基于DSP的多功能车辆总线控制系统的设计与研究
|
摘要
随着嵌入式微机控制技术和现场总线技术的发展，现代列车的过程控制已从集中型的直接数字控制系统发展成为基于网络的分布式控制系统。IEC-61375—列车通讯网络(TCN)标准是IEC联合UIC经过十年的工作，提出的一个用于规范车载设备数据通讯标准，列车通讯网络分为用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通讯网WTB和用于连接车辆内固定设备的车辆通讯网络MVB。基于分布式控制的MVB(多功能车辆总线)是IEC61375-1(1999)TCN的标准方案，与WTB(绞线式列车总线)构成的列车通讯总线具有实时性强、可靠性高的特点。
作为MVB设备上唯一专用核心器件MVBC(多功能车辆总线控制器)，其生产技术为国外少数厂商所垄断，因此，国内对于MVB总线的研究和应用也受到国外技术封锁和价格等因素的限制。为了对MVB作广泛深入的研究和应用，自主开发MVBC是首要任务。正是基于这种原因，本文对TCN中的MVB技术进行了仔细的研究，分析比较了MVB同其他几种通用现场总线的异同。并在深入理解MVB的通信机制的基础上，按照多功能车辆总线的标准，设计了数字信号处理器(DSP)+可编程逻辑阵列(CPLD)的MVB控制系统。该设计的核心部分包含一个用于链路层和网络层的微控制器，一个用于执行物理层的编码／解码器(CPLD)和总线驱动器，以实现从节点通信。
论文详细介绍了TCN的体系结构和MVB的基本原理，从理论上对其进行了分析，通过与IEEE802.3和以太网中广泛使用的载波监听多点接入(CSMA／CD)数据链路控制方式进行的对比分析，表明MVB传送过程数据时在吞吐率、时延等方面均具有优势。虽然在传送消息数据时，CSMA／CD优势较明显，但考虑到其MAC最短帧长的限制和阻塞信号造成的信道浪费，以及所选用的退避算法不能保证通信的可靠性和及时性，因此MVB更适合应用于实时性和安全性要求非常高的列车通信网控制系统。设计给出了系统总体和各功能模块框图以及详细的硬件原理图，用Verilog HDL程序实现了CPLD内部模块的功能，在MAXPLUSII集成软件开发环境下做了调试仿真，给出了仿真试验结果，并对试验结果做了详细的分析。
With the development of the technology of embedded microcontrol and field bus, the process control of modern train has developed from concentrated direct digital control system to distributed control system which based on network.IEC-61375-Train Communication Network(TCN) Standard is IEC association with UIC adopted a standard for standardizing the communication of device data on train,TCN is divided into train level communication network—WTB which is used for connecting each dynamically organized vehicle and vehicle level communication network - MVB which is used for connecting fixed devices in vehicle. MVB which based on contributed control is part of IEC61375-1(1999)TCN, together with WTB has strong time-critical characteristic and high reliability.
MVBC(Multifunction Vehicle Bus Controler) is the only core part in MVB devices. The technology of its production is monopolized by foreign manufacturers, therefore research and application of MVB is limited by much factor,such as technology blockage. For researching and applying MVB,developing MVBC is the first task by ourselves. Therefore ,the paper focus on the the technology of MVB of TCN , analyzes and compares the differences between MVB and other kind of field bus. A control system which based on "DSP+CPLD Architecture" is designed according to MVB standard. The main part of this scheme includes a microcontroller for the link and network layers, a CPLD for the implementation of Encoder/Decoder of the physical layer, to perform a slave node in a MVB communication.
MVB is higher advantage and latency time of MVB is lower than those of CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Acess) during transmitting process data. Although the performance of CSMA/CD is better during transmitting message data, with respect to the extra spend caused by the limitation of minimum data field size in MAC frame and the jam signal when collision, and the selected back-off algorithm which can not assure a high reliability and real time communication. MVB is a deterministic and robust field bus more suitable for safety-sensitive systems which can operate in harsh and disturbed environments, for example inside railway vehicles of the train communication network.The paper give the whole system fuction module diagram and ciucuit principle picture in detail,and the code of interior function module which based on Verilog HDL. The simulation result which uses MAXPLUSII is given and analysed.
