基于ARM處理器的MVB 2類設(shè)備研究

1引 言

列車需要傳輸大量的設(shè)備控制和旅客服務(wù)信息，隨著這些信息的數(shù)量和種類不斷地增長(zhǎng)，迫切需要一種大容量，高速度的信息傳輸系統(tǒng)。為此，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)制定了一項(xiàng)用于規(guī)范車載設(shè)備數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)——IEC61375(列車通信網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn))，即TCN標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)于1999年6月成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)際上主要的TCN產(chǎn)品供應(yīng)商是德國(guó)西門子和瑞士Duagon公司，國(guó)內(nèi)的株洲電力機(jī)車研究所和大連北車集團(tuán)電力牽引研究所等單位進(jìn)行了大量的TCN相關(guān)研究工作并取得了豐碩的科研成果。

TCN標(biāo)準(zhǔn)推薦在機(jī)車上層使用絞線式列車總線WTB，在下層使用多功能車輛總線MVB。MVB總線和機(jī)車中的各種電氣設(shè)備相連，這些設(shè)備按性能可以分為5類，其中二類設(shè)備的主要特征是具有消息數(shù)據(jù)通信的功能。為了實(shí)現(xiàn)消息數(shù)據(jù)通信，需要在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持下采用軟件編程，利用應(yīng)用程序接口API等接口來調(diào)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的各種功能，從而實(shí)現(xiàn)消息數(shù)據(jù)的通信。MVB 2類設(shè)備硬件核心采用ARM7內(nèi)核微處理器NET+50作為主CPU實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制，采用MVBC01芯片作為MVB通信控制器實(shí)現(xiàn)鏈路層的數(shù)據(jù)處理，軟件核心采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Nucleus Plus來實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理、中斷管理等上層管理。

2 MVB 2類設(shè)備系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括應(yīng)用處理器模塊、通信存儲(chǔ)器模塊、通信控制器模塊、存儲(chǔ)器模塊、PC104接口模塊、物理層接口模塊等幾部分的設(shè)計(jì)，其中核心模塊是ARM處理器和MVB通信控制器MVBC01。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件各部分電路的功能和設(shè)計(jì)方法如下：

2.1 應(yīng)用處理器模塊

應(yīng)用處理器采用ARM核微處理器NET+50作為核心處理器。NET十50由Netsilicon公司生產(chǎn)，屬于ARM7系列。NET+50處理器包括一個(gè)ARM7TDMI核，32位內(nèi)部總線，支持所有SRAM，SDRAM，F(xiàn)LASH，E2PROM，有40個(gè)可編程I／O接口引腳，16個(gè)輸入接口引腳，36個(gè)可編程中斷，2個(gè)完全獨(dú)立的HDLC／UART／SPI串行口以及完整的以太網(wǎng)控制器。

2.2 存儲(chǔ)器模塊

存儲(chǔ)器模塊為ARM處理器NET+50正常工作時(shí)提供所需的程序存貯空間，內(nèi)存空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。NET+50集成了內(nèi)存控制器模塊(Memory Controller Mod-ule)，為存儲(chǔ)設(shè)備提供無縫連接，系統(tǒng)通過配置內(nèi)存控制器模塊的控制寄存器和片選CS控制寄存器來實(shí)現(xiàn)訪問相應(yīng)存儲(chǔ)器的信號(hào)和邏輯。

本設(shè)計(jì)中選用大小為16 MB的高速SDRAM為系統(tǒng)提供內(nèi)存服務(wù)，選用大小為512 kB的NVRAM為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，選用大小為4 MB的FLASH為系統(tǒng)提供程序存儲(chǔ)空間。使用ARM處理器的地址線、數(shù)據(jù)線以及相應(yīng)的片選、讀／寫、時(shí)鐘線完成對(duì)存儲(chǔ)器的尋址。

2.3 通信控制器模塊

通信控制器MVBC是MVB總線上的新一代核心處理器，他獨(dú)立于物理層和功能設(shè)備，為在總線上的各個(gè)設(shè)備提供通訊接口和通訊服務(wù)，可通過配置應(yīng)用在符合TCN標(biāo)準(zhǔn)的1，2，3，4類設(shè)備中。MVBC把來自于MVB總線的串行化信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)字節(jié)，也把需發(fā)送的字節(jié)交由串行化電路發(fā)送到傳輸介質(zhì)上。MVBC可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層以及一部分傳輸層的數(shù)據(jù)處理，并通過通訊存儲(chǔ)器來與上層軟件交互。

本系統(tǒng)中MVB通信控制器采用MVBC01 ASIC專用芯片，符合IEC61375-1國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。MVBC01專用芯片采用16位數(shù)據(jù)總線，提供了豐富的接口控制信號(hào)，簡(jiǎn)化了與各種宿主CPU以及通信存儲(chǔ)器的接口設(shè)計(jì)，支持MVB協(xié)議中鏈路層及以下的功能。

