產(chǎn)品設(shè)計過程硬件開發(fā)

1、產(chǎn)品設(shè)計過程硬件開發(fā)l 課程簡介: 本課程以產(chǎn)品設(shè)計過程為主線，詳細講解產(chǎn)品設(shè)計過程中的各個環(huán)節(jié)，幫助學(xué)員理解產(chǎn)品開發(fā)流程，樹立按流程辦事和流程優(yōu)化的思想，更好地開展工作。l 適合對象：硬件研發(fā)類新員工l 培訓(xùn)目標(biāo)：學(xué)完本課程后，學(xué)員能夠達到：了解產(chǎn)品設(shè)計過程，并在實際工作中能夠按流程辦事。l 課程要點：硬件工程師職責(zé)與基本技能硬件開發(fā)規(guī)范化管理的重要性硬件開發(fā)過程及文檔規(guī)范詳解與硬件開發(fā)相關(guān)的流程文件介紹 產(chǎn)品設(shè)計過程硬件開發(fā)第一章 硬件工程師職責(zé)與基本技能第一節(jié) 硬件工程師職責(zé)一個技術(shù)領(lǐng)先、運行可靠的硬件平臺是公司產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)，硬件工程師職責(zé)神圣，責(zé)任重大。1、 硬件工程師應(yīng)勇于嘗試新的

2、先進技術(shù)之應(yīng)用，在產(chǎn)品硬件設(shè)計中大膽創(chuàng)新。2、 堅持采用開放式的硬件架構(gòu)，把握硬件技術(shù)的主流和未來發(fā)展，在設(shè)計中考慮將來的技術(shù)升級。3、 充分利用公司現(xiàn)有的成熟技術(shù)，保持產(chǎn)品技術(shù)上的繼承生。4、 在設(shè)計中考慮成本，控制產(chǎn)品的性能價格比達到最優(yōu)。5、 技術(shù)開放，資源共享，促進公司整體的技術(shù)提升。第二節(jié) 硬件工程師的基本素質(zhì)與技術(shù)硬件工程師應(yīng)掌握如下基本技能：1、 由需求分析至總體方案、詳細設(shè)計的設(shè)計創(chuàng)造能力；2、 熟練運用設(shè)計工具，設(shè)計原理圖，EPLD，F(xiàn)PGA調(diào)試程序的能力；3、 運用仿真設(shè)備，示波器，邏輯分析儀調(diào)測硬件的能力；4、 掌握常用的標(biāo)準電路的設(shè)計能力，如CPU電路，WDT電路，濾波

3、電路，高速信號傳輸線的匹配電路等；5、 故障定位，解決問題的能力；6、 文檔的寫作能力；7、 接觸供應(yīng)商，保守公司機密的技能。第二章 硬件開發(fā)規(guī)范化管理 第一節(jié) 硬件開發(fā)規(guī)范化管理的重要性在公司的規(guī)范化管理中，硬件開發(fā)的規(guī)范化是一項重要內(nèi)容。硬件開發(fā)規(guī)范化管理是在公司的硬件開發(fā)流程及相關(guān)的硬件開發(fā)文檔編制規(guī)范，PCB投板流程等文件中規(guī)劃的。硬件開發(fā)流程是指導(dǎo)硬件工程師按規(guī)范化方式進行開發(fā)的準則，規(guī)范了硬件開發(fā)的全過程。硬件開發(fā)流程制定的目的是規(guī)范硬件開發(fā)過程控制，硬件開發(fā)質(zhì)量，確保硬件開發(fā)能按預(yù)定目的完成。 硬件開發(fā)流程不但規(guī)范化了硬件開發(fā)的全過程，同時也從總體上，規(guī)定了硬件開發(fā)所完成的任務(wù)。

