Разработка системы электропитания

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 6

Для питания разрабатываемой системы необходимо обеспечить два постоянных напряжения: +5В – для питания ядра ПЛИС, устройств сопряжения и оптопар БМЭ, +3.3В – для питания портов ввода/вывод ПЛИС.

На ж/д транспорте есть стандартное постоянное напряжение 24В. Для получения нужных нам +5В и +3.3В используем стабилизаторы LM7805 и IL5233G соответственно.

Стабилизаторы расположим на плате вычислительного канала, питание будет поступать через разъем и на плате БМЭ, питание так же будет поступать через разъем.

Разработка общей платы

На общей плате расположены три разъема для вычислительных каналов и шесть для БМЭ, так же трехканальный тактовый генератор и внешние разъемы. Для подключения плат к объединительной плате используем разъемы на плату с защелкой KLS1-204-30-B, KLS1-204-12-B (розетки) и KLS1-201-30-B, KLS1-201-12-B (вилки). Схема электрическая принципиальная общей платы представлена в приложении В. Перемычки SA предназначены для настройки значности светофора. Таким образом количество ламп может меняться от 2 до 6.

4 Разработка алгоритмов и программного обеспечения

Работу разрабатываемой системы можно описать двумя алгоритмами, один из которых условно назовем фоновым и функционировать он будет постоянно, второй – основным, запуск которого будет происходить по приходу посылки от станционного модуля через блок ММС. На рисунках 4.1 – 4.4 представлены блок - диаграммы работы устройства.

Вычислительный канал обрабатывает пришедшую команду, которая состоит из 3 байт, где в первом байте 7-й бит всегда 1, 6-й и 5-й бит - тип устройства: 01 – светофор, остальные 5 бит кодируют номер устройства, которому передается команда, в моем случае это номер лампы светофора; во втором байте 7, 6, 5-ые биты всегда 000, 4-й и 3-й указывают команду на включение, выключение, сброс устройства и опрос состояния объекта, 2-й, 1-й и 0-й биты передают операнды команды; 3-ий байт - CRC. Из пришедшей команды будут выделены номер и состояние лампы светофора. Эта информация будет храниться в массиве Osn [5,1]:

type p_type is array (0 to 5) of std_logic_vector(1 downto 0);

signal OSN :p_type;

В массив Osn[5,1] управляющая команда может попасть только после всех проверок безопасности (тип устройства и контрольная сумма).

Номер устройства будет преобразован в номер строки массива (от 0 до 5), а команда, состоящая из двух бит (команда на изменение состояния лампы) будет храниться в соответствующем столбце. Состояния битов приведены ниже:

constant vkl : std_logic_vector(1 downto 0) := "11";

constant vikl : std_logic_vector(1 downto 0) := "00";

constant opros : std_logic_vector(1 downto 0) := "01";

constant sbros : std_logic_vector(1 downto 0) := "10"; --для основного

constant sos: std_logic_vector(1 downto 0) := "10"; --для фонового

Посылка « Ответ » - это информация о текущем состоянии объекта, состоящая из трех байт, в первом байте адрес устройства, во втором текущее состояние, третий проверочный. Основной алгоритм читает эти значения из массива Fon[5,1].

Взаимодействие фонового и основного алгоритмов заключается в следующем:

Фоновый алгоритм работает постоянно, заполняя массив Fon [5,1] с текущими состояниями ламп огней светофора исходя из опроса схемы контроля. Контролирует правильность работы канала путем сравнения контрольной информации. Это 24 бита, посылаемые на сравнение в другие вычислительные каналы по приходу такта от общего тактового генератора.

Контрольная информация формируется из значений фонового массива Fon [5,1] (6 строк по 2 бита) и Osn [5,1] (6 строк по 2 бита). Так как именно они является хранителем текущего состояния объекта и текущих «намерений» вычислительного канала.

process (flag_sravnenie,reset)

begin

if (flag_sravnenie='1') then

kontr_inf <= FON(0) & FON(1) & FON(2) & FON(3) & FON(4) & FON(5) & OSN(0) & OSN(1)& OSN(2) & OSN(3) & OSN(4) & OSN(5);

flag_sravnenie <='0';

flag_otpravki <='1';

flag_prin <= '1';

end if;

end process;

Контрольная информация посылается на два других ПЛИС. И соответственно принимается от двух других ПЛИС. Происходит ее сравнение. Таким образом, будут обнаружены несоответствия как в считывании текущих состояний объектов управления, так и в «намерениях» каналов выполнить различные действия по отношению к объекту управления. Если обнаруживается это несоответствие, то отказавший канал отключается.

Фоновый алгоритм читает значения из массива Osn[5,1], в котором хранится команда на изменение состояния объекта управления или опрос его текущего состояния. Основной алгоритм читает значения из массива Fon[5,1] для того, чтобы сформировать посылку «Ответ» о текущем состоянии объекта управления.

Таким образом, осуществляется правильное функционирование всей системы в целом.

Рисунок 4.1 – Блок диаграмма основного алгоритма.

Рисунок 4.2 – Блок диаграмма фонового алгоритма.

5 Доказательство безопасного поведения при возникновении отказов

В разрабатываемом модуле используется стандартная структура, трехканальная с сильными связями – это рекомендованная безопасная структура, в доказательстве не нуждается.

В данной структуре должна обеспечиваться независимость отказов в разных каналах. Для этого вычислительные каналы выполняются на разных платах, каждый канал имеет свой источник питания, общие шины данных по которым приходит информация от ММС.

