（控制理论与控制工程专业论文）基于sopc的硬件在回路仿真技术的研究与实现.pdf

嬲粤必型缈 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得重麽鱼g 电太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：击柙弛、 签字日期： 2 口。孑年歹月，弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重麽宦电太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重鏖壑鱼太堂可以将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、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 歹丛、 导师签名者舰厂习 签字日期：力口召年易月f 琴日 签字日期：2 0 d 8 年6 月，弓日 重庆邮电大学硕十摘要 摘要 车辆防抱死制动系统a b s ( a n t i 1 0 c kb r a k es y s t e m ) 作为汽车制动安全系统的重要 组成部分，目前在各种车辆上都得到广泛的应用。对于a b se c u 的开发，目前国外 很多著名的汽车开发商普遍采用现代的设计开发流程：“离线功能设计快速控制原型 目标代码生成硬件在回路仿真标定匹配所构成的“v 模式 。对于e c u ( e 1 e c 昀1 1 i c c o n n 0 1u 础) 的测试各开发厂商都采用了硬件在回路仿真技术，根据我们的系统需要， 在研究了s o p c ( s y s t 锄0 np r o 蹦咖a b l ec h i p ) 技术的优势和特点及其可行性基础上， 我们开发了基于s o p c 的硬件在回路仿真器。在硬件在回路仿真器内运行车辆动力 学模型，通过接收e c u 的控制指令对刹车状态下车辆的动作特性进行仿真，从而达到 对控制系统进行测试的目的。本文深入探究了s o p c 技术，开发了基于n i o si i 的c a n 总线控制器口核。同时，为了实现上位机和e c u 进行通信，使得上层界面能对e c u 中的参数进行实时修改，以达到更好的控制效果，开发了一款u s b c a n 转换器。 本文具体研究内容如下： 1 介绍了e c u 开发流程，介绍了硬件在回路仿真技术以及其国内外应用开发 的现状，在此基础上分析了使用s o p c 技术来实现硬件在回路仿真的优越性。 2 介绍了设计硬件在回路仿真器的相关知识，包括f p ( 认，s o p c 及c a n 总 线协议相关简介。 3 介绍了基于s o p c 的硬件在回路仿真器的硬件开发，f p g a 设计，介绍了基 于n i o s 的c a n 总线p 核的设计，详细介绍了如何开发一个基于n i o sn 的p 核 设计，并分模块介绍了c a n 总线p 核的硬件描述及驱动设计。 。 4 介绍了基于s o p c 的硬件在回路仿真器的软件流程，底层软件的设计以及 动力学模型的移植。 5 介绍了硬件在回路仿真器的应用及u s b c a n 转换器的硬件设计，软件流 程，各外设驱动程序设计。 本文运用了f p g a 技术开发了基于u s b 通信的硬件在回路仿真器，并在此基深 入探究了如何开发一个基于n i o s 的s o p c 中如何去开发一个i p 核。硬件在回路 仿真器在e c u 的测试中运行良好。同时又设计了u s b c a n 转换器，在实际运用中 表现良好。 关键词：a b se c i u ，硬件在回路仿真器，s o p c ，p 核 重庆邮电大学硕十 摘要 a b s t r a c t a b s ( a m i l o c kb r a k es y s t 锄) i sm em o s ti i n p o r t 锄tp a r to fb i 试d n gs y s t e mo fm e v e 1 1 i c l ei sw i d e l yl l s e di i la l lk i i l d so fc a r s n o w a d a y sm o s t 缸o u sc o m p 锄) ，sd e v e l 叩 e c u ( e l e c 仃0 1 1 i cc o i l 仃0 1u l l i t ) l l s i l l gavt ) ，p em e m o d w 1 1 i c hc 0 t a i l l s 劬c t i o nd e s i 班，r 印i d 黜lp r o t y l ) i n 舀伽耐c o d eg 饥e r a 缸。