（电路与系统专业论文）基于ARM的机车监控显示系统研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 在日益发展的电子技术和各行业对系统安全需求不断提高的刺激下，原有基 于x 8 6 系统架构机车监控显示系统逐渐暴露出越来越多的缺陷，研制新型的机车 监控显示系统成为一种必然的趋势，而不断发展的m c u 技术、嵌入式l i n u x 、制 造工艺等也给新型机车监控显示系统的研制提供了技术保障。 本课题针对目前铁路运营对安全、快速、准点等特性要求的不断提高，研究 基于a r m 的机车监控显示系统，设计出具有高可靠性、高效能、可维护性强的机 车监控显示系统。 本文首先分析了嵌入式技术发展现状及其发展趋势，对a r m 技术的特点及其 在嵌入式领域的应用进行了深入研究；进而，分析了国内现有基于p c 1 0 4 总线模 式扩展的机车监控显示系统的优缺点以及国外先进机车监控显示系统的发展现状 及技术特点。对如何有效提高系统的可靠性、可操作性进行了深入的研究，提出 了利用a r m 处理器与嵌入式操作系统l i n u x 实现高可靠性机车监控显示系统的思 路，并在此思路指导下完成了基本研究和具体设计。 在完成样机试制后，结合铁路产品的高可靠性要求，本文最后对影响系统可 靠性的若干性能指标进行了测试：高低温测试、静电放电测试、e m c 测试、绝缘 耐压测试、振动测试等，并对设计过程中一些欠考虑的因素提出了解决方案。实 际测试表明，基于a r m 技术的机车监控显示系统满足我国铁路未来若干年监控安 全的需要。 主题词：a r m 嵌入式系统机车监控显示系统l i n u x 可靠性测试 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t u n d e rt h es t i m u l u so ft h ee v e r - d e v e l o p i n ge l e c t r i c a lt e c h n o l o g ya n dd i f f e r e n t i n d u s t r i e s c o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n gd e m a n d so rs y s t e ms e c u r i t y ， m o r ea n d m o r ed e f e c t so ft h ee x i s t i n gl o c o m o t i v em o n i t o r i n gdi s p l a ys y s t e mw h i c hb a s e d o nx 8 6a r c h i t e c t u r eg r a d u a l l ye m e r g e ，t od e v e l o pan e wt y p eo fl 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 mc o m e si n t o a no b j e c t i v et r e n d ，m o r e o v e r ，t h e c o n s t a n t l yd e v e l o p i n g m c ut e c h n o l o g y ，e m b e d d e d o p e r a t i o n l i n u xa n d m a n u f a c t u r i n gc r a f t e t c o f f e rt e c h n i c a l g u a r a n t e e f o rt h er e s e a r c ha n d m a n u f a c t u r ea sw e l l i na c c o r d a n c ew i t h g r o w i n gd e m a n d sf o rs e c u r i t y ，h i g hs p e e d ，a n d p u n c t u a l i t yo ft h ep r e s e n tr a i l w a yo p e m t i n g ，t h i sa r t i c l es t u d i e di 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 na r m ，d e s i g n e daf u n c t i o n a ll 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 mo fh i g hr e l i a b i l i t y ，h i g he f f i c i e n c y ，a n dh i g h m a i n t a i n a b i l i t y f i r s t l y ，w i t ht h ea n a l y s i so ft h ep 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 tt r e n do f e m b e d d e dt e c h n o l o g y ，t h ea r t i c l ec o n d u c t e di n d e p t hs t u d i e so nt h ef e a t u r e so f a r mt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ee m b e d d e df i e l d ，f u r t h e r m o r e 。