4、做為一名硬件工程師深刻領(lǐng)會硬件開發(fā)流程中各項內(nèi)容，在日常工作中自覺按流程辦事，是非常重要的，否則若大一個公司就會走向混亂。所有硬件工程師應(yīng)把學(xué)流程、按流程辦事、發(fā)展完善流程、監(jiān)督流程的執(zhí)行作為自己的一項職責(zé)，為公司的管理規(guī)范化做出的貢獻。總之，硬件開發(fā)流程是硬件工程師規(guī)范日常開發(fā)工作的重要依據(jù)，全體硬件工程師必須認真學(xué)習(xí)。第二節(jié) 硬件開發(fā)過程詳解 硬件開發(fā)過程對硬件開發(fā)的全過程進行了科學(xué)分解，規(guī)范了硬件開發(fā)的五大任務(wù)，也劃分硬件開發(fā)的五大階段。1、 硬件需求分析2、 硬件系統(tǒng)設(shè)計3、 硬件開發(fā)及過程控制4、 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)5、 文檔歸檔及驗收申請 硬件開發(fā)真正起始應(yīng)在立項后，即接到立項任務(wù)書后，但在

5、實際工作中，許多項目在立項之前已做了大量硬件設(shè)計工作。立項完成后，項目組就已有了產(chǎn)品規(guī)格說明書，系統(tǒng)需求說明書及項目總體方案書，這些文件都已進行過評審。1、 硬件需求分析 項目組接到任務(wù)后，首先要做的硬件開發(fā)工作就是要進行硬件需求分析，撰寫硬件需求規(guī)格說明書。硬件需求分析在整個產(chǎn)品開發(fā)過程中是非常重要的一環(huán)，硬件工程師更應(yīng)對這一項內(nèi)容加以重視。 一項產(chǎn)品的性能往往是由軟件和硬件共同完成的，哪些是由硬件完成，哪些是由軟件完成，項目組必須在需求時加以細致考慮。硬件需求分析還可以明確硬件開發(fā)任務(wù)。并從總體上論證現(xiàn)在的硬件水平，包括公司的硬件技術(shù)水平是否滿足需求。 硬件需求分析主要有以下內(nèi)容：l 系統(tǒng)

6、運行環(huán)境及使用說明l 基本配置及其互連方法l 硬件整體系統(tǒng)的基本功能和主要性能指標(biāo)l 硬件分系統(tǒng)的基本功能和主要功能指標(biāo)l 功能模塊的劃分l 關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)l 外購硬件的名稱型號、生產(chǎn)單位、主要技術(shù)指標(biāo)l 主要儀器設(shè)備l 內(nèi)部合作，對外合作，國內(nèi)外同類產(chǎn)品的硬件技術(shù)介紹l 可靠性、穩(wěn)定性、電磁兼容討論l 電源、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計l 硬件測試方案進行完硬件需求分析后，撰寫硬件需求說明書。硬件需求說明書不但給出項目硬件開發(fā)總的任務(wù)框架，也引導(dǎo)項目組對開發(fā)任務(wù)有更深入的和具體的分析，更好地來制定開發(fā)計劃。硬件需求說明書是描寫硬件開發(fā)目標(biāo)，基本功能，基本配置，主要性能指標(biāo)，運行環(huán)境，約束條件以及開發(fā)經(jīng)費和進

7、度等要求，它的要求依據(jù)是產(chǎn)品規(guī)格說明書和系統(tǒng)需求說明書。它是硬件總體設(shè)計和制訂硬件開發(fā)計劃的依據(jù)。 硬件需求說明書的具體編寫的內(nèi)容有：系統(tǒng)運行環(huán)境及使用說明，硬件整體系統(tǒng)的基本功能和主要性能指標(biāo)，硬件分系統(tǒng)的基本功能和主要性能指標(biāo)以及功能模塊的劃分等。2、 硬件系統(tǒng)設(shè)計硬件需求分析完成后，項目組即可進行硬件系統(tǒng)設(shè)計。硬件系統(tǒng)設(shè)計是把整個系統(tǒng)進一步具體化。硬件系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)就是從總體上進一步劃分各單板的功能以及硬件的總體結(jié)構(gòu)描述，規(guī)定各單板間的接口及有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。硬件系統(tǒng)設(shè)計主要有下列內(nèi)容：l 系統(tǒng)功能及功能指標(biāo)l 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖及功能劃分l 單板命名l 系統(tǒng)邏輯框圖l 組成系統(tǒng)各功能塊的

