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图1:MVB的OSI模型和MVB系统软硬件划分。
1、嵌入式操作系统选择:
根据系统的需求和以上的原则,在MVB系统中采用了Vxworks实时操作系统,VxWorks是风河公司(Windriver)开发的实时操作系统之一,以其的可靠性、实时性及内核的可裁减性,被广泛应用于通信、军事、航天、航空、工业控制等关键行业领域,其开发环境为Tornado。
2、处理器的选择:
在为嵌入式系统选择处理器时需要考虑以下几个方面:
在本系统的设计中,综合以上各方面的因素,考虑到处理器性能,操作系统支持以及列车上严酷的工业环境等等,在MVB系统中选用了ATMEL用于工业控制领域的工业级的AT91系列ARM处理器AT91M40800,它是基于ARM7TDMI内核,内含高性能的32位RISC处理器、16位高集成度指令集、8KB片上SRAM、可编程外部总线接口(EBI)、3通道16位计数器/定时器、32个可编程I/O口、中断控制器、2个USART、可编程看门狗定时器、主时钟电路和DRAM时序控制电路,并配有节能电路;同时,可支持JTAG调试,主频可达到40MHz。
可靠性措施:MVB容错措施包括
发送的完整性:链路层有扩充的检错机制,该机制提供的汉明码距为8,可检测位、帧和同步错误。故障的独立性:通常对铜介质进行完全双份配置,以确保设备故障的独立性。发送的可用性:可用性可以通过介质冗余、电源冗余、管理器冗余等措施得以提高。
2、MVB系统的基本需求如下:
a. 完全与IEC-61375-1(TCN) 国际标准兼容,支持MVB总线定义的三种数据类型过程数据,消息数据,监视数据。
b. 系统可配置成为:i. 总线管理器(BA)功能ii. 总线管理器(BA)功能和通信功能iii. 独立的通信功能
c. 采用ARM7TDMI的处理器
d. 采用实时操作系统
e. 供T
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图1:MVB的OSI模型和MVB系统软硬件划分。
1、嵌入式操作系统选择:
根据系统的需求和以上的原则,在MVB系统中采用了Vxworks实时操作系统,VxWorks是风河公司(Windriver)开发的实时操作系统之一,以其的可靠性、实时性及内核的可裁减性,被广泛应用于通信、军事、航天、航空、工业控制等关键行业领域,其开发环境为Tornado。
2、处理器的选择:
在为嵌入式系统选择处理器时需要考虑以下几个方面:
在本系统的设计中,综合以上各方面的因素,考虑到处理器性能,操作系统支持以及列车上严酷的工业环境等等,在MVB系统中选用了ATMEL用于工业控制领域的工业级的AT91系列ARM处理器AT91M40800,它是基于ARM7TDMI内核,内含高性能的32位RISC处理器、16位高集成度指令集、8KB片上SRAM、可编程外部总线接口(EBI)、3通道16位计数器/定时器、32个可编程I/O口、中断控制器、2个USART、可编程看门狗定时器、主时钟电路和DRAM时序控制电路,并配有节能电路;同时,可支持JTAG调试,主频可达到40MHz。
三、步骤3:详细的软硬件设计和RTL代码、软件代码开发
在系统架构确定的基础上,详细的软硬件设计就可以开始了。
1、硬件设计
硬件设计设计包括了MVB控制器的FPGA设计和MVB总线系统的板级设计,其中关键的MVB控制器的设计如图5
图5:MVB控制器的框图。
如图所示,MVB控制器包含以下功能模块:
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2、软件设计
由于在MVB系统中,过程数据,消息数据,监视数据是三种不同的通讯机制,因此,MVB系统软件的模块设计如图6。
图6:MVB系统软件模块。
四、软硬件的联调和集成
下面,以一个简单的例子来说明MVB系统的软硬件的集成和验证。
过程数据在MVB系统中是周期性发送的数据,其在本系统中的通讯机制如下:对于发送方,用户应用模块将一个端口的过程变量发送给过程数据处理模块,过程数据处理模块按照逻辑端口的设置定时通过链路层接口模块更新Traffic Memory当中的相应逻辑端口的数据,此时发送方软件的任务完成。发送方的MVBC硬件接收总线管理器BA定时发出的主帧,通过译码器解码得到相应的逻辑端口的值,通过查询Traffic Memory相关的逻辑端口发送设置后将MVBC自动设置为发送状态,将逻辑端口的数据作为过程数据从帧通过编码器发出,如图7所示:
图7:过程数据通讯示例。
对于接收方,其接收过程与发送方相逆,接收方的MVBC硬件接收总线管理器BA定时发出的主帧,通过译码器解码得到相应的逻辑端口的值,通过查询Traffic Memory相关的逻辑端口接收设置后将MVBC自动设置为接收状态将,在收到发送方发出的从帧后更新相应逻辑端口在Traffic Memory的数据并发出中断信号从而完成硬件的接收过程。接收方的软件可以用中断或定时查询的方式通过过程数据处理模块得到更新后的逻辑端口的过程数据。 五、系统的测试
在本系统中,系统的测试即包括了软件的测试,也包括了硬件,FGPA的测试,在本文中不再赘述。
结束语
上述的MVB系统现已运行在列车控制系统中,成功实现对列车的运行控制、机车控制、车辆控制、状态监测、故障诊断。当然,如有需要,本文中的MVB系统可以转化成为ASIC设计,从而成为一个SOC的嵌入式系统。
参考文献:
[1]. RS485 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS485_585289.html.
[2]. ARM7TDMI datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ARM7TDMI_139812.html.
[3]. AT91M40800 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT91M40800_143876.html.
[4]. RISC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.
[5]. International Standard IEC-61371-1
[6]. AT91M40800 datasheet
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