SOPC技術(shù)在電力機(jī)車改造中的應(yīng)用

摘要 簡要介紹韶山3型4000系電力機(jī)車有觸點(diǎn)控制的弊端和無觸點(diǎn)邏輯控制模塊LCM的基本原理；按照機(jī)車控制電路功能，設(shè)計(jì)出苻合標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范的專用IP；基于SOPC的設(shè)計(jì)思想，引用SOPC Builder在1片F(xiàn)PGA上集成了32位NiosII微處理器、邏輯控制單元IP、CAN總線控制器IP及一些必需的外圍組件，給出邏輯控制模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞 無觸點(diǎn)改造 邏輯控制 SOPC IP 電力機(jī)車

引 言
    機(jī)車邏輯控制模塊(LCM)是一種鐵路機(jī)車專用的采用硬件可編程的邏輯控制單元，是機(jī)車實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。將該模塊與整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用在干線電力機(jī)車上，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的繼電器控制電路的可編程無觸點(diǎn)控制，大大減少了控制電路的觸點(diǎn)和布線，簡化了機(jī)車控制電路的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和調(diào)試過程，并使機(jī)車電氣系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)檢測、故障診斷與存儲顯示等功能；特別是列車速度提高后，繼電器電路因振動(dòng)加劇而出現(xiàn)誤動(dòng)作，無觸點(diǎn)邏輯控制模塊可以方便地克服該缺點(diǎn)，提高控制系統(tǒng)可靠性，并可方便地用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)各種控制功能，具有靈活性和通用性。無觸點(diǎn)控制是機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。
    圖l所示為機(jī)車實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)示意圖。

    隨著系統(tǒng)集成技術(shù)不斷成熟，出現(xiàn)了IP(IntellectualPropelrty，知識產(chǎn)權(quán))產(chǎn)品及模塊化設(shè)計(jì)。在集成電路設(shè)計(jì)中，IP特指可以通過知識產(chǎn)權(quán)貿(mào)易在各設(shè)計(jì)公司間流通的實(shí)現(xiàn)特定功能的電路模塊。IP核的本質(zhì)特征是可重用性，通常滿足良好的通用性、良好的可移植性及絕對正確三個(gè)基奉特征，是未來SOPC設(shè)計(jì)的核心。要使SOPC設(shè)計(jì)成功，就要更多地采用知識產(chǎn)權(quán)(IP)復(fù)用，以快速完成設(shè)計(jì)，得到價(jià)格低廉的硅器件，從而滿足市場需求。
    本設(shè)計(jì)主要針對韶山3型4000系電力機(jī)車控制邏輯進(jìn)行分析優(yōu)化，并設(shè)計(jì)了可以完全取代原有邏輯控制功能的IP核；在此基礎(chǔ)上利用SOPC技術(shù)設(shè)計(jì)了機(jī)車邏輯控制模塊。

1 機(jī)車邏輯控制模塊簡介
    主要針對韶山3型4000系電力機(jī)車設(shè)計(jì)的邏輯控制模塊，借鑒了以往在韶山4G型電力機(jī)車上應(yīng)用的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在狀態(tài)采集(輸入)電路、驅(qū)動(dòng)(輸出)電路、保護(hù)電路、冗余設(shè)計(jì)以及邏輯處理方面都做了一定改進(jìn)。尤其是在邏輯處理部分大量采用現(xiàn)代集成技術(shù)和模塊化的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化了控制邏輯，進(jìn)一步提高了集成度和可靠性，其原理如圖2所示。

    邏輯控制模塊將控制指令信息通過采集電路輸入，經(jīng)過邏輯處理后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并將當(dāng)前狀態(tài)信息通過CAN總線發(fā)送到司機(jī)顯示屏。

2 邏輯替代的基本原理
    獲取繼電器的狀態(tài)即通過檢測與繼電器關(guān)聯(lián)的線號的得失電狀態(tài)，經(jīng)過與之對應(yīng)的邏輯組合得出繼電器是否得電；得到的繼電器狀態(tài)構(gòu)成繼電器狀態(tài)表，供后級電路查詢。以最基本的自鎖連接的中間繼電器來說明，其示意圖如圖3所示，替代后的虛擬繼電器如圖4所示。

    替代后的中間繼電器采用通用的模塊化設(shè)計(jì)。在具體應(yīng)用過程中只要調(diào)用這些繼電器模塊，按原繼電器連接信號進(jìn)行端口定義就可以方便的使用。自鎖連接的繼電器功能仿真如圖5所示，其端口定義和Verilog HDL實(shí)現(xiàn)如下：

    對于時(shí)間繼電器．在輸出級根據(jù)繼電器狀態(tài)表里的狀態(tài)信息，通過對外部輸入脈沖的計(jì)數(shù)來達(dá)到延時(shí)動(dòng)作的目的。這種處理方式得到的延遲時(shí)間精度高，狀態(tài)穩(wěn)定。以零位時(shí)間繼電器為例說明其一般替代原理。其繼電器原理如圖6所示，替代后的虛擬繼電器如圖7所示。

    同樣，時(shí)間繼電器采用通用的模塊化設(shè)計(jì)，虛擬的繼電器可以直觀地理解為實(shí)際繼電器模型；按照實(shí)際繼電器接線對其進(jìn)行信號端口定義就可以完全取代原有繼電器邏輯，最終得到的輸出信號輸送給調(diào)制模塊進(jìn)行100 kHz方波調(diào)制輸出給隔離變壓器。時(shí)間繼電器功能仿真如圖8所示，其端口定義和Verilog HDL實(shí)現(xiàn)如下：