作为MVB设备上唯一专用核心器件MVBC(多功能车辆总线控制器)，其生产技术为国外少数厂商所垄断，因此，国内对于MVB总线的研究和应用也受到国外技术封锁和价格等因素的限制。为了对MVB作广泛深入的研究和应用，自主开发MVBC是首要任务。正是基于这种原因，本文对TCN中的MVB技术进行了仔细的研究，分析比较了MVB同其他几种通用现场总线的异同。并在深入理解MVB的通信机制的基础上，按照多功能车辆总线的标准，设计了数字信号处理器(DSP)+可编程逻辑阵列(CPLD)的MVB控制系统。该设计的核心部分包含一个用于链路层和网络层的微控制器，一个用于执行物理层的编码／解码器(CPLD)和总线驱动器，以实现从节点通信。
论文详细介绍了TCN的体系结构和MVB的基本原理，从理论上对其进行了分析，通过与IEEE802.3和以太网中广泛使用的载波监听多点接入(CSMA／CD)数据链路控制方式进行的对比分析，表明MVB传送过程数据时在吞吐率、时延等方面均具有优势。虽然在传送消息数据时，CSMA／CD优势较明显，但考虑到其MAC最短帧长的限制和阻塞信号造成的信道浪费，以及所选用的退避算法不能保证通信的可靠性和及时性，因此MVB更适合应用于实时性和安全性要求非常高的列车通信网控制系统。设计给出了系统总体和各功能模块框图以及详细的硬件原理图，用Verilog HDL程序实现了CPLD内部模块的功能，在MAXPLUSII集成软件开发环境下做了调试仿真，给出了仿真试验结果，并对试验结果做了详细的分析。
With the development of the technology of embedded microcontrol and field bus, the process control of modern train has developed from concentrated direct digital control system to distributed control system which based on network.IEC-61375-Train Communication Network(TCN) Standard is IEC association with UIC adopted a standard for standardizing the communication of device data on train,TCN is divided into train level communication network—WTB which is used for connecting each dynamically organized vehicle and vehicle level communication network - MVB which is used for connecting fixed devices in vehicle. MVB which based on contributed control is part of IEC61375-1(1999)TCN, together with WTB has strong time-critical characteristic and high reliability.
MVBC(Multifunction Vehicle Bus Controler) is the only core part in MVB devices. The technology of its production is monopolized by foreign manufacturers, therefore research and application of MVB is limited by much factor,such as technology blockage. For researching and applying MVB,developing MVBC is the first task by ourselves. Therefore ,the paper focus on the the technology of MVB of TCN , analyzes and compares the differences between MVB and other kind of field bus. A control system which based on "DSP+CPLD Architecture" is designed according to MVB standard. The main part of this scheme includes a microcontroller for the link and network layers, a CPLD for the implementation of Encoder/Decoder of the physical layer, to perform a slave node in a MVB communication.
MVB is higher advantage and latency time of MVB is lower than those of CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Acess) during transmitting process data. Although the performance of CSMA/CD is better during transmitting message data, with respect to the extra spend caused by the limitation of minimum data field size in MAC frame and the jam signal when collision, and the selected back-off algorithm which can not assure a high reliability and real time communication. MVB is a deterministic and robust field bus more suitable for safety-sensitive systems which can operate in harsh and disturbed environments, for example inside railway vehicles of the train communication network.The paper give the whole system fuction module diagram and ciucuit principle picture in detail,and the code of interior function module which based on Verilog HDL. The simulation result which uses MAXPLUSII is given and analysed.
