專利名稱：基于arm9核微處理器的列車控制單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及TCN標(biāo)準(zhǔn)的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，是MVB網(wǎng)絡(luò)的中央控制設(shè)備。廣泛應(yīng)用于鐵路機(jī)車、動(dòng)車組及電廠、礦山等實(shí)時(shí)性要求較高的工業(yè)控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEC61375-1(簡稱TCN標(biāo)準(zhǔn))是國際標(biāo)準(zhǔn)，也是我國鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它已經(jīng)在鐵路行業(yè)中受到了廣泛的重視，逐步應(yīng)用到各種新型的機(jī)車車輛、動(dòng)車組上。TCN標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種用于列車車載數(shù)據(jù)通信的現(xiàn)場總線絞線式列車總線(簡稱WTB總線)和多功能列車總線(簡稱MVB總線)。MVB總線是快速的過程控制優(yōu)化的總線，能提供最佳的響應(yīng)速度，MVB總線被設(shè)計(jì)用于連接車輛內(nèi)部的設(shè)備，或固定編組的列車組中各車輛之間的設(shè)備，其節(jié)點(diǎn)功能較為簡單，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。WTB總線被設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)頻繁編組的列車組中的各車輛間的互連，具有自動(dòng)適應(yīng)列車編組的能力，它能對經(jīng)常改變編組的鐵路列車、地鐵列車和城市軌道交通車輛的控制、安全、運(yùn)營和維護(hù)提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)通信支持。TCN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的MVB總線特點(diǎn)如表1所示。
列車控制單元既實(shí)現(xiàn)MVB過程數(shù)據(jù)功能、消息數(shù)據(jù)功能、監(jiān)視數(shù)據(jù)功能和網(wǎng)絡(luò)管理功能，也完成列車中央處理功能，實(shí)現(xiàn)列車牽引\制動(dòng)控制、定速控制、邏輯控制和故障數(shù)據(jù)記錄功能。
隨著國外先進(jìn)的TCN網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)引進(jìn)我國，從上世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)新型號的列車也開始采用TCN網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。但是我國自主研發(fā)的TCN通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一直處于落后階段，TCN網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備也一直依賴進(jìn)口?；贏RM9核微處理器的列車控制單元的研制成功，標(biāo)志著MVB網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，使我國的列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)上了一個(gè)新臺(tái)階。
表1 MVB總線的主要特點(diǎn)


發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種新型的列車控制單元，主要應(yīng)用于鐵路列車、地鐵列車和城市軌道行業(yè)的MVB網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，作為系統(tǒng)的中央處理單元。它既具有MVB過程數(shù)據(jù)功能、消息數(shù)據(jù)功能和總線管理功能，完成MVB四類設(shè)備功能，也具有列車牽引\制動(dòng)控制、定速控制、邏輯控制和故障數(shù)據(jù)記錄功能，完成列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的中央控制功能。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種基于ARM9核微處理器的列車控制單元，其特征在于包括核心處理器、外圍配置電路和總線接口電路。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。核心處理器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的中央處理功能；外圍配置電路為核心處理器提供程序運(yùn)行存貯空間、工作電壓和實(shí)時(shí)時(shí)間基準(zhǔn)；總線接口電路為核心處理器提供MVB、以太網(wǎng)、USB、CAN、RS232和RS485總線接口。