玛h 钺1 w a r e 抽一1 0 0 ps i i n u l a t i o 玛c a l i b r 撕o n i t 砷d u c 懿m eh 锄押a r ei l l l o o p s i i l l u l a t i o na 矗e r r e s e c h i i l gs o p c ( s y s t e i l l o n p r o g r a m m a b l ec h i p ) 、d e v e l 叩h 盯( 1 w a r ei i l1 0 0 p 豳硼a c o rb a s c d0 ns o p c 戚n g f p g a ( f i c l dp r o 影蚴m a b l eg a ：t ea r r a ”删c l ed y n 锄i c s 劬嘶0 n sn mi l ln l es i l i l u l a t o r w t l i c hr e c 咖豁t 1 1 ec o n 加ls i l l g n s 丘锄e c ut o 咖“a t em eb e h 撕e ro f v e i 蛳c l ew h e l li t b 船l 蕊a l s o ，i tc a nb el l s e dt 0t e s tn l ew h o l es y s t e i l l f t h 咖o r e ，w e1 e 锄tm o r ea ：b o u t s o p ct 0d e v e l o p 吐1 ec a nb 1 1 sc o n 仃0 1 1 e rpc 0 r eb a s e d0 nn i o s id e s i 印e da u s b c 触呵c o m m u i l i c 撕o n 位i 璐l a 白d rw h i c hi ss u c c e e di l l 舢u i l i c a ：t i l l gb e 咐e p c 锄d e c ut ol e td e c h a n g m ep 娥吼e t i 鹃o f t h ec o d er u 衄i n gi 1 1e c ut 0g e tb e t i 嚣c 0 n 廿0 1 1 i n g 1 1 1 l em e 吐l o d0 fe c ud e v e l o p i n g ，h a r d w a r ei n1 0 0 ps i l l l u l 撕。玛a n dw 】晦w eu s e s o p ct 0d e s i 印n l es i m u l a t o l 2 b 嬲e0 nf p ( h s o p c ，c a n 2 op r o t o c o l ，c a nb u s 州o c 0 1w mb ei i l 仃o d u c e d ， i n d u d 【i i l gb u s 做l 细镪，m e s s a g ef o 】 n l a l s 锄dt r a i 髓l i s s i o nm e c ：i l a n i 锄 3 1 1 1 e a r e d 商印锄d s o p c d e s i 印a r e i l l 吨d u c e d a l s o n l es o 姗a i l d m e d e v i c e 嘶v e ri s 劬d u c e 也d 懿i 印c a nb 惦c o n 臼0 l l 盱i pc o r c 锄d 锄r o d u c et l l eh d l d e s i 黟o f e a c hm ( 删e 也e 耐附o f 也e i p 4 t h es o f t w a r ed 商印o f t l l eh 幽a r ei n1 0 0 ps i 】咂u l a t o ra r ei i l c e d 5 nj n 觚 d l 】c 镐t l 圮a p p l i c 撕0 no f 妇蛇s i i i 】m a l i o r 觚d 廿1 ed e s i 蓼o fu s b - c a n c 0 加珈衄i c a t i 伽t r a i l s l a l 凹i i l d m l gb 砌m es 0 胍觚dh a r d w a r e 捌印o f i t w ed e s i 印e dh a r d w a r ei n1 0 0 p 洲a t o rb 嬲e d0 ns o p c ，a 1 1 di tw o r k s 啦皿t ot e s t 锄 e c u ，删l 锄l o r ew ed 骼i 弘e d c a nc 0 曲o l l c rb 硒e d n i o s a 1 id 懿i 盟e d 孤 u s b c a n 的i l s l 砷e rw h i c hw o r l ( s 订g h t 白0 0 k e yw o r d s ：a b se c u ，h 锄撕瓣i n - 1 0 叩s i n l l l l 撕0 r ，s o p c ，口c 0 他 重庆邮电大学硕士论文目录 目录 摘要1 a b s t r a c t i i 目录| il 第一章绪论一1 1 1 引言1 1 2 汽车e c u 开发概述2 1 3 硬件在回路仿真技术的研究现状3 1 4 s o p c 技术在硬件在回路仿真系统中的应用5 1 5 本文研究内容6 1 6 本章小结6 第二章s o p c 技术及c 州总线原理7 2 1f p g a 概述7 2 2s o p c 技术简介7 2 3c a n 总线协议简介10 2 4 本章小结12 第三章硬件在回路仿真器的硬件设计与实现1 3 3 1 总体方案的设计j 1 3 3 2 硬件在回路仿真器的硬件设计1 4 3 2 1 数字输入输出木模块的设计14 3 2 2u s b 通信模块的设计。