CN104751797B - 一种基于mvb通信的led控制卡 - Google Patents
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Abstract
一种基于MVB通信的LED控制卡，属于嵌入式系统领域。LED控制卡是控制列车LED屏的装置，该LED控制卡以基于Spartan‑6架构的XC6SLX16处理器为主控芯片，包括通信模块、LED屏驱动模块和信息存储模块等3个部分。通信模块基于MVB总线协议设计，采用双线冗余结构方案；LED屏驱动模块通过主控芯片XC6SLX16的IO管脚控制LED屏，实现图形和文字显示；信息存储模块由四位串行Flash存储器和DDR2内存构成，Flash存储器负责存储各类型程序与数据，包括microblaze软核程序、应用程序、字库以及站点和开关门信息数据，模块工作时，将这些程序与数据复制到DDR2内存中运行。本发明可在轨道交通系统的动车、城市地铁、轻轨等领域中应用。
Description
技术领域
本发明属于嵌入式计算机领域，涉及一种基于MVB通信的LED控制卡。
背景技术
随着国民经济的不断发展，我国的城市化进程也在逐步地加快，经济发展，人口、车辆不断增加，城市路面交通系统面临着前所未有的压力，迫切需要发展地下铁路交通来缓解城市交通拥堵的压力。近些年来，地下铁路交通系统的运营管理越来越重视为乘客提供高质量的服务，正从以车辆为中心向以服务乘客为中心的方向发展。在此背景下，出现了乘客信息显示系统PIDS(Passenger Information Display System)这一概念，其可在指定时间内，将指定信息向指定人群显示。地铁内部的LED屏作为乘客信息显示系统的主要载体之一，直接为乘客提供乘车和日常服务信息，尤其是在紧急情况下可以为乘客提供动态疏散引导信息，其作用尤为重要。为了使LED屏能够准确可靠的显示信息，本文提出了一种基于多功能车辆总线MVB(Multifunction Vehicle Bus)通信的LED控制卡，控制LED屏进行各种类型信息的显示。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于MVB通信的LED控制卡，能够通过MVB通信接口，接收列车司机室内广播控制系统单元ACSU(Announcement Control System Unit)发出的网络数据包，根据网络数据包中变量集合的数值变化，控制LED屏显示相应的文字、图形、图像等信息。
本发明的技术方案：
基于MVB通信的LED控制卡，以Spartan-6架构的XC6SLX16处理器作为主控芯片，包括通信模块、LED屏驱动模块和信息存储模块三个模块。其供电方式采用开关电源和线性电源模式。
通信模块包括MVB通信和RS232通信两个子模块。MVB通信子模块采用电气中距离EMD(Electrical Middle Distance)接口作为物理层传输介质，通信速率为1.5Mb/s，最大传输距离可达200米，可以保证列车的信息传输不受距离限制；采用变压器隔离方式，保证LED控制卡内部电路安全及设备的正常通信；MVB通信接口采用双线冗余结构设计，使得LED控制卡的可靠性增大，即使断掉一根线，仍可保证通信正常。同时，MVB通信子模块选择专用MVB收发器芯片来收发数据，与ACSU进行实时通信，可以应对列车上复杂的电磁环境。RS232通信子模块采用带电气隔离的RS232接口芯片，有很高的瞬态抗共模干扰能力和静电保护强度，用于LED控制卡与上位机软件的短距离通信。
LED屏驱动模块由主控芯片XC6SLX16的七路IO端口、八路总线缓冲器HCT245，以及3.3V到5V的电压转换器SN74LVC2T45DCUT组成，数据和控制信号按照上述顺序进行传递，最终变为5V，再通过驱动接口连接器传送至LED屏的内部电路。
