基于FPGA的二取二總線數(shù)據(jù)比較器

　　摘要：基于FPGA的二取二總線數(shù)據(jù)比較器實現(xiàn)聯(lián)鎖邏輯運算的兩塊CPU板總線數(shù)據(jù)的實時校核。在兩條總線數(shù)據(jù)比較一致且總線數(shù)據(jù)的CRC校核通過時兩個FPGA分別輸出互為反相的動態(tài)脈沖，板上驅(qū)動電路輸出信號控制板外供電繼電器對聯(lián)鎖系統(tǒng)驅(qū)動單元供電，否則通過停止輸出動態(tài)脈沖在50ms內(nèi)切斷供電繼電器。出現(xiàn)校核錯時FPGA將比較不一致的兩個數(shù)據(jù)及在對應數(shù)據(jù)包中的位置等信息反饋給對應CPU板，便于故障分析。通過監(jiān)測回讀信號實現(xiàn)板上驅(qū)動電路的實時檢測，在驅(qū)動電路出現(xiàn)硬件故障時可導向安全。該比較器遵循EN50128，EN50129和EN50126標準流程開發(fā)，已通過歐標SIL4級安全認證。

　　背景

　　高速鐵路的發(fā)展對信號設備性能、穩(wěn)定性、安全性提出了更高的要求。其中安全性中故障導向安全是設備設計開發(fā)中首先要遵循的原則，盡早發(fā)現(xiàn)，盡早防范是信號設備安全設計中需考慮的問題。CPU作為控制設備中核心單元一旦運算出錯很可能會導致災難性后果。二取二系統(tǒng)中雙CPU校核可有效避免單CPU故障引發(fā)的災難性后果。雙CPU校核實現(xiàn)方式包括軟件比較和硬件比較。軟件比較指CPU通過通信等方式得到對方的數(shù)據(jù)后各自進行比較，如果比較不一致則通過控制其他外圍單元切斷輸出單元的對外輸出使系統(tǒng)導向安全。硬件比較指通過第三方硬件實現(xiàn)兩個CPU總線數(shù)據(jù)的實時比較，不一致時通過第三方硬件可直接切斷輸出單元的供電，無需CPU參與任何控制(此時故障的CPU可能已不能正常控制其它外圍單元)?，F(xiàn)場可編程邏輯陣列(Field Programmable Gate Assay，F(xiàn)PGA)通過硬件描述語言進行編程，可完成大規(guī)模實時邏輯處理和高速總線接口處理?？偩€校核需要進行大數(shù)據(jù)量、快速邏輯處理因此很容易發(fā)揮其長處。二取二架構(gòu)的控制系統(tǒng)安全性高于單機系統(tǒng)因而在鐵路系統(tǒng)中得到廣泛應用。面向二取二架構(gòu)的雙CPU總線數(shù)據(jù)比較，我們開發(fā)了基于FPGA二取二總線數(shù)據(jù)比較器，比較器在CPU每個控制周期內(nèi)完成對總線數(shù)據(jù)信息的實時校核，如果出現(xiàn)不一致或者非法信息及時切斷驅(qū)動單元的供電，在最短時間內(nèi)使系統(tǒng)導向安全側(cè)。

　　系統(tǒng)方案及硬件實現(xiàn)

　　比較器通過兩條總線與兩塊CPU板相連實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)傳輸和比較相關狀態(tài)的交互，輸出信號驅(qū)動板外安全繼電器模塊實現(xiàn)對驅(qū)動單元供電的控制。比較器結(jié)構(gòu)如圖1所示，比較器由如下部分構(gòu)成：FIFO控制器、FPGA單元、安全動態(tài)電路、雙繼電器切換單元、LED指示、地址設置單元。FIFO控制器和FPGA單元由獨立的兩套構(gòu)成二取二結(jié)構(gòu)，與二取二CPU板相接合。對于二取二比較器的每一部分有獨立的LED指示和總線地址設置單元。安全動態(tài)電路和雙繼電器切換單元本身為二取二結(jié)構(gòu)。　　

 　　數(shù)據(jù)比較單元

　　數(shù)據(jù)比較單元實現(xiàn)兩個CPU板總線數(shù)據(jù)的同步、獨立安全校核，由雙套FIFO控制器和雙套FPGA單元構(gòu)成。FIFO控制器用于實現(xiàn)主、從CPU板中總線數(shù)據(jù)到兩個FPGA的傳輸，其數(shù)據(jù)存儲空間為8192字節(jié)，可完成8k字節(jié)以下任意大小的總線數(shù)據(jù)校核。50萬門級的FPGA通過內(nèi)部數(shù)字時鐘管理模塊(Digital Clock Manager，DCM)將外部時鐘倍頻到40MHz以完成總線數(shù)據(jù)的高速校核處理。