列控安全计算机通信控制器的设计与实现

摘要

随着轨道交通事业的蓬勃发展，采用功能“叠加式”设计原则构建的传统列车运行控制系统已无法满足新形势下的需求。下一代列车运行控制系统，旨在保障列车高速、高效、安全运行的前提下，实现节能环保、降低成本、提高可靠性和兼容性等技术目标。安全计算机作为列车运行控制系统中的核心硬件设备，是下一代列车运行控制系统的研究重点之一，而通信控制器作为安全计算机中承担外部通信接口及内部数据转发等功能的重要模块，其设计与实现将对构建下一代列车运行控制系统安全计算机平台有重要意义。因此，本文旨在提出一种面向下一代列车运行控制系统的安全计算机平台结构，对安全计算机平台中通信控制器模块进行设计与实现。
　　本文在参考了国内外研究成果的基础上，首先对当前已取得共识的下一代列控系统初步构想进行了分析，针对其安全计算机平台的应用做了探索性部署，进而提出了下一代列控系统安全计算机的功能需求，基于该需求提出了设计思路与实现原则，完成了整个安全计算机平台的结构设计。在此基础上，对通信控制器进行具体实现。
　　在硬件实现方面，采用COTS的设计理念和差异性设计原则，选择基于X86架构的PC104计算机模块和基于PowerPC架构的PMC计算机模块作为通信控制器的主控硬件平台，设备间通信依靠自行设计的专用高速通信总线和专用IO总线得以实现，总线控制器基于FGPA和Verilog语言编程实现，完成了两块通信板的PCB绘制。
　　在软件实现方面，采用Vxworks嵌入式实时操作系统作为主控硬件平台的系统软件，完成了BSP的修改及操作系统的移植，并在操作系统之上完成了网络通信及总线通信的应用层程序。
　　最后，针对所实现的通信控制器，进行了功能上的测试。测试结果证明，本文所设计与实现的通信控制器完成了相关功能，达到了最初的设计目的。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．1．1 轨道交通发展概况

1．1．2 当前列车运行控制系统的不足

1．1．3 本文研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 下一代列控系统国内外研究现状

1．2．2 下一代列控系统安全计算机国内外研究现状

1．3 论文研究内容和组织结构

1．4 本章小结

2 下一代列控系统安全计算机平台结构设计

2．1 下一代列控系统初步构想

2．1．1 下一代列控系统结构

2．1．2 下一代列控系统安全计算机平台的配置

2．2 下一代列控系统安全计算机需求分析及设计思路

2．3 下一代列控系统安全计算机实现方式

2．4 下一代列控系统安全计算机结构设计

2．4．1 安全计算机平台结构的确定

2．4．2 安全计算机平台结构设计

2．5 本章小结

3 通信控制器硬件的设计与实现

3．1 硬件结构设计

3．2 硬件各模块实现

3．2．1 电源模块

3．2．2 COTS计算机模块

3．2．3 外部接口模块

3．2．4 FPGA接口模块

3．2．5 FPGA模块

3．2．6 专用总线接口模块

3．2．7 PCB板的绘制

3．3 专用总线的设计与实现

3．3．1 物理层设计

3．3．2 数据链路层设计

3．3．3 总线控制器的实现与仿真

3．4 本章小结

4 通信控制器软件的设计与实现

4．1 Vxworks实时操作系统

4．1．1 Vxworks操作系统的选择

4．1．2 Vxworks交叉开发环境

4．1．3 Vxworks开发流程

4．2 VxWorks操作系统的移植

4．2．1 BSP的修改

4．2．2 Vxworks系统移植

4．3 应用程序设计

4．3．1 网络通信程序设计

4．3．2 总线通信程序设计

4．4 本章小结

5 通信控制器的功能测试

5．1 PC104模块多网卡通信测试

5．2 PMC模块多网卡通信测试

5．3 专用总线的测试

5．4 本章小结

6 结论

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

图索引

表索引

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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