信息存储模块包括四位串行Flash存储电路和1G容量的DDR2内存电路。前者利用四位串行Flash实现对LED屏所需要显示的信息进行存储，例如当前站、下一站和列车开关门信息。LED控制卡上电后，主控芯片XC6SLX16内部的microblaze软核程序、应用程序、Flash中的字库以及列车相应的站点和开关门信息会在后者中运行。
基于MVB通信的LED控制卡的运行方式如下：列车上电后，LED控制卡随之启动，首先进行初始化，然后进入命令接收状态，实时接收ACSU通过MVB总线发来的各种数据和控制信息，再由主控芯片XC6SLX16驱动LED屏进行显示。
本发明的有益效果在于LED控制卡可以通过MVB总线与列车上的ACSU相连接，在二者之间可以对信息进行准确、可靠、快速地传送，使LED控制卡可以在ACSU控制下，驱动LED屏进行各种信息显示。
附图说明
图1是本发明LED控制卡的硬件结构框图。
图2是本发明LED控制卡的MVB通信子模块。
图3是本发明LED控制卡的RS232通信子模块。
图4是本发明LED控制卡的LED屏驱动模块。
具体实施方式
本发明的基于MVB通信的LED控制卡，采用Spartan-6架构的XC6SLX16处理器作为主控芯片，共包括通信模块、LED屏驱动模块和信息存储模块三个模块，如图1所示。通信模块负责LED控制卡与ACSU和上位机软件进行数据的收发；LED屏驱动模块用来驱动LED屏显示；信息存储模块用来存储驱动、应用程序、microblaze软核程序、字库以及列车相应的站点、开关门信息。这三个模块为LED控制卡的硬件电路部分。此外，LED控制卡采用5V的直流电压作为电源输入，通过开关电源获取3.3V和1.8V的芯片供电电压，通过线性电源获得1.2V的芯片供电电压。
通信模块：通信模块包括MVB通信和RS232通信两个子模块。MVB通信子模块由隔离变压器以及MVB专用的收发芯片SN65HVD24D组成，用于LED控制卡与ACSU进行实时通信，是LED控制卡接收ACSU发来的各种数据和控制信息的核心部件。SN65HVD24D是一款广泛应用于工业领域的MVB接口芯片，其共模电压范围为-20V～25V，比MVB所采用电平的标准高出两倍以上，接触静电防护能力达到16kV，同时具有大于100mV的接收端迟滞电压等性能，使该芯片具有极高的可靠性。如图2电路所示，该LED控制卡总线接口采用双线冗余结构，即分成A线和B线，均采用差分传输，A线和B线之间没有电气连接关系。在正常工作时，将A线设为工作线，B线为冗余线。在工作线上进行各种数据和控制信息的收发，同时对B线进行冗余检测，当工作线出现断裂、接口松动等意外情况导致各种数据和控制信息收发失败时，可以切换到冗余线上进行这些数据信息的收发，提高了LED控制卡与ASCU通信的可靠性。并且该子模块所用的EMD接口采取隔离变压器方式，可提高LED控制卡抗共模干扰能力，使其适用于长距离恶劣环境的通讯传输。LED控制卡采用SN65HVD24D作为接口芯片，将接收使能引脚拉低，使其一直保持接收数据的状态，可使MVB能够对它发出的数据进行实时回收校验。R44以及R56这两个下拉电阻的使用，避免了LED控制卡在上电复位期间，SN65HVD24D芯片向外发送数据造成MVB总线错误。此外，SN65HVD24D的输出阻抗只有一般MVB收发器芯片的八分之一，可以使得MVB总线上挂靠更多个数的设备。
RS232通信子模块由型号为ADM3251EARWZ的隔离RS232接口芯片和四个外部0.1uF电荷泵电容组成，电路如图3所示。ADM3251EARWZ芯片内部结合了iCoupler和isoPower隔离技术，能够完全隔离数据线路与电源线路，隔离电压额定值为2.5kV，且抗瞬态共模干扰能力大于25kV/μs，进而可以适应列车内部复杂的电磁环境，并防止LED控制卡与上位机之间的电位超过正常幅度而给板卡带来干扰甚至烧毁RS232通信接口。
