基于ARM和FPGA的多功能車輛總線嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)也取得迅速發(fā)展，嵌入式技術(shù)應(yīng)用范圍的急劇擴(kuò)大。本文介紹了一種基于ARM和FPGA，從軟件到硬件完全自主開(kāi)發(fā)多功能車輛總線(Multifunction Vehicle Bus)MVB嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

通常來(lái)說(shuō)，一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程如下：

1. 確定嵌入式系統(tǒng)的需求；

2. 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)：選擇處理器和相關(guān)外部設(shè)備，操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)平臺(tái)以及軟硬件的分割和總體系統(tǒng)集成；

3. 詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)和RTL代碼、軟件代碼開(kāi)發(fā)；

4. 軟硬件的聯(lián)調(diào)和集成；

5. 系統(tǒng)的測(cè)試。

一、步驟1：確定系統(tǒng)的需求：

嵌入式系統(tǒng)的典型特征是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，市場(chǎng)應(yīng)用是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的導(dǎo)向和前提。一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)取決于系統(tǒng)的需求。

1、MVB總線簡(jiǎn)介

列車通信網(wǎng)(Train Communication Network,簡(jiǎn)稱TCN)是一個(gè)集整列列車內(nèi)部測(cè)控任務(wù)和信息處理任務(wù)于一體的列車數(shù)據(jù)通訊的IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IEC－61375-1）, 它包括兩種總線類型絞線式列車總線(WTB)和多功能車廂總線(MVB)。

TCN 在列車控制系統(tǒng)中的地位相當(dāng)與CAN總線在汽車電子中的地位。多功能車輛總線MVB是用于在列車上設(shè)備之間傳送和交換數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)通信介質(zhì)。附加在總線上的設(shè)備可能在功能、大小、性能上互不相同，但是它們都和MVB總線相連，通過(guò)MVB總線來(lái)交換信息，形成一個(gè)完整的通信網(wǎng)絡(luò)。在MVB系統(tǒng)中，根據(jù)IEC－ 61375－1列車通信網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)， MVB總線有如下的一些特點(diǎn)：

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：MVB總線的結(jié)構(gòu)遵循OSI模式，吸取了ISO的標(biāo)準(zhǔn)。支持最多4095個(gè)設(shè)備，由一個(gè)中心總線管理器控制。簡(jiǎn)單的傳感器和智能站共存于同一總線上。

數(shù)據(jù)類型：MVB總線支持三種數(shù)據(jù)類型：

a.過(guò)程數(shù)據(jù)：過(guò)程變量表示列車的狀態(tài)，如速度、電機(jī)電流、操作員的命令。過(guò)程變量的值叫過(guò)程數(shù)據(jù)。它們的傳輸時(shí)間是確定的和有界的。為保證這一延遲時(shí)間，這些數(shù)據(jù)被周期性地傳送。

b.消息數(shù)據(jù)：消息被分成小的包，這些包分別被編號(hào)并由目的站確認(rèn)。消息包及與之相關(guān)的控制數(shù)據(jù)形成消息數(shù)據(jù)。消息數(shù)據(jù)以命令方式傳輸。功能消息被應(yīng)用層所使用；服務(wù)消息用于列車通信系統(tǒng)自身的管理等。

c.監(jiān)視數(shù)據(jù)：是短的幀，主設(shè)備用它作同一總線內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)校驗(yàn)、聯(lián)機(jī)設(shè)備的檢測(cè)、主權(quán)傳輸、列車初運(yùn)行和其它管理功能。

介質(zhì)訪問(wèn)形式：MVB總線支持RS485銅介質(zhì)和光纖。其物理層的數(shù)據(jù)格式為1.5Mbps串行曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)。

MVB的介質(zhì)訪問(wèn)是由總線管理器BA進(jìn)行管理的，總線管理器BA是唯一的總線主設(shè)備，所有其它設(shè)備都是從設(shè)備。主設(shè)備按照某種預(yù)定的順序?qū)Χ丝谶M(jìn)行周期性輪詢，在周期的間隔中，主設(shè)備轉(zhuǎn)而處理偶發(fā)性請(qǐng)求。