8、邏輯框圖，電路結(jié)構(gòu)圖及單板組成l 單板邏輯框圖和電路結(jié)構(gòu)圖l 關(guān)鍵技術(shù)討論l 關(guān)鍵器件在硬件系統(tǒng)設(shè)計階段需要撰寫硬件總體設(shè)計報告。硬件總體設(shè)計報告是根據(jù)需求說明書的要求進行總體設(shè)計后出的報告，它是硬件詳細設(shè)計的依據(jù)。編寫硬件總體設(shè)計報告應(yīng)包含以下內(nèi)容：系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能劃分，系統(tǒng)邏輯框圖，組成系統(tǒng)各功能模塊的邏輯框圖，電路結(jié)構(gòu)圖及單板組成，單板邏輯框圖和電路結(jié)構(gòu)圖，以及可靠性，安全性，電磁兼容性討論和硬件測試方案等。硬件系統(tǒng)設(shè)計是最重要的環(huán)節(jié)之一。系統(tǒng)設(shè)計不好，可能出現(xiàn)致命的問題，造成的損失有許多是無法挽回。另外，系統(tǒng)設(shè)計對各個單板的任務(wù)以及相關(guān)的關(guān)系進一步明確，單板的設(shè)計要以系統(tǒng)設(shè)計為依據(jù)。

9、而產(chǎn)品的好壞特別是系統(tǒng)的設(shè)計合理性、科學(xué)性、可靠性、穩(wěn)定性與系統(tǒng)設(shè)計關(guān)系密切。一個好的產(chǎn)品，特別是大型復(fù)雜產(chǎn)品，系統(tǒng)方案進行反復(fù)論證是不可缺少的。只有經(jīng)過多次反復(fù)論證的方案，才可能成為好方案。硬件需求分析和硬件總體設(shè)計完成后，項目評審委員會要對其進行評審。審查包括兩部分，一是對有關(guān)文檔的格式，內(nèi)容的科學(xué)性，描述的準確性以及詳簡情況進行審查。再就是對總體設(shè)計中技術(shù)合理性、可行性等進行審查。如果評審不能通過，項目組必須對自己的方案重新進行修訂。3、 硬件開發(fā)及過程控制硬件總體方案通過后，即可著手關(guān)鍵器件的申購，主要工作由項目組來完成，計劃辦總體辦進行把關(guān)。關(guān)鍵元器件往往是一個項目能否順利實施的重要

10、目標(biāo)。關(guān)鍵器件落實后，即要進行結(jié)構(gòu)與電源設(shè)計、單板總體設(shè)計。結(jié)構(gòu)與電源設(shè)計由其它項目組或部門來協(xié)作完成，項目組必須準確地把自己的需求寫成任務(wù)書，經(jīng)批準后送達相關(guān)項目組或部門。單板總體設(shè)計需要項目組與CAD組配合完成。單板總體設(shè)計過程中，對電路板的布局、走線的速率、線間干擾以及EMI等的設(shè)計應(yīng)與CAD組合作。CAD組可利用相應(yīng)分析軟件進行輔助分析。單板總體設(shè)計主要包括下列內(nèi)容：l 單板在整機中的位置l 單板功能描述l 單板尺寸l 單板邏輯圖及各功能模塊說明l 單板軟件功能描述l 單板軟件功能模塊劃分l 接口定義及與相關(guān)板的關(guān)系l 重要性能指標(biāo)、功耗及采用標(biāo)準l 開發(fā)用儀器儀表等在單板的總體設(shè)計方

11、案定下來之后應(yīng)出單板總體設(shè)計方案書這份文檔，單板總體設(shè)計方案應(yīng)包含以下內(nèi)容：單板版本號，單板在整機中的位置，開發(fā)目的及主要功能，單板功能描述，單板邏輯框圖及各功能模塊說明，單板軟件功能描述及功能模塊劃分，接口簡單定義與相關(guān)板的關(guān)系，主要性能指標(biāo)，功耗和采用標(biāo)準。每個單板都要有總體設(shè)計方案，且要經(jīng)過項目評審委員會評審。只有單板總體方案評審?fù)ㄟ^后，才可以進行單板詳細設(shè)計。單板詳細設(shè)計包括兩大部分：l 單板軟件詳細設(shè)計l 單板硬件詳細設(shè)計其中單板硬件詳細設(shè)計應(yīng)包括下列部分：l 單板整體功能的準確描述l 模塊的精心劃分l 接口的詳細設(shè)計l 關(guān)鍵元器件的功能描述及評審，元器件的選擇l 符合規(guī)范的原理圖及

