基于COM Exp ress的信号系统逻辑运算单元设计

2013-05-09北京全路通信信号研究设计院有限公司北京100073

铁路通信信号工程技术 2013年1期

关键词：单板信号系统以太网

刘贞（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

随着现代铁路信号技术的发展，分属不同应用的地面控制系统种类愈来愈多样化，如联锁系统、列控中心、无线闭塞中心、临时限速服务器、列车自动监控中心等。而这些系统都需要一个可靠、安全的逻辑控制运算单元。

当前，各厂家在上述系统中使用的逻辑运算单元分别有[1,2]：

1）通用工控机组合；

2）标准CPCI机笼组合；

3）通用服务器组合；

4）嵌入式载板组合。

而上述组合结构都不同程度的存在如下问题：

1）工控机、服务器硬件主板更新升级太快，系统软件需要保持同步更新，不利于软件版本的稳定；

2）工控机、服务器大多带有风扇，且对环境温度要求苛刻，后期维护工作量较大；

3）数据通信大多采用并行总线，如ISA、PC I、VM E等，数据吞吐能力有限；

4）嵌入式板载模块运算能力有限。

刘贞，男，博士毕业于哈尔滨工业大学，工程师。主要研究方向为嵌入式系统设计，曾参与北京地铁8号线、全电子计算机联锁等项目。

2 逻辑运算单元工作原理

2.1 逻辑运算单元工作模型

为了描述问题简单，忽略外部设备后，将逻辑运算单元模型化抽象后如图1所示，信号系统的逻辑运算单元主要完成3个工作，分别为：数据输入、安全运算和结果输出。为了保证数据通信安全，数据输入必须采用安全通信协议，从数据的准确性和时效性两个维度对通信数据进行防范。经过运算后的结果数据经二取二安全比较后由输出通道输出。

2.2 逻辑运算单元的特点

作为信号系统的控制核心，运算单元有其自身特点，主要表现在：

安全性要求，必须满足故障导向安全的要求，系统结构上必须采用二取二或者三取二的冗余结构，用于消除软硬件单点故障引起的安全风险。

运算性能要求，信号系统的控制逻辑越来越复杂，同时又需要对安全通信协议进行编码和解码，故其CPU要达到一定的处理能力。

数据通信吞吐能力要求，地面控制系统管辖的设备越来越多，控制软件大多采用周期执行的方式，尽可能的需要在每个周期和其他设备通信，高速、可靠的通信通道必不可少。

可靠性、环境适应性要求，逻辑运算单元应具有较高的可靠性，可靠性的降低会显著提升安全性。另外，信号系统工作环境复杂，硬件系统应具备一定的抗噪性，能够在高温、低温、潮湿、振动等环境下正常工作。

2.3 通信接口

随着相关安全通信协议的不断完善，以太网标准设备可靠性的提升，铁路信号系统间和内部也越来越多的采用以太网通信。以太网组网方便，远距离传输也有成熟的工业产品，逻辑运算单元显然要具备高速可靠的以太网接口，便于系统功能拓展。

3 逻辑运算单元硬件架构设计

3.1 基于PC104的运算单元

PC104标准产生较早，其外围配套电路设计简单，模块化扩展功能方便，目前在很多信号系统的运算单元中得到应用。但因其采用并行数据总线ISA或PC I，致使其运算性能和数据通信吞吐能力有限。

3.2 COM Express技术

COM Ex p ress是国际工业电气协会(PICMG)定义的计算机模块标准，是一种高度集成的单板计算机，特别适合于执行自定义的工业计算机解决方案，适合于在标准的单板计算机因结构或由于缺乏扩展性而不适合时使用，在COM Ex p ress标准里抛弃了之前的低速度PC I、IDE信号，是一个以全新的高速计算机接口为主的标准，PCI Express，串行A TA，千兆网口，与PC104标准相比，数据吞吐能力大为提升[3]。

从架构上来讲，COM Express可以理解为将一个H igh ly In tegrated CPU及其最小系统做成一个M odule，并且这个M odu le可以通过COM Exp ress定义的标准接口扩展一个用户定制的具有专门用途的主板(Custom ized Carrier Board)上，从而构成一个产品或者系统[4]。

3.3 基于COM Express的运算单板

使用标准的COM Ex p ress模块配合少量外围电路，即可实现运算单板功能。如图2所示，采用COM Ex p ress ty pe6标准模块，自带6路PCI Ex p ress x1接口，利用In tel的82583芯片外扩多路千兆以太网接口，另外SA TA接口可直接扩展CFast存储卡，用于装载操作系统文件及应用程序。由于模块GPIO数量有限，通过一片FPGA扩展后可用于读取系ID、CPU ID等配置信息，也可以用于输出LED灯指示信息。

