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哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 基于d i m m p c 的双主控计轴系统的研究与实现 摘要 伴随着科技的飞速发展，我国对铁路建设的现代化程度越来越重视，尤 其是在保证单线铁路行车安全方面最为突出。列车驶入或驶出轨道区段时会 对轴数进行记录，计轴设备的工作原理就是基于对该记录结果进行比较，以 此确定该轨道区段处于占用还是空闲状态。但是，传统计轴设备在抗干扰、 多点使用性能、应用成本等方面存在较多问题，而且它的使用容易受到环境 的影响。基于安全第一的作业特点，提出一种适用于我国的可靠的多点计轴 系统的设计具有深远意义。 本文先对计轴系统进行需求分析，阐述了系统各基本功能。由于单机计 轴系统的可靠度较低，而采用容错设计，计轴系统的可靠性则可得到保障， 所以对系统进行总体设计，提出从冗余结构开始的全新的系统结构设计。本 文提出一种针对铁路的1 + 1 工作冗余和多版本程序设计冗余的双主控计轴 系统。并在该设计的基础上，对容错系统的工作流程进行了详细的阐述。 其次，提出双主控计轴系统硬件设计方案。对不同硬件的安全性进行设 计，以保证系统的可靠性，在此基础上给出系统的硬件方案：两套主机系统 的配置相同，每套有自己独立的主机控制板、驱动板、采集板，两套系统的 输出继电器采用并联方式连接，当系统表示占用空闲时，两套系统继电器 输出方式为“或与”的关系，来实现系统的高可靠性。 然后，对计轴系统进行了软件的设计与开发，在软件方面进行安全性设 计，保证系统的可靠性。为d i m m p c 嵌入式产品选择操作系统，并对系统 进行结构化设计，同时详细阐述了系统开发的过程，实现了多点计轴，提高 了系统的实用性。 最后，对计轴系统可靠性进行了理论分析，同时进行现场应用测试。在 京广铁路干线的实际应用过程中获取了大量的数据，并依据该数据对系统进 行可行性分析。经过实验和分析，证明系统可以达到列车计轴无差错的要 求，应用效果良好。随着课题组对该系统的不断完善，计轴可靠性和实用性 将进一步提高。 关键词铁路计轴系统；双主控：嵌入式 哈尔滨理t 大学t 学硕 学位论文 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fb i c o n t r o la x l e c o u n t e rs y s t e mb a s e do nd i m m - - p c a b s t r a c t w i t ht h er a p i dt e c h n i c a ld e v e l o p m e n t ，t h em o d e m i z a t i o no fo u rc o u n t r y s r a i l w a yi sr e i n f o r c e d ，i np a r t i c u l a r ，g u a r a n t e e i n gt h e s a f e t yo fr a i l w a ya n d e n h a n c i n gt h ec a p a c i t yo fs i n g l e t r a c kr a i l w a yt r a f f i c a x l e c o u n td e v i c e sa r e u s e dt op e r f o r mr e a l - t i m ec h e c ko ft h es t a t u so fr a i l w a ys e c t i o n s ，w h i c ha r e o c c u p i e do rn o t t h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l e sa r eb a s e do nt h ec o m p u t a t i o nr e s u l t u s i n gt h ea x l e - c o u n ti n f o r m a t i o ni nt h es e c t i o n b u t ，t h es t a t i s t i c a le q u i p m e n th a s m a n yq u e s t i o n s ，i na s p e c t sa sw e l la st h ee n v i r o n m e n ta n da