SOPC技術(shù)在電力機車(chē)改造中的應用

引 言

　　機車(chē)邏輯控制模塊(LCM)是一種鐵路機車(chē)專(zhuān)用的采用硬件可編程的邏輯控制單元，是機車(chē)實(shí)時(shí)監測與故障診斷系統的一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。將該模塊與整個(gè)系統應用在干線(xiàn)電力機車(chē)上，實(shí)現了傳統的繼電器控制電路的可編程無(wú)觸點(diǎn)控制，大大減少了控制電路的觸點(diǎn)和布線(xiàn)，簡(jiǎn)化了機車(chē)控制電路的設計、生產(chǎn)和調試過(guò)程，并使機車(chē)電氣系統具有實(shí)時(shí)檢測、故障診斷與存儲顯示等功能；特別是列車(chē)速度提高后，繼電器電路因振動(dòng)加劇而出現誤動(dòng)作，無(wú)觸點(diǎn)邏輯控制模塊可以方便地克服該缺點(diǎn)，提高控制系統可靠性，并可方便地用硬件描述語(yǔ)言實(shí)現各種控制功能，具有靈活性和通用性。無(wú)觸點(diǎn)控制是機車(chē)電氣控制系統的發(fā)展方向。

　　圖1所示為機車(chē)實(shí)時(shí)監測與故障診斷系統示意圖。

　　隨著(zhù)系統集成技術(shù)不斷成熟，出現了IP(IntellectualProperty，知識產(chǎn)權)產(chǎn)品及模塊化設計。在集成電路設計中，IP特指可以通過(guò)知識產(chǎn)權貿易在各設計公司間流通的實(shí)現特定功能的電路模塊。IP核的本質(zhì)特征是可重用性，通常滿(mǎn)足良好的通用性、良好的可移植性及絕對正確三個(gè)基本特征，是未來(lái)SOPC設計的核心。要使SOPC設計成功，就要更多地采用知識產(chǎn)權(IP)復用，以快速完成設計，得到價(jià)格低廉的硅器件，從而滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

　　本設計主要針對韶山3型4000系電力機車(chē)控制邏輯進(jìn)行分析優(yōu)化，并設計了可以完全取代原有邏輯控制功能的IP核；在此基礎上利用SOPC技術(shù)設計了機車(chē)邏輯控制模塊。

1 機車(chē)邏輯控制模塊簡(jiǎn)介

　　主要針對韶山3型4000系電力機車(chē)設計的邏輯控制模塊，借鑒了以往在韶山4G型電力機車(chē)上應用的設計經(jīng)驗，在狀態(tài)采集(輸入)電路、驅動(dòng)(輸出)電路、保護電路、冗余設計以及邏輯處理方面都做了一定改進(jìn)。尤其是在邏輯處理部分大量采用現代集成技術(shù)和模塊化的設計方法，優(yōu)化了控制邏輯，進(jìn)一步提高了集成度和可靠性，其原理如圖2所示。

　　邏輯控制模塊將控制指令信息通過(guò)采集電路輸入，經(jīng)過(guò)邏輯處理后驅動(dòng)執行機構，并將當前狀態(tài)信息通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送到司機顯示屏。

2 邏輯替代的基本原理

　　獲取繼電器的狀態(tài)即通過(guò)檢測與繼電器關(guān)聯(lián)的線(xiàn)號的得失電狀態(tài)，經(jīng)過(guò)與之對應的邏輯組合得出繼電器是否得電；得到的繼電器狀態(tài)構成繼電器狀態(tài)表，供后級電路查詢(xún)。以最基本的自鎖連接的中間繼電器來(lái)說(shuō)明，其示意圖如圖3所示，替代后的虛擬繼電器如圖4所示。

　　替代后的中間繼電器采用通用的模塊化設計。在具體應用過(guò)程中只要調用這些繼電器模塊，按原繼電器連接信號進(jìn)行端口定義就可以方便的使用。自鎖連接的繼電器功能仿真如圖5所示，其端口定義和Verilog HDL實(shí)現如下：

　　對于時(shí)間繼電器，在輸出級根據繼電器狀態(tài)表里的狀態(tài)信息，通過(guò)對外部輸入脈沖的計數來(lái)達到延時(shí)動(dòng)作的目的。這種處理方式得到的延遲時(shí)間精度高，狀態(tài)穩定。以零位時(shí)間繼電器為例說(shuō)明其一般替代原理。其繼電器原理如圖6所示，替代后的虛擬繼電器如圖7所示。