可靠性措施：MVB容錯(cuò)措施包括

發(fā)送的完整性：鏈路層有擴(kuò)充的檢錯(cuò)機(jī)制，該機(jī)制提供的漢明碼距為8，可檢測(cè)位、幀和同步錯(cuò)誤。

故障的獨(dú)立性：通常對(duì)銅介質(zhì)進(jìn)行完全雙份配置，以確保設(shè)備故障的獨(dú)立性。

發(fā)送的可用性：可用性可以通過(guò)介質(zhì)冗余、電源冗余、管理器冗余等措施得以提高。

2、MVB系統(tǒng)的基本需求如下：

a. 完全與IEC-61375-1(TCN) 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)兼容，支持MVB總線定義的三種數(shù)據(jù)類型過(guò)程數(shù)據(jù)，消息數(shù)據(jù)，監(jiān)視數(shù)據(jù)。

b. 系統(tǒng)可配置成為：

i. 總線管理器（BA）功能

ii. 總線管理器（BA）功能和通信功能

iii. 獨(dú)立的通信功能

c. 采用ARM7TDMI的處理器

d. 采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

e. 供TCN的實(shí)時(shí)協(xié)議棧協(xié)議（RTP）

f. 支持 4096 邏輯端口的過(guò)程數(shù)據(jù)

g. 支持與上位PC104主機(jī)的雙口RAM接口

h. 輸入電壓5V

i. 工作環(huán)境溫度：－40℃?75℃

3、其他需求

多功能車輛總線MVB系統(tǒng)與用戶的列車控制系統(tǒng)同步設(shè)計(jì)，有著嚴(yán)格的時(shí)間限制。

二、步驟2：設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，協(xié)同分配硬件/軟件方面的要求

嵌入式系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分：硬件架構(gòu)上以嵌入式處理器為中心，配置存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備、通信模塊等必要的外設(shè)；軟件部分以軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為核心，向上提供應(yīng)用編程接口（API），向下屏蔽具體硬件特性的板級(jí)支持包BSP。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能。根據(jù)OSI的七層模型可以確定鏈路層和物理層由硬件實(shí)現(xiàn)，其他各層由軟件實(shí)現(xiàn)，如圖1。

圖1：MVB的OSI模型和MVB系統(tǒng)軟硬件劃分。

1、嵌入式操作系統(tǒng)選擇：

• 通常而言，為一個(gè)嵌入式系統(tǒng)選擇操作系統(tǒng)要考慮如下幾個(gè)因素：

• 操作系統(tǒng)支持的微處理器

• 操作系統(tǒng)的性能

• 操作系統(tǒng)的軟件組件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

• 操作系統(tǒng)的調(diào)試工具，開(kāi)發(fā)環(huán)境、在線仿真器（ICE）、編譯器、匯編器、連接器、調(diào)試器以及模擬器等等

• 操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)兼容性

• 操作系統(tǒng)的技術(shù)支持程度

• 操作系統(tǒng)是提供源代碼還是目標(biāo)代碼

• 操作系統(tǒng)的許可使用情況

• 操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者聲譽(yù)狀況

根據(jù)系統(tǒng)的需求和以上的原則，在MVB系統(tǒng)中采用了Vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，VxWorks是風(fēng)河公司（Windriver）開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一，以其優(yōu)秀的可靠性、實(shí)時(shí)性及內(nèi)核的可裁減性，被廣泛應(yīng)用于通信、軍事、航天、航空、工業(yè)控制等關(guān)鍵行業(yè)領(lǐng)域，其開(kāi)發(fā)環(huán)境為Tornado。