12、PCB圖l 對PCB板的測試及調(diào)試計劃在單板硬件進入到詳細設(shè)計階段，應(yīng)提交單板硬件詳細設(shè)計報告。在單板硬件詳細設(shè)計中應(yīng)著重體現(xiàn)：單板邏輯框圖及各功能模塊詳細說明，各功能模塊實現(xiàn)方式，地址分配，控制方式，接口方式，存儲器空間，中繼方式，接口管腳信號詳細定義，時序說明，性能指標(biāo)，指示燈說明，外接線定義，可編程器件圖，功能模塊說明，原理圖，詳細物料清單以及單板測試，調(diào)試計劃。有時候一塊單板的硬件和軟件分別由兩個開發(fā)人員開發(fā)，因此這時單板硬件詳細設(shè)計便為軟件設(shè)計者提供一人詳細的指導(dǎo)，因此單板硬件詳細設(shè)計報告至關(guān)重要。尤其是地址分配、控制方式、接口方式、中斷方式是編制單板軟件的基礎(chǔ)，一定要詳細寫出。單板

13、硬件的詳細設(shè)計報告，則要項目評審委員會與CAD組聯(lián)合進行審查，如果審查通過，方可進行PCB板設(shè)計，如果通不過，則返回硬件需求分析處，重新進行整個過程。這樣做的目的在于讓項目組重新審查一下，某個單板詳細設(shè)計通不過，是否會引起項目整體設(shè)計的改動。如單板詳細設(shè)計報告通過，項目組一邊要與生產(chǎn)、商務(wù)部門配合準備單板物料申購，一方面進行PCB板設(shè)計。PCB板設(shè)計需要項目組與CAD組配合進行，PCB原理圖是由項目組完成的，而PCB畫板和投板的管理工作都由CAD組完成。PCB投板有專門的PCB樣板流程。PCB板設(shè)計完成后，就要進行單板硬件過程調(diào)試，調(diào)試過程中要注意多記錄、總結(jié)，勤于整理，寫出單板硬件過程調(diào)試文

14、檔，以便管理階層了解進度，進行考評，另外也給其他相關(guān)工程師留下一份有參考價值的技術(shù)文檔。如果PCB測試不通過，要重新投板，則要由項目評審委員會與CAD組聯(lián)合決定。每次所投PCB板時應(yīng)制作單板硬件過程調(diào)試文檔，這份文檔應(yīng)包括以下內(nèi)容：單板硬件功能模塊劃分，單板硬件各模塊調(diào)試進度，調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決方法，原始數(shù)據(jù)記錄，系統(tǒng)方案修改說明，單板方案修改說明，器件改換說明，原理圖，PCB圖修改說明，可編程器件修改說明，調(diào)試工作階段總結(jié)，調(diào)試進展說明，下階段調(diào)試計劃以及測試方案的修改。在單板調(diào)試完成之后，申請內(nèi)部驗收之前，項目組應(yīng)先進行自測。項目組要把單板放到相應(yīng)環(huán)境進行單板硬件測試，以確保每個功能都

15、能實現(xiàn)，每項指標(biāo)都能滿足。自測完畢應(yīng)出單板硬件測試文檔。單板硬件測試文檔包括以下內(nèi)容：單板功能模塊劃分，各功能模塊設(shè)計輸入輸出信號及性能參數(shù)，各功能模塊測試點確定，各測試參考點實測原始記錄及分析，板內(nèi)高速信號線測試原始記錄及分析，系統(tǒng)I/O口信號線測試原始記錄及分析，整板性能測試結(jié)果分析。4、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)在結(jié)構(gòu)電源、單板軟硬件都已完成開發(fā)后，就可以進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)是整機性能提高，穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)，認真周到的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)可以發(fā)現(xiàn)各單板以及整體設(shè)計的不足，也是驗證設(shè)計目的是否達到的唯一方法。只有對各種可能的環(huán)節(jié)驗證到才能保證機器走向市場后工作的可靠性和穩(wěn)定性。在整個系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程要進行詳細記錄，必須撰寫

