一種基于POWER PC的車載處理器單元應用

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，地形環境復雜，鐵路運輸在我國運輸行業中起到了支柱性的作用。我國內燃機車研制起始于20世紀50年代末，歷經了50多年的發展，經過了早期試制、定型生產、自主開發、采用先進技術開發新型內燃機車四個階段，累計生產了4代，研制出了多種先進型號的內燃機車，如DF8CJ、DF8DJ、SDA1型內燃機車。我國鐵路機車制造技術的進步采用引進，消化吸收，再創新策略，在短時間內縮短了同國外先進機車制造水平的差距。我司對機車微機控制系統處理器卡進行重新設計，并搭載國產操作系統替代國外同類型設備。

關鍵詞：內燃機車;微機控制系統;處理器

中圖分類號：U463.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0192-02

1? 技術背景

鑒于目前內燃機車處理器模塊使用的FREESCALE MC68020CRC25E，工作頻率25MHz，FLASH為2M字節，SRAM為256K字節，RS422×2，CAN×2及VME、EMD總線通訊功能。已不能滿足當前新型內燃機車的要求，并且各關鍵器件即將停產，故需盡快開發一種新型高性能內燃機車處理器模塊用以代替原內燃機車處理器模塊。用于控制逆變控制器模塊產生牽引變流器脈寬調制波，提供輔助發電機勵磁斬波器斬波控制信號，通過母板EMD總線控制ADA305和DIO300完成模擬量和數字量的輸入輸出，并通過CAN總線與FIRE顯示器、EMDEC（柴油機控制器）以及其他CAN總線設備進行通信。

2? 技術方案

該處理器模塊是整個機車微機控制系統的核心模塊，主要負責通過母板上的VME總線控制逆變控制器模塊產生牽引變流器脈寬調制波，提供輔助發電機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、空壓機及相關設備相連接;增加CF卡電路，用于進行故障記錄;增加USB接口電路，可使用U盤即可對處理器模塊卡進行應用程序升級，對逆變器模塊進行程序更新，從而代替使用電腦升級板卡程序的傳統方式，增強對逆變器模塊程序更新便利性。

3? 技術實現

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，內置128KSRAM;內核e300，具有32K的指令、數據緩存，兩個定點運算單元和一個雙精度浮點單元。DDR2選用Micron公司的MT47H64M8SH-25EIT，256MB，可擴展為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。關于MCP5121e的配置，使用FPGA對MCP5121e進行復位初始配置。當復位時，鎖存到設備中的值可以通過訪問來驗證。可用模式包括：

a） PCI仲裁器;

b） 測試模式;

c） 引導界面選擇;

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各對應的GPIO接口寄存器，使其對應引腳實現所需的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所對應的地址空間，LPC_CS2配置為Muxed模式。EMD地址/數據線需經電平轉換后連接到背板連接器上，轉換芯片為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所對應的地址空間。VME總線通過LPC_CS6及EMB[31..0]、AX[07：00]實現。EMD地址/數據線需經電平轉換后連接到背板連接器上，轉換芯片為TI公司的SN74LVTH16500。

3.7 FEC接口電路

本設計共需要兩路10/100M以太網。一路采用MPC5121E自帶的以太網（FEC），一路采用LAN9420通過MPC5121E的PCI接口轉換實現。

MPC5121e內部集成10/100M 以太網MAC，故接口電路為PHY層協議芯片和電平轉換電路的設計。本部分設計已在車載容錯計算機服務板上成熟應用，可借用，其PHY層協議芯片為KSZ8041NLI。

通過PCI總線，使用LAN9420擴展實現另外一路以太網。

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過程中所需的硬件邏輯資源，并為以后的二次開發留有足夠裕量。在本次設計中，開發環境使用ISE 13.4，采用自頂向下的設計方式進行邏輯編寫，該邏輯架構由8個功能模塊構成，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接口結合Micron的CAN接口芯片MCP2515實現。

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電源轉換為1.8V及0.9V，用于對DDR2電路進行供電;再轉換一路1.4V、1.8V及0.9V，用于對MPC5121電路進行供電;同時通過TPS78003將5V電源轉換為3.3V及1.2V，用于對FPGA電路進行供電。電源拓撲如圖3所示。

4? 結束語

①處理器主頻400MHz，760MIPS，內置128KSRAM;內核e300，具有32K的指令、數據緩存及豐富的對外通訊接口，不僅從功能/性能上滿足當前車輛的需求，豐富且可配置的對外通訊接口更加增強了該模塊的二次開發升級的能力;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，使得用戶可以根據新的功能需求進行邏輯的二次開發。

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