15 3 2 3 电源模块的设计16 3 2 4 配置电路的设计16 3 3 硬件在回路仿真器的s o p c 设计17 3 3 1u s b 接口的实现18 3 3 2s r a m 接口的实现2 0 3 3 3p w m 模块的设计2 2 3 3 4n i o sii 处理器设计2 3 n l 重庆邮电大学硕士论文目录 3 3 5 定时器的设计2 3 3 3 6p l l 的设计2 4 3 3 7f p g a 的原理图2 4 3 4c a n 总线控制器的设计2 4 3 4 1 基于n i o s i i 的c a n 总线控制器的结构2 4 3 4 2 控制器的总体设计及其各功能模块分析2 6 3 4 3 接口逻辑的设计与实现。2 8 3 4 4f i f o 的设计与实现2 9 3 4 5c r c 校验模块的设计与实现3 0 3 4 6 位填充模块的设计与实现3 2 3 4 7 验收滤波模块的设计与实现3 3 3 4 8 底层驱动的设计3 3 3 5 本章小结3 3 第四章硬件在回路仿真器的软件设计与实现3 5 4 1 硬件在回路仿真器软件流程3 5 4 2 汽车动力学模型移植。3 7 4 3 仿真器和上位机通信的程序设计3 8 4 4 仿真器和e c u 通信程序的设计4 0 4 5 本章小结4 1 第五章硬件在回路仿真器的应用与测试4 2 5 1 硬件在回路仿真系统结构4 2 5 2u s b c a n 转换器的设计与实现4 3 5 2 1 系统设计原理图4 3 5 2 2 软件设计流程4 4 5 2 3 底层程序的设计4 5 5 3 仿真器的应用实例4 6 5 4 本章小结4 7 第六章结论及未来的工作4 8 6 1 结论4 8 6 2 未来的工作4 9 致谢5 0 参考文献：5 1 重庆邮电大学硕士论文 目录 附录5 3 v 重庆邮电大学硕十论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 车辆防抱死制动系统a b s ( a n t i l o c kb 瑚d n gs y s t 锄) 是在传统的制动系统的 基础上采用电子控制技术，在制动时防止车轮抱死的一种机电一体化系统。作 为汽车制动安全系统的重要组成部分，目前在轿车，大客车和重型货车得到广泛 的应用。对现代汽车而言，汽车的安全性相当依赖于防抱死制动系统( a b s ) 的电控 单元的性能。a b s 也是汽车生产厂商竞争市场份额的一个重要筹码。 国外从7 0 年代就开始开发a b s 产品，致力于在汽车制动时避免车轮过早抱死。 8 0 年代随着电子技术的不断发展，a b s 不断改进完善并得以广泛应用。目前，西 方发达国家己广泛采用a b s ，而且已成为汽车的必要装备晗1 。现今国内的a b s 制造 厂商开发一款适合于某一种车型的a b s 周期是半年左右，而前期的匹配时间就占 到了三至四个月，匹配时间长、成本高，而且试车时还存在很大的风险；另外， 当产品型控制器生产出来后，测试工程师也面临一个严峻的问题，由于并行工程 的需求，控制对象可能还处于研制阶段，或者控制对象很难得到；当新型控制系 统设计结束，并已制成产品型控制器，需要在闭环下对其进行详细测试，但由于 种种原因如：极限测试、失效测试，或在真实环境中测试费用较昂贵等，使测试 难以进行。在实际条件下，对a b se c u 进行实车的测试的代价是非常昂贵的， 为了进行极限情况下的测试，通常需要寒冷或炎热的环境，在积雪覆盖的路面上进 行汽车防抱死装置( a b s ) 控制器的测试就只能在冬季有雪的天气进行，这样对 于测试人员来说很难实现，而且会造成一定的人生安全的威胁。另外如果缺乏原型 车，不得不导致试验推迟，这是与并行工程的原则相违背的。并且用真实汽车进行测 试存在可重复性差、不能复现同一测试条件等缺点。有时为了缩短开发周期，甚 至希望在控制器运行在环境不存在的情况下如：控制对象与控制器并行开发，对 其进行测试。并且车辆控制系统参数的相互影响，车辆工作状态的频繁变化，传 感器与执行器的失效考虑都加大了控制器设计的难度，同时由于软件的复杂性， 使得对软件的测试也越来越困难。采用传统的e c u 开发流程已经难以完成现代控 制系统的设计口，。