2、處理器的選擇：

在為嵌入式系統(tǒng)選擇處理器時(shí)需要考慮以下幾個(gè)方面：

• 性能：處理器必須有足夠的性能執(zhí)行任務(wù)和支持產(chǎn)品生命周期。

• 工具支持：支持軟件創(chuàng)建、調(diào)試、系統(tǒng)集成、代碼調(diào)整和優(yōu)化工具對(duì)整體項(xiàng)目成功與否非常關(guān)鍵。

• 操作系統(tǒng)支持：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需要使用有幫助的抽象來(lái)減少其復(fù)雜性。

• 開(kāi)發(fā)人員過(guò)去的處理器經(jīng)驗(yàn)：擁有處理器或處理器系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)可以減少可觀的學(xué)習(xí)新處理器、工具和技術(shù)的時(shí)間。

• 成本，功耗，產(chǎn)品上市時(shí)間，技術(shù)支持等等

3、相關(guān)外部設(shè)備的選擇：

在確定操作系統(tǒng)和處理器之后，就可以確定相關(guān)的外部設(shè)備，如FLASH，RAM，串口等等。在MVB系統(tǒng)中，MVB控制器MVBC （Multifunction Vehicle Bus Controller）是一個(gè)MVB電路和實(shí)際的物理設(shè)備之間的接口控制器，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)MVB總線信號(hào)與數(shù)據(jù)幀的編解碼，糾錯(cuò)等功能，是本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵的硬件模塊。由于系統(tǒng)規(guī)模，上市時(shí)間等方面的要求，系統(tǒng)暫時(shí)不考慮ASIC實(shí)現(xiàn)，因此在MVB系統(tǒng)中用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)關(guān)鍵模塊，FPGA 是ASIC最靈活和最合算的替代方案?？紤]到系統(tǒng)需求與FPGA資源，成本，供貨情況等因素，最終選擇了Altera公司的Cyclone系列FPGA, 其開(kāi)發(fā)工具是Quartus II。

4、MVB系統(tǒng)架構(gòu)

由以上的需求分析和選型，完整的系統(tǒng)硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)如圖2圖3所示

圖2：MVB系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。

圖3：MVB系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。

其中，處理器和 MVBC通過(guò)Traffic Memory（TM）進(jìn)行通訊數(shù)據(jù)交換，所有軟件和MVBC要交換的控制信息和數(shù)據(jù)都可以在TM地址空間中找到，這個(gè)地址空間對(duì)處理器和MVBC都是可訪問(wèn)的。其示意圖4如下

圖4：Traffic Memory。

三、步驟3：詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)和RTL代碼、軟件代碼開(kāi)發(fā)

在系統(tǒng)架構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)就可以開(kāi)始了。

1、硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)包括了MVB控制器的FPGA設(shè)計(jì)和MVB總線系統(tǒng)的板級(jí)設(shè)計(jì)，其中關(guān)鍵的MVB控制器的設(shè)計(jì)如圖5

圖5：MVB控制器的框圖。(點(diǎn)擊放大該圖)

如圖所示，MVB控制器包含以下功能模塊：

• 編碼器：產(chǎn)生曼徹斯特編碼，傳送數(shù)據(jù)幀

• 發(fā)送緩沖區(qū)：作為要發(fā)送的數(shù)據(jù)和CRC檢測(cè)值的緩沖區(qū)

• 譯碼器：接收、曼徹斯特譯碼，數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)

• 接收緩沖區(qū)：作為接收端數(shù)據(jù)和CRC結(jié)果的緩沖區(qū)

• 報(bào)文分析單元：檢測(cè)主幀和從幀超時(shí)，幀誤檢測(cè)、錯(cuò)誤狀態(tài)報(bào)告

• 狀態(tài)控制寄存器：MVBC配置

• 主控單元：支持MVBC作為主設(shè)備或者從設(shè)備工作，支持隊(duì)列消息傳送

• 設(shè)備地址讀取和儲(chǔ)存單元：硬件定義的設(shè)備地址可以被不同的值覆蓋

• 地址邏輯：把CPU對(duì)MVBC內(nèi)部寄存器進(jìn)行訪問(wèn)的輸入地址進(jìn)行解析；產(chǎn)生MVBC訪問(wèn)TM的輸出地址