　　同樣，時(shí)間繼電器采用通用的模塊化設計，虛擬的繼電器可以直觀(guān)地理解為實(shí)際繼電器模型；按照實(shí)際繼電器接線(xiàn)對其進(jìn)行信號端口定義就可以完全取代原有繼電器邏輯，最終得到的輸出信號輸送給調制模塊進(jìn)行100 kHz方波調制輸出給隔離變壓器。時(shí)間繼電器功能仿真如圖8所示，其端口定義和Verilog HDL實(shí)現如下：

邏輯控制IP核實(shí)現

　　作為可重用的設計模塊，IP核必須遵從一定的互連接口標準，包括Altera在內的很多公司都有自己的一套互連接口的標準，像Altera公司的Avalon、Atlantic，IBM公司的CoreConnect，ARM公司的AMBA，還有SiliCore轉讓給OpenCore的WISHBONE總線(xiàn)標準等。Avalon交換式總線(xiàn)是由Altera公司開(kāi)發(fā)的一種專(zhuān)用內部連線(xiàn)技術(shù)。Avalon交換式總線(xiàn)由SOPC Builder自動(dòng)生成，是一種最理想的用于系統處理器和外設之間的內聯(lián)總線(xiàn)。每當一個(gè)新的組件被添加到系統中或是某個(gè)外設的優(yōu)先級被改變，就會(huì )有一個(gè)新的、最佳的交換式總線(xiàn)被生成。

　　采用Altera公司開(kāi)發(fā)的Avalon交互式片上系統總線(xiàn)作為本IP核的內聯(lián)總線(xiàn)，連接各個(gè)模塊。其結構框圖如圖9所示，包括數字濾波器模塊、邏輯管理模塊、繼電器狀態(tài)生成模塊、輸出狀態(tài)生成模塊和輸出脈沖調制模塊。邏輯控制單元IP核內共有3個(gè)Avalon從端口由片內處理器內核控制總線(xiàn)上的數據流傳輸，實(shí)現各個(gè)模塊的協(xié)同工作。

　　邏輯控制單元IP替代原有繼電器控制邏輯，司機控制指令經(jīng)過(guò)分壓電路、光耦隔離以及施密特觸發(fā)器后進(jìn)入FPGA。為避免尖峰干擾造成的誤觸發(fā)，在IP核中增加了數字濾波器。通過(guò)濾波器的信號被認為是真正的司機指令，按照原有的控制功能，進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生虛擬的繼電器狀態(tài)表。該狀態(tài)表在傳輸給輸出級邏輯模塊的同時(shí)可以接受Avalon總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)。輸出級根據繼電器狀態(tài)進(jìn)行邏輯處理，產(chǎn)生輸出狀態(tài)表。該狀態(tài)表經(jīng)過(guò)脈沖調制后作為隔離變壓器原邊驅動(dòng)信號傳送至輸出驅動(dòng)電路門(mén)極。

4 邏輯控制IP核基礎上設計邏輯控制模塊

　　Altera公司的Quarters II開(kāi)發(fā)平臺提供了電子設計的軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境。邏輯控制模塊硬件設計如圖10所示。系統采用Avalon總線(xiàn)為系統總線(xiàn)，以32位NiosII微處理器作為主控制器。本設計在SOPC Builder開(kāi)發(fā)環(huán)境下直接調用片內的M4K塊并設置一個(gè)從端口生成系統內存，調用邏輯控制單元IP以及Altera提供的CAN通信控制器IP實(shí)現LCM與CAN總線(xiàn)的接口。

　　由司機控制指令生成的虛擬繼電器狀態(tài)表在被傳送至輸出級的同時(shí)，可以被片內Nios微處理器查詢(xún)。查詢(xún)的過(guò)程是通過(guò)芯片內部Avalon總線(xiàn)進(jìn)行的，得到的查詢(xún)結果由CAN總線(xiàn)傳送到顯示屏和檢測儀。

5 系統綜合

　　在完成IP設計的基礎上，利用SOPC Builder進(jìn)行系統綜合。FPGA內部用Avalon總線(xiàn)將片上處理器和外設連接成片上系統，如圖11所示。

　　在設計中，包含了由Nios CPU、JTAG以及片上存儲器構成的基本片上系統。在此基礎上調用SS3LCM與CAN接口控制器IP實(shí)現邏輯控制及通信功能。另外增加了一個(gè)串行接口，方便與上位機連接測試。綜合后得到的芯片結構如圖12所示。