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2 汽车e c u 开发概述 基于上述问题，同时伴随着计算机仿真技术的发展，在生产过程中，利用仿 真检测系统对a b s 部件进行在线检验。通过对车辆与道路等的仿真，模拟道路试 验的状况，指导a b s 产品的设计开发，减少路试的次数，缩短出厂周期，降低产 品费用与实验风险。可以说仿真的方法是a b s 开发生产的有力辅助工具。 目前国外很多著名的汽车开发商普遍采用现代的设计开发流程：“离线功能 设计一快速控制原型一目标代码生成一硬件在回路仿真一标定匹配”所构成的“v 模式” h 1 ，如图1 1 所示。 快速控制原型 目标代码生成 图1 1v 模式流程图 1 功能设计( f 岫面o nd e s i 皿) 基于m a t l a b 数值运算环境或第三方软件建立控制对象模型，利用m a t l a b 强大 的控制工具箱迅速开发控制算法，在计算机环境下建立起闭环系统( 包括被控对 象和所设计的控制算法) 进行离线仿真，从而验证算法的可靠性。 2 快速控制原型r c p ( r - a p i dc o n 仃o lp r o t y p i n g ) m a t l a b 中开发的离线控制算法，通常需要将其变成一种实时的应用。如果按 通常的做法制作硬件、设计软件、进行集成，会导致开发时间很长。可以借助一 种快速途径来实现从离线到实时的过程。通过自动代码生成工具将控制算法生成 实时代码直接下载到硬件系统中，生成控制器原型。原型系统能够通过各种i o 与 真实硬件联调，以研究系统的时间特性，确定i o 采样时间，软硬件终端等因素对 系统的影响，为硬件设计提供参考依据。 。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 3 目标代码生成( t a r g e tc o d eg e i l 酬i o n ) 如何从原型控制系统向产品型控制器转换仍然是最大的问题。目标代码的实 现仍然是采用既费时又易出错的手工编程方式。随着现代控制器的日益复杂，手 工编程会耗费更多时间。出于对成本的考虑，产品e c u 通常选用较廉价的处理器， 原型机中的代码效率往往不能满足要求，因此需要对代码进一步优化，利用专用 工具如d s p a c et a r g e tl in k 或者m a t l a br t we m b e d e dc o d e r 等工具可以生成针对 特定处理器芯片的产品级嵌入式代码，其效率相当或者优于手写代码，支持浮点与 定点处理器，并提供与外部代码的接口。 4 硬件在回路仿真h i l ( h a r d w a r e i 1 1 1 0 0 ps i m u l a t i o n ) 有了控制系统的初样，并不意味着计算机辅助设计工具就没有用了。相反， 现在由于控制系统所完成功能的日渐复杂性，对其进行全面综合的测试特别是故 障情况和极限条件下测试就显得尤为重要了。但如果用实际的控制对象进行测试， 很多情况是无法实现的，抑或要付出高昂代价的，但是如果用计算机辅助设计工 具对控制对象进行实时仿真，就可以进行各种条件下的测试特别是故障和极限条 件下的测试。而这正是传统开发方法所不具备的。 目前在v 模式的目标代码生成阶段，许多控制工程师都把硬件在回路仿真作为 替代真实环境或设备的一种典型方法。在硬件在回路仿真中，实际的控制器和用 来代替真实环境或设备的仿真模型一起组成闭环测试系统，难以建立数学仿真模 型的部件( 如液压系统) 可以保留在闭环中，这样就可以在实验室环境下完成对 e c u 的测试，从而可以大大降低开发费用，缩短开发周期。 5 标定( c a l i b 】础o n ) e c u 安装在特定车型上时需要对控制参数进行修改，以使控制器的效果最佳。 这个阶段是参数标定阶段。在e c u 程序中大量的控制参数在标定过程中需要修改， 这个过程往往需要进行很多实验。 1 3 硬件在回路仿真技术的研究现状 各大厂商通常使用硬件在回路仿真技术来实现e c u 的开发与测试。e c u 是 用于汽车发动机和传动系控制的电子装置，它接收传动速度、曲轴和凸轮轴速度 以及油门位置等信号，对此信息进行处理后，以产生用于控制发动机的信号和传 动系参数。作为汽车最核心的部件之一，e c u 设计中任何一个微小的差错都会导 致车毁人亡。这使得硬件在回路仿真成为了在最终运用之前对e c u 进行测试的标 准方法。 硬件在环仿真作为e c u 设计流程中重要的组成部分，是对虚拟运行环境中的 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 设备进行非常逼真的实际i o 的模拟。其最显著的优点是可以对实际情况进行模 拟，而不会产生实际危险。它可以在真实世界中不能实现的极端条件下对控制装 置进行测试，在理论上汽车可以达到的最高行驶速度下进行测试。功能强大的高 逼真度硬件在回路实时仿真不仅通过缩短开发周期加快了产品上市时间，还由于 测试期间无需使用实际硬件而降低了设备成本以及相关的维护成本。