邵忠俊 秦嶺 劉巍 潘宇波
摘要:課題研究背景及意義我國疆域幅員遼闊,地形環(huán)境復(fù)雜,鐵路運輸在我國運輸行業(yè)中起到了支柱性的作用。我國內(nèi)燃機車研制起始于20世紀(jì)50年代末,歷經(jīng)了50多年的發(fā)展,經(jīng)過了早期試制、定型生產(chǎn)、自主開發(fā)、采用先進(jìn)技術(shù)開發(fā)新型內(nèi)燃機車四個階段,累計生產(chǎn)了4代,研制出了多種先進(jìn)型號的內(nèi)燃機車,如DF8CJ、DF8DJ、SDA1型內(nèi)燃機車。我國鐵路機車制造技術(shù)的進(jìn)步采用引進(jìn),消化吸收,再創(chuàng)新策略,在短時間內(nèi)縮短了同國外先進(jìn)機車制造水平的差距。我司對機車微機控制系統(tǒng)處理器卡進(jìn)行重新設(shè)計,并搭載國產(chǎn)操作系統(tǒng)替代國外同類型設(shè)備。
關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機車;微機控制系統(tǒng);處理器
中圖分類號:U463.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1674-957X(2021)05-0192-02
1? 技術(shù)背景
鑒于目前內(nèi)燃機車處理器模塊使用的FREESCALE MC68020CRC25E,工作頻率25MHz,F(xiàn)LASH為2M字節(jié),SRAM為256K字節(jié),RS422×2,CAN×2及VME、EMD總線通訊功能。已不能滿足當(dāng)前新型內(nèi)燃機車的要求,并且各關(guān)鍵器件即將停產(chǎn),故需盡快開發(fā)一種新型高性能內(nèi)燃機車處理器模塊用以代替原內(nèi)燃機車處理器模塊。用于控制逆變控制器模塊產(chǎn)生牽引變流器脈寬調(diào)制波,提供輔助發(fā)電機勵磁斬波器斬波控制信號,通過母板EMD總線控制ADA305和DIO300完成模擬量和數(shù)字量的輸入輸出,并通過CAN總線與FIRE顯示器、EMDEC(柴油機控制器)以及其他CAN總線設(shè)備進(jìn)行通信。
2? 技術(shù)方案
該處理器模塊是整個機車微機控制系統(tǒng)的核心模塊,主要負(fù)責(zé)通過母板上的VME總線控制逆變控制器模塊產(chǎn)生牽引變流器脈寬調(diào)制波,提供輔助發(fā)電機勵磁斬波器斬波控制信號,通過母板EMD總線控制ADA305和DIO300完成模擬量和數(shù)字量的輸入輸出,通過4路CAN接口,分別連接FIRE屏、電噴控制器、空壓機及相關(guān)設(shè)備相連接;增加CF卡電路,用于進(jìn)行故障記錄;增加USB接口電路,可使用U盤即可對處理器模塊卡進(jìn)行應(yīng)用程序升級,對逆變器模塊進(jìn)行程序更新,從而代替使用電腦升級板卡程序的傳統(tǒng)方式,增強對逆變器模塊程序更新便利性。
3? 技術(shù)實現(xiàn)
該處理器模塊框圖如圖1所示。
3.1主處理器及外圍電路
主處理器選用freescale公司的MPC5121YVY400B。處理器主頻400MHz,760MIPS,內(nèi)置128KSRAM;內(nèi)核e300,具有32K的指令、數(shù)據(jù)緩存,兩個定點運算單元和一個雙精度浮點單元。DDR2選用Micron公司的MT47H64M8SH-25EIT,256MB,可擴展為2GB;Boot FLASH選用SPANSION公司的S29GL512P,64MB;User FLASH選用SPANSION公司S29GL512P,128MB;NAND FLASH選用Micron公司的MT29F32G08,4GB;NVram選用SIMTEK公司的STK14CA8,128K×8bit。關(guān)于MCP5121e的配置,使用FPGA對MCP5121e進(jìn)行復(fù)位初始配置。當(dāng)復(fù)位時,鎖存到設(shè)備中的值可以通過訪問來驗證??捎媚J桨ǎ?/p>
a) PCI仲裁器;
b) 測試模式;
c) 引導(dǎo)界面選擇;
d) MUX閃存模式;
e) NOR閃存端口大小;
通過配置MPC5121e各映射寄存器,如DDR_MCSN、NFC_CE0、LPC_CS0、LPC_CS1、LPC_CS2、LPC_CS3、LPC_
CS4、LPC_CS5、LPC_CS6、LPC_CS7來確定對應(yīng)DDR2、NAND FLASH、BOOT FLASH、User FLASH、VME、EMD、NVRAM、FPGA映射地址及空間大小;同時配置MPC5121e各對應(yīng)的GPIO接口寄存器,使其對應(yīng)引腳實現(xiàn)所需的usb×1、FEC×2、RS232×1、CF Card×1及CAN×4功能。