16、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)報告。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)報告包括這些內(nèi)容：系統(tǒng)功能模塊劃分，系統(tǒng)功能模塊調(diào)試進展，系統(tǒng)接口信號的測試原始記錄及分析，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中出現(xiàn)問題及解決，調(diào)試技巧集錦，整機性能評估等。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后，必須經(jīng)項目評審委員會對聯(lián)調(diào)結(jié)果進行評審，看是不是符合設(shè)計要求。如果不符合設(shè)計要求將要返回去進行優(yōu)化設(shè)計。5、文檔歸檔及驗收申請如果系統(tǒng)聯(lián)調(diào)通過，項目組要進行文件歸檔，把應(yīng)該歸檔的文件準備好，經(jīng)項目評審委員會評審，如果文件歸檔評審?fù)ㄟ^，才可進行內(nèi)部驗收。當(dāng)內(nèi)部驗收通過及轉(zhuǎn)中試，硬件項目完成開發(fā)過程。第三章 與硬件開發(fā)相關(guān)的流程的簡單介紹與硬件開發(fā)相關(guān)的流程主要有下列幾個：l 項目立項流程l 項目實施管理流程l 軟件開

17、發(fā)流程l 系統(tǒng)測試工作流程l 中試接口流程l 內(nèi)部接收流程1、 項目立項流程 是為了加強立項管理及立項的科學(xué)性而制定的。其中包括立項的論證，審核分析，以期做到合理進行開發(fā)，合理理行資源分配，并對該立項前的預(yù)研過程進行規(guī)范和管理。立項時，對硬件的開發(fā)方案的審查是重要內(nèi)容。2、項目實施管理流程 主要定義和說明項目在立項后進行項目系統(tǒng)分析和總體設(shè)計以及軟硬件開發(fā)和內(nèi)部驗收等過程和接口，并指出了開發(fā)過程中需形成的各種文檔。該流程包含著硬件開發(fā)，軟件開發(fā)，結(jié)構(gòu)和電源開發(fā)，物料申購并各分流程。3、軟件開發(fā)流程 與硬件開發(fā)流程相對應(yīng)是軟件開發(fā)流程，軟件開發(fā)流程是對大型系統(tǒng)軟件開發(fā)規(guī)范化管理文件，流程目的在對

18、軟件開發(fā)實施有效的計劃和管理，從而進一步提高軟件開發(fā)的工程化，系統(tǒng)化水平，提高公司軟件產(chǎn)品質(zhì)量和文檔管理水平，以保證軟件開發(fā)的規(guī)范性和繼承性。軟件開發(fā)與硬件開發(fā)密切聯(lián)系在一起的。一個系統(tǒng)軟件和硬件是相互關(guān)聯(lián)的。4、系統(tǒng)測試工作流程 該流程規(guī)定了在開發(fā)過程中系統(tǒng)測試過程，描述了系統(tǒng)測試所要執(zhí)行的功能，輸入，輸出的文件以及有關(guān)的檢查評審點。它規(guī)范了系統(tǒng)測試工作的行為，以提高系統(tǒng)測試的可控性，從而為系統(tǒng)質(zhì)量保證提供一個重要手段。 項目立項完成，成立項目組的同時要成立對應(yīng)的測試項目組。在整個開發(fā)過程中，測試可分為三個階段，單元測試，集成測試，系統(tǒng)測試。測試的主要對象為軟件系統(tǒng)。5、中試接口流程 中試涉

19、及到研發(fā)部與中試部開發(fā)全過程。研發(fā)部在項目立項審核或項目立項后以書面文件通知中試部，中試部以此來確定是否參與該項目的測試及中試準備的相關(guān)人選，并在方案評審階段參與進來對產(chǎn)品的工藝，結(jié)構(gòu)，兼容性及可生產(chǎn)性等問題進行評審，在產(chǎn)品開發(fā)的后期，項目組將中試的相關(guān)資料備齊，提交新產(chǎn)品準備中試聯(lián)絡(luò)單，由項目評審委員會審核后，提交中試部進行中試準備，在項目內(nèi)部驗收后轉(zhuǎn)中試，在中試過程中出現(xiàn)的中試問題，由中試部書面通知反饋給項目組，進行設(shè)計調(diào)整直至中試通過。 由上可出中試將在產(chǎn)品設(shè)計到驗收后整個過程都將參與，在硬件開發(fā)上，也有許多方面要提早與中試進行聯(lián)系，甚至中試部直接參與有關(guān)的硬件開發(fā)和測試工程。6、內(nèi)部驗