如图3所示，网卡芯片82583集成了PH Y和M AC，可有效减少板内器件数量及降低PCB布线复杂度。82583通过PCIe×1接口同CPU模块进行通信，PC I-Ep ress总线上传输的数据为LVDS高速差分信号，接收和发送各占用一对数据线，通道单方向数据速率为2.5 Gbit/s。

82583的工作时钟则由25 M H z晶体提供，芯片内部将该时钟经过倍频处理后为千兆以太网提供定时信号。此外为了保证82573的正常工作，需要通过NVM接口外接EEPROM，供82583的上电初始化工作。

3.4 二乘二取二冗余模型设计

如图4所示，一套完整的地面逻辑运算单元由互为冗余的双系构成，每个系内有两个独立的CPU模块组成，系内和系间通信均采用高速以太网通道。由于系内采用以太网通道进行数据交换，为了降低单板复杂度，单系内的两个C PU板不再集成在同一单板内，而是将其分属在两个独立的板内。

如图5所示，逻辑运算单元采用6U标准机笼结构，双系集成在同一机笼内，系内和系间以太网通过底板直接对连，无需板外施工布线。图中的接口扩展板是用来通过以太网扩展其它通信接口，用于适配非以太网连接的信号设备。CPU单板功能相同、可互换，通过槽位确定其ID，由软件确定其执行不同任务。

4 运算单元软件设计

4.1 操作系统选择

随着CPU主频的提高和内存的不断加大，DOS系统已愈来愈不能完美支持最新、最高性能的硬件。特别是对于高速的CPU的外部通信总线，诸如PCI、PCIe、USB等已无法直接支持，需用户自己开发相关接口驱动，工作量比较大。

近年兴起的Linux、VxW orks等操作系统都对高性能CPU和最新外部总线有着良好的支持，但由于Linux操作系统属于开源系统，其内部代码来源渠道复杂，没有经过统一测试和验证，其应用安全性很难保证。

VxW orks Cert 平台是近年风河公司专门推出面向航空、铁路、医疗等安全应用领域的实时安全操作系统，符合IEC 61508 SIL 3要求，并提供相关证据文档，减少用户安全认证工作量[5]。

基于上述原因，本系统选用V xw o rk s作为运算单元的操作系统，除了可以直接获得相关外设的驱动代码外，VxW orks Cert版本还提供安全认证所需的相关证据文档，减少全系统安全认证工作量，加快新产品上市步伐。

4.2 软件系统工作模型

运算单元是一个二乘二取二的安全处理平台，双系运行由其中某一系作为主系完成系统的全部运算处理及通信功能，而另一系作为冗余的影子系统，时刻准备在主系故障时代替其执行相应系统功能，为简化问题，本文以单系单CPU为例，描述软件系统的工作模型。

如图6所示，系统自顶向下依次为：应用软件、系统软件、操作系统、驱动层、硬件物理层和通信控制对象（如IO、控显、监测、其他以太网设备等）。

系统软件实现系内CPU间的通信数据交互，完成二取二的操作，而应用软件仅负责应用逻辑运算。这样做的优点在于使应用软件结构框架更为简单，忽略数据的中间传输通道，使其具有端到端的数据通信体验。

4.3 二乘二取二软件实现原理

逻辑运算单元CPU的工作主要是周期性的对以太网输入的数据进行安全逻辑处理，并将计算后的数据通过以太网对外输出。如图7所示，在每个逻辑运算周期的二取二计算主要有以下几个步骤：

1）系内双CPU均通过各自对外以太网通道获得外部输入数据；

2）系内双CPU彼此交换本周期接收的输入数据；

3）对交换的数据进行比较；

4）将比较一致的数据送入逻辑计算器，产生预输出；

5）CPU间交换预输出结果数据；

6）比较预输出数据；

7）将比较一致的输出数据通过以太网再次发送。

4.4 系内、系间数据交互机制

从工程应用角度而言，开发人员希望应用软件系内、系间在单周期内可交换比较的数据愈多愈好，目前大多数信号系统运算单元采用固定容量的DPRAM进行系内或系间数据交换，除去配置和系统软件的数据交互开销，可供应用软件使用的容量非常有限。本文所述系统，将采用高速千兆以太网接口作为系内双CPU交互的通道，可在一定时期内满足应用开发人员不断增长的双CPU数据交换比较需求。

如图8所示，以系间数据交互为例描述逻辑单元安全冗余处理机制，在一个通信周期内的工作流程如下：

1）主系CPU1将“数据包A”发送至从系CPU1；

2）主系CPU2将“数据包B”发送至从系CPU2；

3）从系CPU 1将接收到的“数据包A”直接复制发送至从系CPU 2；

4）从系CPU 2将接收到的“数据包B”直接复制发送至从系CPU 1；

经过上述4个步骤后，从系的两个CPU均获得了“数据包A+B”，由于系内CPU间通信采用直连的高速千兆以太网，其数据吞吐能力获得显著提升，通信延时亦随之减小，使其每个CPU都具备冗余通信的能力。