t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd o m e s t i ce x i s t i n gl 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 mw h i c hb a s e do na n de x t e n d e df r o mp c 10 4b u sm o d u l ei s a n a l y z e ds i m u l t a n e o u s l yw i t ht h ea d v a n c e de x t e r n a lr e l a t e dt e c h n o l o g ys t a t u s a n ds p e c i a l t y t h e s u b j e c t o f e f f i c i e n t l yi m p r o v i n gs y s t e ms e c u r i t y a n d m a n e u v e r a b i l i t yi si n t e n s i v e l yr e s e a r c h e d a sar e s u l t ，a ni d e ao fm a k i n gu s eo f a r ma n dl i n u xt oa c h i e v eh i g hr e l i a b l 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 mi s a d v a n c e d ，b a s i cr e s e a r c ha sw e l la sc o n c r e t ed e s i g nh a sa c c o r d i n g l yc o m p l e t e d u n d e rt h eg u i d a n c e a f t e rt h ep r o t o t y p em a c h i n eh a sb e e nt r i a l p r o d u c e d ，i n t e g r a t e dw i t ht h e r a i l w a yp r o d u c tr e q u i r e m e n t so nh i g hr e l i a b i l i t y ，t h ea r t i c l ec a r r i e do u tt e s t so n s e v e r a li n d e x e sw h i c hp o s s i b l ya f f e c tt h es y s t e m s e c u r i t y ：h i g ha n dl o w t e m p e r a t u r et e s t ，s t a t i ce l e c t r i c i t yr e l e a s i n gt e s t ，e m ct e s t ，i s o l a t i n ga n d p r e s s u r er e s i s t i n gt e s ta n dv i b r a t i o nt e s te t c a n dp r o v i d e ss o l u t i o n st ot h e u n c o n s i d e r e df a c t o r so c c u r r e di n d e s i g n i n gp r o c e s s a l lt h e s ea c t u a lt e s t s p r o v e dt h en e wt y p eo fl 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 do na r m t e c h n o l o g ys a t i s f i e st h ef u t u r es e c u r i t yn e e d so fo u rn a t i o n a lr a i l w a ym o n i t o r i n g o v e rt h en e x ts e v e r a ly e a r s k e yw o r d s ：a r m ，e m b e d d e ds y s t e m ，l 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 ，l i n u x ，r e l i a b i l i t y t e s t 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 传导辐射干扰标准1 4 表5 1a r m 和x 8 6 功能对照一5 3 表5 3 高温试验表5 5 一一。 