技術(shù)分析：典型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通常來說，一個嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程如下：

　　確定嵌入式系統(tǒng)的需求；

　　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)平臺以及軟硬件的分割和總體系統(tǒng)集成；

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

　　軟硬件的聯(lián)調(diào)和集成；

　　系統(tǒng)的測試。

　　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，市場應(yīng)用是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的導(dǎo)向和前提。一個嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)取決于系統(tǒng)的需求。

　　1、MVB總線簡介

　　列車通信網(wǎng)（Train CommunicaTIon Network，簡稱TCN）是一個集整列列車內(nèi)部測控任務(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總線來交換信息，形成一個完整的通信網(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個設(shè)備，由一個中心總線管理器控制。簡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)。它們的傳輸時間是確定的和有界的。為保證這一延遲時間，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、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)性請求。

　　可靠性措施：MVB容錯措施包括

　　發(fā)送的完整性：鏈路層有擴(kuò)充的檢錯機(jī)制，該機(jī)制提供的漢明碼距為8，可檢測位、幀和同步錯誤。

　　故障的獨(dú)立性：通常對銅介質(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)時操作系統(tǒng)

　　e. 供TCN的實(shí)時協(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：

　　通常而言，為一個嵌入式系統(tǒng)選擇操作系統(tǒng)要考慮如下幾個因素：

　　操作系統(tǒng)支持的微處理器

　　操作系統(tǒng)的性能

　　操作系統(tǒng)的軟件組件和設(shè)備驅(qū)動程序

　　操作系統(tǒng)的調(diào)試工具，開發(fā)環(huán)境、在線仿真器（ICE）、編譯器、匯編器、連接器、調(diào)試器以及模擬器等等

　　操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)兼容性

　　操作系統(tǒng)的技術(shù)支持程度

　　操作系統(tǒng)是提供源代碼還是目標(biāo)代碼

　　操作系統(tǒng)的許可使用情況

　　操作系統(tǒng)的開發(fā)者聲譽(yù)狀況

　　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)時操作系統(tǒng)，VxWorks 是風(fēng)河公司（Windriver）開發(fā)的實(shí)時操作系統(tǒng)之一，以其優(yōu)秀的可靠性、實(shí)時性及內(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)選擇處理器時需要考慮以下幾個方面：

　　性能：處理器必須有足夠的性能執(zhí)行任務(wù)和支持產(chǎn)品生命周期。

　　工具支持：支持軟件創(chuàng)建、調(diào)試、系統(tǒng)集成、代碼調(diào)整和優(yōu)化工具對整體項(xiàng)目成功與否非常關(guān)鍵。

　　操作系統(tǒng)支持：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需要使用有幫助的抽象來減少其復(fù)雜性。

　　開發(fā)人員過去的處理器經(jīng)驗(yàn)：擁有處理器或處理器系列產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)可以減少可觀的學(xué)習(xí)新處理器、工具和技術(shù)的時間。

　　成本，功耗，產(chǎn)品上市時間，技術(shù)支持等等

　　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/定時器、32個可編程I/O口、中斷控制器、2個USART、可編程看門狗定時器、主時鐘電路和 DRAM時序控制電路，并配有高級節(jié)能電路；同時，可支持JTAG調(diào)試，主頻可達(dá)到40MHz。

　　3、相關(guān)外部設(shè)備的選擇：

　　在確定操作系統(tǒng)和處理器之后，就可以確定相關(guān)的外部設(shè)備，如FLASH，RAM，串口等等。在MVB系統(tǒng)中，MVB控制器MVBC（MulTIfuncTIon Vehicle Bus Controller）是一個MVB電路和實(shí)際的物理設(shè)備之間的接口控制器，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)MVB總線信號與數(shù)據(jù)幀的編解碼，糾錯等功能，是本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵的硬件模塊。由于系統(tǒng)規(guī)模，上市時間等方面的要求，系統(tǒng)暫時不考慮ASIC實(shí)現(xiàn)，因此在MVB系統(tǒng)中用FPGA來實(shí)現(xiàn)這個關(guān)鍵模塊，F(xiàn)PGA 是ASIC最靈活和最合算的替代方案。考慮到系統(tǒng)需求與FPGA資源，成本，供貨情況等因素，最終選擇了Altera公司的Cyclone系列FPGA， 其開發(fā)工具是Quartus II。

　　4、MVB系統(tǒng)架構(gòu)

　　由以上的需求分析和選型，完整的系統(tǒng)硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)如圖2圖3所示

圖2：MVB系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。

圖3：MVB系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。

　　其中，處理器和 MVBC通過Traffic Memory（TM）進(jìn)行通訊數(shù)據(jù)交換，所有軟件和MVBC要交換的控制信息和數(shù)據(jù)都可以在TM地址空間中找到，這個地址空間對處理器和MVBC都是可訪問的。其示意圖4如下

圖4：Traffic Memory。

　　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)的板級設(shè)計(jì)，其中關(guān)鍵的MVB控制器的設(shè)計(jì)如圖5

圖5：MVB控制器的框圖

　　如圖所示，MVB控制器包含以下功能模塊：

　　編碼器：產(chǎn)生曼徹斯特編碼，傳送數(shù)據(jù)幀

　　發(fā)送緩沖區(qū)：作為要發(fā)送的數(shù)據(jù)和CRC檢測值的緩沖區(qū)

　　譯碼器：接收、曼徹斯特譯碼，數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)錯誤檢測

　　接收緩沖區(qū)：作為接收端數(shù)據(jù)和CRC結(jié)果的緩沖區(qū)

　　報文分析單元：檢測主幀和從幀超時，幀誤檢測、錯誤狀態(tài)報告

　　狀態(tài)控制寄存器：MVBC配置

　　主控單元：支持MVBC作為主設(shè)備或者從設(shè)備工作，支持隊(duì)列消息傳送

　　設(shè)備地址讀取和儲存單元：硬件定義的設(shè)備地址可以被不同的值覆蓋

　　地址邏輯：把CPU對MVBC內(nèi)部寄存器進(jìn)行訪問的輸入地址進(jìn)行解析；產(chǎn)生MVBC訪問TM的輸出地址

　　總線復(fù)用、轉(zhuǎn)換單元：處理MVBC內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送

　　中斷邏輯：支持16種中斷源；

　　通用定時器：兩個定時輸出信號，可提供給系統(tǒng)同步使用

　　時鐘產(chǎn)生電路：產(chǎn)生所有MVBC工作的時鐘和計(jì)數(shù)器

　　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。

四、軟硬件的聯(lián)調(diào)和集成

　　下面，以一個簡單的例子來說明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：對于發(fā)送方，用戶應(yīng)用模塊將一個端口的過程變量發(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)的測試

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

　　結(jié)束語

　　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)對列車的運(yùn)行控制、機(jī)車控制、車輛控制、狀態(tài)監(jiān)測、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SOC的嵌入式系統(tǒng)。