一個(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

在計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)也取得迅速發(fā)展，嵌入式技術(shù)應(yīng)用范圍的急劇擴(kuò)大。本文介紹了一種基于ARM和FPGA，從軟件到硬件完全自主開發(fā)多功能車輛總線(Multifunction Vehicle Bus)MVB嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

通常來(lái)說，一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程如下：

1、確定嵌入式系統(tǒng)的需求;

2、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)：選擇處理器和相關(guān)外部設(shè)備，操作系統(tǒng)，開發(fā)平臺(tái)以及軟硬件的分割和總體系統(tǒng)集成;

3、詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)和RTL代碼、軟件代碼開發(fā);

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nbsp; 4、軟硬件的聯(lián)調(diào)和集成;

5、系統(tǒng)的測(cè)試。

一、步驟1：確定系統(tǒng)的需求：

嵌入式系統(tǒng)的典型特征是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，市場(chǎng)應(yīng)用是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的導(dǎo)向和前提。一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)取決于系統(tǒng)的需求。

1、MVB總線簡(jiǎn)介

列車通信網(wǎng)(Train Communication Network,簡(jiǎn)稱TCN)是一個(gè)集整列列車內(nèi)部測(cè)控任務(wù)和信息處理任務(wù)于一體的列車數(shù)據(jù)通訊的IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IEC-61375-1), 它包括兩種總線類型絞線式列車總線(WTB)和多功能車廂總線(MVB)。

TCN在列車控制系統(tǒng)中的地位相當(dāng)與CAN總線在汽車電子中的地位。多功能車輛總線MVB是用于在列車上設(shè)備之間傳送和交換數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)通信介質(zhì)。附加在總線上的設(shè)備可能在功能、大小、性能上互不相同，但是它們都和MVB總線相連，通過MVB總線來(lái)交換信息，形成一個(gè)完整的通信網(wǎng)絡(luò)。在MVB系統(tǒng)中，根據(jù)IEC-61375-1列車通信網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)， MVB總線有如下的一些特點(diǎn)：

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：MVB總線的結(jié)構(gòu)遵循OSI模式，吸取了ISO的標(biāo)準(zhǔn)。支持最多4095個(gè)設(shè)備，由一個(gè)中心總線管理器控制。簡(jiǎn)單的傳感器和智能站共存于同一總線上。

數(shù)據(jù)類型：MVB總線支持三種數(shù)據(jù)類型：

a.過程數(shù)據(jù)：過程變量表示列車的狀態(tài)，如速度、電機(jī)電流、操作員的命令。過程變量的值叫過程數(shù)據(jù)。它們的傳輸時(shí)間是確定的和有界的。為保證這一延遲時(shí)間，這些數(shù)據(jù)被周期性地傳送。

b.消息數(shù)據(jù)：消息被分成小的包，這些包分別被編號(hào)并由目的站確認(rèn)。消息包及與之相關(guān)的控制數(shù)據(jù)形成消息數(shù)據(jù)。消息數(shù)據(jù)以命令方式傳輸。功能消息被應(yīng)用層所使用;服務(wù)消息用于列車通信系統(tǒng)自身的管理等。

c.監(jiān)視數(shù)據(jù)：是短的幀，主設(shè)備用它作同一總線內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)校驗(yàn)、聯(lián)機(jī)設(shè)備的檢測(cè)、主權(quán)傳輸、列車初運(yùn)行和其它管理功能。

介質(zhì)訪問形式：MVB總線支持RS485銅介質(zhì)和光纖。其物理層的數(shù)據(jù)格式為1.5Mbps串行曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)。

MVB的介質(zhì)訪問是由總線管理器BA進(jìn)行管理的，總線管理器BA是唯一的總線主設(shè)備，所有其它設(shè)備都是從設(shè)備。主設(shè)備按照某種預(yù)定的順序?qū)Χ丝谶M(jìn)行周期性輪詢，在周期的間隔中，主設(shè)備轉(zhuǎn)而處理偶發(fā)性請(qǐng)求。

可靠性措施：MVB容錯(cuò)措施包括

發(fā)送的完整性：鏈路層有擴(kuò)充的檢錯(cuò)機(jī)制，該機(jī)制提供的漢明碼距為8，可檢測(cè)位、幀和同步錯(cuò)誤。故障的獨(dú)立性：通常對(duì)銅介質(zhì)進(jìn)行完全雙份配置，以確保設(shè)備故障的獨(dú)立性。發(fā)送的可用性：可用性可以通過介質(zhì)冗余、電源冗余、管理器冗余等措施得以提高。