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图2 1机车监控显示系统的典型应用7 图2 28 3 c 2 4 4 0 a 的功能框图11 图3 1系统方案17 图3 2 系统结构18 图3 3 系统模块电源1 9 图3 4 电源前端保护电路1 9 图3 5s d r a m 原理图2 1 图3 6f l a s h 原理图2 2 图3 7s j a l0 0 0 原理图2 3 图3 8c s 8 9 0 0 原理图2 4 图3 9a r m 和p c ，1 0 4 总线接口原理框图2 6 图3 1 0p c 1 0 4 总线i o 读时序2 7 图3 1 1p c 1 0 4 总线i ，o 写时序2 7 图3 1 2a r m 变延迟i o 读时序2 8 图3 1 3p c 1 0 4 总线控制器的工作流程图一2 9 图3 1 4 液晶接口电路图3 3 图3 1 5 音频控制电路3 5 图3 。1 6 功放电路3 6 图3 1 7 液晶背光亮度调节原理一3 7 图3 18 按键背光控制原理一3 7 图3 1 9g p l o 扩展一3 8 图3 2 0f l a s h 扩展一3 9 图4 1l i n u x 内核体系结构示意一4 2 图4 2 存储器空间分配示意图4 4 图4 3c a n 驱动处理流程图4 8 图5 1机车监控显示系统5 2 图5 2 机车监控显示系统一5 3 图5 3 系统电磁波辐射强度测试一5 8 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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 学位论文题目 学位论文作者 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；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 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 学位论文作者签 作者指导教师签 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 随着社会信息化的日益发展，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一 个角落，任何人都有可能拥有大大小小、使用嵌入式技术的电子设备。可以说现 在进入了嵌入式系统全面应用的时代，嵌入式系统已经被广泛应用于移动计算平 台( p d a 、掌上计算机) 、信息家电( 数字电视、机顶盒、网络设备) 、无线通 信设备( 手机、股票接收设备) 、工业商业控制( 智能工控设备、p o s ，a t m 机) 、 电子商务平台、航空航天、以及军事应用等诸多领域。各种各样的新型嵌入式系 统设备在应用上已经远远超过了通用计算机，嵌入式系统技术是当今最热门的概 念之一。 1 1 1 嵌入式系统定义 1 1 嵌入式系统概述 所谓嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) ，实际上是“嵌入式计算机系统”的简称， 它是相对于通用计算机系统而言的。 嵌入式系统无处不在，从家庭的洗衣机、电冰箱等，到工业控制领域各种控 制器，都属于可以使用嵌入式技术进行开发和改造的产品。根据电气工程师协会 ( i e e e ) 的定义，嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等的大规模系 统的设备。可以看出此定义是从应用方面考虑的。而国内一般定义为：以应用为 中心，以计算机为基础，软硬件可裁减，适应于实际系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 1 1 2 嵌入式系统特点 与通用计算机系统相比，嵌入式系统有如下几个重要特点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式系统大多工作在为特定用户设 计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型 化，移动能力大大增强。 ( 2 ) 嵌入式系统技术是一门新兴的交叉学科。嵌入式系统是将先进的计算机技 术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决 定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 系统精简和高效利用。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 体裁衣、去除冗余，力争最高的性能和最低的成本，控制系统成本，提高系统稳 定性，增强市场竞争力。 ( 4 ) 系统和应用软件的统一。嵌入式系统没有系统软件和应用软件的严格区分， 也不要求功能的设计及实现过于复杂，但把具有高效性和实时性作为嵌入式软件 的基本要求。 ( 5 ) 与“计算机系统”的相关特点。嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的 计算机系统。以上述特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的 接口电路。 ( 6 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立于应用自行发 展，则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能 力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，这些也是各个半导体厂商之间竞 争的热点。 1 1 3 嵌入式系统组成 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等 几大部分组成。 1 1 4 嵌入式技术发展现状及趋势 当前，嵌入式系统正处于一个飞速发展和激烈竞争的时代。嵌入式系统硬件， 特别是嵌入式处理器的处理能力提升较快，由8 位、1 6 位升级到3 2 位。主频也 越来越高，最高达到6 0 0 m h z 甚至更高。作为嵌入式系统核心的嵌入式实时操作 系统是开发嵌入式应用的关键一环。在这个领域中，没有普通操作系统环境下的 w i n d o w s 系统那样一枝独秀的商品。而l i n u x 由于自身的诸多优势，吸引了许多 开发商的目光，成为嵌入式操作系统未来的发展趋势。 1 2 课题研究背景及意义 随着自动化技术的不断发展，机场、铁路，地铁等安全信息显示领域、对工业 产品有苛刻需求的监控领域以及工程机械领域等，对高可靠性监控显示终端面临 巨大需求。由于x 8 6 在p c 平台的成功应用以及软件厂商的强大支持，利用基于 x 8 6 架构的p c 10 4c p u 模块垒叠底板扩展进行控制，成了早期机车监控显示系统 领域应用的事实标准，得到了广泛的应用。而x 8 6 系统架构天生就是为p c 桌面系 统而订制、完善的，在实际运用中，通常会遇到系统供货成本高、效能低、发热 量大等诸多不足，同时，相对于桌面应用来说的早期低端产品都面临停产的尴尬， 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 这对于生命周期远远长于桌面应用的工业领域，无疑是致命的打击。从某种程度 上讲，采用x 8 6 系统架构用于机车监控显示系统，主要是由于x 8 6 背后软件厂商 的强大支持以及受其他系统架构处理器软件支持程度的限制，实属无奈之举。而 随着嵌入式技术、m c u 技术、嵌入式操作系统技术、制造工艺等的不断发展，新 系统架构机车监控显示系统的研究成了必然的发展趋势，研制新一代机车监控显 示系统势在必行。 1 2 1 国内外发展现状 国外高速铁路事业起步的比较早，主要以欧洲、日本为代表。1 9 6 4 年，日本 新干线以每小时2 1 0 公里的速度运营成功，从此，世界铁路高速化揭开了序幕。 法国于1 9 8 3 年建成了第一条高速铁路t g v 巴黎东南线( 巴黎一里昂) 其高速 技术超过了日本，运营时速2 7 0 公里，把高速铁路的发展推向了一个新台阶。在 我国铁路控制技术吸收引进过程中，由于日本在技术转让方面不开放，对我国铁 路技术的发展没能起到很好的促进作用，这里主要讨论法国的控制显示技术。a t p 是法国高速列车核心控制系统，以此相应的a t p 机车监控显示系统也代表了其先 进的机车监控显示系统技术，由于推出的比较早，其系统架构依然采用了x 8 6c p u 核心模块通过p c 1 0 4 总线扩展底板的结构，在操作系统方面，采用了稳定性极高 的q n x 。相对a t p 机车监控显示系统过时的垒叠扩展结构，另一家德国企业德意 达开发的机车监控显示系统代表了未来的发展方向，采用了平板电脑的设计思想， 采用先进的结构设计实现无风扇散热，也拉开了新一代机车监控显示系统发展的 序幕。 1 2 2 课题来源及意义 经过先后6 次提速，我国铁路系统正逐步向高铁时代迈进。如何保证列车的 安全、可靠、舒适，将是今后5 10 年铁路运输领域重点研究对象，而安全问题， 又是这些问题之中的重中之重。我国先后推出了l k j 9 3 。l k j 2 0 0 0 两代安全监控运 行记录仪，由控制主机与监控显示系统组成，对铁路运输安全发挥出了重要的作 用。l k j 2 0 0 0 机车监控显示系统部分采用x 8 6 架构处理器，基于p c 1 0 4 扩展总 线的垒叠式结构，存在系统发热量大、效能低、抗震性能差以及可靠性差等缺点。 系统返修率高，而且还有个致命的问题就是，相对桌面系统来说，低端的x 8 6c p u 面临停产的问题，这就给终端用户带来了巨大的难题。 针对上述不足，提出了一个全新方案，结合嵌入式技术的优点，采用技术开 放的r i s c 处理器a r m 以及可编程逻辑器件c p l d 构成工业控制主板，实现原来 由技术封闭的x 8 6 架构构成的垒叠式系统的功能。