一个典型的 硬件在回路仿真系统包括用于引擎模型仿真的控制器，该控制器运行在实时环境 下并仿真引擎上的各种动态特性；其中，硬件在回路仿真器是仿真系统的重要部 分。硬件在回路仿真器就是在控制器开发出来之后，用于模拟真实汽车动力学行为 的硬件设备。硬件在回路仿真器用来接收e c u 的输出信号并将经过引擎仿真后的 信号反馈给e c u ，使用f p g a 技术可以创建自定义的i o 来满足仿真条件下对各 种信号的需求，此外还包括测试数据的记录和测试步骤等。实际的控制器和用来 代替真实环境或设备的仿真模型一起组成闭环测试系统，难以建立数学仿真模型 的部件( 如液压系统) 可以保留在闭环中，进行整个系统的仿真测试。为了构成一 个完整的系统，还需要一台主机运行操作界面，并配合相应的测试管理软件和后 续数据分析软件。 在国外，一些公司研制了一些专用的汽车动力学仿真系统，例如d s p a c e 哺1 ， d s p a c e 实时仿真系统提供了硬件在回路仿真测试平台。d s p a c e 的仿真器是应用最 广泛的硬件在回路仿真器。整个硬件在回路仿真系统是一个集成的测试环境，包 括：系统模型( 包括发动机，汽车动力学和路面模型等) ，实时硬件，信号调理，故 障模拟单元，负载模拟单元，实验软件( 包括实验管理，硬件管理，自动化测试等功 能) 。d s p a c e 实时仿真系统是由d s p a c e 公司开发的一套基于m a t l a b s i m u l i n k 的控制系统开发及测试的工作平台，实现了和姒t l a b s i 舢1 i n k 的完全无缝连 接。d s p a c e 实时系统拥有具有高速计算能力的硬件系统，包括处理器、i o 等， 还拥有方便易用的实现代码生成下载和试验调试的软件环境。这样，在d s p a c e 强大能力的支持下，可以将他们用控制系统设计软件( 如m a t l a b s i 叫1 i n k ) 开 发的控制算法在一个实时的硬件平台上实现，以便观察与实际的控制对象相连时 控制算法的性能；而且，如果控制算法不理想，还可以很快地进行反复设计，反 复试验直到找到理想的控制方案。另外，当产品型控制器生产出来后，测试工程 师由于并行工程的需求，在控制对象可能还处于研制阶段，或者控制对象很难得 到时，可以用d s p a c e 在早期独立地完成对控制器的测试。 国内方面，一些企业或研究机构也在积极的对汽车动力学的仿真平台进行探 讨和研究。清华大学的柴占祥等也对防抱死制动系统做了计算机模拟陋1 。济南重 型汽车研究所的程军教授等已经做出了一种基于p c 4 8 6 微机的实时硬件闭环模拟 系统 。 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 4s o p c 技术在硬件在回路仿真系统中的应用 s o p c 技术及片上可编程技术，它是以f p g a 芯片为物理载体实现的片上系统， 基于i p 核的可构建特点，使得设计者可以根据自己的需要灵活定制自己的片上系 统。是一种新的系统设计技术，也是一种新的软硬件综合设计技术。s o p c 技术所 具备的一些优势和特点使它十分适合应用在硬件在回路仿真中。根据项目组开发 的用于测试e c u 的硬件在回路仿真系统的需求分析，我们选择使用了s o p c 技术，具 体原因分析如下：首先，我们的仿真算法中有大量的浮点运算，采用一般的处理 器无法满足系统的运算要求，而f p g a 芯片中本身具备一些特殊的硬件单元，强大 的s o p c 设计工具使得这些硬件单元可以被定制为浮点运算单元，专门用于处理我 们仿真算法中的浮点运算，完全满足了仿真周期和系统运算速度要求；其次，与 传统的定制系统相比，基于s o p c 技术的系统在实现精确且同步的波形生成和获取 方面具有明显的优点，它可以实现多个i o 在高速下进行同步，并快速完成信号数 据与输入输出信息间的转换。除了实现对e c u 的硬件在环仿真，f p g a 还可应用于 对e c u 的快速原型设计中，从硬件层面验证控制算法和模型的效果，同时f p g a 的并 行性允许将多个快速控制循环集成在同一个系统中。避免了在设计过程中购买多 个定制硬件的需要，从而降低了成本；最后，在我们的设计中，使用了a l l 7 e r a 公司为构建s o p c 开发的n i o si l 处理器，它是一种采用流水线技术、单指令流的r i s c 软核处理器。3 2 位n i o s 软核结合外部闪存以及大容量存储器，可构成一个功能强 大的3 2 位嵌入式处理器系统。其大部分指令可以在一个时钟周期内完成。n i o si i 的运算能力完全满足我们仿真器算法仿真周期的运算需求。基于s o p c 技术的这样 一些优势和特点，项目组研发了基于s o p c 的硬件在回路仿真器。