基于FPGA的空调显示设定器实现

基于 FPGA的空调显示设定器实现

刘琪

西安中车永电捷通电气有限公司，陕西 西安 70018

摘要：空调显示设定器是用于CRH2型车动车组空调系统上，用于实现空调系统与列车网络控制系统的通讯中转用的设备，本文描述了基于FPGA主控芯片的空调显示设定器的设计实现过程。

关键词：空调显示设定器；FPGA；列车网络控制系统

0．引言

空调显示设定器是用于CRH2型车动车组空调系统中，其主要功能有：对空调运行模式的设置功能；显示空调运行模式的状态；接收来自车辆网络的控制指令，并解析下发至空调控制装置，同时将空调控制装置发送的空调机组的工作状态转发至车上网络^[1]。

1.方案设计

1.1空调显示设定器原理

CRH2型车空调系统用空调显示设定器在系统中结构如下图所示，在每节车厢中都设置有空调显示设定器，每台空调显示设定器需连接3个设备，列车网络控制系统，空调控制装置1，空调控制装置2。空调显示设定器需将空调控制指令下发给空调控制装置，空调控制指令来源有两种：1：接收来自列车网络控制系统的指令；2.通过操作空调显示设定器自身按键开关对空调模式进行控制。

同时空调显示设定器接收2台空调控制装置反馈的空调机组的状态信息并将其组帧发送给列车网络控制系统。

图1空调显示设定器与车上设备连接关系

1.2空调显示设定器硬件架构设计

根据空调显示设定器功能原理，选用并行执行的FPGA芯片作为其主控单元，本设计中选用的FPGA芯片为XLINX公司Spantan6系列FPGA：XC6SLX16-2CSG225系列，该芯片具有丰富的触发器和I/O引脚，编程灵活，执行速度快，程序稳定等特点，非常适用于小型化系统的开发。

由于空调显示设定器在列车中使用APS供电，输入电源为DC100V，故还需设计电源转换板将其转换为稳定的5V控制电压。因此设计空调显示设定器的硬件结构分为电源板和控制板，其中电源板主要负责DC100V→DC5V的电压转换，控制板作为空调显示设定器的核心板，电路设计采用了模块化的设计，围绕主控芯片FPGA，包含电压转换电路、FPGA程序配置电路、复位电路、按键控制电路、数码管控制电路、LED控制电路、拨码开关控制电路、存储控制电路、及三路电流环通讯电路。硬件架构图如下图所示。

图2 空调显示设定器硬件架构图

1.3空调显示设定器的软件设计

空调显示设定器的软件基于FPGA开发，由于FPGA自身特性，可以并行执行，并且易于实现模块化设计。根据空调显示设定器的功能需求，在FPGA实现时主要分为以下功能模块：

图3 FPGA软件结构图

1.3.1空调显示设定器与空调控制装置间的通讯设计

空调显示设定器宇空调控制装置间的通信数据定义如下：

“1”为20mA，“0”为0.5mA，即“0”时的漏电电流小于0.5mA。传输规格：

帧格式如下：

其中，文本种类为1byte，高4bit与低4bit转换为ASCII码后进行传输。

两者采用异步循环连续发送的通讯模式，即空调显示设定器循环的将空调控制指令下发给空调控制装置，控制指令包括内容：空调运行模式：（送风、制冷、制热、减半、强制）和空调制冷、制热温度等信息。

图4与空调控制装置间通讯波形

1.3.2空调显示设定器与列车网络控制系统间的通讯设计

空调显示设定器与列车网络控制系统间通讯格式如下：

“1”为20mA，“0”为0.5mA，即“0”时的漏电电流小于0.5mA^[2]。

传输规格：

空调显示设定器与列车网络控制系统间的通讯流程如下图所示：图5为通讯正常时的流程，从列车网络控制系统发送SDR命令，空调显示设定器回复SD，后列车网络控制系统回复ACK表示一次通讯结束。

图5 空调显示设定器与列车网络控制系统通讯流程图a

图6为通讯出现异常时的流程，列车网络控制系统发送SDR，而空调显示设定器接收出现错误，则发送NAK给列车网络控制系统，列车网络控制系统在接收到NAK时会重新发送一遍SDR，然后开始接收SD，若列车网络控制系统在接收SD时出现错误，则向空调显示设定器发送NAK，使得空调显示设定器再次向其发送SD信息。

图6 空调显示设定器与列车网络控制系统通讯流程图b

空调显示设定器及车上监视装置间通信波形图如下图7，其中蓝色代表列车网络控制系统发送的SDR数据，黄色代表空调显示设定器回复的SD数据。

图 7空调显示设定器与列车网络控制系统间通讯波形

小结

通过对采用FPGA来实现空调显示设定器的实现和详尽的地面试验，表明我们已经掌握CRH2动车组空调显示设定器技术细节，对动车组空调系统国产化具有重大意义。

参考文献:

[1]李茂林.动车组空调显示设定器的实现[J].机车电传动.2009

[2]刘先恺.CRH2型200km/h动车组列车网络控制系统[J].2008

作者简介：姓名 刘琪（1989—），性别，女 民族汉，籍贯陕西，职务/职称，中级工程师，学历:硕士，单位（陕西省西安市，710018，邮编），研究方向 轨道交通控制系统