2.4 通信存儲(chǔ)器模塊

通信存儲(chǔ)器地址空間保存MVBC01的所有數(shù)據(jù)和信息，既可以被MVBC01訪問又可以被ARM處理器訪問。本系統(tǒng)中采用兩片512 kB大小的SRAM cy62148擴(kuò)展成1 MB的尋址空間。通信存儲(chǔ)器的尋址空間劃分為4部分，分別為L(zhǎng)ogical AddreSS Space(LA)，Device AddressSpace(DA)，Service Area(1 kB)和Miscellany。

通信存儲(chǔ)器分別通過數(shù)據(jù)線，地址線和ARM處理器以及MVBC01相連，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和地址尋址，ARM處理器、MVBC01和通信存儲(chǔ)器的連接示意圖如圖2所示。

MVBC01內(nèi)部集成Traffic Memory Controller(TMC)模塊，負(fù)責(zé)控制通信存儲(chǔ)器的訪問模式，TMC與仲裁控制器和邏輯地址密切相關(guān)。TMC模塊負(fù)責(zé)控制3種存儲(chǔ)器訪問模式，分別是：ARM CPU訪問通信存儲(chǔ)器；ARM CPU訪問MVBC內(nèi)部寄存器；MVBC01訪問通信存儲(chǔ)器。TMC模塊還對(duì)ARM處理器和MVBC同時(shí)訪問通信存儲(chǔ)器所產(chǎn)生的訪問沖突做出仲裁。

2.5 MVB物理層接口電路模塊

物理層接口電路模塊的設(shè)計(jì)如圖3所示。物理層接口采用電氣短距離介質(zhì)ESD+接口，系統(tǒng)信號(hào)通道使用光耦實(shí)現(xiàn)主系統(tǒng)與外界得電隔離以提高系統(tǒng)可靠性，使用RS 485芯片作為收發(fā)器，并使用過壓保護(hù)模塊來防止瞬問過壓對(duì)器件的損壞。

圖3所示的MVBC端口ICA(MVB Input Data Chan-nel A)和ICB(MVB Input Data Channel B)分別為MVB輸入數(shù)據(jù)通道A和輸入數(shù)據(jù)通道B，來自物理層收發(fā)器的MVB信號(hào)由此端口送入MVB通信控制器MVBC01中；MVBC端口OC(MVB Output Data Channel)是MVB數(shù)據(jù)輸出端口，數(shù)據(jù)經(jīng)由此端口將發(fā)送至物理層收發(fā)器；MVBC端口SF(Send Frame)為輸出端口，輸出信號(hào)可作為物理層的使能信號(hào)，該信號(hào)有效時(shí)表示一個(gè)報(bào)文正在通過MVBC端口OC(MVB Output Data Channel)輸出。

2.6 其他

在MVB設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，可以通過RS 485／RS 232通信接口進(jìn)行程序的監(jiān)控和調(diào)試。系統(tǒng)可以通過跳線選擇RS 485／RS 232接口是工作在RS 485還是RS 232下。

其他還有諸如看門狗、JTAG接口、時(shí)鐘、電源、PC104接口等模塊，本文不再詳述。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

MVB 2類設(shè)備軟件體系采用典型的嵌入式軟件體系結(jié)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用軟件層，其中操作系統(tǒng)層是軟件體系的核心。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)各部分功能如下：

3.1.1 驅(qū)動(dòng)層

驅(qū)動(dòng)層是直接和硬件相聯(lián)系的一層，他對(duì)操作系統(tǒng)和應(yīng)用提供所需的驅(qū)動(dòng)支持。該層主要包括3種類型的程序：板級(jí)支持BSP、系統(tǒng)級(jí)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用級(jí)驅(qū)動(dòng)。

板級(jí)支持BSP 在用戶的應(yīng)用程序啟動(dòng)之前，完成對(duì)系統(tǒng)的初始化必須有專門的一段啟動(dòng)代碼，即板級(jí)支持BSP。板級(jí)支持BSP介于物理硬件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之間，在系統(tǒng)上電后，初始化系統(tǒng)的硬件環(huán)境，包括初始化ARM處理器、初始化中斷控制器、初始化存儲(chǔ)器、初始化堆棧等。NucleusPlus操作系統(tǒng)的BSP初始化程序流程如圖5所示。

系統(tǒng)級(jí)驅(qū)動(dòng) 與系統(tǒng)軟件相關(guān)的驅(qū)動(dòng)，這類驅(qū)動(dòng)是操作系統(tǒng)和中間件等系統(tǒng)軟件所需的驅(qū)動(dòng)程序，他們的開發(fā)要按照系統(tǒng)軟件的要求進(jìn)行。

應(yīng)用級(jí)驅(qū)動(dòng) 與應(yīng)用程序相關(guān)的驅(qū)動(dòng)，和操作系統(tǒng)無關(guān)，由應(yīng)用決定。