在和重庆市几家 e c u 开发厂商的联合研发中，我们研发的硬件在回路仿真器为多款e c u 提供了良好 的硬件在回路仿真平台，实现了对e c u 的测试和开发。 1 5 本文研究内容 项目组按照v 字型开发流程，完成了功能设计，快速控制原型r c p ，目标代码 生成，完成了控制算法的设计，为了给e c u 的开发和测试提供一个模拟的汽车运行 环境，并且基于s o p c 技术的一些优势和特点，我们开发了基于s o p c 的硬件在回路 仿真器。本文主要涉及的工作是硬件在回路仿真和标定的方法对e c u 进行开发， 本文具体设计的工作是基于s o p c 的硬件在回路仿真器的设计，并深入探究了s o p c 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 技术的应用，为仿真器开发了c a n 控制器p 核，使得仿真器可以直接通过c a n 总 线和e c u 通信；同时，设计了一款u s b c a n 接口转换器，实现了e c u 和上位机的通 信，使得通过上层界面可以对e c u 的控制参数进行实时修改，以达到更好的控制效 果。 本文涉及到的几部分内容如下： 1 ) 介绍了e c u 开发所遵循的流程，介绍了硬件在回路仿真技术以及其国内 外应用开发的现状，在此基础上分析了使用s o p c 技术来实现硬件在回路 仿真的优越性。 2 ) 介绍了f p g a ，s o p c 技术以及设计c a n 总线控制器相关的c a n 总线的 知识。 3 ) 总体介绍了硬件在回路仿真系统的构架，在此基础上，详细介绍了硬件 在回路仿真器的硬件开发，s o p c 设计及基于n i o si i 的c a n 总线i p 核的 设计。 4 ) 介绍了硬件在回路仿真器的软件开发流程，仿真器和上位机及e c u 通信 的软件设计，汽车动力学模型的移植。 5 ) 介绍了硬件在回路仿真器在一个实际的e c u 开发系统中的应用及 u s b c a n 转换器的软硬件设计。 1 6 本章小结 本章首先分析了a b se c u 开发中所存在的问题，接着介绍了现代汽车产业中 e c u 的v 模式的开发流程。在此基础上介绍了硬件在回路仿真技术及其国内外的 研究现状，并分析了s o p c 技术运用在硬件在回路仿真系统中的一些优势和原因。 最后介绍了本论文所要讨论与研究的内容。 6 第二章s o p c 技术及c a n 总线原理 术及c a n 总线原理 本文的主要内容是基于s o p c 的硬件在回路仿真器软硬件设计，深入分析 c a n 总线协议及其报文结构的基础上实现了c a n 控制器p 核的设计，最后介绍 了一款实现u s b 到c a n 协议装换的转换器设计。为了更为能清晰的介绍上述设 计情况，本章简要的介绍了和上述设计相关的知识。 2 1f p g a 概述 f p g a 是英文f i e l dp r o 蓼a m m a b l eg a t e 枷的缩写，即现场可编程门阵列， 它是在可编程阵列逻辑p a l ( p r o 伊锄m a b l e 枷l o 西c ) 、门阵列逻辑g a l ( g a t e 姗l o 西c ) 、可编程逻辑器件p l d ( p r 0 蓼煳a b l el o 西cd e v i c e ) 等可编程器件的 基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路a s i c ( a p p l i c 撕o ns p e c i 丘c h l t e 鲥e dc i r c u i t ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足， 又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。f p g a 能完成任何数字器件的功 能，上至高性能c p u ，下至简单的7 4 系列电路，都可以用f p g a 来实现。f p g a 如 同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述 语言自由设计一个数字系统。通过软件仿真，可以事先验证设计的正确性。在p c b 完成以后，还可以利用f p g a 的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。 使用f p g a 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少p c b 面积，提高系统的 可控性。 2 2s o p c 技术简介 在二十世纪九十年代末，可编程逻辑器件( p l d ) 的复杂度已经能够在单个 可编程器件内实现整个系统，完整的单芯片系统( s o c ) 概念是指在一个芯片中 实现用户定义的系统。在一个s o c 设计中，将涵盖到包括微处理器、d s p 芯片、 存储器件、i o 、控制逻辑、混合信号模块( m i x e d s i 盟a lb l o c l ( s ) 等在内的许多部 分。