面向CBTC系統(tǒng)的安全計算機平臺設(shè)計.pdf

1、近年來，隨著軌道交通行業(yè)的迅速發(fā)展，基于通信的列車控制系統(tǒng)(Communication Based Train Control System，CBTC)也得到了廣泛地應(yīng)用。安全計算機系統(tǒng)是保障CBTC安全性和可靠性能的關(guān)鍵設(shè)備，本文面向CBTC系統(tǒng)的設(shè)計需求，應(yīng)用近年來發(fā)展迅速的可編程片上系統(tǒng)(System ona Programmable Chip，SOPC)技術(shù)，設(shè)計了一種新型的通用安全計算機平臺，并完成了樣機制作和測試。
　

2、　本文首先介紹了與安全計算機和SOPC技術(shù)相關(guān)的背景知識，并對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀做了調(diào)查。接著分析對比了三種軌道交通領(lǐng)域內(nèi)常用的安全冗余結(jié)構(gòu)一一“雙機熱備”、“三取二”和“二乘二取二”，以及應(yīng)用多核SOPC技術(shù)構(gòu)建二乘二取二安全計算機系統(tǒng)多重優(yōu)勢。
　　在前述分析的基礎(chǔ)上，論文詳細敘述了在Altera公司的FPGA芯片內(nèi)構(gòu)建雙NiosⅡ軟核的過程。針對雙核結(jié)構(gòu)中的系統(tǒng)組件、內(nèi)部連接、通信方式、存儲器配置以及地址分配等多個關(guān)鍵問題給出了

3、具體的解決方案，在單芯片內(nèi)實現(xiàn)了雙軟核的獨立同步運行。本文還自主設(shè)計了與雙軟核相連的硬件二取二總線數(shù)據(jù)比較器，組成二取二處理器構(gòu)架。為了保證比較器的安全性和可靠性，比較器本身被設(shè)計成了二取二結(jié)構(gòu)。雙路比較通道同步完成CPU數(shù)據(jù)的CRC校驗、數(shù)據(jù)對比、安全動態(tài)信號輸出等任務(wù)。除非雙路數(shù)據(jù)核校都通過，否則輸出將導(dǎo)向安全側(cè)。
　　此外，本文還依據(jù)CBTC系統(tǒng)的運行需求，設(shè)計了包括串行總線、CAN總線、雙環(huán)以太網(wǎng)以及本地總線在內(nèi)的多種接口

4、電路和必要的外圍模塊，配合二取二處理器結(jié)構(gòu)組建出完整的二乘二取二安全計算機系統(tǒng)。文中詳述了各硬件模塊的組成結(jié)構(gòu)及設(shè)計方案，并給出了具體的電路設(shè)計圖。在硬件平臺的基礎(chǔ)上，文章對安全計算機的軟件結(jié)構(gòu)進行分析，實現(xiàn)了平臺層軟件中的初始化、狀態(tài)同步、任務(wù)調(diào)度以及主備系切換等關(guān)鍵功能。
　　為了論證安全計算機平臺的安全性和可靠性，論文依據(jù)RAMS標準的需求，通過Markov模型以及可靠性框圖的方法進行了建模分析，并通過與傳統(tǒng)多CPU二取二結(jié)