1.绪论
本文通过研究国内外用于轨道交通的安全计算机的测试方法,提出了一种基于模型的安全计算机仿真系统的设计与测试方法。这种设计将软件仿真与硬件仿真结合在一起,通过对用于轨道交通的传感器进行软硬件结合的建模,仿真用于轨道交通的传感器功能。然后通过调用这些传感器模型,测试人员可以很方便地构建一套测试系统,用于安全计算机系统的单板测试、集成测试、系统测试与故障注入等测试环境中。与单纯的软件仿真相比,这种设计方式的优点在于:通过软硬件结合的方法,在软件仿真用于轨道交通的传感器的功能的同时,能够为安全计算机系统提供与真实的传感器相似或者相同的物理输入与输出,能够在实验室的环境下为安全计算机系统提供现场的仿真环境。同时,可以通过软件设置的方式,为安全计算机系统提供故障注入,模拟轨道交通设备的现场故障,测试安全计算机系统的故障处理等功能。在模拟传感器故障时,我们并不需要破坏仿真系统的硬件或者软件结构,只需修改模型参数,这样可以为安全计算机平台提供无损坏的传感器故障注入。安全计算机平台用于车载控制器CC时,需要釆集多种传感器与驾驶室设备数据,这些传感器主要包括:多普勒雷达,加速度传感器,速度传感器,信标查询应答器等,CC硬件为这些传感器提供硬件接口。安全计算机平台用于轨旁设备的计算机联锁CBI与区域控制器ZC时,需要釆集轨旁设备数据。考虑车载控制器CC、计算机联锁CBI和区域控制器ZC的对外接口、传感器和轨旁设备的特性,同时为了仿真系统模型的准确性和可靠性,整个系统模型以单个传感器模型为基础,单个传感器模型釆用了分层设计,并且不同的传感器在建模的形式上是统一的。这种设计方式既增加了模型的统一性,同时又不失灵活性,从而使传感器模型既可以单独工作,又可以并行工作。测试结果表明,这种设计方式能够极为准确地模拟用于安全计算机系统的传感器的行为,构建安全计算机系统测试的各种测试环境,有效地验证安全计算机平台的安全性、可靠性与可用性。同时,能够缩短安全计算机系统的开发周期,减少开发成本。本文将详细介绍从仿真系统整体模型到传感器模型的设计方法与软硬件结合的实现方式,最后给出测试结果,并讨论今后的研究方向。
本文的组织形式如下:第一章介绍论文的研究背景、研究目的与意义,概述用于轨道交通的安全计算机系统和当前用于安全计算机系统的仿真技术的发展,指出当前用于安全计算机系统的仿真技术的发展存在的问题,引出课题研究内容;第二章详细介绍几种常用的安全计算机系统的结构与外部接口环境,引出仿真系统所要完成的工作然后,描述仿真系统仿真的各种传感器的功能,明确仿真内容;第三章,介绍仿真系统的总体建模与单模型建模,描述仿真系统的模型;第四章,详述仿真系统的软件设计与实现,硬件设计与实现和传感器模型的设计与实现;第五章,对比传感器模型的物理输出与现实的传感器数据手册给出单模型测试结果。然后,给出仿真系统作为一个整体用于安全计算机系统测试的测试结果。第六章,总结全文,指出目前存在的问题,展望后来的工作。
3 仿其系统的建模………………………..20
3.1总体模型设计方案……………………20
3.2单模型设计方案……………………23
4 仿真系统的设计与实现……………………24
4.1硬件总体设计与实现……………………24
4.2硬件板卡设计……………………26
4.2.1 10 板PCI1753……………………26
4.2.2 AD 采集板PCI1711……………………26
4.2.3 DA 转换板PCI1720……………………27
4.2.4 PCI1622 串口板……………………27
4.2.5电平转换板……………………27
4.2.6信号调理板……………………29
4.2.7信号调理背板……………………31
4.3软件总体设计与实现……………………32
4.4速度传感器模型设计与实现……………………34
4.4.1速度传感器模型逻辑控制层的实现……………………35
4.4.2速度传感器模型物理接口层的实现……………………36
4.5加速度传感器模型设计与实现……………………37
总结与展望
城市轨道交通的发展能够极大地解决目前拥挤的交通带来的各种问题,促进社会的进步和经济的发展。目前,轨道交通正向智能化,自动化的方向发展。安全计算机系统作为轨道交通的控制核心,其安全性、可靠性与可用性,直接关系着人们的生命财产安全。近年来的轨道交通事故,用血和泪的事实告诉我们:安全计算机系统设计上任何一个小的漏洞,都可能带来无法挽回的后果。所以,如何保证安全计算机系统的安全性、可靠性与可用性显得尤为重要。
为了为安全计算机系统构建一套用于实验室测试阶段的仿真系统,本文提出了一种基于模型的、软硬件结合的仿真系统的设计。这种设计方法主要包括以下四个方面:首先,釆用自上而下的设计方式,设计用于安全计算机系统的仿真系统的整体模型,使仿真系统能够模拟安全计算机系统运行的外部环境与场景;然后,按照用于安全计算机系统的传感器的功能,对仿真系统的整体模型进行分解,仿真系统的每个功能独立成一个单元。然后对每个单元进行建模,模拟传感器的功能;然后,根据传感器的物理特性与控制原理,进行硬件电路设计与软件设计,实现整个仿真系统;最后,对每个单模型进行测试,与真实的传感器的输入与输出进行对比,改进模型结构,并且将仿真系统用于安全计算机系统的单板测试和系统测试,在验证安全计算机统的功能的同时,证明这种设计的可行性与可靠性。由于时间的紧迫和研究开发条件的限制,在电流环与加速度传感器模型的模拟量输入与输出上,还存在着一定的误差。传感器工作原的建模的准确是否完全符合现实还需要进一步的验证。相信仿真技术的发展与完善,用于安全计算机系统的仿真系统的准确性和精度也会不断地提高,推动安全计算机系统的不断发展与进步。
参考文献
[1].黄涛,陈祥献,黄海.基于三取二冗余结构的安全计算机系统m.计算机工程,2011,37(18):254.
[2]. Timmermans, J.-M., Van Mierlo, J., Lataire, P., Van M ulders, R, McCaffree, Z.. Test platformfor hybrid electric power systems:Development of a HIL test platform, Power Electronics andApplications, 2007 European Conference on 2-5 Sept. 2007 Page(s):l - 7
[3].黄建强,鞠建波.半实物仿真技术研究现状及发展趋势[J].舰船电子工程,2011:pp:6-7
[4].单家元,孟秀云,丁艳.半实物仿真[M].国防工业出版社,2008,pp:123-160
[5].陈锋华,刘岭,徐松.基于通信的列车控制(CBTC)[J].系统铁路通讯信号工程.2005,N0.1:40 - 42
[6].阎剑平,汪希时.两种方式双机热备结构的可靠性和安全性分析印.铁道学报,2000.22(3):124 - 127
[7].R. McNeal, M. Belkhayat. Standard Tools for Hardware-inthe-Loop (HIL) Modeling andSimulation[C], Electric ShipTechnologies Symposium, 2007. IEEE, May 21-23, 2007,pp. 130-137
[8]丄IN Cheng, ZHANG Lipeng, Hardware-in-the-loop Simulation and Its Application in ElectricVehicle Development. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), September 3-5,2008, pp.57-59
[9].何鸿云,苏虎.基于智能虚拟环境的地铁站台仿真系统[q.仿真系统学报,2005,NO. 1:4075 - 4077
[10].周晓莉.车站环境下旅客行为仿真平台的开发与应用[D].四川成都:西南交通大学,2006.