由于采用了技术开放的a r m ， 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 支持的半导体厂商众多、指令兼容性好、整合程度高、供货稳定，大大增强了系 统的效能比，降低了系统的发热量，有利于增强系统稳定性，有利于向对安全性 要求高的场合推广。 1 3 嵌入式a r m 技术介绍 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认 为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名称。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器， 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品 市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以 上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权 供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的 芯片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根 据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器 芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权， 因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系 统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： ( 1 ) 工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片 不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应 用领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控 制器提出了挑战。 ( 2 ) 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 ( 3 ) 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步 获得竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也 对d s p 的应用领域提出了挑战。 ( 4 ) 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用。 ( 5 ) 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 更加广泛的应用。 1 4 课题所做工作及论文安排 根据当前嵌入式系统在国内外的发展状况，并结合实验室的实际情况，论文 在研究的过程中，实现了嵌入式系统设计在软硬件两个部分上的自主研发。本课 题主要研究了机车监控显示系统的功能特点以及a r m 的一些技术特点，阐述了工 业系统可靠性设计的一些关键技术，提出了一种基于a r m 处理器的机车监控显示 系统的设计方案，并结合具体的应用背景开发了一款机车监控显示系统。 第一章介绍了课题研究背景，研究意义，嵌入式技术现状及特点。 第二章分析了传统机车监控显示系统技术特点、开发的难点以及运用中的一 些缺陷。研究采用嵌入式技术实现机车监控显示系统的可行性以及在开发过程中 需要解决的关键技术和相关的理论指导。 第三章研究基于a r m 架构机车监控显示系统的各种功能模块的系统扩展技 术，散热处理技术、系统工业设计抗干扰处理技术。提出了基于a r m 处理器的机 车监控显示系统设计，完成系统硬件电路设计。 第四章研究嵌入式操作系统l i n u x 及相关的驱动开发技术，完成了操作系统 移植及系统各种接口驱动开发。 第五章系统性能测试。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论又 第二章机车监控显示系统分析与研究 2 1 机车监控显示系统 机车监控显示系统是列车运行监控记录系统的人机交互部分，是计算机在列 车防冒、防超技术中的实际应用。列车运行监控记录系统采用车载主机预先存储 地面线路数据的控制方式，在运行时根据列车所处位置按顺序调取车载存储线路 数据，按列车信号显示状态并根据列车速度、距前方信号机距离实时计算控制模 式曲线。当列车速度超过控制模式限速时，装置实施报警、卸载、常用制动及紧 急制动控制，防止列车越过关闭的信号机或超过各种允许速度。 机车监控显示技术并不是- 1 3 新的技术，而是多种技术的系统集成，是在自 动化技术不断发展，自动化程度不断提高的要求下发展起来的。图2 1 是机车监控 显示系统的一种典型应用。 