n t i ja m m i n g m u l t i s p o to p e r m i o n a lp e r f o r m a n c e ，a p p l i c a t i o nc o s t ，b a s e do nt h es a f e t y , s oi ti s s i g n i f i c a n tt h a to n ek i n do fm u l t i - s p o ta x i ss y s t e md e s i g ni s p r o p o s e dw i t h r e l i a b i l i t yt h a ts u i t so u rc o u n t r y sc o n d i t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ed e m a n da n a l y s i sa n de a c hb a s i cf u n c t i o no fs y s t e mi s s t u d i e d b e c a u s et h em a r g i no fs a f e t yi sl o wi nt h es i n g l ep l a n e ，b u tt h er e l i a b i l i t y m a yo b t a i nt h es a f e g u a r di nt h ef a u l t t o l e r a n ts y s t e m ，s ot h eb r a n d n e ws y s t e m s t r u c t u r ei s d e s i g n e df r o mt h er e d u n d a n ts t r u c t u r e b i c o n t r o la x l e c o u n t e r s y s t e mi sp r o p o s e dt h a ti ti so n ek i n do fr e d u n d a n c ys y s t e mo f1 + 1w o r ka n dt h e m u l t i - e d i t i o n p r o g r a m m i n g a n dt h ew o r kf l o wo ff a u l t t o l e r a n ts y s t e mi s i n t r o d u c e d t h eh a r d w a r ed e s i g no fs y s t e mi sp r o p o s e d f i r s t l y , t h es e c u r i t yo fd i f f e r e n t h a r d w a r ei s d e s i g n e d ，a n dt h eh a r d w a r ep l a ni sp r o p o s e d t w os e t so fm a i n e n g i n es y s t e md i s p o s i t i o ni ss a m e ，a n de a c hw r a ph a so n e s e l fi n d e p e n d e n tm a i n e n g i n ec o n t r o lp a n e l ，t h ea c t u a t i o nb o a r d ，t h eg a t h e r i n gb o a r d ，a n dt w os e t so f s y s t e m a t i co u t p u tr e l a y sp i c kt h ep a r a l l e lw a yc o n n e c t i o n w h e nt h es y s t e m i n d i c a t st a k i n go rt h ef r e et i m e ，t w os e to f s y s t e mr e l a yo u t p u tw a yi sc o n ju n c t i o n a n dd i s j u n c t i o nl o g i c ，a n dr e a l i z e st h es y s t e mr e d u n d a n tr e l i a b i l i t y t h es y s t e ms o f t w a r ei sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h es e c u r i t yo fd i f f e r e n t - n - 哈尔滨理t 人学工学硕上学位论文 s o f e w a r ei s d e s i g n e d o p e r a t i n gs y s t e mi ss e l e c t e db a s e do nd i m m p c t h i s p a p e rd e s i g n st h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，d e t a i l ss y s t e md e v e l o p m e n tp r o c e s s a n di m p l e m e n t st h em u l t i - p o i n ta x i ss y s t e mt oe n h a n c et h ep r a c t i c a l i t y f i n a l l y , s y s t e mi sa n a l y z e do nr e l i a b i l i t ys i m u l t a n e o u s l ya n dt e s t al a r g e a m o u n to fa p p l i c a t i o nd a t ai so b t a i n e di nj i n g - g u a n gr a i l r o a dr o u t ea n dt h e a c t u a ld a t au s e dt oc o n d u c ta f e a s i b i l i t ya n a l y s i so nt h es y s t e m b ya n a l y z i n gt h e a c t u a ld a t a ，t h er e s u l t so ft h et r a i na x i so fe r r o r f r e ea n dt h eg o o da p p l i c a t i o nh a s b e e nn o wr e a c h e d w i t ht h eg r o u pc o n t i n u e dt ob er e f i n e d ，t h er e l i a b i l i t ya n d p r a c t i c a l i t ya x l ew i l lf u r t h e ri m p r o v e k e y w o r d s a x l e c o u n t e rs y s t e m ，d o u b l em a s t e rc o n t r o l ，e m b e d d e d i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d i m m p c 的双主控计轴 系统的研究与实现，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名偷p a日期：加哆 年多月加日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于d i m m p c 的双主控计轴系统的研究与实现系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门 提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密 口， 在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：f 穗目q日期：沙哆年多月加日 翮躲翮嗍w | | 7 年) 月 哈尔滨理1 = 大学t 学硕f ：学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景与意义 我国铁路运输量大，密度高并且大部分线路运力较低。再加上我国幅员辽 阔，地貌复杂，所以，列车运营情况复杂，行车作业繁琐；且电务信号设备装 备水平又较低下，每年三分之二的行车重大事故都发生在单线区段。近1 0 年 来，铁路运量急剧增长，因此，保证单线铁路行车安全、提高单线铁路通过能 力，是铁路“八五 战略部署的重要组成部分，也是解决单线铁路矛盾的重要 课题。 铁路信号设备是铁路运输安全生产的重要技术设备之一，对保障行车安 全、提高运输效率和运营管理水平具有关键性作用。 