2、MVB系統(tǒng)的基本需求如下：

a. 完全與IEC-61375-1(TCN) 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)兼容，支持MVB總線定義的三種數(shù)據(jù)類型過程數(shù)據(jù)，消息數(shù)據(jù)，監(jiān)視數(shù)據(jù)。

b. 系統(tǒng)可配置成為：i. 總線管理器(BA)功能ii. 總線管理器(BA)功能和通信功能iii. 獨(dú)立的通信功能

c. 采用ARM7TDMI的處理器

d. 采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

e. 供T

CN的實(shí)時(shí)協(xié)議棧協(xié)議(RTP)

f. 支持 4096 邏輯端口的過程數(shù)據(jù)

g. 支持與上位PC104主機(jī)的雙口RAM接口

h. 輸入電壓5V

i. 工作環(huán)境溫度：-40℃～75℃

3、其他需求

多功能車輛總線MVB系統(tǒng)與用戶的列車控制系統(tǒng)同步設(shè)計(jì)，有著嚴(yán)格的時(shí)間限制。

二、步驟2：設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，協(xié)同分配硬件/軟件方面的要求

嵌入式系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分：硬件架構(gòu)上以嵌入式處理器為中心，配置存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備、通信模塊等必要的外設(shè);軟件部分以軟件開發(fā)平臺(tái)為核心，向上提供應(yīng)用編程接口(API)，向下屏蔽具體硬件特性的板級(jí)支持包BSP。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能。根據(jù)OSI的七層模型可以確定鏈路層和物理層由硬件實(shí)現(xiàn)，其他各層由軟件實(shí)現(xiàn)，如圖1。

圖1：MVB的OSI模型和MVB系統(tǒng)軟硬件劃分。

1、嵌入式操作系統(tǒng)選擇：

根據(jù)系統(tǒng)的需求和以上的原則，在MVB系統(tǒng)中采用了Vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，VxWorks是風(fēng)河公司(Windriver)開發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一，以其優(yōu)秀的可靠性、實(shí)時(shí)性及內(nèi)核的可裁減性，被廣泛應(yīng)用于通信、軍事、航天、航空、工業(yè)控制等關(guān)鍵行業(yè)領(lǐng)域，其開發(fā)環(huán)境為Tornado。

2、處理器的選擇：

在為嵌入式系統(tǒng)選擇處理器時(shí)需要考慮以下幾個(gè)方面：

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，綜合以上各方面的因素，考慮到處理器性能，操作系統(tǒng)支持以及列車上嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境等等，在MVB系統(tǒng)中選用了ATMEL用于工業(yè)控制領(lǐng)域的工業(yè)級(jí)的AT91系列ARM處理器AT91M40800，它是基于ARM7TDMI內(nèi)核，內(nèi)含高性能的32位RISC處理器、16位高集成度指令集、8KB片上SRAM、可編程外部總線接口(EBI)、3通道16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、32個(gè)可編程I/O口、中斷控制器、2個(gè)USART、可編程看門狗定時(shí)器、主時(shí)鐘電路和DRAM時(shí)序控制電路，并配有高級(jí)節(jié)能電路;同時(shí)，可支持JTAG調(diào)試，主頻可達(dá)到40MHz。

可靠性措施：MVB容錯(cuò)措施包括

發(fā)送的完整性：鏈路層有擴(kuò)充的檢錯(cuò)機(jī)制，該機(jī)制提供的漢明碼距為8，可檢測(cè)位、幀和同步錯(cuò)誤。故障的獨(dú)立性：通常對(duì)銅介質(zhì)進(jìn)行完全雙份配置，以確保設(shè)備故障的獨(dú)立性。發(fā)送的可用性：可用性可以通過介質(zhì)冗余、電源冗余、管理器冗余等措施得以提高。

2、MVB系統(tǒng)的基本需求如下：

a. 完全與IEC-61375-1(TCN) 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)兼容，支持MVB總線定義的三種數(shù)據(jù)類型過程數(shù)據(jù)，消息數(shù)據(jù)，監(jiān)視數(shù)據(jù)。

b. 系統(tǒng)可配置成為：i. 總線管理器(BA)功能ii. 總線管理器(BA)功能和通信功能iii. 獨(dú)立的通信功能

c. 采用ARM7TDMI的處理器

d. 采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

e. 供T

CN的實(shí)時(shí)協(xié)議棧協(xié)議(RTP)

f. 支持 4096 邏輯端口的過程數(shù)據(jù)

g. 支持與上位PC104主機(jī)的雙口RAM接口

h. 輸入電壓5V

i. 工作環(huán)境溫度：-40℃～75℃

3、其他需求

多功能車輛總線MVB系統(tǒng)與用戶的列車控制系統(tǒng)同步設(shè)計(jì)，有著嚴(yán)格的時(shí)間限制。

二、步驟2：設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，協(xié)同分配硬件/軟件方面的要求

嵌入式系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分：硬件架構(gòu)上以嵌入式處理器為中心，配置存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備、通信模塊等必要的外設(shè);軟件部分以軟件開發(fā)平臺(tái)為核心，向上提供應(yīng)用編程接口(API)，向下屏蔽具體硬件特性的板級(jí)支持包BSP。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能。根據(jù)OSI的七層模型可以確定鏈路層和物理層由硬件實(shí)現(xiàn)，其他各層由軟件實(shí)現(xiàn)，如圖1。[!--empirenews.page--]

