Multiprotocol serial communication module prototype design for a rolling stock application

Abstract

This thesis presents the hardware and firmware design, as well as testing of a prototype multiprotocol serial interface module, aimed at rolling stock applications. To achieve a theoretical basis for the design, serial communications theory is reviewed. The logical operations required to communicate with different line coding techniques are specified and the operation of a Universal Asynchronous Receiver-Transmitter (UART) is detailed, along with a review of serial communication standards RS-232, RS-485 and RS-422. Following a comparative analysis of approaches to establish communication between a serial link device and a central processing unit utilizing SPI-bus, a hardware design is presented utilizing an FPGA-based architecture. The presented hardware design incorporates isolated power supplies, serial channel overcurrent detection, and serial transceiver control for one RS-232 and one RS-485/RS-422 channel. The firmware implementation supports a selection of non-return-to-zero line codes (NRZ-L, NRZ-M, NRZ-S) and Manchester code, with a configurable signalling speed between 1200 Bd - 1 MBd. Test results validate the functionality of the serial communications and fault detection mechanisms. The designed prototype and conducted testing demonstrate that implementing the required functionality is possible within the physical constraints allowed for the product.

Tässä diplomityössä esitellään rautatiekalustossa käytettäväksi tarkoitetun sarjaliikenneviestintämoduulin prototyypin laitteiston ja laiteohjelmiston suunnittelu sekä testaus. Työ tarkastelee sarjaliikenneteoriaa selvittäen sekä vaadittavat loogiset operaatiot eri linjakoodausten toteuttamiseksi, että asynkroonisen sarjaliikennepiirin (UART) toiminnan. Sarjaliikennestandardeihin RS-232, RS-422 ja RS-485 tehdään katsaus, selvittäen niiden olennaisimmat ominaisuudet ja erot. Työ arvioi erilaisia tapoja luoda viestintäyhteys SPI-sarjaväylää käyttävän keskusyksikön ja eri linjakoodauksilla toimivien ulkoisten sarjaliikennelaitteiden välille. Tähän arvioon perustuen laitteistosuunnittelu on tehty FPGA-pohjaiselle arkkitehtuurille, ja siinä on toteutetttu eristetty virransyöttö sarjaliikennekanaville sekä yksittäisen kanavan syöttövirtamittaukseen perustuva vikatilan tunnistus. Suunnitellussa prototyypissä sarjaliikenteen fyysinen taso on toteutettu pohjautuen RS-232, RS-422 ja RS-485 -standardeihin ja näitä soveltaviin lähetin-vastaanottimiin. Suunniteltu laiteohjelmisto tukee NRZ-koodauksen muunnelmia (NRZ-L, NRZ-M, NRZ-S) sekä Manchester koodausta säädettävällä 1200 Bd - 1 Md signalointinopeudella. Suunniteltu prototyyppi ja suoritetut testit osoittavat, että vaaditun toiminnallisuuden toteuttaminen on mahdollista tuotteelle asetettujen vaatimusten puitteissa.