20、收流程 制定的目的是加強內(nèi)部驗收的規(guī)范化管理，加強設(shè)計驗證的控制，確保產(chǎn)品開發(fā)盡快進行中試和生產(chǎn)并順利推向市場。項目完成開發(fā)工作和文檔及相關(guān)技術(shù)資料后，首先準備測試環(huán)境，進行自測，并向項目評審委員會遞交系統(tǒng)測試報告及項目驗收申請表，項目評審委員會審核同意項目驗收申請后，要求項目組確定測試項目，并編寫測試項目手冊。測試項目手冊要通過項目評審委員會組織的評審，然后才組成專家進行驗收。由上可見，硬件開發(fā)過程中，必須提前準備好文檔及各種技術(shù)資料，同時在產(chǎn)品設(shè)計時就必須考慮到測試。案例分析：一個典型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)上網(wǎng)時間 : 2005年03月01日在計算機、互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)高速發(fā)展的同時，嵌入式

21、系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)也取得迅速發(fā)展，嵌入式技術(shù)應(yīng)用范圍的急劇擴大。本文介紹了一種基于ARM和FPGA，從軟件到硬件完全自主開發(fā)多功能車輛總線(Multifunction Vehicle Bus)MVB嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。 系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn) 通常來說，一個嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程如下： 1. 確定嵌入式系統(tǒng)的需求； 2. 設(shè)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)：選擇處理器和相關(guān)外部設(shè)備，操作系統(tǒng)，開發(fā)平臺以及軟硬件的分割和總體系統(tǒng)集成； 3. 詳細的軟硬件設(shè)計和RTL代碼、軟件代碼開發(fā)； 4. 軟硬件的聯(lián)調(diào)和集成； 5. 系統(tǒng)的測試。一、步驟1：確定系統(tǒng)的需求： 嵌入式系統(tǒng)的典型特征是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，市場應(yīng)用

22、是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的導(dǎo)向和前提。一個嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計取決于系統(tǒng)的需求。 1、MVB總線簡介 列車通信網(wǎng)（Train Communication Network,簡稱TCN）是一個集整列列車內(nèi)部測控任務(wù)和信息處理任務(wù)于一體的列車數(shù)據(jù)通訊的IEC國際標(biāo)準（IEC61375-1）, 它包括兩種總線類型絞線式列車總線(WTB)和多功能車廂總線(MVB)。 TCN在列車控制系統(tǒng)中的地位相當(dāng)與CAN總線在汽車電子中的地位。多功能車輛總線MVB是用于在列車上設(shè)備之間傳送和交換數(shù)據(jù)的標(biāo)準通信介質(zhì)。附加在總線上的設(shè)備可能在功能、大小、性能上互不相同，但是它們都和MVB總線相連，通過MVB總線來交換信息，形成一個完

23、整的通信網(wǎng)絡(luò)。在MVB系統(tǒng)中，根據(jù)IEC613751列車通信網(wǎng)標(biāo)準， MVB總線有如下的一些特點： 拓撲結(jié)構(gòu)：MVB總線的結(jié)構(gòu)遵循OSI模式，吸取了ISO的標(biāo)準。支持最多4095個設(shè)備，由一個中心總線管理器控制。簡單的傳感器和智能站共存于同一總線上。 數(shù)據(jù)類型：MVB總線支持三種數(shù)據(jù)類型： a.過程數(shù)據(jù)：過程變量表示列車的狀態(tài)，如速度、電機電流、操作員的命令。過程變量的值叫過程數(shù)據(jù)。它們的傳輸時間是確定的和有界的。為保證這一延遲時間，這些數(shù)據(jù)被周期性地傳送。 b.消息數(shù)據(jù)：消息被分成小的包，這些包分別被編號并由目的站確認。消息包及與之相關(guān)的控制數(shù)據(jù)形成消息數(shù)據(jù)。消息數(shù)據(jù)以命令方式傳輸。功能消息