LED屏驱动模块：LED屏驱动电路模块由主控芯片XC6SLX16的七路IO端口、一片八路总线缓冲器HCT245以及3.3V到5V的电平转换芯片SN74LVC2T45DCUT组成，电路如图4所示。HCT245的工作电压为5V，采用了CMOS工艺，是一种三态输出、8组总线收发器，输入电平兼容3.3V，能将输入的3.3V转为5V，同时避免外部干扰信号进入主控制芯片造成干扰和损害，并能增强对LED屏的驱动能力。LED屏驱动模块工作时，将HCT245的DIR引脚固定置为高电平，设定数据信号传输方向为从A向B。主控芯片XC6SLX16输出的信号有6种，CLK时钟信号负责给移位寄存器提供移位脉冲，每一个脉冲将引起数据移入或移出一位；LA锁存信号负责将移位寄存器内的数据送到锁存器，并将其数据内容通过驱动电路显示在LED屏上；DOUT显示控制数据信号负责提供显示图象所需要的数据；此外，还包括OE使能信号、L-CLK行扫描时钟信号和L-CLR清屏信号。同时，LED屏也需要将坏点等侦错信息传输给主控芯片XC6SLX16，进而发送给上位机进行处理。LED屏驱动模块中还设计了一片电平转换芯片SN74LVC2T45DCUT，用于隔离及电压转换，防止由于主控芯片XC6SLX16和LED屏电压不同造成其I/O口损坏。
信息存储模块：信息存储模块包括一片型号为W25Q128BVFIG的Flash存储器，容量为128MB，以及一片型号为MT47H64M16HR-3:G的DDR2存储器，容量为1GB。W25Q128BVFIG采用IIC总线结构，支持标准的SPI接口。将主控芯片XC6SLX16设置为主从工作模式，再将该Flash芯片内置状态寄存器的QE位设置为1，使WP引脚和HOLD引脚变成双向IO，可以对该Flash以4位串行的方式进行数据读写，最高传输速率可达40Mb/s，大大提高了传输速度。LED控制卡工作时，W25Q128BVFIG采用IIC方式将存储的microblaze软核程序、应用程序、字库、列车相应的站点和开关门信息发送给主控芯片XC6SLX16，由后者将这些数据存储在DDR2内存中运行，实现该控制卡的功能。
Claims (1)
1.一种基于MVB通信的LED控制卡，采用Spartan-6架构的XC6SLX16处理器为主控芯片，包括通信模块、LED屏驱动模块和信息存储模块等三个模块，其特征在于：
通信模块包括MVB通信和RS232通信两个子模块；MVB通信子模块采用电气中距离EMD接口作为物理层传输介质，通信速率为1.5Mb/s，最大传输距离可达200米，保证列车的信息传输不受距离限制；采用变压器隔离方式，保证LED控制卡内部电路安全及设备的正常通信；MVB通信接口采用双线冗余结构设计，使得LED控制卡的可靠性增大；同时，MVB通信子模块选择专用MVB收发器芯片来收发数据，与ACSU进行实时通信，应对列车上复杂的电磁环境；RS232通信子模块采用带电气隔离的RS232接口芯片，用于LED控制卡与上位机软件的短距离通信；
LED屏驱动模块由主控芯片XC6SLX16的七路IO端口、八路总线缓冲器HCT245，以及3.3V到5V的电压转换器SN74LVC2T45DCUT组成，数据和控制信号按照主控芯片XC6SLX16的七路IO端口到八路总线缓冲器HCT245，再到3.3V到5V的电压转换器SN74LVC2T45DCUT的顺序进行传递，最终变为5V，再通过驱动接口连接器传送至LED屏的内部电路；
信息存储模块包括四位串行Flash存储电路和1G容量的DDR2内存电路；前者利用四位串行Flash实现对LED屏所需要显示的信息进行存储；LED控制卡上电后，主控芯片XC6SLX16内部的microblaze软核程序、应用程序、Flash中的字库以及列车相应的站点和开关门信息会在后者中运行。
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