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基于FPGA的城轨空调MVB控制器研究与设计

日期:2018年01月23日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:2021
论文价格:150元/篇 论文编号:lw201710112120569617 论文字数:37415 所属栏目:控制工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis
第 1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义
随着城轨交通的快速发展,人们对乘坐舒适性要求越来越高,从而对城轨空调的性能提出了更高的要求。城轨空调控制器是决定城轨空调性能的关键,因此对城轨空调控制器的通信可靠性等问题展开研究是城轨空调技术进步的必然要求[1,2]。由于城轨空调控制器方面存在技术壁垒,城轨空调一直被国外品牌所垄断,如顿汉布什等[2]。虽然国内品牌如美的、格力、石家庄国祥等也在生产城轨空调相关产品,但其城轨空调控制器技术相对落后[3]。目前国产城轨空调控制器基本都采用可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller, PLC)作为主控芯片。这种方法还存在一些缺点,如功能简单、存储容量有限、不支持多功能车辆总线(MultifunctionVehicle Bus, MVB)接口和控制局域网络总线(Controller Area Network, CAN)接口等,导致空调系统不能接入整个列车网络系统。随着城轨车辆的飞速发展,MVB总线在城轨车辆上已经得到普遍应用[4]。MVB控制器(Multifunction Vehicle BusController, MVBC)作为MVB总线数据处理器,是城轨车辆MVB设备的基本组成部分[5]。由此可见,国内普遍使用的传统空调PLC控制器已经难以满足城轨车辆技术发展的需要,但大量引进国外MVB控制器的成本又太高,因此,设计开发国产城轨空调MVB控制器对于城轨车辆控制系统的发展具有极为重要的意义。随着城轨车辆控制和服务对象的增多,城轨车辆中需要传输的数据量以及对传输数据的可靠性要求也在不断提高。由于国内对城轨空调MVB控制器的研究起步较晚,对于城轨空调MVB控制器数据传输的安全性、可靠性的研究还不够深入,而空调控制器的核心技术仍掌握在国外公司手中,因此对于城轨空调控制器通信安全性和可靠性的研究也十分必要[6]。本文研究并设计基于 FPGA 的城轨空调 MVB 控制器,以 Quartus II 为开发平台,Model Sim 为仿真平台,对所设计城轨空调 MVB 控制器进行综合和仿真测试[7]。同时采用极大代数方法,通过引入周期控制,研究了所设计城轨空调 MVBC 过程数据的通信可靠性,并进行了计算与仿真分析,最后搭建了城轨空调 MVB 控制器的测试平台,并进行了相关验证。本文研究成果为我国研制成本低、性能全面且可靠性高的国产城轨空调 MVB 控制器积累了一定技术经验,将有力促进城轨空调 MVB 控制器的技术发展,对加速城轨车辆控制系统的核心技术的自主发展、提升我国城轨车辆电气设备的技术水平具有十分重要的意义[8]。
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1.2 国内外研究现状
列车通信网络(Train Communication Network, TCN)在国外的发展是从上世纪 70年代末 80 年代初期开始的,具体发展过程如表 1-1 所示。至此,国际上的一些铁路公司都相继推出了符合 IEC 61375-1 国际标准的 TCN控制系统[9]。1981 年,德国西门子公司研制出了 SIBAS16 控制系统,瑞士 BBC 公司在 20 世纪 80 年代也研制出了 MICAS 系统,这两种系统所使用的核心控制芯片是ABB 公司生产的 MVBC01 芯片,此款芯片支持独立完成报文分析。2001 年,西门子公司又生产研制出了 MVBCS1 芯片,这款芯片在 MVBC01 芯片基础上增加了两种对 MVB 终止分界符的支持[10],并且完善了双线冗余机制。随后瑞士杜根(Duagon)公司研制了功能更加全面、操作更加灵活的基于 FPGA 的 MVB 控制器,不仅节约了产品成本,更为以后 MVB 控制器的研制提供了一定的思路。列车通信网络在我国的发展起步较晚。从 1991 年开始,IEC 61375-1 标准被我国铁道行业所采纳,我国对于列车通信网络的研究才逐渐开始。上世纪九十年代中期,随着动车组研究在我国的逐渐升温,我国铁道部也将其重视起来,正式开始了列车通信网络的研究课题。但由于我国在列车通信网络方面的技术发展还不太成熟,大多数 TCN 产品都是在引进国外先进技术的基础上生产制造的[11,12]。比如株洲电力机车研究所与高校合作,在引进 ABB 公司的控制装置及软件平台的基础上,研制了我国第一套TCN控制装置[12]。四方车辆研究所、铁道科学研究院等都建立了基于TCN网络的列车控制系统验证平台。株洲电力机车所作为我国最早开始研究列车通信网络的单位,目前己经开发出符合 IEC 标准的列车通信网络硬件和软件产品[13],并已经在国产的动车组中投入使用。北车集团青岛四方研究所对符合 TCN 标准的列车通信网络技术进行消化吸收,并在此基础上开发了基于 Lonworks 的通信网络产品,实现了列车上的监控任务,但若用于整个列车的控制还需要进一步的研究。大连牵引技术开发中心开发出了符合 TCN 标准的列车通信网络硬件和相关软件,但还没有应用到列车上。国内越来越多企业和学者开始研究列车通信网络控制系统,这将会在一定程度上推进国内 TCN 控制系统的研究工作。
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第 2 章 城轨空调 MVB 控制器 FPGA 设计