2 1 1 机车监控显示系统特点 机车监控显示系统广泛运用于国内外各种列车安全监控领域，具有如下特点： ( 1 ) 技术复杂程度高。机车监控显示系统利用了控制技术、显示技术、总线技 术以及计算机技术，是这些技术在监控控制领域的成功运用，每一项技术的发展 都会促进机车监控显示系统的向前发展，每一项技术的滞后都回阻碍机车监控显 示系统的发展； ( 2 ) 可靠性要求高。机车监控显示系统的运用场合决定了对其高可靠性的要求。 机车监控显示系统面向铁路安全应用而开发，应用现场环境复杂，各种电磁干扰、 静电放电、系统振动、电源波动等，这都是系统设计时必须考虑处理的问题； ( 3 ) 生命周期长。机车监控显示系统的开发都有个漫长的过程，研发过程中一 般都有个样机生产一测试一现场考核一改进一再测试的过程，有时可能需要好 几轮的改进才能推出稳定可靠的最终产品，因此，对于o e m o d m 厂商来说，都 不希望研发出来的产品用上2 - , 3 年就淘汰。 围防科学技术大学研究生院硕士学位论文 蛙悬 尸啊舅囊粤寰勇景焉醚 溷憾萄西墨翻圈瞄， 机车监控显示系统的典型应用 2 1 2 国内外机车监控显示系统发展趋势 由于x 8 6 系统架构的技术壁垒，早期开发的机车监控显示系统基本都是采用 核心c p u 模块+ 扩展底板模式构成，操作系统也由于在x 8 6 上的先天优势被d o s 占据大部分市场。然而，随着m c u 技术以及嵌入式操作系统技术的发展，嵌入式 技术在机车监控显示系统领域得到飞速发展，呈现出新的发展趋势，主要表现在： ( 1 ) 采用技术开放的嵌入式处理器开发工业级嵌入式主板，设计出高可靠性的 平板电脑结构，实现高可靠性的机车监控显示系统，基于p c 1 0 4 架构扩展体系结 构逐渐退出这一市场； ( 2 ) 采用开源嵌入式操作系统l j n u x ，降低开发成本为用户的系统升级提供有 力支持。 2 2 现有机车监控显示系统研究 我国先后推出了l k j 9 3 ，l k j 2 0 0 0 ( 图21 ) 两代列车运行监控记录仪，l k j 9 3 作 为第一代运行监控记录仪，限于当时的l c d 技术水平，机车监控显示系统主要采 用数码显示，只能显示一些基本的数据，人际交互性不是很友好，不过，对铁路 运输安全还是发挥出了重要的作用，对确保铁路全面提速的安全运行提供了有力 的保障。l k j 2 0 0 0 型列车运行监控记录装置是在l k j 一9 3 型监控装置广泛应用的基 础上，借鉴国内外a t p 及a t c 先进技术而研究开发的新一代列车超速防护设备， 它是因铁路运输生产要求和当今数字化、网络化、智能化技术发展需要而研制成 功的列车行车安全设备的升级换代产品。值得注意的是，l k j 2 0 0 0 型机车监控显 第7 页 熟一一 ，rtlll 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 示系统采用了彩色显示器，显示界面明快，彩色显示屏除原数码显示器显示的机 车速度、限制速度、信号机位置坐标以及时钟外，增加了多架信号机坐标位置、 工务线路综合数据平面图、实际运行曲线等，为机车乘务员提供了友好界面。这 一代的机车监控显示系统，主要有以下特点： ( 1 ) 采用彩色液晶屏显示，界面直观亮丽，同时能显示更丰富的信息； ( 2 ) 模块化设计。系统内部采用标准的工业总线p c 1 0 4 ，将系统分为c p u 处 理模块，底板扩展模块，语音输出模块，m v b 通讯模块以及电源模块； ( 3 ) 支持多种通讯方式。系统通过底板扩展了2 路隔离c a n ，一路r s 4 8 5 ，一路 r s 4 2 2 。同时还支持m v b 总线通讯； ( 4 ) c p u 主频达6 5 m h z 。 由此可见，就机车监控显示系统而言，l k j 2 0 0 0 相对l k j 9 3 实现了一个飞跃， 极大的丰富了显示信息，设计更人性化。l k j 2 0 0 0 作为l k j 9 3 的升级，很快得到 了全路的普及。 然而，现场的广泛应用，也逐渐暴露出了l k j 2 0 0 0 型机车监控显示系统诸多 弱点，并且随着铁路的进一步提速，有些还是致命的，主要体现如下： ( 1 ) 系统发热量比较大，在炎热夏天故障率比较高； ( 2 ) 模块化的设计，停留在板级，导致内部接线复杂，可靠性得不到保障； ( 3 ) 由于发热量大，系统采用风扇散热，无法做到密封，湿热容易腐蚀系统内 部器件；同时，直接导致了e m c 辐射与抗干扰能力差的问题； ( 4 ) 数据转储只提供了i c 卡一种方式，这在系统升级与数据转储时导致诸多问 题。 