典型的嵌入式系統設計

　　通常來(lái)說(shuō)，一個(gè)嵌入式系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程如下：

　　確定嵌入式系統的需求；

　　設計系統的體系結構：選擇處理器和相關(guān)外部設備，操作系統，開(kāi)發(fā)平臺以及軟硬件的分割和總體系統集成；

　　詳細的軟硬件設計和RTL代碼、軟件代碼開(kāi)發(fā)；

　　軟硬件的聯(lián)調和集成；

　　系統的測試。

　　一、步驟1：確定系統的需求：

　　嵌入式系統的典型特征是面向用戶(hù)、面向產(chǎn)品、面向應用的，市場(chǎng)應用是嵌入式系統開(kāi)發(fā)的導向和前提。一個(gè)嵌入式系統的設計取決于系統的需求。

　　1、MVB總線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　列車(chē)通信網(wǎng)（Train CommunicaTIon Network，簡(jiǎn)稱(chēng)TCN）是一個(gè)集整列列車(chē)內部測控任務(wù)和信息處理任務(wù)于一體的列車(chē)數據通訊的IEC國際標準（IEC－61375-1）， 它包括兩種總線(xiàn)類(lèi)型絞線(xiàn)式列車(chē)總線(xiàn)（WTB）和多功能車(chē)廂總線(xiàn)（MVB）。

　　TCN在列車(chē)控制系統中的地位相當與CAN總線(xiàn)在汽車(chē)電子中的地位。多功能車(chē)輛總線(xiàn)MVB是用于在列車(chē)上設備之間傳送和交換數據的標準通信介質(zhì)。附加在總線(xiàn)上的設備可能在功能、大小、性能上互不相同，但是它們都和 MVB總線(xiàn)相連，通過(guò)MVB總線(xiàn)來(lái)交換信息，形成一個(gè)完整的通信網(wǎng)絡(luò )。在MVB系統中，根據IEC－61375－1列車(chē)通信網(wǎng)標準， MVB總線(xiàn)有如下的一些特點(diǎn)：

　　拓撲結構：MVB總線(xiàn)的結構遵循OSI模式，吸取了ISO的標準。支持最多4095個(gè)設備，由一個(gè)中心總線(xiàn)管理器控制。簡(jiǎn)單的傳感器和智能站共存于同一總線(xiàn)上。

　　數據類(lèi)型：MVB總線(xiàn)支持三種數據類(lèi)型：

　　a.過(guò)程數據：過(guò)程變量表示列車(chē)的狀態(tài)，如速度、電機電流、操作員的命令。過(guò)程變量的值叫過(guò)程數據。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，這些數據被周期性地傳送。

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

　　c.監視數據：是短的幀，主設備用它作同一總線(xiàn)內設備的狀態(tài)校驗、聯(lián)機設備的檢測、主權傳輸、列車(chē)初運行和其它管理功能。

　　介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)形式：MVB總線(xiàn)支持RS485銅介質(zhì)和光纖。其物理層的數據格式為1.5Mbps串行曼徹斯特編碼數據。

　　MVB的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)是由總線(xiàn)管理器BA進(jìn)行管理的，總線(xiàn)管理器BA是唯一的總線(xiàn)主設備，所有其它設備都是從設備。主設備按照某種預定的順序對端口進(jìn)行周期性輪詢(xún)，在周期的間隔中，主設備轉而處理偶發(fā)性請求。

　　可靠性措施：MVB容錯措施包括

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

　　故障的獨立性：通常對銅介質(zhì)進(jìn)行完全雙份配置，以確保設備故障的獨立性。

　　發(fā)送的可用性：可用性可以通過(guò)介質(zhì)冗余、電源冗余、管理器冗余等措施得以提高。

　　2、MVB系統的基本需求如下：

　　a. 完全與IEC-61375-1（TCN） 國際標準兼容，支持MVB總線(xiàn)定義的三種數據類(lèi)型過(guò)程數據，消息數據，監視數據。

　　b. 系統可配置成為：

　　i. 總線(xiàn)管理器（BA）功能

　　ii. 總線(xiàn)管理器（BA）功能和通信功能

　　iii. 獨立的通信功能

　　c. 采用ARM7TDMI的處理器

　　d. 采用實(shí)時(shí)操作系統

　　e. 供TCN的實(shí)時(shí)協(xié)議棧協(xié)議（RTP）

　　f. 支持 4096 邏輯端口的過(guò)程數據

　　g. 支持與上位PC104主機的雙口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(chē)輛總線(xiàn)MVB系統與用戶(hù)的列車(chē)控制系統同步設計，有著(zhù)嚴格的時(shí)間限制。