线路占用检查设备用于检查在指定的线路上是否有车辆占用，这对铁路运 输安全是极其重要的。线路占用检查设备有2 种： 1 轨道电路用列车车轴作为导体来短路带电的铁路轨道，发出该段线 路上有车辆占用的信号。 2 计轴设备在指定线段的入口和出口处各设一套计轴器，当入口记录 的车辆轴数( 轮对数) 和出口记录的和轴数相等时，表明该段己无车辆占用了。 轨道电路有其特定的优点，但是也有一些自身无法克服的缺点。如不经常 行车的区段，出现钢轨生锈现象；码头地带由于潮湿，钢轨也易生锈；沙漠地 带，风沙大，沙尘浮于钢轨表面；轨道区段跳线锈断；轨道绝缘破损等。这些 缺点都影响轨道电路正常运行。而计轴技术克服了这些缺点。计轴技术是以 计算机为核心，辅以外部设备，利用统计车辆轴数检测相应轨道区段是否有列 车占用或列车已出清的技术。计轴设备是实时检查区间线路、站内股道、道 岔、平面交叉及道口区段占用或空闲状态的安全设备。计轴系统不受道床条件 影响，可以彻底解决出现红光带的问题，由于不用钢轨做电路通道，所以特别 适用于长大区间、潮湿地、山区、矿区、各种专用线等区段幢3 引。计轴设备的 最大优势在于它与轨道和道床状况的无关性，解决了长期因道床潮湿和钢轨生 锈影响铁路安全运行的困扰，成为当今理想的铁路轨道区段区间空闲、占用检 查设备临1 。因此，铁道部运输局要求：要把解决“压不死 区段作为保障行车 安全的首项整治内容，并明确提出采用计轴技术作为解决该问题的主要方案和 哈尔滨理t 人学工学硕t ：学位论文 手段之一，并积极加以推广应用。 在站间闭塞系统中使用计轴技术已经较为广泛，区间行车安全性也得到了 较大提高。车站站内的轨道电路系统是重要的铁路信号设备。但在站内存在较 多的不良轨道电路区段和站场自然环境条件较差的情况时轨道电路就常出现问 题影响铁路安全运行，基于d i m m 。p c 的双主控计轴技术就是采用计轴技术替 代较多轨道电路采用的设计方案。设计方案解决站内存在较多的不良轨道电路 区段常出现的问题，另外，利用计轴技术对区间分割，实现列车追踪，在现阶 段采用计轴方案解决该问题的应用方案还比较少，而且解决方案还不完善。 目前，国内外己存在计轴技术解决该问题的应用方案，但存在以下问题： 1 采用主机叠加处理的方式，容量较少，在“压不死”区段或长期红光 带轨道电路区段较多车站使用时，产生了较大困难。 2 成本较高，特别在大型站场和车站使用时，设备投资无法令人接受。 3 自然环境条件较差的情况时计轴设备的可靠性差。 所以，采用新技术，设计新方案，研究开发整体高可靠性和使用性的计轴 处理设备对保障行车安全及提高车站作业效率是十分必要的。对提高机车运营 的安全性及大幅度提高我国现有单线铁路的吞吐量具有重要的现实意义。 1 2 计轴技术概述 1 2 1 对电子计轴器及技术要求 电子计轴器是实时检查线路、道岔、平面交叉及道口区段占用或空闲状态 的安全设备，其作用与轨道电路等效。电子计轴器的工作原理是基于列车驶入 和驶出计数点所监视的区段时，根据记录轴数的比较结果，以此确定该区段的 占用或空闲状态。因此，在长大区间、潮湿地段、山区、矿区、桥隧等区段使 用，有其特殊的优点拍7 1 。 为保证我国电子计轴器的合理开发和健康发展，于1 9 9 1 年3 月，铁道部 科技司、电务局组织专家对计轴设备通用技术要求行业标准在北京进行了 审查，并于次年将作为铁道部强制性标准发布实施。该标准参照u i c 7 9 0 r 7 5 计轴器的应用和铁组建8 1 1 8 4 关于计轴器运营技术要求的建议两项国 际标准，结合我国国情和铁路运输具体要求制定。这对我国铁路的技术装备有 指导意义，也对电子计轴器的稳步发展有推动作用。其中有些条款应引起研 究、制造、设计、使用、维修等单位的注意。这些条款有以下几点。 哈尔滨理t 大学丁学硕卜学位论文 1 计轴设备的任何故障应能立即发现或在下- n 车到来时发现，并持续 地表示占用或故障。 2 一旦计数错误，只有在人机结合条件下确认所监视的区段空闲的情况 下，才能使计数设备复位到零。 3 当有计数差为士l 轴，而系统的所有元件功能正常，且在出口计数点叠 加长度不小于2 5 m 轨道电路时，则线路区段空闲信息也可以给出。 4 当列车速度在0 2 0 0 k m h 时，车轴检测器所产生的有效脉冲保证可靠 记录。 5 车轮传感器应满足峰值加速度1 5 9 ，脉冲持续时间为6 m s 的冲击要 求。 6 一旦车轴到达车轴检测器所监视的区段，在未出清该区段之前，均应 表示为占用，其应变时间不大于1 s 。 