24、被應(yīng)用層所使用；服務(wù)消息用于列車通信系統(tǒng)自身的管理等。 c.監(jiān)視數(shù)據(jù)：是短的幀，主設(shè)備用它作同一總線內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)校驗、聯(lián)機設(shè)備的檢測、主權(quán)傳輸、列車初運行和其它管理功能。 介質(zhì)訪問形式：MVB總線支持RS485銅介質(zhì)和光纖。其物理層的數(shù)據(jù)格式為1.5Mbps串行曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)。 MVB的介質(zhì)訪問是由總線管理器BA進行管理的，總線管理器BA是唯一的總線主設(shè)備，所有其它設(shè)備都是從設(shè)備。主設(shè)備按照某種預(yù)定的順序?qū)Χ丝谶M行周期性輪詢，在周期的間隔中，主設(shè)備轉(zhuǎn)而處理偶發(fā)性請求。 可靠性措施：MVB容錯措施包括 發(fā)送的完整性：鏈路層有擴充的檢錯機制，該機制提供的漢明碼距為8，可檢測位、幀和同步錯誤。 故

25、障的獨立性：通常對銅介質(zhì)進行完全雙份配置，以確保設(shè)備故障的獨立性。 發(fā)送的可用性：可用性可以通過介質(zhì)冗余、電源冗余、管理器冗余等措施得以提高。 2、MVB系統(tǒng)的基本需求如下： a. 完全與IEC-61375-1(TCN) 國際標(biāo)準兼容，支持MVB總線定義的三種數(shù)據(jù)類型過程數(shù)據(jù)，消息數(shù)據(jù)，監(jiān)視數(shù)據(jù)。 b. 系統(tǒng)可配置成為： i. 總線管理器（BA）功能 ii. 總線管理器（BA）功能和通信功能 iii. 獨立的通信功能 c. 采用ARM7TDMI的處理器 d. 采用實時操作系統(tǒng) e. 供TCN的實時協(xié)議棧協(xié)議（RTP） f. 支持 4096 邏輯端口的過程數(shù)據(jù) g. 支持與上位PC104主機的雙

26、口RAM接口 h. 輸入電壓5V i. 工作環(huán)境溫度：4075 3、其他需求 多功能車輛總線MVB系統(tǒng)與用戶的列車控制系統(tǒng)同步設(shè)計，有著嚴格的時間限制。 二、步驟2：設(shè)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，協(xié)同分配硬件/軟件方面的要求 嵌入式系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分：硬件架構(gòu)上以嵌入式處理器為中心，配置存儲器、I/O設(shè)備、通信模塊等必要的外設(shè)；軟件部分以軟件開發(fā)平臺為核心，向上提供應(yīng)用編程接口（API），向下屏蔽具體硬件特性的板級支持包BSP。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能。根據(jù)OSI的七層模型可以確定鏈路層和物理層由硬件實現(xiàn)，其他各層由軟件實現(xiàn)，如圖1。 圖1：MVB的OSI

27、模型和MVB系統(tǒng)軟硬件劃分。1、嵌入式操作系統(tǒng)選擇： · 通常而言，為一個嵌入式系統(tǒng)選擇操作系統(tǒng)要考慮如下幾個因素： · 操作系統(tǒng)支持的微處理器 · 操作系統(tǒng)的性能 · 操作系統(tǒng)的軟件組件和設(shè)備驅(qū)動程序 · 操作系統(tǒng)的調(diào)試工具，開發(fā)環(huán)境、在線仿真器（ICE）、編譯器、匯編器、連接器、調(diào)試器以及模擬器等等 · 操作系統(tǒng)的標(biāo)準兼容性 · 操作系統(tǒng)的技術(shù)支持程度 · 操作系統(tǒng)是提供源代碼還是目標(biāo)代碼 · 操作系統(tǒng)的許可使用情況 · 操作系統(tǒng)的開發(fā)者聲譽狀況 根據(jù)系統(tǒng)的需求和以上的原則，在MVB系統(tǒng)中采

28、用了Vxworks實時操作系統(tǒng)，VxWorks是風(fēng)河公司（Windriver）開發(fā)的實時操作系統(tǒng)之一，以其優(yōu)秀的可靠性、實時性及內(nèi)核的可裁減性，被廣泛應(yīng)用于通信、軍事、航天、航空、工業(yè)控制等關(guān)鍵行業(yè)領(lǐng)域，其開發(fā)環(huán)境為Tornado。 2、處理器的選擇： 在為嵌入式系統(tǒng)選擇處理器時需要考慮以下幾個方面： · 性能：處理器必須有足夠的性能執(zhí)行任務(wù)和支持產(chǎn)品生命周期。 · 工具支持：支持軟件創(chuàng)建、調(diào)試、系統(tǒng)集成、代碼調(diào)整和優(yōu)化工具對整體項目成功與否非常關(guān)鍵。 · 操作系統(tǒng)支持：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需要使用有幫助的抽象來減少其復(fù)雜性。 · 開發(fā)人員過去的處理器經(jīng)驗：擁