引文
[1] 路向阳．列车通信网络的发展与应用综述．机车电传动，2002，10(01)：5-9
[2] 李熙．基于MVB总线的机车网络中央控制单元软件设计．内燃机车，2005，5(5)：5-6
[3] 常振臣，牛得田，王立德，田永洙．列车通信网络研究现状及展望．电力机车与城轨车辆，2005，5(3)：6-8
[4] 赵叔东．韶山8型电力机车．北京：中国铁道出版社，1998：30-73
[5] Hubert Kirrmann. ABB Corporate Research Ltd. The IEC/IEEE Train Communication Network, 2001:81-92
[6] 杜慧敏，李宥谋，赵全良．基于Verilog的FPGA设计基础．西安：西安电子科技大学，2006：1-9
[7] 刘和平，严利平，张学锋，卓清锋．TMS320LF240X DSP结构、原理及应用．北京：北京航空航天大学出版社，2002：1-14
[8] Train Communication Network. IEC 61375. International Electrotechnical Committee.Geneva. 1999
[9] Hubert D. Kirrmann. IEC/IEEE Train Communication Net work. IEEE. 2001
[10] Jyrki Keurulainen. Train management system: the vital link to intelligent subsystems. EngineerLive. August, 2004
[11] Adtranz. Multifunction Vehicle Bus Controller Data Sheet[z]. Switzerland:Adrtanz, 1997
[12] 谢希仁．计算机网络(第二版)．北京：电子工业出版社，1999
[13] 孙学军，喻梅．计算机网络．北京：电子工业出版社，2003
[14] 杨心强，陈国友，邵军力．数据通信与计算机网络．北京：电子工业出版社，2003
[15] 高小娟，钟联炯．CISR中P-坚持CSMA／CD局域网仿真系统设计与实现．计算机工程与应用，2005，20(51)：173-175
[16] 钟联炯．C3I通信网分布式仿真[J]．系统仿真学报，2001，13(4)
[17] 王汉文，石冰心．基于面向对象技术的计算机网络仿真系统的设计与实现[J]．计算机工程与应用，2001，37(13)：10-154
[18] 刘曲明，顾桔．网络性能分析评价方法及其计算机仿真方法讨论．计算机仿真，2002，17
[19] 鲁士文．计算机网络协议与实现技术．清华人学出版社，2000
[20] 谢维达，赵亚辉，徐晓松．现场总线与列车通讯网络[J]．工业控制计算机．2002．
[21] Meng. Fieldbus Interface Coupler KP99 Rev. A[Z]. 2000
[22] 魏庆福．现场总线技术发展的新动向．工业控制计算机
[23] 缪学勤．现场总线技术最新进展与我们的对策．世界仪表与自动化
[24] 谢凌广，吴乃，黄北杰．面向制造自动化的以太网技术．测控技术
[25] 江思敏．TMS320LF2407xDSP硬件开发教程．北京：机械工业出版社，2003：51-61
[26] 清源科技．TMS320LF2407x DSP应用程序设计教程．北京：机械工业出版社，2003：11-34
[27] Mark Balch. COMPLETE DIGITAL DESIGN．北京：清华大学出版社．2004，1
[28] 黄玉梅一种基于DSP+FPGA的控制系统方案设计．电讯技术，2004，(3)136-138
[29] 张元林．多功能车辆总线与第三方设备的接口技术[J]．机车电传动，2000，(6)：7-10
[30] 张元林，范祚成，梁波．基于MVBC的分布式智能I／O模块的研究．机车电传动，2002
[31] 樊京，郭俊杰．单片机+CPLD结构体系在电子设计中的应．单片机与嵌入式系统应用，2002(6)
[32] Bernd Riedel and Michael Studer. Innovative communication and control systems in rail Vehicles, EngineerLive, Switzerland. February, 2003.
[33] 李广军，孟宪元．可编程ASIC设计及应用．电子科技大学出版社．2000
[34] 杨晖，张风言编著．大规模可编程逻辑器件与数字系统逻辑设计．北京：北京航空航天大学出版社，1998
[35] Chen He, Han Yue-Qiu. ASIC design of high-speed low-power HDLG controller. Journal of Beijing Institute of Technology, vol. 12(suppl), 2003:66-69
[36] 徐志军，徐光辉．CPLD／PPGA的开发与应用．电子工业出版社，2002年
[38] 王斯林，卢光跃，覃明昭．曼彻斯特编译码的CPLD实现．石油仪器，2002，01
[39] Uyemura J．P著，陈怒兴，曾献君，等译．数字系统设计基础教程．北京：机械工业出版社，2002：333-356
[40] 夏宇闻．Verilog数字系统设计教程．北京：北京航空航天大学出版社，2003：111-164
[41] Zeng Fantai. Introduction to EDA Engineering [M]. Beijing: Publishing House of Tsinghua University, China, 2002
[42] 侯伯亨，顾新．VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计．西安电子科技人学出版社，1998年
[43] 米卫国，徐冉．循环兀余校验码的单片机及CPLD实现．单片机与嵌入式系统应用，2002，09
[44] 曾繁泰，陈美金．VHDL程序设计．清华人学出版社，2001
[45] Pan Song. VHDLPractical Course [M]. Chengdu: Publishing House of Electronic Science and Technology, China, 2000