　　二、步驟2：設計系統的體系結構，協(xié)同分配硬件/軟件方面的要求

　　嵌入式系統包含硬件和軟件兩部分：硬件架構上以嵌入式處理器為中心，配置存儲器、 I/O設備、通信模塊等必要的外設；軟件部分以軟件開(kāi)發(fā)平臺為核心，向上提供應用編程接口（API），向下屏蔽具體硬件特性的板級支持包BSP。嵌入式系統中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調工作，共同完成系統預定的功能。根據OSI的七層模型可以確定鏈路層和物理層由硬件實(shí)現，其他各層由軟件實(shí)現，如圖1。

　　圖1：MVB的OSI模型和MVB系統軟硬件劃分。

　　1、嵌入式操作系統選擇：

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

　　操作系統支持的微處理器

　　操作系統的性能

　　操作系統的軟件組件和設備驅動(dòng)程序

　　操作系統的調試工具，開(kāi)發(fā)環(huán)境、在線(xiàn)仿真器（ICE）、編譯器、匯編器、連接器、調試器以及模擬器等等

　　操作系統的標準兼容性

　　操作系統的技術(shù)支持程度

　　操作系統是提供源代碼還是目標代碼

　　操作系統的許可使用情況

　　操作系統的開(kāi)發(fā)者聲譽(yù)狀況

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

　　2、處理器的選擇：

　　在為嵌入式系統選擇處理器時(shí)需要考慮以下幾個(gè)方面：

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

　　工具支持：支持軟件創(chuàng )建、調試、系統集成、代碼調整和優(yōu)化工具對整體項目成功與否非常關(guān)鍵。

　　操作系統支持：嵌入式系統應用需要使用有幫助的抽象來(lái)減少其復雜性。

　　開(kāi)發(fā)人員過(guò)去的處理器經(jīng)驗：擁有處理器或處理器系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗可以減少可觀(guān)的學(xué)習新處理器、工具和技術(shù)的時(shí)間。

　　成本，功耗，產(chǎn)品上市時(shí)間，技術(shù)支持等等

　　在本系統的設計中，綜合以上各方面的因素，考慮到處理器性能，操作系統支持以及列車(chē)上嚴酷的工業(yè)環(huán)境等等，在MVB系統中選用了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A(yíng)RM7TDMI內核，內含高性能的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(xiàn)接口（EBI）、3通道16位計數器/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(mén)狗定時(shí)器、主時(shí)鐘電路和 DRAM時(shí)序控制電路，并配有高級節能電路；同時(shí)，可支持JTAG調試，主頻可達到40MHz。

　　3、相關(guān)外部設備的選擇：

　　在確定操作系統和處理器之后，就可以確定相關(guān)的外部設備，如FLASH，RAM，串口等等。在MVB系統中，MVB控制器MVBC（MulTIfuncTIon Vehicle Bus Controller）是一個(gè)MVB電路和實(shí)際的物理設備之間的接口控制器，它的主要功能是實(shí)現MVB總線(xiàn)信號與數據幀的編解碼，糾錯等功能，是本系統中要實(shí)現的關(guān)鍵的硬件模塊。由于系統規模，上市時(shí)間等方面的要求，系統暫時(shí)不考慮ASIC實(shí)現，因此在MVB系統中用FPGA來(lái)實(shí)現這個(gè)關(guān)鍵模塊，FPGA 是ASIC最靈活和最合算的替代方案?？紤]到系統需求與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(kāi)發(fā)工具是Quartus II。

　　4、MVB系統架構

　　由以上的需求分析和選型，完整的系統硬件架構和軟件架構如圖2圖3所示

　　圖2：MVB系統的硬件架構。

　　圖3：MVB系統的軟件架構。

　　其中，處理器和 MVBC通過(guò)Traffic Memory（TM）進(jìn)行通訊數據交換，所有軟件和MVBC要交換的控制信息和數據都可以在TM地址空間中找到，這個(gè)地址空間對處理器和MVBC都是可訪(fǎng)問(wèn)的。其示意圖4如下