7 只有车轴正确计入和计出并相等后，才能给出空闲信息，其应变时间 应不大于2 s 。 8 计轴设备正确的计轴平均数应不小于i x l 0 6 轴，平均无故障工作时间 在每昼夜5 0 0 0 1 0 0 0 0 轴区段为1 0 0 天，在每昼夜5 0 0 0 轴以下区段为2 0 0 天。 还有其他更详细规定如有线传输应符合通信标准等规定这里不再列举。 1 2 2 计轴技术研究现状 计轴技术起步于欧洲，在上世纪的4 0 年代就在欧洲开始规模应用，但真 正使计轴设备发展壮大的动力是日新月异的微电子技术和计算机技术。这两项 技术的不断进步和广泛应用，使微机计轴设备不论是功能还是安全性都有了极 大的提高哺1 。在国外，1 8 7 0 年在纽约举办的博览会上，美国人鲁宾逊展示了开 路式轨道电路控制信号的模型。同样是鲁宾逊在1 8 7 2 年又研制成功闭路式轨 道电路。1 9 世纪6 0 年代，德国曾探索用计轴方式检测列车占用轨道区段的技 术，2 0 世纪3 0 年代，随着欧洲铁路轨枕的钢枕化，代替轨道电路完成铁路区 段空闲、占用检查的计轴设备应运而生，但直到2 0 世纪5 0 年代中期，轨道计 轴器才在联邦德国正式使用。此后，法国、匈牙利、南斯拉夫等国相继使用计 轴器。 由德国劳伦茨通用电气公司制造的电子计轴器质量在国际享有很高声誉， 己为世界2 0 多个国家提供一万多套产品。德国人曾说“装上它就忘掉它 ， 但根据联邦德国铁路使用中的计轴设备故障统计表明，它的设备( 含闭塞) 平均 哈尔滨理下大学t 学硕1 ：学位论文 无故障间隔时间在4 0 0 天旧1 。 西门子a z s ( m ) 3 5 0 m 在多点计轴技术中应用时，如果两个相邻区段采用的 都是计轴技术，则共用的计轴点信息可以进行复用。对于不相邻的计轴区段无 法复用。这时候使用主机堆叠的方式，即使用独立的一套微机计轴系统。当计 轴区段数量越多时，堆叠量越大，成本非常高，且实施施工也更为困难。 在亚洲同本在开发方面起步较早，后来一度停滞，8 0 年代初又重新研制。 近年来日本计轴器发展较快，计轴器不仅能加减计数，还能测速、计算列车长 度和根据轴距判别车种。当今，在国外采用现代工艺技术的计轴器及各类轨道 传感器与轨道电路一样，已成为铁路信号的重要基础设备，普遍用于车站、区 间、道口及编组场n 训。 我国研究电子计轴器从5 0 年代末开始，从分立元件到集成电路，直到微 处理机，历经几代，水平己明显提高。但由于高可靠性的要求，真正上道使用 却是近年来的事。从传感器的信息采集到电子电路的比较判别，中间要经过信 息传输和电子电路的处理等多个环节j 副；尤其是传感器技术，经过的车轮 多，速度快，且原始信息的不可重复性，要可靠地采集列车轮信息，并具备较 高的抗干扰性能更是技术上的难点n 3 1 引。由于受到国内元器件水平的限制及试 验和测试条件的制约，使得该项研究工作几度停滞。1 9 7 8 年，由于我国单线调 度集中没有检查区间空闲设备而被迫停用，促使该项研究工作加紧了步伐5 l 。 1 9 8 3 年9 月，研制的非电化电子计轴器在白城通过铁道部技术鉴定引。此项成 果虽填补了我国技术上的空白，但因可靠性低( 平均无故障工作时间约1 5 天左 右) 而未能推广使用n 引。现阶段国内用于站内多点计轴应用的产品很少，主要 就是成都铁路通信设备厂研制开发的j z g d 1 型站内微机计轴设备。该计轴设 备可对站内8 个计轴点进行运算控制，在计轴点数量多于8 个时需要使用主机 堆叠方式。因此，在计轴点非常多时整个系统仍然会很复杂。 光纤传感技术也有在铁路计轴方面的的应用，光纤计轴虽然能达到计轴的 目标，但在测量不同车况下还有漏轴的情况发生，例如高于2 0 0 k m h 的列车通 过时，响应速度较快，频率较高的惆啾光栅可以满足要求，但布喇格光栅因频 率低，测量得到的计数点少，在程序处理的时候比较困难，有掉轴的情况发 生。当列车在计轴点附近来回走走停停时，计轴也会产生误差。 c a n 总线技术和c 5 1 单片机操作系统结合的计轴系统在我国己流行多 年，由于受行业特殊性及资质的限制，以及开发人员少，有关资料缺乏，难以 进行深入的交流与学习；加之国外同类产品的技术封锁，据了解我国目前只有 少数单位在进行这方面的研究，但在产品的可靠性方面与国外同类产品相比存 哈尔滨理丁大学t 学硕i j 学位论文 在明显的差距。 随着嵌入式控制的发展，越来越多的应用场合需要更强大功能、更小巧体 积、更低的功耗和更高可靠性的控制产品，d i m m p c 就是满足这一需求的最 新超小型嵌入式p c 控制产品。它很好地解决了嵌人式c p u 功能强大和体积 微型及微功耗的矛盾。