2 3 新型机车监控显示系统指标分析 我国铁路事业起步较晚，与世界发达国家之间还存在一定的差距，基于目前 铁路的现状，结合l k j 9 3 ，l k j 2 0 0 0 的成功运行经验，分析这两代产品目前存在的 一些不足之处，展望我国铁路事业的发展趋势，对新型机车监控显示系统提出了 如下设计构想： 系统基本特性 嵌入式c p u ：主频4 0 0 m h z 或以上： n a n df l a s h 6 4 m b y t e ，同时要求为今后的功能扩展提供了足够的预留空间； 系统内存：1 6 m 3 2 b i ts d r a m ； 总线扩展接1 ：3 ：p c 10 4 总线扩展接1 ：3 ，为今后有可能的系统扩展预留； 操作系统：l i n u x ； 系统看门狗：提供多极看门狗监控，确保系统的可靠性； 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 外部接口 工业总线接口：2 路独立c a n 总线，1 0 0 0 v 隔离； 1 路r s - 4 2 2 总线接口、 1 路r s 4 8 5 总线接口，1 0 0 0 v 隔离： 以太网接口：带隔离，1 0 m b p s ； 串行总线：1 路r s 2 3 2 标准串行口； u s b 控制器：支持u s b2 0 协议标准； 语音输出：系统语音输出，支持m p 3 ，w a v 等语音文件的播放，带功放输出； l c 卡接口：支持s p i 总线型l c 卡； g p l o 口：8 路带隔离的g p i o 输入口； 人机交互 l c d ：真彩显示，分辨率为6 4 0 * 4 8 0 ； 触摸屏输入：支持4 线，5 线电阻式触摸屏输入； 薄膜键盘输入：支持3 7 矩阵键盘，可扩展为4 8 的模式； 工作环境及电源 电源：单一直流+ 11 0 v ，支持在3 8 v 到1 8 0 v 范围内正常工作，正常工作电流 小于1 a ； 工作温度：2 5 一7 0 ，储存温度_ 4 0 一8 5 ； 工作湿度：8 5 以下； 其他特殊考量 系统主电路采用密封隔离，不采用风扇散热； 液晶背光亮度能自动根据外部环境调节，薄膜键盘背光的通断能够自动根据 外部环境调节； 系统设计符合铁标t b 厂r3 0 2 1 2 0 0 1 的要求。 2 4 基于a r m 技术的机车监控显示系统设计 2 4 1a r m 优势 2 4 1 1x 8 6 的发展壁垒 开发x 8 6 平台的设备还是有很多困难需要解决的： ( 1 ) 现在x 8 6 已经发展到很高的水平，如奔腾4 的晶体管数超过四千万，生产 上也需采用最先进的0 1 3 微米工艺，只有i n t e l 等少数公司有这样的设计和生产能 力。这样高水平的设计难度对设计工具和设计经验的要求，以及对半导体生产工 艺的要求等等方面都远超过我们实际掌握的技术水平。 ( 2 ) 要兼容x 8 6 存在着知识产权壁垒，因为这里牵涉到i n t e l 的某些专利。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 1 i i ( 3 ) 微软和英特尔公司在x 8 6 架构的垄断地位目前看来是无法突破的。i n t e l 的 x 8 6 处理器能够发展到今天的地步，微软的o s 支持起了关键作用，可以说，没 有微软在o s 方面的支持就没有x 8 6 。在这样的模式下，开发x 8 6 的o s 就是一 个黑盒子，开发这样的嵌入式设备就失去了意义。 2 4 1 2 采用a r m 的有利条件 目前对国内的大多数公司、实验室、研究院而言，切实可行的做法是为各种 信息设备开发嵌入式的c p u ，它不必有很高的性能，也不必和x 8 6 结构兼容，这 样做的有利条件如下： ( 1 ) 信息设各种类众多，每类中的各种新产品也层出不穷，与高度标准化的x 8 6 只有基本采用南北桥的经典结构完全不同，信息设备产品的这种特点使大公司很 难垄断，容易找到自己的发展空间。 ( 2 ) 芯片设计技术、第三方工具已有很大发展。所有a r m 都将一个完整的系 统集成在一个芯片上，称为单芯片系统，即s o c 。这一技术使开发速度大大加快， 我们掌握s o c 技术就可以实现跨越式发展，不必走国外公司已走过的老路。 ( 3 ) 与a r m 相配套的软件，从嵌入式o s ( 包括l i n u x 和其他自主o s ) n 在它上 面运行的应用程序，不像x 8 6 的软件那样受到微软垄断的影响，完全可以在国内 自主开发。 ( 4 ) 嵌入式处理器对半导体生产工艺的要求较低，多数不必采用最先进、昂贵 的半导体工艺，解决了国内半导体生产能力的问题。对于复杂性相对较低的嵌入 式处理器，在芯片面积由引线数决定时，用较低的工艺生产反而比用较高的工艺 生产更为经济，因此发展嵌入式处理器符合我国半导体生产水平的现状。 ( 5 ) 我国有信息设备的巨大市场和强大的i t 制造业，一旦开发出有效的应用产 品，可以迅速实现产业化。掌握了信息设备的核心技术，就可以有较高的技术附 加值，这些设备的出口也将有很好的前景。 2 4 2a r m 芯片介绍 本课题研究的机车监控显示系统拟采用三星的$ 3 c 2 4 4 0 a 处理器( 见图2 2 ) 。 $ 3 c 2 4 4 0 a 是一颗主频高达4 0 0 m h z 5 3 3 m h z ，基于a r m 9 2 0 t 内核( 16 3 2 b i t r i s cc p u ) 的高性能s o cc p u ，独立的1 6 k b 指令和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u 虚拟内存管理单元，使得程序运行以及数据存储更加高效，并可以支持w i n c e 、 l i n u x 和u c o s i i 等许多种业内主流的嵌入式操作系统。