　　圖4：Traffic Memory。

　　三、步驟3：詳細的軟硬件設計和RTL代碼、軟件代碼開(kāi)發(fā)

　　在系統架構確定的基礎上，詳細的軟硬件設計就可以開(kāi)始了。

　　1、硬件設計

　　硬件設計設計包括了MVB控制器的FPGA設計和MVB總線(xiàn)系統的板級設計，其中關(guān)鍵的MVB控制器的設計如圖5

　　圖5：MVB控制器的框圖。（點(diǎn)擊放大該圖）

　　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，傳送數據幀

　　發(fā)送緩沖區：作為要發(fā)送的數據和CRC檢測值的緩沖區

　　譯碼器：接收、曼徹斯特譯碼，數據提取、數據錯誤檢測

　　接收緩沖區：作為接收端數據和CRC結果的緩沖區

　　報文分析單元：檢測主幀和從幀超時(shí)，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作為主設備或者從設備工作，支持隊列消息傳送

　　設備地址讀取和儲存單元：硬件定義的設備地址可以被不同的值覆蓋

　　地址邏輯：把CPU對MVBC內部寄存器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)的輸入地址進(jìn)行解析；產(chǎn)生MVBC訪(fǎng)問(wèn)TM的輸出地址

　　總線(xiàn)復用、轉換單元：處理MVBC內部的數據傳送

　　中斷邏輯：支持16種中斷源；

　　通用定時(shí)器：兩個(gè)定時(shí)輸出信號，可提供給系統同步使用

　　時(shí)鐘產(chǎn)生電路：產(chǎn)生所有MVBC工作的時(shí)鐘和計數器

　　2、軟件設計

　　由于在MVB系統中，過(guò)程數據，消息數據，監視數據是三種不同的通訊機制，因此，MVB系統軟件的模塊設計如圖6。

　　四、軟硬件的聯(lián)調和集成

　　下面，以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明MVB系統的軟硬件的集成和驗證。

　　過(guò)程數據在MVB系統中是周期性發(fā)送的數據，其在本系統中的通訊機制如下：對于發(fā)送方，用戶(hù)應用模塊將一個(gè)端口的過(guò)程變量發(fā)送給過(guò)程數據處理模塊，過(guò)程數據處理模塊按照邏輯端口的設置定時(shí)通過(guò)鏈路層接口模塊更新Traffic Memory當中的相應邏輯端口的數據，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(xiàn)管理器BA定時(shí)發(fā)出的主幀，通過(guò)譯碼器解碼得到相應的邏輯端口的值，通過(guò)查詢(xún)Traffic Memory相關(guān)的邏輯端口發(fā)送設置后將MVBC自動(dòng)設置為發(fā)送狀態(tài)，將邏輯端口的數據作為過(guò)程數據從幀通過(guò)編碼器發(fā)出，如圖7所示：

　　圖7：過(guò)程數據通訊示例。

　　對于接收方，其接收過(guò)程與發(fā)送方相逆，接收方的MVBC硬件接收總線(xiàn)管理器BA定時(shí)發(fā)出的主幀，通過(guò)譯碼器解碼得到相應的邏輯端口的值，通過(guò)查詢(xún)Traffic Memory相關(guān)的邏輯端口接收設置后將MVBC自動(dòng)設置為接收狀態(tài)將，在收到發(fā)送方發(fā)出的從幀后更新相應邏輯端口在Traffic Memory的數據并發(fā)出中斷信號從而完成硬件的接收過(guò)程。接收方的軟件可以用中斷或定時(shí)查詢(xún)的方式通過(guò)過(guò)程數據處理模塊得到更新后的邏輯端口的過(guò)程數據

　　五、系統的測試

　　在本系統中，系統的測試即包括了軟件的測試，也包括了硬件，FGPA的測試，在本文中不再贅述。

　　結束語(yǔ)

　　上述的MVB系統現已運行在列車(chē)控制系統中，成功實(shí)現對列車(chē)的運行控制、機車(chē)控制、車(chē)輛控制、狀態(tài)監測、故障診斷。當然，如有需要，本文中的MVB系統可以轉化成為ASIC設計，從而成為一個(gè)SOC的嵌入式系統。