微电子技术的近期发展成果，为s o c 的实现提供了多种途径。对于经过验证 而又具有批量的系统芯片，可以做成专用集成电路a s i c 而大量生产。而对于一些 仅为小批量应用或处于开发阶段的s o c ，若马上投入流片生产，需要投入较多的 资金，承担较大的试制风险。最近发展起来的s o p c 技术则提供了另一种有效的解 7 重庆邮电大学硕士论文第二章s o p c 技术及c a n 总线原理 决方案，即用大规模可编程器件的f p g a 来实现s o c 的功能。 在系统设计复杂度不断的提高及新产品市场周期不断缩短的压力下，把f p g a 及微处理器的核心内嵌在同一芯片上，构建成为一个可编程的s o c 系统体系框架 结构，建成所谓的可编程芯片系统s o p c ( s y s t 锄o nap r o 孕锄a b l ec h i p ) ，从而 为系统设计者提供了又一灵活快捷的设计方法与途径。 s o p c 是一种新的系统设计技术，也是一种新的软硬件综合设计技术。通过它 可以很快地将硬件系统( 包括微处理器，存储器，外设以及用户逻辑电路等) 和 软件设计都放在一个可编程的芯片中，以达到系统的i c 设计。这种设计方式，具 有开发周期短以及系统可修改等优点。设计完成的s o p c 可以通过h a r d c o p y 转为 a s i c 芯片，从而可以实现快速量产。 s o p c 技术是美国a l 仃e a 公司于2 0 0 0 年最早提出的，并同时推出了相应的开 发软件q l 】a r t u si i 。s o p c 是基于f p g a 解决方案的s o c ，与a s i c 的s o c 解决 方案相比，s o p c 系统及其开发技术具有更多的特色。 在2 0 0 0 年，t e m 发布了n i o s 软核r i s c 处理器，这是a l t e r ae x c a l i b u r 嵌入 处理器计划中第一个产品，它成为业界第一款为可编程逻辑优化的可配置处理器。 a l t e r a 把可编程逻辑的固有的优势集成到嵌入处理器的开发流程中，一旦定义了 处理器之后，设计者就“具备 了体系结构，可以马上开始设计软件原型。c p u 周边的专用硬件逻辑可以慢慢地集成进去，在每个阶段软件都能够进行测试，解 决遇到的问题。另外，软件组可以对结构方面提出一些建议，改善代码效率或处 理器性能，这些软件硬件权衡可以在硬件设计过程中间完成。 为了减轻设计者的负担，最佳的途径是把所有和处理器子系统相关的底层详 细资料集中到单个工具中。朋t e 拖提供了这样的工具s o p cb u i l d e r ，它包括两方 面的内容：第一，它具有直观的图形用户接口( g u i ) ，便于设计者准确地添加和 配置系统所需的外设( 包括存储器，定制外设和i p 模块) 。第二，它会自动完成 系统集成工作，这样设计者不必拘泥于定义存储器映射，中断控制和总线控制这 样的工作。构成s o p c 的方案也有如下多种途径。 1 基于f p g a 嵌入口硬核的s o p c 系统 即在f p g a 中预先植入嵌入式系统处理器。目前最为常用的嵌入式系统大多 采用了含有删的3 2 位知识产权处理器核的器件。尽管由这些器件构成的嵌入 式系统有很强的功能，但为了使系统更为灵活完备，功能更为强大，对更多任务 的完成具有更好的适应性，通常必须为此处理器配置许多接口器件才能构成一个 完整的应用系统。如除配置常规的s 洲、d l 乙蝴、f l 础外，还必须配置网络通 信接口、串行通信接口、u s b 接口、v g a 接口、p s 2 接口或其他专用接口等。 这样会增加整个系统的体积、功耗，而降低系统的可靠性。但是如果将删或 重庆邮电大学硕士论文第二章s o p c 技术及c a n 总线原理 其他知识产权核，以硬核方式植入f p g a 中，利用f p g a 中的可编程逻辑资源和 口软核，直接利用f p g a 中的逻辑宏单元来构成该嵌入式系统处理器的接口功能 模块，就能很好地解决这些问题。对此，舢t e r a 和) ( i l i i l 】【公司都相继推出了这方 面的器件。例如，a 1 t e r a 的e x c a l i b u r 系列f p g a 中就植入了删9 2 2 t 嵌入式系 统处理器；x i l i l l ) 【的r t e x p r o 系列中则植入了i b mp o w e r p c 4 0 5 处理器。这样 就能使得f p g a 灵活的硬件设计和硬件实现与处理器的强大软件功能有机地相结 合，高效地实现s o p c 系统。 、 2 基于f p g a 嵌入口软核的s o p c 系统 将口硬核直接植入f p g a 的解决方案存在如下几种不够完美之处： 1 ) 由于此类硬核多来自第3 方公司，f p g a 厂商通常无法直接控制其知识 产权费用，从而导致f p g a 器件价格相对偏高。 