專利名稱：基于arm9核微處理器的列車控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及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。
技術(shù)背景列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEC61375-1 (簡(jiǎn)稱TCN標(biāo)準(zhǔn))是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，也是我國(guó)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(chǎng)總線 絞線式列車總線(簡(jiǎn)稱WTB總線)和多功能列車總線(簡(jiǎn)稱MVB總線)。MVB 總線是快速的過(guò)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(jiǎn)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(duì)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(yíng)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。列車控制裝置既實(shí)現(xiàn)MVB過(guò)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(guó)外先進(jìn)的TCN網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)引進(jìn)我國(guó)，從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó) 內(nèi)新型號(hào)的列車也開(kāi)始采用TCN網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。但是我國(guó)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。 基于ARM9核微處理器的列車控制裝置的研制成功，標(biāo)志著MVB網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已 經(jīng)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，使我國(guó)的列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)上了一個(gè)新臺(tái)階。表l MVB總線的主要特點(diǎn)特性多功能車輛總線MVB總線結(jié)構(gòu)固定結(jié)構(gòu)和設(shè)備地址總線介質(zhì)基于RS485的雙絞線(20m,32個(gè)設(shè)備)
變壓器耦合的雙絞屏蔽線(200m，32個(gè)設(shè)備) 帶星耦器的光纖(2000m，2個(gè)設(shè)備)物理冗余雙份物理介質(zhì)信號(hào)形式有分界符的曼徹斯特碼信號(hào)數(shù)據(jù)速度1.5Mbit/s地址區(qū)間過(guò)程數(shù)據(jù)(邏輯地址)和消息數(shù)據(jù)(物理地址)都為12位地址物理地址點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和廣播有效的幀長(zhǎng)度固定為16,32,64,128或256位完整性IEC60870校驗(yàn)序列及幀長(zhǎng)度檢査介質(zhì)分配由一個(gè)總線主分配主權(quán)轉(zhuǎn)移通過(guò)令牌傳遞總線管理器成為總線主總線主冗余自動(dòng)的主權(quán)轉(zhuǎn)移，由令牌傳遞進(jìn)行冗余校驗(yàn)鏈路層服務(wù)過(guò)程數(shù)據(jù)周期性數(shù)據(jù) 按源尋址廣播的數(shù)據(jù)集 消息數(shù)據(jù)偶發(fā)性數(shù)據(jù) 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或廣播數(shù)據(jù)報(bào)文 監(jiān)視數(shù)據(jù)周期性數(shù)據(jù)/偶發(fā)性數(shù)據(jù)總線管理的數(shù)據(jù)發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種新型的列車控制裝置，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(guò)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。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種基于ARM9核微處理器的 列車控制裝置，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 作為裝置的核心處理部分，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)鐘電路、FLASH器件、SDRAM器件和電 源管理電路。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路提供準(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(guò)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(guò)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(wèn)RAM，通過(guò)控制信號(hào)來(lái) 解決爭(zhēng)用沖突問(wèn)題，在雙方爭(zhēng)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(xiě)信號(hào)到達(dá)先后順序來(lái)裁決哪方有使用權(quán)，避免因此而產(chǎn) 生的讀寫(xiě)錯(cuò)誤。核心處理器通過(guò)數(shù)據(jù)線和地址線并行訪問(wèn)FPGA，經(jīng)過(guò)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(wèn)方式來(lái)與CAN協(xié)議控制器進(jìn)行數(shù) 據(jù)通信。所述的裝置上還嵌入了系統(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(jí)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(kāi)發(fā)的軟件，簡(jiǎn)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，主要完成正C61375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(guò)程數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)通過(guò)應(yīng)用層調(diào)用過(guò)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(guò)程數(shù)據(jù)接收任務(wù)的過(guò)程相反； 用戶監(jiān)視任務(wù)通過(guò)應(yīng)用層調(diào)用監(jiān)視鏈路層服務(wù)程序，通過(guò)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(guò)程如下用戶應(yīng)用 消息通過(guò)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)行査表操作，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(guò)程相反。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于(1) 本實(shí)用新型符合正C61375,具有較高的設(shè)計(jì)水平，它提高了工程化水 平，降低了工程開(kāi)發(fā)成本，縮短了工程周期，其性能在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。(2) 本實(shí)用新型通過(guò)了 TCN網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品例行試驗(yàn)項(xiàng)目，完成與國(guó)外MVB產(chǎn) 品的一致性測(cè)試。(3) 本實(shí)用新型提供了 USB接口，方便列車維護(hù)人員下載行車日志，符 合國(guó)際列車運(yùn)營(yíng)操作規(guī)范。


圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的MVB協(xié)議棧結(jié)構(gòu)示意圖。圖1是本實(shí)用新型的摘要附圖。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)施方式
如圖1所示的一種基于ARM9核微處理器的列車控制裝置，包括核心處理 器l、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16bit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/0控制器。因?yàn)樯?述的外圍配置是通過(guò)DMA方式訪問(wèn)的，所以具有對(duì)片內(nèi)/外的內(nèi)存最大訪問(wèn)速度。所述的外圍配置電路包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、FLASH器件、SDRAM器件和電 源管理電路。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路選用DALLAS公司的DS1629芯片，與核心處理器 通過(guò)I2C總線進(jìn)行通信，提供萬(wàn)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(lái)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(hào)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(lái)處 理核心處理器和CAN協(xié)議控制器之間的訪問(wèn)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(pán)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。本實(shí)用新型上運(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(jí)支持包、MVB協(xié)議棧和驅(qū)動(dòng)軟 件包。板級(jí)支持包由匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，操作系統(tǒng)、MVB協(xié)議棧和驅(qū)動(dòng)軟件包由 ANSIC語(yǔ)言編寫(xiě)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(kāi)發(fā)軟 件，支持以下6種編程語(yǔ)言IL指令表、ST結(jié)構(gòu)化文本、LD梯形圖、F扱D功 能塊圖、SFC順序功能圖和CFC連續(xù)功能表，它由Visual €++語(yǔ)言編寫(xiě)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(yǔ)言編寫(xiě)完成。
權(quán)利要求1、一種基于ARM9核微處理器的列車控制裝置，其特征在于包括由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)，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(1)提供MVB、以太網(wǎng)、USB、CAN、RS232和RS485總線接口；所述列車控制裝置不僅完成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。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于ARM9核微處理器的列車控制裝置，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。本實(shí)用新型既具有MVB過(guò)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。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(hào)G05B19/042GK201044048SQ20072001226
公開(kāi)日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日
發(fā)明者躍 于, 任寶兵, 濤 吳, 張福景, 王忠福 申請(qǐng)人:謝步明