Для защиты от одиночных отказов применяется стандартная последовательная схема сравнения (реализованная внутри ПЛИС) с парафазным фиксирующим элементом и импульсным декодером. Все схемы являются рекомендованными и в доказательстве не нуждаются.

Для контроля правильности работы трех каналов используется мажоритарная схема. Эта же схема контролирует исправности нити лампы светофора. Безопасность данной схемы доказана в пункте 3.3.

Вычислительные каналы обрабатывают команду пришедшую от станционного модуля, это три байта. Из них выделяется необходимая информация, проводятся все проверки безопасности, формируется контрольная информация для сравнения и посылка «Ответ» (подробно описано в пункте 4). Таким образом, в случае искажения каких-либо данных устройство сравнения зафиксирует это отклонение и переведет систему в защитное состояние.

Переход системы в необратимое состояние заключается в аппаратном отключении питания, при обнаружении несоответствия данных импульсный декодер перестает формировать заданное напряжение и реле 1-го класса надежности отпускает свои контакты. Вернуть систему в рабочее состояние можно только нажатием кнопки.

6 Расчет показателей безотказности и безопасности системы

Разработанная МПС имеет трехканальную структуру с сильными связми. Вероятность безотказной работы такой структуры определяется выражением:

[1]

где - вероятность безотказной работы одного вычислительного канала;

- интенсивность отказов элементов вычислительного канала;

- интенсивность отказов элементов БМЭ;

- интенсивность отказов элементов соединительной платы;

- вероятность безотказной работы одного мажорирующего устройства

- вероятность безотказной работы общей платы.

n – количество мажорирующих устройств;

t – время работы системы.

Таблица 6.1 – Таблица интенсивности отказов элементов вычислительного канала

Элемент	Интенсивность ,	Количество	Итого,
Резистор		1
Конденсатор		6
Интегральная микросхема		22
Транзистор		1
Трансформатор		1
Диод		6
Штепсель соединительный		1
Итого:

Таблица 6.2 – Таблица интенсивности отказов элементов мажорирующего устройства

Элемент	Интенсивность ,	Количество	Итого,
Резистор		11
Конденсатор		3
Интегральная микросхема		11
Транзистор		1
Трансформатор		1
Диод		7
Штепсель соединительный		1
Итого:

Таблица 6.3 – Таблица интенсивности отказов общей платы.

Элемент	Интенсивность ,	Количество	Итого,
Конденсатор		2
Интегральная микросхема		4
Штепсель соединительный		23
Итого:

Подставим полученные значение в выражение [1]:

В результате вероятность безотказной работы системы в течении года равна 0.5089.

Вероятность появления опасного отказа определяется выражением:

, [2]

где – период диагностирования элементов модуля;

– интенсивность отказов вычислительного канала;

t – время работы системы.

Так как необходимо сравнить 6 блоков данных (по количеству объектов управления), а каждый блок сравнивается за один такт, то время полного диагностирования системы равно

Опасный отказ может возникнуть только в случае идентичных отказах внутри троих ПЛИС, интенсивность отказов одной ПЛИС равна .

Подставим полученные значения в выражение [2]:

Полученное значение удовлетворяет всем нормам.

Заключение и выводы

В данном курсовом проекте разработана микропроцессорная система управления станционным светофором, управляемая ПЛИС.

Достоинством трехканальной структуры с сильными связями является высокая надежность. Однако, для построения такой системы необходимо гораздо больше электронных компонентов, чем для аналогичных по функциям систем с умеренными связями, а разработанная схема получается громоздкой и трудоемкой.

Разработанная система отвечает требованиям безопасности, предъявляемым к СЖАТ.

Достоинства разработанной МПС:

· Высокая скорость работы и передачи данных по линии связи;

· Высокая безопасность и надежность;

· Выполнение заданных функций;

· Универсальность алгоритма программы.

Недостатки:

· Невозможность обнаружения ошибок в программном обеспечении, которое реализует все ответственные алгоритмы;

· Возможность появления маскируемых отказов, если множество входных воздействий не обеспечивают необходимой глубины проверки каналов обработки информации. Накопление таких отказов может привести к опасному отказу системы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. В.И. Сороко. Реле железнодорожной автоматики и телемеханики. М.: НПФ «Планета», 2002, 696с.

2. Свободная энциклопедия. Википедия [Электронный ресурс]. – 2000. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Zheleznodorozhnyj_svetofor.html – Дата доступа: 01.12.2014.

3. Свободная энциклопедия. Википедия [Электронный ресурс]. – 2000. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Zheleznodorozhnyj_svetofor/Tehnicheskie harakteristiki. html – Дата доступа: 01.12.2014.

4. Различная информация по железной дороге и подвижному составу. [Электронный ресурс]. -2005. - Режим доступа: http://lokomo.ru/scb/svetofornye-lampy.html. – Дата доступа: 02.12.2014.

5. Микропроцессорные системы автоматики на железнодорожном транспорте: Учеб. Пособие для вузов ж.-д. трансп./ Бочков К.А., Коврига А. Н., Харлап С.Н; Под ред. Т.М. Маруняк. – М.: Транспорт, 2003. – 272 с.

6. Xilinx ® Spartan-6e family [Электронный ресурс]: Datasheet / Xilinx Corporation. – Электронные данные. – Режим доступа: www.xilinx.com/support/documentation/spartan-6e.htm. – Дата доступа: 05.12.2014.

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 275; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 56

Мы поможем в написании ваших работ!