2 ) 由于硬核是预先植入的，设计者无法根据实际需要改变处理器的结构， 如总线规模、接口方式，乃至指令形式，更不可能将f p g a 逻辑资源构 成的硬件模块以指令的形式形成内置嵌入式系统的硬件加速模块( 如 d s p 模块) ，以适应更多的电路功能要求。无法根据实际设计需求在同一 f p g a 中使用多个处理器核。无法裁减处理器硬件资源以降低f p g a 成 本。 3 1 只能在特定的f p g a 中使用硬核嵌入式系统，如只能使用e x c a l i b l l r 系列 f p g a 中的删核，n e x p r 0 系列中的p o w e r p c 核。 如果利用软核嵌入式系统处理器，就能有效地克服解决上述不利因素。目前 最有代表性的软核嵌入式系统处理器分别是舢t e m 的n i o s 和n i o si i 核，及) ( i l i l l ) 【 的m i c r 0 b l 配e 核。特别是前者，即n i o sc p u 系统，使上述5 方面的问题得到很 好地解决。 3 基于h a r d c 0 p y 技术的s o p c 系统 通过强化s o p c 工具的设计能力，在保持f p g a 开发优势的前提下，引入 a s i c 的开发流程，从而对a s i c 市场形成直接竞争。这就是砧胁推出的h a r d c o p y 技术。 h a r d c 0 p y 就是利用原有的f p g a 开发工具，将成功实现于f p g a 器件上的 s o p c 系统通过特定的技术直接向a s i c 转化，从而克服传统a s i c 设计中普遍存 在的问题。 h a r d c 0 p y 技术是一种全新的s o c 级a s i c 设计解决方案，即将专用的硅片 设计和f p ( 认至h a r d c 0 p y 自动迁移过程结合在一起的技术，首先利用q 1 l a r t i 】si l 将系统模型成功实现于h a r d c 0 p yf p g a 上，然后帮助设计者把可编程解决方案无 缝地迁移到低成本的a s i c 上的实现方案。这样，h a r d c 0 p y 器件就把大容量f p g a 9 重庆邮电大学硕士论文第二章s o p c 技术及c a n 总线原理 的灵活性和a s i c 的市场优势结合起来，实现对于有较大批量要求并对成本敏感 的电子系统产品上。从而避开了直接设计a s i c 的困难，而从原型设计提升至产 品制造，通过f p g a 的设计十分容易地移植到h a r d c o p y 器件上，达到降低成本， 加快面市周期的目的。h a r d c 0 p y 器件( 如h a r d c 0 p y r 刁陋x 系列、e x c a l i b u r 系列 f p g a ) 避免了a s i c 的风险，它采用f p g a 的专有迁移技术。其h a r d c o p y a s i c 是直接在a l t e r ap l d 体系上构建的，采用有效利用面积“逻辑单元海内核。本 质上，h a r d c o p y 器件是f p g a 的精确复制，剔除了可编程性，专用配置和采用金 属互连使用的走线。这样，器件的硅片面积就更小，成本就更低，而且还改善了 时序特性。 在2 0 0 0 年，舢t e r a 发布了n i o s 软核r j s c 处理器，这是a 1 t e r ae x c a l i b u r 嵌入 处理器计划中第一个产品，它成为业界第一款为可编程逻辑优化的可配置处理器。 灿t e r a 把可编程逻辑的固有的优势集成到嵌入处理器的开发流程中，一旦定义了 处理器之后，设计者就“具备”了体系结构，可以马上开始设计软件原型。c p u 周 边的专用硬件逻辑可以慢慢地集成进去，在每个阶段软件都能够进行测试，解决 遇到的问题。另外，软件组可以对结构方面提出一些建议，改善代码效率或处理 器性能，这些软件硬件权衡可以在硬件设计过程中间完成。 为了减轻设计者的负担，最佳的途径是把所有和处理器子系统相关的底层详细 资料集中到单个工具中。灿t e l ? a 提供了这样的工具s o p cb u i l d e r ，它包括两方面的 内容：第一，它具有直观的图形用户接口( g u i ) ，便于设计者准确地添加和配置 系统所需的外设( 包括存储器，定制外设和p 模块) 。第二，它会自动完成系统集 成工作，这样设计者不必拘泥于定义存储器映射，中断控制和总线控制这样的工 作。 2 3c a n 总线协议简介 c a n 网络即控制器局域网，最初是为解决现代汽车众多的控制单元、测试仪 器之间的实时数据交换而开发的一种串行数据通讯协议，它是一种支持分布、实 时控制的串行通信总线网络，其采用短帧传输，具有使用简单、传输可靠、成本 低廉等优点。 1 9 9 1 年9 月b o s c h 公司制定并发布了c a n 技术规范( v 酬