29、有處理器或處理器系列產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)驗可以減少可觀的學(xué)習(xí)新處理器、工具和技術(shù)的時間。 · 成本，功耗，產(chǎn)品上市時間，技術(shù)支持等等 在本系統(tǒng)的設(shè)計中，綜合以上各方面的因素，考慮到處理器性能，操作系統(tǒng)支持以及列車上嚴酷的工業(yè)環(huán)境等等，在MVB系統(tǒng)中選用了ATMEL用于工業(yè)控制領(lǐng)域的工業(yè)級的AT91系列ARM處理器AT91M40800，它是基于ARM7TDMI內(nèi)核，內(nèi)含高性能的32位RISC處理器、16位高集成度指令集、8KB片上SRAM、可編程外部總線接口（EBI）、3通道16位計數(shù)器/定時器、32個可編程I/O口、中斷控制器、2個USART、可編程看門狗定時器、主時鐘電路和DRAM時序控制

30、電路，并配有高級節(jié)能電路；同時，可支持JTAG調(diào)試，主頻可達到40MHz。 3、相關(guān)外部設(shè)備的選擇： 在確定操作系統(tǒng)和處理器之后，就可以確定相關(guān)的外部設(shè)備，如FLASH，RAM，串口等等。在MVB系統(tǒng)中，MVB控制器MVBC（Multifunction Vehicle Bus Controller）是一個MVB電路和實際的物理設(shè)備之間的接口控制器，它的主要功能是實現(xiàn)MVB總線信號與數(shù)據(jù)幀的編解碼，糾錯等功能，是本系統(tǒng)中要實現(xiàn)的關(guān)鍵的硬件模塊。由于系統(tǒng)規(guī)模，上市時間等方面的要求，系統(tǒng)暫時不考慮ASIC實現(xiàn)，因此在MVB系統(tǒng)中用FPGA來實現(xiàn)這個關(guān)鍵模塊，F(xiàn)PGA是ASIC最靈活和最合算的替代方案

31、。考慮到系統(tǒng)需求與FPGA資源，成本，供貨情況等因素，最終選擇了Altera公司的Cyclone系列FPGA,其開發(fā)工具是Quartus II。 4、MVB系統(tǒng)架構(gòu) 由以上的需求分析和選型，完整的系統(tǒng)硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)如圖2圖3所示 圖2：MVB系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。圖3：MVB系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。其中，處理器和 MVBC通過Traffic Memory（TM）進行通訊數(shù)據(jù)交換，所有軟件和MVBC要交換的控制信息和數(shù)據(jù)都可以在TM地址空間中找到，這個地址空間對處理器和MVBC都是可訪問的。其示意圖4如下 圖4：Traffic Memory。三、步驟3：詳細的軟硬件設(shè)計和RTL代碼、軟件代碼開發(fā) 在系統(tǒng)架

32、構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，詳細的軟硬件設(shè)計就可以開始了。 1、硬件設(shè)計 硬件設(shè)計設(shè)計包括了MVB控制器的FPGA設(shè)計和MVB總線系統(tǒng)的板級設(shè)計，其中關(guān)鍵的MVB控制器的設(shè)計如圖5 圖5：MVB控制器的框圖。(點擊放大該圖)如圖所示，MVB控制器包含以下功能模塊： · 編碼器：產(chǎn)生曼徹斯特編碼，傳送數(shù)據(jù)幀 · 發(fā)送緩沖區(qū)：作為要發(fā)送的數(shù)據(jù)和CRC檢測值的緩沖區(qū) · 譯碼器：接收、曼徹斯特譯碼，數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)錯誤檢測 · 接收緩沖區(qū)：作為接收端數(shù)據(jù)和CRC結(jié)果的緩沖區(qū) · 報文分析單元：檢測主幀和從幀超時，幀誤檢測、錯誤狀態(tài)報告 · 狀態(tài)控制寄存器：MVBC配置 · 主控單元：支持MVBC作為主設(shè)備或者從設(shè)備工作，支持隊列消息