基于FPGA的MVBC研究与设计

论文摘要

列车通信网络技术作为现代列车技术的重要组成部分,是列车高速化、自动化发展的产物,在国内外得到了广泛的应用。符合国际标准的列车通信网络设备具有着极其广阔的应用前景,我国也一直致力于列车通信网络设备的研究和开发,但一些关键的设备还未成熟,需要依赖国外进口,MVB控制器(MVBC)作为负责通信链路层的处理器或集成电路就是未被掌握的关键设备之一。长期进口国外的MVBC不仅花费巨大,而且不利于我国列车通信技术的发展。本文就是在这种背景下尝试对MVBC进行研究和设计。本文首先对MVB的通信原理进行深入研究,主要对MVB的数据链路机制进行研究,为设计MVBC提供理论基础。然后,对现行市场上两种主要的技术成熟的MVBC产品(国外设计的,一种基于ASIC,一种基于FPGA)的结构、特点、功能及应用方法进行了分析和比较,并在此基础选择了自己的实现方案,即基于FPGA实现MVBC。但是由于MVBC芯片的结构极其复杂,采用传统的FPGA设计方法以纯硬件逻辑的形式来实现不仅需要非常专业的硬件逻辑设计知识和经验,而且还需要大量的时间。因此,本文提出了以软硬件结合设计的思想来取代纯硬件逻辑设计,利用结合了FPGA和SOC的优点的SOPC技术来实现MVBC,通过搭建片上嵌入式处理器系统将复杂的硬件逻辑功能利用软件来实现,这样不仅减低了设计难度,而且节约了设计时间。另外,采用这种方法还能为MVB的网络层至应用层的实现提供硬件平台,使MVBC能非常方便地应用。随后针对类型不同的MVB设备从总体架构上设计了两种MVBC。再后,从硬件和软件两个方面来具体设计实现MVBC。硬件方面先自定义编码、译码和冗余控制模块,然后在SOPC Builder工具中搭建和生成基于NiosⅡ软处理器的片上系统,最后对系统进行编译。软件方面主要根据MVB数据链路原理,分别对1、2、3、4类MVB设备设计实现MVB数据链路功能的程序。最后,对本文做的工作和创新点进行总结,并展望了后续的工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 列车通信网络的发展与国内外应用现状
• 1.3 列车通信网络简介
• 1.4 SOPC技术简介
• 1.5 论文内容和结构
• 第二章 多功能车辆总线通信原理
• 2.1 MVB物理层
• 2.1.1 MVB拓扑结构
• 2.1.2 设备分类
• 2.2 MVB链路层
• 2.2.1 MVB帧
• 2.2.2 循环冗余校验码
• 2.2.3 MVB报文
• 2.2.4 事件巡回
• 2.2.5 应答延时
• 2.2.6 主设备上的帧间间隔
• 2.2.7 源设备和目标设备上的帧间间隔
• 2.2.8 基本周期
• 第三章 MVBC总体设计
• 3.1 典型MVBC芯片分析
• 3.2 MVBC实现方案选择
• 3.3 MVBC设计步骤
• 第四章 硬件设计与实现
• 4.1 编码模块设计
• 4.1.1 编码模块功能分析
• 4.1.2 编码模块设计实现
• 4.2 译码模块设计
• 4.2.1 译码模块功能分析
• 4.2.2 译码模块设计实现
• 4.3 冗余控制模块设计
• 4.3.1 冗余控制模块功能分析
• 4.3.2 冗余控制模块设计实现
• 4.4 NiosⅡ系统构建分析
• 第五章 软件设计与实现
• 5.1 软件开发环境
• 5.1.1 NiosⅡ IDE
• 5.1.2 HAL系统库
• 5.2 软件设计
• 5.2.1 1类设备链路程序设计
• 5.2.2 2、3类设备程序设计
• 5.2.3 4类设备程序设计
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间取得成果