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(yùn)輸在我國運(yùn)輸行業(yè)中起到了支柱性的作用。我國內(nèi)燃機(jī)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(jī)車四個階段，累計(jì)生產(chǎn)了4代，研制出了多種先進(jìn)型號的內(nèi)燃機(jī)車，如DF8CJ、DF8DJ、SDA1型內(nèi)燃機(jī)車。我國鐵路機(jī)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(jī)車制造水平的差距。我司對機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)處理器卡進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，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(jī)車;微機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)車處理器模塊用以代替原內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)車微機(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng)對逆變器模塊程序更新便利性。

3? 技術(shù)實(shí)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(diǎn)運(yùn)算單元和一個雙精度浮點(diǎn)單元。DDR2選用Micron公司的MT47H64M8SH-25EIT，256MB，可擴(kuò)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(yàn)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(jì)。本部分設(shè)計(jì)已在車載容錯計(jì)算機(jī)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(kuò)展實(shí)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(jì)中，開發(fā)環(huán)境使用ISE 13.4，采用自頂向下的設(shè)計(jì)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(shí)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(qiáng)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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