[46] 付晓宁，吴诗其．用VHDL设计专用串行通信芯片．集成电路应用，2002，01
[47] 韩佩富，潘锋基于VHDL的异步串行通信电路设计．导体技术，2002，10
[2] 李熙．基于MVB总线的机车网络中央控制单元软件设计．内燃机车，2005，5(5)：5-6
[3] 常振臣，牛得田，王立德，田永洙．列车通信网络研究现状及展望．电力机车与城轨车辆，2005，5(3)：6-8
[4] 赵叔东．韶山8型电力机车．北京：中国铁道出版社，1998：30-73
[5] Hubert Kirrmann. ABB Corporate Research Ltd. The IEC/IEEE Train Communication Network, 2001:81-92
[6] 杜慧敏，李宥谋，赵全良．基于Verilog的FPGA设计基础．西安：西安电子科技大学，2006：1-9
[7] 刘和平，严利平，张学锋，卓清锋．TMS320LF240X DSP结构、原理及应用．北京：北京航空航天大学出版社，2002：1-14
[8] Train Communication Network. IEC 61375. International Electrotechnical Committee.Geneva. 1999
[9] Hubert D. Kirrmann. IEC/IEEE Train Communication Net work. IEEE. 2001
[10] Jyrki Keurulainen. Train management system: the vital link to intelligent subsystems. EngineerLive. August, 2004
[11] Adtranz. Multifunction Vehicle Bus Controller Data Sheet[z]. Switzerland:Adrtanz, 1997
[12] 谢希仁．计算机网络(第二版)．北京：电子工业出版社，1999
[13] 孙学军，喻梅．计算机网络．北京：电子工业出版社，2003
[14] 杨心强，陈国友，邵军力．数据通信与计算机网络．北京：电子工业出版社，2003
[15] 高小娟，钟联炯．CISR中P-坚持CSMA／CD局域网仿真系统设计与实现．计算机工程与应用，2005，20(51)：173-175
[16] 钟联炯．C3I通信网分布式仿真[J]．系统仿真学报，2001，13(4)
[17] 王汉文，石冰心．基于面向对象技术的计算机网络仿真系统的设计与实现[J]．计算机工程与应用，2001，37(13)：10-154
[18] 刘曲明，顾桔．网络性能分析评价方法及其计算机仿真方法讨论．计算机仿真，2002，17
[19] 鲁士文．计算机网络协议与实现技术．清华人学出版社，2000
[20] 谢维达，赵亚辉，徐晓松．现场总线与列车通讯网络[J]．工业控制计算机．2002．
[21] Meng. Fieldbus Interface Coupler KP99 Rev. A[Z]. 2000
[22] 魏庆福．现场总线技术发展的新动向．工业控制计算机
[23] 缪学勤．现场总线技术最新进展与我们的对策．世界仪表与自动化
[24] 谢凌广，吴乃，黄北杰．面向制造自动化的以太网技术．测控技术
[25] 江思敏．TMS320LF2407xDSP硬件开发教程．北京：机械工业出版社，2003：51-61
[26] 清源科技．TMS320LF2407x DSP应用程序设计教程．北京：机械工业出版社，2003：11-34
[27] Mark Balch. COMPLETE DIGITAL DESIGN．北京：清华大学出版社．2004，1
[28] 黄玉梅一种基于DSP+FPGA的控制系统方案设计．电讯技术，2004，(3)136-138
[29] 张元林．多功能车辆总线与第三方设备的接口技术[J]．机车电传动，2000，(6)：7-10
[30] 张元林，范祚成，梁波．基于MVBC的分布式智能I／O模块的研究．机车电传动，2002
[31] 樊京，郭俊杰．单片机+CPLD结构体系在电子设计中的应．单片机与嵌入式系统应用，2002(6)
[32] Bernd Riedel and Michael Studer. Innovative communication and control systems in rail Vehicles, EngineerLive, Switzerland. February, 2003.
[33] 李广军，孟宪元．可编程ASIC设计及应用．电子科技大学出版社．2000
[34] 杨晖，张风言编著．大规模可编程逻辑器件与数字系统逻辑设计．北京：北京航空航天大学出版社，1998
[35] Chen He, Han Yue-Qiu. ASIC design of high-speed low-power HDLG controller. Journal of Beijing Institute of Technology, vol. 12(suppl), 2003:66-69
[36] 徐志军，徐光辉．CPLD／PPGA的开发与应用．电子工业出版社，2002年
[38] 王斯林，卢光跃，覃明昭．曼彻斯特编译码的CPLD实现．石油仪器，2002，01
[39] Uyemura J．P著，陈怒兴，曾献君，等译．数字系统设计基础教程．北京：机械工业出版社，2002：333-356
[40] 夏宇闻．Verilog数字系统设计教程．北京：北京航空航天大学出版社，2003：111-164
[41] Zeng Fantai. Introduction to EDA Engineering [M]. Beijing: Publishing House of Tsinghua University, China, 2002
[42] 侯伯亨，顾新．VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计．西安电子科技人学出版社，1998年
[43] 米卫国，徐冉．循环兀余校验码的单片机及CPLD实现．单片机与嵌入式系统应用，2002，09
[44] 曾繁泰，陈美金．VHDL程序设计．清华人学出版社，2001
[45] Pan Song. VHDLPractical Course [M]. Chengdu: Publishing House of Electronic Science and Technology, China, 2000
[46] 付晓宁，吴诗其．用VHDL设计专用串行通信芯片．集成电路应用，2002，01
[47] 韩佩富，潘锋基于VHDL的异步串行通信电路设计．导体技术，2002，10