 1 2 1 e 中都有对应的管脚，根据芯片手册设计原理图，在p c b 布线时，d d r 2 走线要考虑到信号等长和信号完整性等诸多问题。 1 0 硕士学位论文 + d - + 口9 - 1 - t a 钿f 图2 5d d r 2s d r a m 原理图 2 2 3f l a s h 存储电路 f l a s hm e m o r y 是一种不挥发性内存，在没有电流供应的条件下也能够长久的 保存数据，存储特性类似予硬盘。n o r 和n a n d 是现在市场上两种主要的f l a s h 存储技术。n o rf l a s h 由i n t e l 于1 9 8 8 年首先开发出来，彻底地改变了原先由 e p r o m 和e e p r o m 独占市场的局面；而n a n df l a s h 是由1 9 8 9 东芝公司发布， 强调的是更低的成本和更高的性能。n o r 的特点是支持芯片内执行( x i p , e x e c u t e i np l a c e ) ，这样应用程序不必再把代码读取至r a m 中运行，而可以直接在f l a s h 中运行。n o r 的传输响应速度很快，在l - - 一3 2 m b 的小容量时具有很高的应用价 值，但是过低的写入和擦除速度使其适合作大容量的存储；n a n d 结构单元密度 高，存储密度高，写入和擦除的速度快，因而应用于大容量的存储，而且n a n d f l a s h 需要特殊的系统接口。n o rf l a s h 占据了容量为1 - 3 2 m b 闪存市场的大部分， 而n a n df l a s h 则占据了8 1 2 8 m b 的市场，说明n o r 主要应用于代码存储，而 n a n d 适合于数据存储。基于n o rf l a s h 和n a n df l a s h 的优点和区别，系统套用 此模式，同时采用了3 2 m bn o rf l a s h 和l g bn a n df l a s h ，分别用作系统代码存 储空间和用户数据存储空间。 m p c 5 1 2 l e 的e m b ( 外部扩展总线) 包含三种不同的接口：l o c a l p l u s 总线、 基于p o w e r p c 的机车监控显示系统设计与实现 n a n df l a s h 总线和并行a t a 总线。这些总线是复用的，如表2 1 所示。 表2 1m p c 5 1 2 1 e 的m b x 复用表 n a n df l a s h 采用的是三星公司的k 9 k 8 g 0 8 u o a l l5 1 。由表2 1 可知，n a n df l a s h 占用e m b 的高1 6 中地址，因此它的i o 连接的是e m b 2 3 ：1 6 ，如图2 6 如示。 冀a 日a m 图2 6n a n df l a s h 原理图 n o rf l a s h 采用的是s t 微电子