3 邏輯控制IP核實(shí)現(xiàn)
    作為可重用的設(shè)計(jì)模塊，IP核必須遵從一定的互連接口標(biāo)準(zhǔn)，包括Altera在內(nèi)的很多公司都有自己的一套互連接口的標(biāo)準(zhǔn)，像Altera公司的Av．a(chǎn)lon、Atlantic，IBM公司的CoreConnect，ARM公司的AMBA，還有SiliCore轉(zhuǎn)讓給OpcnCore的WISHBONE總線標(biāo)準(zhǔn)等。Avalon交換式總線是由Altera公司開發(fā)的一種專用內(nèi)部連線技術(shù)。Avalon交換式總線由SOPC Buildcr自動(dòng)生成，是一種最理想的用于系統(tǒng)處理器和外設(shè)之間的內(nèi)聯(lián)總線。每當(dāng)一個(gè)新的組件被添加到系統(tǒng)中或是某個(gè)外設(shè)的優(yōu)先級被改變，就會(huì)有一個(gè)新的、最佳的交換式總線被生成。
    采用A1tera公司開發(fā)的Avalon交互式片上系統(tǒng)總線作為本IP核的內(nèi)聯(lián)總線，連接各個(gè)模塊。其結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示，包括數(shù)字濾波器模塊、邏輯管理模塊、繼電器狀態(tài)生成模塊、輸出狀態(tài)生成模塊和輸出脈沖調(diào)制模塊。邏輯控制單元IP核內(nèi)共有3個(gè)Avalon從端口由片內(nèi)處理器內(nèi)核控制總線上的數(shù)據(jù)流傳輸，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的協(xié)同工作。

    邏輯控制單元IP替代原有繼電器控制邏輯，司機(jī)控制指令經(jīng)過分壓電路、光耦隔離以及施密特觸發(fā)器后進(jìn)入FPGA。為避免尖峰干擾造成的誤觸發(fā)，在IP核中增加了數(shù)字濾波器。通過濾波器的信號被認(rèn)為是真正的司機(jī)指令，按照原有的控制功能，進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生虛擬的繼電器狀態(tài)表。該狀態(tài)表在傳輸給輸出級邏輯模塊的同時(shí)可以接受Avalon總線訪問。輸出級根據(jù)繼電器狀態(tài)進(jìn)行邏輯處理，產(chǎn)生輸出狀態(tài)表。該狀態(tài)表經(jīng)過脈沖調(diào)制后作為隔離變壓器原邊驅(qū)動(dòng)信號傳送至輸出驅(qū)動(dòng)電路門極。

4 邏輯控制IP核基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)邏輯控制模塊
    Altera公司的Quaners II開發(fā)平臺提供了電子設(shè)計(jì)的軟硬件協(xié)同開發(fā)環(huán)境。邏輯控制模塊硬件設(shè)計(jì)如圖10所示。系統(tǒng)采用Avalon總線為系統(tǒng)總線，以32位NiosII微處理器作為主控制器。本設(shè)計(jì)在SOPC Builder開發(fā)環(huán)境下直接調(diào)用片內(nèi)的M4K塊并設(shè)置一個(gè)從端口生成系統(tǒng)內(nèi)存，調(diào)用邏輯控制單元IP以及Altera提供的CAN通信控制器IP實(shí)現(xiàn)LCM與CAN總線的接口。

    由司機(jī)控制指令生成的虛擬繼電器狀態(tài)表在被傳送至輸出級的同時(shí)，可以被片內(nèi)Nios微處理器查詢。查詢的過程是通過芯片內(nèi)部Avalon總線進(jìn)行的，得到的查詢結(jié)果由CAN總線傳送到顯示屏和檢測儀。

5 系統(tǒng)綜合
    在完成IP設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用SOPC Builder進(jìn)行系統(tǒng)綜合。FPGA內(nèi)部用Avalon總線將片上處理器和外設(shè)連接成片上系統(tǒng)，如圖11所示。

    在設(shè)計(jì)中，包含了由Nios CPU、JTAG以及片上存儲器構(gòu)成的基本片上系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)卜調(diào)用SS3LCM與CAN接口控制器IP實(shí)現(xiàn)邏輯控制及通信功能。另外增加了一個(gè)串行接口，方便與上位機(jī)連接調(diào)試。綜合后得到的芯片結(jié)構(gòu)如圖12所示。
    至此，已經(jīng)完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了硬件邏輯功能。將生成的下載文件通過JTAG下載到片外專用配置ROM中，重新上電后用Nios IDE進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

結(jié)語
    目前我國仍有大量的有觸點(diǎn)控制的電力機(jī)車在干線運(yùn)行，這種控制方式帶來的種種弊端已經(jīng)嚴(yán)重影響了我國鐵路運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，尤其是某些重載繁忙的路段(如大秦鐵路)因?yàn)橛杏|點(diǎn)控制無法避免的受粉塵和其他惡劣環(huán)境的影響，已經(jīng)多次發(fā)生故障以致于影響了整條干線的運(yùn)輸，因此機(jī)車控制的無觸點(diǎn)改造的水平關(guān)系著我國鐵路事業(yè)的發(fā)展。目前國內(nèi)的無觸點(diǎn)改造已有較為成熟的產(chǎn)品，本設(shè)計(jì)也是在借鑒曾運(yùn)行在SS4G機(jī)車的LCM的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的改進(jìn)，更加注重了可靠性的提高和冗余設(shè)計(jì)；同時(shí)，將目前世界先進(jìn)的SOPC技術(shù)應(yīng)用其中，大大提高了其集成度和靈活性。邏輯控制模塊的生產(chǎn)將節(jié)約大量的生產(chǎn)成本，而且對于提高機(jī)車控制性能、保障行車安全、提高機(jī)車運(yùn)行速度和效率都有著十分重要的意義，同時(shí)會(huì)有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。