城轨车辆中的空调机组需要通过 MVB 控制器才能接入 MVB 网络,MVB 控制器可以为总线上各设备包括空调机组提供通信接口和通信服务,它独立于物理层和功能设备。而市场上比较成熟的 MVB 控制器大多为国外生产的,比如使用专用集成电路(ASIC)技术的的 MVBC01、MVBCS1 芯片和 Duagon 公司生产的基于 FPGA技术的 MVB 控制器。基于 FPGA 生产的城轨空调 MVB 控制器具有很好的灵活性,成本低且二次开发简单。因此,本章采用 FPGA 设计了城轨空调 MVB 控制器,具体包括主控模块、发送模块、接收模块,用于实现 MVB 有效数据帧的生成、发送、接收、检错、编码、译码、校验以及存储功能。以 Quartus II 为开发平台、Model Sim为仿真平台对所设计的 MVBC 进行了综合和仿真测试。

2.1 总体结构
城轨空调 MVB 控制器的整体结构如图 2-1 所示。其内部包括主控模块、发送模块、接收模块、逻辑控制模块和控制通信存储器所需的逻辑电路错误!未找到引用源。,这些模块用于控制帧数据的发送和接收、检测错误信息和存储功能等。
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2.2 主控模块
主控模块采用 STM32 来实现城轨空调的温湿度和压力等数据的接收、显示和处理功能,并通过 MVB 总线将数据传送到司机台,为司机做决策提供依据。当温度或压力等出现异常时,发出报警信号。由于城轨空调所需要采集的数据量比较多,所以需要主控芯片有很大的存储空间同时还需具有强大的数据处理能力,在考虑其灵活性、稳定性、价格、功耗等因素后,主控模块选用 STM32F103ZET6 芯片。主控模块在硬件电路设计上主要包括为时钟振荡电路、电源电路、电源去耦电路、复位电路和接口电路[21]。时钟振荡电路负责为 CPU 提供时钟;电源去耦电路负责去除电源噪声,提高 CPU 的抗干扰能力;LED 负责主控模块串口数据收发。显示单元选用的是 GPU45A 串口液晶屏,主要功能是实时显示车厢内部温湿度信息以及气压信息。GPU45A 串口液晶屏具有界面整合功能,在 PC 机上设计界面,给出相应串口命令就可直接显示在屏幕上,支持真彩图形的显示,并且只占用主控STM32 的两个 I/O 口,相比与传统的 1602 液晶屏和 12864 液晶屏,串口液晶屏更加节省资源,图 2-4 为 GPU45A 与 STM32 的连接框图。
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第三章 城轨空调 MVB 控制器可靠性研究......29
3.1 MVB 实时协议.......29
3.1.1 物理层......30
3.1.2 主帧和从帧结构......31
3.1.3 基本周期及过程数据通信过程......32
3.2 可靠性算法....33
3.2.1 极大代数理论..........33
3.2.2 可靠性算法模型......34
3.3 可靠性算法分析.....36
3.4 算法仿真分析........37
第四章 城轨空调 MVB 控制器测试平台设计....39
4.1 硬件系统........39
4.2 软件系统........44
4.3 测试结果........49
第五章 总结与展望..........52
5.1 本文总结........52
5.2 未来工作展望........52

第 4 章 城轨空调 MVB 控制器测试平台设计

本章主要设计了城轨空调MVB控制器测试平台,该测试平台对城轨空调MVB控制器进行了实时通信验证。硬件测试平台在MVB配置工具(MVB Configuration Tool,MCT)搭建的模型基础上,根据所设计的MVB控制器进行组网,采用一个主设备两个从设备组成一个城轨空调MVB控制器网络,实现了满足IEC标准要求的通信过程;软件测试平台对温度、湿度和气压环境等数据实时监测和调整,并给出了主从设备的软件设计流程图,对城轨空调MVB控制器的数据显示和数据传输等功能进行了实际测试。

4.1 硬件系统

基于 MVB 控制器之间的过程数据通信来验证链路层和应用层接口功能,连接有基于 FPGA 的 MVB 主设备和两个 MVB 从设备,如图 4-1 所示。主从设备都为本文所设计的基于 FPGA 的 MVB 控制器,通过串口连接 PC 机来进行实时监控;主从设备分别通过 200m 的 MVB 屏蔽双绞线电缆相连,实现 MVB 总线数据收发[56]MCT是用来搭建城轨空调MVB控制器硬件连接模型的工具,设置每块