所述的核心處理器為32位ARM9處理器，具有高速處理功能。核心處理器作為單元的核心處理部分，內(nèi)嵌MVB協(xié)議棧，完成MVB總線應(yīng)用層、會(huì)話層、傳送層和網(wǎng)絡(luò)層功能；內(nèi)嵌以太網(wǎng)控制器，完成以太網(wǎng)應(yīng)用層、會(huì)話層、表示層、傳送層、網(wǎng)絡(luò)層、和鏈路層功能；內(nèi)嵌USB主控制器，完成USB應(yīng)用層、鏈路層功能；內(nèi)嵌CAN驅(qū)動(dòng)程序，完成CAN應(yīng)用層功能；內(nèi)嵌RS232、RS485控制器，具有RS232、RS485通訊能力。
所述的外圍配置電路包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘、FLASH器件、SDRAM器件和電源管理電路。實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)；FLASH器件提供程序存貯空間；SDRAM器件提供程序運(yùn)行空間；電源管理電路提供芯片所需的工作電壓和核心電壓。
所述的總線接口電路包括RAM、MVBC協(xié)議控制器、MVB橋電路、以太網(wǎng)物理收發(fā)器、USB主接口、FPGA、CAN協(xié)議控制器、CAN收發(fā)器、RS232收發(fā)器和RS485收發(fā)器。核心處理器利用RAM與MVBC協(xié)議控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并通過MVB橋電路與MVB總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；它也利用FPGA與CAN協(xié)議控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并通過CAN收發(fā)器與CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí)配置了以太網(wǎng)物理收發(fā)器、USB主接口、RS232收發(fā)器和RS485收發(fā)器，具有以太網(wǎng)、USB、RS232和RS485通信接口。
其中，核心處理器和MVBC協(xié)議控制器同時(shí)訪問RAM，通過控制信號來解決爭用沖突問題，在雙方爭用同一地址單元時(shí)，其片內(nèi)硬件電路可根據(jù)兩邊的地址、片選以及讀寫信號到達(dá)先后順序來裁決哪方有使用權(quán)，避免因此而產(chǎn)生的讀寫錯(cuò)誤。核心處理器通過數(shù)據(jù)線和地址線并行訪問FPGA，經(jīng)過邏輯和時(shí)序調(diào)整，轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)線和地址線分時(shí)復(fù)用訪問方式來與CAN協(xié)議控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
所述的單元上還嵌入了系統(tǒng)軟件、工程應(yīng)用軟件和MVB網(wǎng)絡(luò)診斷軟件。其中所述的系統(tǒng)軟件包括單元所使用的操作系統(tǒng)、板級支持包、MVB協(xié)議棧和驅(qū)動(dòng)軟件包；工程應(yīng)用軟件是面向應(yīng)用程序開發(fā)的軟件，簡稱為OpenPCS軟件，支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的所有功能；MVB網(wǎng)絡(luò)診斷軟件是MVB網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的診斷分析軟件，主要完成IEC61375標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的MVB總線管理功能，用于診斷和分析MVB網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況。
其中MVB協(xié)議棧是系統(tǒng)軟件的核心軟件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。用戶過程數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)通過應(yīng)用層調(diào)用過程鏈路層服務(wù)程序，把應(yīng)用數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)化成鏈路報(bào)文幀，并傳送到物理總線上，而用戶過程數(shù)據(jù)接收任務(wù)的過程相反；用戶監(jiān)視任務(wù)通過應(yīng)用層調(diào)用監(jiān)視鏈路層服務(wù)程序，通過不同的功能需求激活不同的鏈路服務(wù)，并將監(jiān)視報(bào)文幀傳送到物理總線上；用戶消息數(shù)據(jù)是在呼叫方和應(yīng)答方建立連接后，進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸。其呼叫和應(yīng)答過程如下用戶應(yīng)用消息通過呼叫任務(wù)調(diào)用應(yīng)用層接口，進(jìn)行各種配置和表操作，再在會(huì)話層和傳送層接口中構(gòu)造TCB塊的內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)地址，然后在網(wǎng)絡(luò)層中進(jìn)行查表操作，得到網(wǎng)絡(luò)地址到鏈路地址的映射，并調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層的接口函數(shù)，最后在鏈路層加入鏈路頭，將消息放入?yún)f(xié)議控制器的發(fā)送隊(duì)列中，并發(fā)送到物理總線。用戶應(yīng)用消息的應(yīng)答處理過程相反。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明符合IEC61375，具有較高的設(shè)計(jì)水平，其性能在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。
(2)本發(fā)明通過了TCN網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品例行試驗(yàn)項(xiàng)目，完成與國外MVB產(chǎn)品的一致性測試。
(3)本發(fā)明提供了USB接口，方便列車維護(hù)人員下載行車日志，符合國際列車運(yùn)營操作規(guī)范。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的MVB協(xié)議棧結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1、核心處理器，2、外圍配置電路，3、總線接口電路。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示的一種基于ARM9核微處理器的列車控制單元，包括核心處理器1、外圍配置電路2和總線接口電路3。
所述的核心處理器是以32位ARM9處理器為核心的。其中ARM9處理器選用Atmel公司的32位處理器AT91SAM9260，它內(nèi)嵌ARM926EJ-S核，帶8K字節(jié)指令和8K字節(jié)數(shù)據(jù)的高速緩存。它工作頻率為180Mhz，處理速度為200MIPS。它不僅具有擴(kuò)展總線接口EBI、SDRAM控制器和靜態(tài)內(nèi)存(包括NAND Flash和CompactFlash)，還有廣泛的外圍配置，包括USB全速HOST與Device接口，一個(gè)10/100M Base T以太網(wǎng)MAC，同步串行控制器(SSC)，USARTS，主/從串行外圍接口(SPI)，一個(gè)三通道16 bit定時(shí)控制器(TC)，兩個(gè)兩線接口(TWI)，和四個(gè)10-bit ADC，三個(gè)32-bit并行I/O控制器。因?yàn)樯鲜龅耐鈬渲檬峭ㄟ^DMA方式訪問的，所以具有對片內(nèi)/外的內(nèi)存最大訪問速度。
所述的外圍配置電路包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘、FLASH器件、SDRAM器件和電源管理電路。實(shí)時(shí)時(shí)鐘選用DALLAS公司的DS1629芯片，與核心處理器通過I2C總線進(jìn)行通信，提供萬年歷時(shí)間；FLASH器件選用AMD公司的AM29LV160芯片，為核心處理器提供系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序的存貯介質(zhì)；SDRAM器件選用MT48LC4M16A2芯片，為核心處理器提供所有程序的運(yùn)行空間；電源管理電路選用TPS75233和TPS75225芯片，分別為核心處理器提供3.3V工作電壓和2.5V內(nèi)核電壓。
所述的總線接口電路包括RAM、MVBC協(xié)議控制器、MVB橋電路、以太網(wǎng)物理收發(fā)器、USB主接口、FPGA、CAN協(xié)議控制器、CAN收發(fā)器、RS232收發(fā)器和RS485收發(fā)器。RAM選用BS62LV4006器件，用來存貯核心處理器與MVBC協(xié)議控制器相互交換的通信數(shù)據(jù)；MVBC協(xié)議控制器選用Siemens公司的MVBCS1芯片，具有MVB四類設(shè)備功能；MVB橋電路是以RS485協(xié)議控制器和光耦隔離器件為核心的，選用MAX3088和6N137芯片，具有RS485差分信號收發(fā)及電氣隔離功能；CAN協(xié)議控制器，選用Philips公司的SJA1000芯片，支持CAN2.0A和CAN2.0B規(guī)范；CAN收發(fā)器選用82C250芯片，具有增強(qiáng)CAN總線驅(qū)動(dòng)功能；FPGA選用Xilinx公司的Spartan2-100芯片，用來處理核心處理器和CAN協(xié)議控制器之間的訪問時(shí)序；以太網(wǎng)物理收發(fā)器選用LXT971ALE器件，提供MAC物理介質(zhì)；USB主接口為標(biāo)準(zhǔn)的U盤雙層物理接口；RS232收發(fā)器和RS485收發(fā)器分別選用MAX232和MAX3088。以上的總線接口電路為核心處理器提供了MVB、以太網(wǎng)、USB、CAN、RS232和RS485總線接口。
本發(fā)明上運(yùn)行系統(tǒng)軟件、工程應(yīng)用軟件和MVB網(wǎng)絡(luò)診斷軟件。