圖1：MVB的OSI模型和MVB系統(tǒng)軟硬件劃分。

1、嵌入式操作系統(tǒng)選擇：

根據(jù)系統(tǒng)的需求和以上的原則，在MVB系統(tǒng)中采用了Vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，VxWorks是風(fēng)河公司(Windriver)開發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一，以其優(yōu)秀的可靠性、實(shí)時(shí)性及內(nèi)核的可裁減性，被廣泛應(yīng)用于通信、軍事、航天、航空、工業(yè)控制等關(guān)鍵行業(yè)領(lǐng)域，其開發(fā)環(huán)境為Tornado。

2、處理器的選擇：

在為嵌入式系統(tǒng)選擇處理器時(shí)需要考慮以下幾個(gè)方面：

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，綜合以上各方面的因素，考慮到處理器性能，操作系統(tǒng)支持以及列車上嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境等等，在MVB系統(tǒng)中選用了ATMEL用于工業(yè)控制領(lǐng)域的工業(yè)級(jí)的AT91系列ARM處理器AT91M40800，它是基于ARM7TDMI內(nèi)核，內(nèi)含高性能的32位RISC處理器、16位高集成度指令集、8KB片上SRAM、可編程外部總線接口(EBI)、3通道16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、32個(gè)可編程I/O口、中斷控制器、2個(gè)USART、可編程看門狗定時(shí)器、主時(shí)鐘電路和DRAM時(shí)序控制電路，并配有高級(jí)節(jié)能電路;同時(shí)，可支持JTAG調(diào)試，主頻可達(dá)到40MHz。

三、步驟3：詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)和RTL代碼、軟件代碼開發(fā)

在系統(tǒng)架構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)就可以開始了。

1、硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)包括了MVB控制器的FPGA設(shè)計(jì)和MVB總線系統(tǒng)的板級(jí)設(shè)計(jì)，其中關(guān)鍵的MVB控制器的設(shè)計(jì)如圖5

如圖所示，MVB控制器包含以下功能模塊：

2、軟件設(shè)計(jì)

由于在MVB系統(tǒng)中，過程數(shù)據(jù)，消息數(shù)據(jù)，監(jiān)視數(shù)據(jù)是三種不同的通訊機(jī)制，因此，MVB系統(tǒng)軟件的模塊設(shè)計(jì)如圖6。

圖6：MVB系統(tǒng)軟件模塊。

四、軟硬件的聯(lián)調(diào)和集成

下面，以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說明MVB系統(tǒng)的軟硬件的集成和驗(yàn)證。

過程數(shù)據(jù)在MVB系統(tǒng)中是周期性發(fā)送的數(shù)據(jù)，其在本系統(tǒng)中的通訊機(jī)制如下：對(duì)于發(fā)送方，用戶應(yīng)用模塊將一個(gè)端口的過程變量發(fā)送給過程數(shù)據(jù)處理模塊，過程數(shù)據(jù)處理模塊按照邏輯端口的設(shè)置定時(shí)通過鏈路層接口模塊更新Traffic Memory當(dāng)中的相應(yīng)邏輯端口的數(shù)據(jù)，此時(shí)發(fā)送方軟件的任務(wù)完成。發(fā)送方的MVBC硬件接收總線管理器BA定時(shí)發(fā)出的主幀，通過譯碼器解碼得到相應(yīng)的邏輯端口的值，通過查詢Traffic Memory相關(guān)的邏輯端口發(fā)送設(shè)置后將MVBC自動(dòng)設(shè)置為發(fā)送狀態(tài)，將邏輯端口的數(shù)據(jù)作為過程數(shù)據(jù)從幀通過編碼器發(fā)出，如圖7所示：

圖7：過程數(shù)據(jù)通訊示例。

對(duì)于接收方，其接收過程與發(fā)送方相逆，接收方的MVBC硬件接收總線管理器BA定時(shí)發(fā)出的主幀，通過譯碼器解碼得到相應(yīng)的邏輯端口的值，通過查詢Traffic Memory相關(guān)的邏輯端口接收設(shè)置后將MVBC自動(dòng)設(shè)置為接收狀態(tài)將，在收到發(fā)送方發(fā)出的從幀后更新相應(yīng)邏輯端口在Traffic Memory的數(shù)據(jù)并發(fā)出中斷信號(hào)從而完成硬件的接收過程。接收方的軟件可以用中斷或定時(shí)查詢的方式通過過程數(shù)據(jù)處理模塊得到更新后的邏輯端口的過程數(shù)據(jù)。 五、系統(tǒng)的測(cè)試

在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)的測(cè)試即包括了軟件的測(cè)試，也包括了硬件，F(xiàn)GPA的測(cè)試，在本文中不再贅述。

結(jié)束語(yǔ)

上述的MVB系統(tǒng)現(xiàn)已運(yùn)行在列車控制系統(tǒng)中，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的運(yùn)行控制、機(jī)車控制、車輛控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷。當(dāng)然，如有需要，本文中的MVB系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)化成為ASIC設(shè)計(jì)，從而成為一個(gè)SOC的嵌入式系統(tǒng)。