3.2 CF Card電路
MPC5121e具有PATA接口,并且與CF接口電氣特性完全兼容,因此通過電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC8T245,CF卡可直接連接至PATA接口,而不需要其他額外適配電路,此時CF卡的工作模式為Ture IDE模式。
3.3 串口接口電路
RS-232、RS-422接口電路已非常成熟,分別選用MAX3232EXE、MAX488EESA。
3.4 USB接口電路
此部分電路使用USB功率芯片MIC2536-2BM及靜電保護(hù)芯片IP4220CZ6。
3.5 EMD總線接口電路
EMD總線掛接在Local Bus上,其尋址范圍為LPC_CS2所對應(yīng)的地址空間,LPC_CS2配置為Muxed模式。EMD地址/數(shù)據(jù)線需經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后連接到背板連接器上,轉(zhuǎn)換芯片為TI公司的SN74LVTH16500,3-8譯碼器為NXP公司的74HCT138。
3.6 VME總線接口電路
VME總線掛接在Local Bus上,其尋址范圍為LPC_CS6所對應(yīng)的地址空間。VME總線通過LPC_CS6及EMB[31..0]、AX[07:00]實現(xiàn)。EMD地址/數(shù)據(jù)線需經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后連接到背板連接器上,轉(zhuǎn)換芯片為TI公司的SN74LVTH16500。
3.7 FEC接口電路
本設(shè)計共需要兩路10/100M以太網(wǎng)。一路采用MPC5121E自帶的以太網(wǎng)(FEC),一路采用LAN9420通過MPC5121E的PCI接口轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。
MPC5121e內(nèi)部集成10/100M 以太網(wǎng)MAC,故接口電路為PHY層協(xié)議芯片和電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計。本部分設(shè)計已在車載容錯計算機服務(wù)板上成熟應(yīng)用,可借用,其PHY層協(xié)議芯片為KSZ8041NLI。
通過PCI總線,使用LAN9420擴展實現(xiàn)另外一路以太網(wǎng)。
3.8 可編程邏輯電路
可編程邏輯電路采用XILLINX XC3S700A,包含13248個邏輯單元,372個I/O接口,搭配XILLIN XCF04SVO02,充分保證了該處理器模塊開發(fā)過程中所需的硬件邏輯資源,并為以后的二次開發(fā)留有足夠裕量。在本次設(shè)計中,開發(fā)環(huán)境使用ISE 13.4,采用自頂向下的設(shè)計方式進(jìn)行邏輯編寫,該邏輯架構(gòu)由8個功能模塊構(gòu)成,各模塊功能如圖2所示。
3.9 CAN總線接口電路
MPC5121E自帶的3路CAN,接口芯片可使用TJA1040;另外一路,通過SPI接口結(jié)合Micron的CAN接口芯片MCP2515實現(xiàn)。
3.10 POWER電路
本處理器卡輸入電源由底板供電(+5VDC),通過LT4600及MIC68220YML將5V電源轉(zhuǎn)換為1.8V及0.9V,用于對DDR2電路進(jìn)行供電;再轉(zhuǎn)換一路1.4V、1.8V及0.9V,用于對MPC5121電路進(jìn)行供電;同時通過TPS78003將5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V及1.2V,用于對FPGA電路進(jìn)行供電。電源拓?fù)淙鐖D3所示。
4? 結(jié)束語
①處理器主頻400MHz,760MIPS,內(nèi)置128KSRAM;內(nèi)核e300,具有32K的指令、數(shù)據(jù)緩存及豐富的對外通訊接口,不僅從功能/性能上滿足當(dāng)前車輛的需求,豐富且可配置的對外通訊接口更加增強了該模塊的二次開發(fā)升級的能力;②僅使用U板即可完成對逆變控制板的程序升級,大大增加了其軟件升級的便利性;③新的可編程邏輯器件,具備較多的邏輯資源,使得用戶可以根據(jù)新的功能需求進(jìn)行邏輯的二次開發(fā)。
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