论文部分内容阅读
随着列车运行控制技术的发展,各子系统以及子系统中子设备之间的通信安全问题变得日益重要,CTCS-2级、CTCS-3级列控系统中都具有安全相关通信功能。根据IEC61508标准针对列控中的通信安全,引入了时间触发架构。论文针对目前最常用的时间触发现场总线TTP/C、FlexRay、ARINC659展开了综述,对比发现FlexRay总线优势最大,提出将FlexRay用于故障安全通信中。论文提出了借鉴ARINC659的物理层对FlexRay总线物理层进行改进。ARINC659采用双冗余交叉通信方式,具有很好的可靠性和容错能力。为保证FlexRay总线能更好用于列控系统的故障安全通信中,借鉴ARINC659高可靠度和容错性的物理层,通过对改进前后总线的可靠性和容错能力的分析,验证了改进后的总线有更好的性能。论文对改进的FlexRay应用层提出了调度判定定理,从而实现对总线的调度优化。FlexRay协议只定义了物理层和数据链路层,对上层的模型并未进行定义,因此具体的任务分配采用的是人为的分配调度机制,总线的占用率可能不高,因此时间触发机制的调度分析就显得很重要。针对改进的FlexRay总线,建立了静态段、动态段、符号窗和网络空闲时间的各个任务模型,从最坏响应时间和总线占用率两方面对总线进行分析,通过提出FlexRay可调度性定理并进行证明,从而为FlexRay各参数的配置提供依据,对总线的调度和总线占用率实现优化。论文中针对改进的FlexRay总线,利用Verilog语言在FPGA上实现了改进后总线物理层和数据链路层的IP核设计。首先采用Quartus Ⅱ实现各个模块的设计,再将各模块统一综合。模块包括时钟模块、协议运行控制状态模块、时钟同步模块、介质访问模块、收发模块。对设计的各模块利用Modelsim软件进行仿真,验证各模块的正确性。通过仿真表明IP核设计能满足功能需求,能够实现通信的建立、时钟同步,并能完成数据收发,而且改进后的总线具有更好的容错能力。针对改进FlexRay总线设计硬件平台,绘制了FPGA开发板,芯片采用Altera的Cyclone EP1C12Q240C8,在FPGA上实现了改进FlexRay总线的IP核。采用开发板搭建实验平台。利用Cyclone自带的Nios Ⅱ内核作为主机控制设计的IP核通信控制器,结合Nios Ⅱ9.0IDE工具对Nios II核进行编程开发,实现改进总线的数据收发。通过对设计的开发板进行相关的符合性测试,验证了最终结果：针对改进的FlexRay总线所设计的IP核能够正确完成数据收发功能,相对于FlexRay总线,改进后的总线有更好的容错能力和可靠性,能更好用于故障安全通信中。