系統(tǒng)軟件包括單元所使用的操作系統(tǒng)、板級支持包、MVB協(xié)議棧和驅(qū)動(dòng)軟件包。板級支持包由匯編語言編寫，操作系統(tǒng)、MVB協(xié)議棧和驅(qū)動(dòng)軟件包由ANSI C語言編寫完成。
工程應(yīng)用軟件主要包括OpenPCS軟件。OpenPCS軟件是單元的應(yīng)用開發(fā)軟件，支持以下6種編程語言IL指令表、ST結(jié)構(gòu)化文本、LD梯形圖、FBD功能塊圖、SFC順序功能圖和CFC連續(xù)功能表，它由Visual C++語言編寫完成。
MVB網(wǎng)絡(luò)診斷軟件是MVB網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的診斷分析軟件，主要完成如下功能配置和診斷分析MVB總線管理器、功能索引、端口配置、鏈路描述符、站索引等，完成MVB鏈路服務(wù)、變量服務(wù)和時(shí)鐘服務(wù)等，它是由C++ Builder語言編寫完成。
權(quán)利要求
1.一種基于ARM9核微處理器的列車控制單元，其特征在于由包括32位ARM9處理器并內(nèi)嵌以太網(wǎng)、USB、RS232和/或RS485控制器構(gòu)成的核心處理器(1)、由包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、FLASH器件、SDRAM器件和電源管理電路構(gòu)成的外圍配置電路(2)和由包括RAM、MVBC協(xié)議控制器、MVB橋電路、以太網(wǎng)物理收發(fā)器、USB主接口、FPGA、CAN協(xié)議控制器、CAN收發(fā)器、RS232收發(fā)器和RS485收發(fā)器構(gòu)成的總線接口電路(3)組成，其中所述的核心處理器(1)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的中央處理功能；外圍配置電路(2)為核心處理器提供程序運(yùn)行存貯空間、工作電壓和實(shí)時(shí)時(shí)間基準(zhǔn)；總線接口電路(3)為核心處理器提供MVB、以太網(wǎng)、USB、CAN、RS232和RS485總線接口；所述列車控制單元不僅完成MVB四類設(shè)備功能，還完成列車牽引\制動(dòng)控制、定速控制、邏輯控制和故障數(shù)據(jù)記錄功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ARM9核微處理器的列車控制單元，其特征在于該設(shè)備上還嵌入了MVB協(xié)議棧系統(tǒng)軟件，該系統(tǒng)軟件控制發(fā)送與接收過程數(shù)據(jù)、監(jiān)視任務(wù)和/或消息數(shù)據(jù)的過程包括在下述步驟中進(jìn)行選擇(1)、通過應(yīng)用層調(diào)用過程鏈路層服務(wù)程序，把應(yīng)用數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)化成鏈路報(bào)文幀，并傳送到物理總線上，其接收過程相反；(2)、通過應(yīng)用層調(diào)用監(jiān)視鏈路層服務(wù)程序，依不同的功能需求激活不同的鏈路服務(wù)，將監(jiān)視報(bào)文幀傳送到物理總線上；(3)、用戶應(yīng)用消息通過呼叫任務(wù)調(diào)用應(yīng)用層接口，再在會(huì)話層和傳送層接口中構(gòu)造TCB塊，然后在網(wǎng)絡(luò)層中進(jìn)行查表操作，并調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層的接口函數(shù)，在鏈路層中加鏈路頭，將消息放入?yún)f(xié)議控制器的發(fā)送隊(duì)列中，并發(fā)送到物理總線，用戶應(yīng)用消息的應(yīng)答處理過程相反。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于ARM9核微處理器的列車控制單元，其特征在于包括核心處理器、外圍配置電路和總線接口電路。核心處理器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的中央處理功能；外圍配置電路為核心處理器提供程序運(yùn)行存貯空間、工作電壓和實(shí)時(shí)時(shí)間基準(zhǔn)；總線接口電路為核心處理器提供MVB、以太網(wǎng)、USB、CAN、RS232和RS485總線接口。本發(fā)明是基于ARM9核微處理器的列車控制單元，既具有MVB過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和總線管理功能，也具有列車牽引\制動(dòng)控制、定速控制、邏輯控制和故障數(shù)據(jù)記錄功能。本設(shè)備可廣泛應(yīng)用于鐵路列車、地鐵列車和城市軌道交通車輛等實(shí)時(shí)性要求較高、能夠自動(dòng)編組的工業(yè)控制領(lǐng)域。
文檔編號G05B19/042GK101055469SQ200710011428
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日
發(fā)明者于躍, 謝步明, 吳健, 李常賢, 吳濤, 張福景 申請人:謝步明