3.1.2 操作系統(tǒng)層

操作系統(tǒng)層足嵌入式軟件的核心，是系統(tǒng)的軟件支持平臺(tái)。主要包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)、電源管理、嵌入式GUI系統(tǒng)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中嵌入式內(nèi)核是基礎(chǔ)和必備的部分，主要完成任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、任務(wù)間通信、任務(wù)的同步與互斥、中斷管理、定時(shí)器等功能。本系統(tǒng)采用Nucleus Plus嵌入式操作系統(tǒng)，能完全滿足MVB對(duì)于實(shí)時(shí)性、可靠性、完整性和有效性的要求。NucleusPlus采用了軟件組件的方法，每個(gè)組件具有單一而明確的目的，包括任務(wù)控制管理、內(nèi)存控制管理、定時(shí)器管理、中斷、系統(tǒng)診斷、I／O驅(qū)動(dòng)管理等16個(gè)組件。

3.1.3 應(yīng)用軟件層

應(yīng)用軟件層主要由多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用任務(wù)組成，每個(gè)應(yīng)用完成一個(gè)特定的工作，這里主要包括MVB協(xié)議棧軟件。MVB協(xié)議棧軟件在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核的支持下，通過MVB驅(qū)動(dòng)模塊完成MVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信任務(wù)。用戶應(yīng)用可以利用MVB協(xié)議棧的接口函數(shù)訪問需要的數(shù)據(jù)集，并利用收到或者發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的控制或其他數(shù)據(jù)處理工作。

3.2 實(shí)時(shí)協(xié)議

每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都要有與之相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)軟件在其上運(yùn)行，這些軟件被稱為協(xié)議。在互聯(lián)網(wǎng)上運(yùn)行的協(xié)議我們稱之為TCP／IP協(xié)議，在列車通信網(wǎng)上運(yùn)行的類似TCP／IP的協(xié)議我們稱之為實(shí)時(shí)協(xié)議(Real Time Protocol，RTP)，實(shí)時(shí)協(xié)議為一個(gè)應(yīng)用與另一個(gè)應(yīng)用在列車通信網(wǎng)上的通信提供協(xié)議和服務(wù)。

實(shí)時(shí)協(xié)議分層結(jié)構(gòu)如圖6所示。由圖中的分層結(jié)構(gòu)可知MVB實(shí)時(shí)協(xié)議包括過程變量通訊和消息數(shù)據(jù)通訊兩部分。由圖可知變量的協(xié)議和服務(wù)包括過程數(shù)據(jù)鏈路層接口(LPI)和變量的應(yīng)用層接口(AVI)。消息協(xié)議和服務(wù)包括消息數(shù)據(jù)鏈路層接口(LMI)、網(wǎng)絡(luò)層、傳送層、會(huì)話層、應(yīng)用層接口(AMI)。其中鏈路層接口又稱為低層接口，他規(guī)定來自總線的服務(wù)，應(yīng)用層接口又稱為高層接口，他規(guī)定提供給應(yīng)用的應(yīng)用層接口。

3.3 消息通信機(jī)制及其實(shí)現(xiàn)

MVB 2類設(shè)備的主要特征是實(shí)現(xiàn)消息數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。消息通信中實(shí)時(shí)協(xié)議是由信使執(zhí)行的，他是作為獨(dú)立的進(jìn)程與應(yīng)用并行運(yùn)行。實(shí)時(shí)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層是由信使來執(zhí)行并實(shí)現(xiàn)的，信使與應(yīng)用層有一個(gè)消息應(yīng)用層接口(AMI)，通過這個(gè)接口應(yīng)用可以調(diào)用信使的服務(wù)。同時(shí)信使與鏈路層也有一個(gè)接口：消息鏈路層接口(LMI)，鏈路層通過這個(gè)接口向信使提供服務(wù)。在編程實(shí)現(xiàn)消息通信時(shí)，只需要使用消息應(yīng)用層接口。

用戶開發(fā)程序來實(shí)現(xiàn)消息通信，就是使用消息應(yīng)用層接口中的接口函數(shù)來調(diào)用信使的各項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)消息通信的應(yīng)用程序就是按照這個(gè)順序編寫和執(zhí)行的。消息數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)程序的流程如圖7所示。

4 結(jié) 語

使用符合TCN標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品是開發(fā)下一代新式列車的重要發(fā)展趨勢(shì)，本文通過對(duì)IEC61375-1列車通訊網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的研究，提出了MVB 2類設(shè)備軟硬件的設(shè)計(jì)方案并完成了系統(tǒng)硬件各功能模塊設(shè)計(jì)和上層軟件的部分設(shè)計(jì)，對(duì)MVB實(shí)時(shí)協(xié)議RTP和消息通信的機(jī)制也做了深入的研究，并給出了消息通信的編程實(shí)現(xiàn)方法。通過對(duì)基于ARM處理器的MVB 2類設(shè)備的深入研究和功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，不但為以后開發(fā)更高類別的MVB設(shè)備積累了經(jīng)驗(yàn)，而且為進(jìn)一步自主開發(fā)其他符合TCN標(biāo)準(zhǔn)的MVB產(chǎn)品提供了借鑒。