• 總線復(fù)用、轉(zhuǎn)換單元：處理MVBC內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送

• 中斷邏輯：支持16種中斷源；

• 通用定時(shí)器：兩個(gè)定時(shí)輸出信號(hào)，可提供給系統(tǒng)同步使用

• 時(shí)鐘產(chǎn)生電路:產(chǎn)生所有MVBC工作的時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器

由于在MVB系統(tǒng)中，過(guò)程數(shù)據(jù)，消息數(shù)據(jù)，監(jiān)視數(shù)據(jù)是三種不同的通訊機(jī)制，因此，MVB系統(tǒng)軟件的模塊設(shè)計(jì)如圖6。

圖6：MVB系統(tǒng)軟件模塊。

四、軟硬件的聯(lián)調(diào)和集成

下面，以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明MVB系統(tǒng)的軟硬件的集成和驗(yàn)證。

過(guò)程數(shù)據(jù)在MVB系統(tǒng)中是周期性發(fā)送的數(shù)據(jù)，其在本系統(tǒng)中的通訊機(jī)制如下：對(duì)于發(fā)送方，用戶應(yīng)用模塊將一個(gè)端口的過(guò)程變量發(fā)送給過(guò)程數(shù)據(jù)處理模塊，過(guò)程數(shù)據(jù)處理模塊按照邏輯端口的設(shè)置定時(shí)通過(guò)鏈路層接口模塊更新Traffic Memory當(dāng)中的相應(yīng)邏輯端口的數(shù)據(jù)，此時(shí)發(fā)送方軟件的任務(wù)完成。發(fā)送方的MVBC硬件接收總線管理器BA定時(shí)發(fā)出的主幀，通過(guò)譯碼器解碼得到相應(yīng)的邏輯端口的值，通過(guò)查詢Traffic Memory相關(guān)的邏輯端口發(fā)送設(shè)置后將MVBC自動(dòng)設(shè)置為發(fā)送狀態(tài)，將邏輯端口的數(shù)據(jù)作為過(guò)程數(shù)據(jù)從幀通過(guò)編碼器發(fā)出，如圖7所示：

圖7：過(guò)程數(shù)據(jù)通訊示例。

對(duì)于接收方，其接收過(guò)程與發(fā)送方相逆，接收方的MVBC硬件接收總線管理器BA定時(shí)發(fā)出的主幀，通過(guò)譯碼器解碼得到相應(yīng)的邏輯端口的值，通過(guò)查詢Traffic Memory相關(guān)的邏輯端口接收設(shè)置后將MVBC自動(dòng)設(shè)置為接收狀態(tài)將，在收到發(fā)送方發(fā)出的從幀后更新相應(yīng)邏輯端口在Traffic Memory的數(shù)據(jù)并發(fā)出中斷信號(hào)從而完成硬件的接收過(guò)程。接收方的軟件可以用中斷或定時(shí)查詢的方式通過(guò)過(guò)程數(shù)據(jù)處理模塊得到更新后的邏輯端口的過(guò)程數(shù)據(jù)

五、系統(tǒng)的測(cè)試

在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)的測(cè)試即包括了軟件的測(cè)試，也包括了硬件，F(xiàn)GPA的測(cè)試，在本文中不再贅述。

結(jié)束語(yǔ)

上述的MVB系統(tǒng)現(xiàn)已運(yùn)行在列車控制系統(tǒng)中，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的運(yùn)行控制、機(jī)車控制、車輛控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷。當(dāng)然，如有需要，本文中的MVB系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)化成為ASIC設(shè)計(jì)，從而成為一個(gè)SOC的嵌入式系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：
1、International Standard IEC-61371-1
2、AT91M40800 datasheet