$ 3 c 2 4 4 0a 的内核电 压为1 3 v ，内嵌一个1 6 3 2 位的a r m 9 2 0 tr i s c 处理器。$ 3 c 2 4 4 0 a 采用先进 微控制器总线架构( a m b a ) ，使用0 1 3u m 的c m o s - r 艺技术制造。此外还集成 了以下片上外设： 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 1 ) l c d 控制器( 支持s t n 和t f t ) ； ( 2 ) n a n df l a s hc o n t r o l l e r ； ( 3 ) 系统管理单元( 包括s d r a m 控制器等) ； ( 4 ) 3 通道u a r t ； ( 5 ) 4 通道d m a ； ( 6 ) 4 通道具备p w m 功能的定时器； ( 7 ) 4 通道1 6 位定时器p w m 发生器； ( 8 ) 8 通道10 b i t 精度a d c 和触摸屏控制器( 内置切换m o s 管) ； ( 9 ) j i c 总线接口； ( 1o ) h s 数字音频总线接口； ( 1 1 ) u s b 主 s r l u s b 设备； ( 1 2 ) s d m m c 卡控制器； ( 13 ) 2 通道s p i 。 图2 2s 3 c 2 4 4 0 a 的功能框图 第1 l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 4 3a r m 软件支持 a r m 处理器以高效的指令集，高效能比特性以及成功的商业运作模式，获得 众多第三方工具、半导体厂商的支持。以此相应的，a r m 也获得了所有主流嵌入 式操作系统的良好支持。 常见的嵌入式系统有：l i n u x 、u c l i n u x 、w i n c e 、p a l m o s 、s y m b i a n 、e c o s 、 u c o s i i ，v x w o r k s ，p s o s 、n u c l e u s ，t h r e a d x ，r t e m s ，q n x ，i n t e g r i t y 、 o s e 。 这里要特别指出的是嵌入式操作系统l i n u x ，自由免费软件l i n u x 的出现对目 前商用嵌入式操作系统带来了巨大冲击。作为候选的嵌入式操作系统，l i n u x 有一 些很吸引人的优势，它已经被成功移植到多个不同结构的c p u 和硬件平台上，具 有很好的稳定性、各种性能的升级能力，而且对各种驱动的支持，在嵌入式操作 系统中是最丰富的。 同时，相对于v ) ( w o r k s 这样的商用操作系统，l i n u x 有着得天独厚的优势。 首先，嵌入式l i n u x 由于代码开放性，不存在黑箱技术，遍布全球的众多l i n u x 爱好者就是l i n u x 开发的强大技术后盾。 其次，嵌入式l i n u x 拥有强大的网络功能，在嵌入式联网日趋成熟的今天，这 个优势显得非常明显，l i n u x 甚至支持蓝牙等新技术，其他任何操作系统对于新技 术的支持远没有l i n u x 那么迅速。 再次，l i n u x 的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高。 另外，l i n u x 沿用了u n i x 的发展方式，遵循国际标准，可以方便的获得众多 第三方软硬件厂商的支持。 最后，良好的开发环境和软件开发者的广泛支持是嵌入式l i n u x 发展迅速的最 大优势。l i n u x 有着非常优秀的完整开发工具链，有十几种集成开发环境，其中很 多是免费的，大大降低了开发费用。l i n u x 的自由精神吸引了成千上万的程序员投 入到l i n u x 的开发和测试中来，这使得l i n u x 在短时间内就成为一个功能强大的操 作系统。 目前，国际上一些著名的公司已经选用了嵌入式l i n u x 作为开发嵌入式产品的 工具。如三星公司的l i n u xp d a ，t r a n s m e t a 公司的l i n u x 智能手机，n e t g e m 的 机顶盒等。 l i n u x 在嵌入式领域的异军突起不过是近两年的事情，但是对有嵌入式操作系 统需求的技术人员调查却显示：过去一年中有5 2 的用户正在或开始使用嵌入式 l i n u x 操作系统进行开发工作。由此不难看出l i n u x 作为开发嵌入式产品的操作系 统所具备的巨大潜力。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 5 新型机车监控显示系统关键技术研究 l k j 2 0 0 0 运行监控记录仪鉴定后，在全路很快得到了推广，与此同时，也反 馈回来不少问题，主要如下： 2 5 1 电源可靠性 电源的可靠性问题是一个系统能否可靠工作最基本的问题，也是最核心的问 题，是系统其他功能模块能否正常工作的基本前提。电源的可靠性主要包括： ( 1 ) 效能问题。这涉及到系统温升，如何散热等诸多问题； ( 2 ) 抗干扰能力。包括抗浪涌，脉冲群等干扰以及过压、欠压工作能力等问题； (