基于SOPC的車輛總線控制器設(shè)計方案
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基于分布式控制的MVB(多功能車輛總線)是IEC61375-l(1999)TCN(列車通信網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn))的推薦方案，它與WTB(絞線式列車總線)構(gòu)成的列車通信總線具有實時性強、可靠性高的特點。MVB作為快速的過程控制優(yōu)化的總線，能提供最佳的響應(yīng)速度.是主要用于有互操作性和互換性要求的互聯(lián)設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)通信總線，適合用作車輛總線，對于固定編組的列車，MVB也可以用作列車總線，如圖1所示。
隨著系統(tǒng)集成技術(shù)的不斷成熟，出現(xiàn)了一種新興的產(chǎn)業(yè)，即IP(Intellcctual Property，知識產(chǎn)權(quán))產(chǎn)品及模塊化設(shè)計。在集成電路設(shè)計中，IP特指可以通過知識產(chǎn)權(quán)貿(mào)易，在各設(shè)計公司間流通的實現(xiàn)特定功能的電路模塊。IP核的奉質(zhì)特征是可鶯用性，通常滿足良好的通用性、可移植性及絕對正確3個基本特征，是未來SOPC(System OnProgrammable Chit))設(shè)計的核心。要使SOPC設(shè)計成功，就要更多地采用知識產(chǎn)權(quán)(IP)復(fù)用，以快速地完成設(shè)計，得到價格低廉的硅器件，從而滿足市場需求。
筆者對國外傳統(tǒng)MVB通信控制器芯片MVBC以及MVB底層通信協(xié)議進行了深入的研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了自主知識產(chǎn)權(quán)的MVB總線訪問IP核，并利用SOPC技術(shù)設(shè)計了MVB控制器。
1 MVBC介紹
MVBC(多功能車輛總線控制器)是MVB總線上的新一代核心處理器。它獨立于物理層和功能設(shè)備，為總線上的各個設(shè)備提供通信接口和通信服務(wù)。MVBC與上一代MVB通信控制器BAP15-2/3相比，在性能上有了很大的提高，是目前MVH總線上最先進的通信控制器。MVBC內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
MVBC用于將來自MVB總線的串行位信號轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)字節(jié)，把需發(fā)送的字節(jié)交由串行化電路發(fā)送到傳輸介質(zhì)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層以及部分傳輸層的數(shù)據(jù)處理，并通過通信存儲器與上層軟件交互?？偩€控制器內(nèi)部包含編解碼電路和控制通信存儲器所需的邏輯電路，用來控制幀的發(fā)送和接收(如沖突檢測、幀的前導(dǎo)比特處理和CRC校驗位的處理等)。
2 MVB總線訪問IP核的實現(xiàn)
總線訪問IP核用于代替現(xiàn)有MVB網(wǎng)卡的MVBC芯片實現(xiàn)應(yīng)用的功能，由此IP核結(jié)合物理層的總線收發(fā)器完成總線訪問?？偩€訪問IP核可分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和與應(yīng)用層的接口3部分。
①物理層：實現(xiàn)基帶曼徹斯特Biphase-L編解碼，介質(zhì)冗余處理，介質(zhì)安裝單元接口，以及用于輸入解碼的數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計。
②數(shù)據(jù)鏈路層：包括尋址方式，F(xiàn)-code(功能代碼)的生成，主從設(shè)備幀內(nèi)容的填充以及介質(zhì)訪問控制(MAC)等。
③與應(yīng)用層的接口：通常采用共享存儲器的方法，需要完成端口的定義與維護、通信存儲器的控制等，其邏輯框圖如圖3所示。
2.1 MVB幀結(jié)構(gòu)
在MVB中有兩種幀格式：一種是只能由總線主設(shè)備發(fā)送的主設(shè)備幀，簡稱“主幀”;另一種是為響應(yīng)主幀而由從設(shè)備發(fā)送的從設(shè)備幀，簡稱“從幀”。一個幀以9位定界符開始，主設(shè)備幀分界符和從設(shè)備幀分界符對于防止同步失敗是不相同的。圖4為MVB主從幀結(jié)構(gòu)圖。
2.2 MVB幀發(fā)送器
MVB總線數(shù)據(jù)以幀為基本單位，數(shù)據(jù)幀采用了曼徹斯特碼傳輸。編碼器和解碼器不只是進行曼徹斯特編解碼，幀頭幀尾的特殊編解碼也需要在這里進行，采用傳統(tǒng)的曼徹斯特編解碼器將無法完成此項工作。在本設(shè)計中，采用結(jié)合收發(fā)器的狀態(tài)機具體狀態(tài)進行編解碼設(shè)訃的方法解決這一問題。MVB幀發(fā)送器通過控制邏輯模塊，調(diào)用曼徹斯特編碼與CRC校驗?zāi)K，通信存儲單元模塊完成緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的發(fā)送。
下面說明發(fā)送器的狀態(tài)機FSM(Finite State Machine)的設(shè)計。發(fā)送器的一項主要功能是實現(xiàn)并串轉(zhuǎn)換和組幀。MVB總線數(shù)據(jù)在收到發(fā)送置位信號后開始進行數(shù)據(jù)發(fā)送;當(dāng)數(shù)據(jù)存入通信存儲單元后，等待控制邏輯模塊的置位信號;然后進入幀的發(fā)送狀態(tài)，通過時鐘信號的觸發(fā)完成各個狀態(tài)之問的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)一組有效的幀數(shù)據(jù)發(fā)送。發(fā)送器的狀態(tài)機FSM如圖5所示。
2.3 MVB幀接收器
接收器實現(xiàn)的關(guān)鍵是有效數(shù)據(jù)幀的識別，實現(xiàn)思路類似于發(fā)送器，根據(jù)編碼校驗可以實現(xiàn)。另一個問題是與總線的接口方式，本設(shè)計采用了8位并行數(shù)據(jù)寬度輸出，加序號標(biāo)識的方法可以接收任意給定長度的有效數(shù)據(jù)。接收器的狀態(tài)機如圖6所示。
2.4 Avalon總線接口
采用Altera公司開發(fā)的Avalon交互式片上系統(tǒng)總線作為本總線訪問IP核的內(nèi)聯(lián)總線，連接IP核內(nèi)各個模塊。如圖7所示，總線訪問IP核結(jié)構(gòu)包括：編碼器模塊、解碼器模塊、宿端口刷新時間監(jiān)控模塊、一類設(shè)備邏輯控制模塊?？偩€訪問IP核內(nèi)共有4個Avalon從端口，其中NiosII主控制器上設(shè)置了一個Avalon總線主端口，其他各個模塊上面均設(shè)置了Avalon總線從端口，由主控制器控制總線上的數(shù)據(jù)流傳輸實現(xiàn)各個模塊的協(xié)同工作，其邏輯框圖如圖7所示。
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