它已经成功地用于国防雷达侦察设备等高要求主处理机 中。但在铁路计轴系统中是首次应用。 因此，设计集中控制的多点计轴新方案，开发整体可靠性和使用性并且成 本低的设备具有较为迫切的需求。本课题在使用d i m m p c n 刚的基础上，不仅 采用多点计轴的方式而且加入了独特的双套控制系统，当一套控制系统出现问 题时，另一套系统可正常工作，这保证了当本设备出现问题时不会影响j 下常的 行车，最大限度地增强设备的可用性；而d i m m p c 产品的采用提高了设备软 件的可用性和维护性，大大降低成本，适应各种站场类型，升级简单，可移植性 好，研究内容具有创新性巩驯。 1 3 论文研究的内容和组织结构 1 3 1 论文研究的内容 本题的内容是综合国外各种微机计轴设备的基本功能的基础上进行了技术 创新，大幅度提高了系统的可靠性和使用性，新的计轴设备更适合中国复杂的 铁路环境。主要研究内容是提出以高端控制芯片d i m m p c 系列替代5 l 系列 单片机并且辅以集成度更高的外围芯片来增强主机控制部分的功能，采用高级 语言编程序，灵活性和可移植性增强，同时在系统上双c p u 冗余的基础上又 加入了两个主机控制部分的理念以并行方式实现对相应的继电器的控制，来实 现与6 5 0 2 电气集中等的结合，提高系统在条件劣化时设备的容错能力，其中 也包括可靠的工作电源、全面的防雷技术、成熟的结合电路设计和c a n 总线技 术乜“2 2 1 等都是保证系统稳定可靠的不可缺少的条件，保证设备安全可靠。 1 3 2 论文的组织结构 本论文具体的内容组织如下： 第1 章主要介绍课题研究目标及意义，并叙述了课题的来源、研究背景以 及国内外在该领域的研究现状。 哈尔滨理下大学t 学硕l 学位论文 第2 章介绍d i m m 的相关接口规范、功能及开发过程等，对总线的发展 背景、通信协议、总线特性进行了介绍。 第3 章通过对系统总体需求的分析，对系统的各个方面进行了充分的考 虑，设计了本计轴系统的整体方案，并且对系统工作的流程进行了描述。 第4 章对计轴系统的硬件组成及其设计进行了阐述。对计轴系统原理进行 了概括性的论述，详细剖析了双机控制系统的工作机制，给出了系统硬件结构 及配置。 第5 章详细阐述软件系统安全的设计和具体开发过程。先对软件方面实时 操作系统w i n d o w sc e 开发流程和定制过程进行说明，然后对软件安全的设计 进行阐述，并给出具体开发方案。 第6 章对双主控计轴系统的可靠性和现场测试结果进行分析，本章利用建 模理论对容错计轴系统的可靠性进行分析，并通过大量数据进行可行性分析。 论文的结论部分对所做工作进行了总结，并对论文的不足之处以及对后续 工作进行了说明。 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 第2 章d i m m p c 技术概述 2 1d i m m p c 简介 随着嵌入式控制的发展，越来越多的应用场合需要更强大功能、更小巧体 积、更低的功耗和更高可靠性的控制产品，d i m m p c 就是满足这一需求的最 新超小型嵌入式p c 控制产品。它在6 8 4 0 m m 的面积上集成了一台标准p c 几 乎所有的功能，并包含看门狗、字符液晶显示等特殊功能，你可以象用一个芯 片一样用它，但它却是一个完整的p c ，真正做到将p c 设计到你自己的系统 中，而不是象过去一样将你的系统设计到p c 中晗引。 d i m m p c 系列按功能分为两类：c p u 模板和扩展功能模板。c p u 模板 作为一个系统的主控制器使用。目前销售的d i m m p c 的主c p u ：8 0 3 8 6 s x 3 3 m h z 、8 0 4 8 6 s x6 6 m h z 、5 x 8 61 3 3 m h z ，在c p u 模板上已配备1 3 2 m 的 d r a m 内存和2 匏m 的半导体电子盘，用户可以根据自己的实际需求选用不 同配置的c p u 模板。由于对电子盘的管理方式不同，c p u 模板分两种，即 b i o s 支持管理的电子盘和符合i d e 标准的仿真i d e 电子盘，如d i m m p c 3 8 6 i 4 8 表明3 8 6 c p u 模板，带4 m 的d r a m 内存，8 m 的i d e 电子盘。 d i m m p c v g a l 显示模板，具有5 1 2 k 显存，同时支持c r t 和t f t ，s t n 等 平板显示器。d i m m p c e t h l 以太网模板，采用c s 8 9 0 0 以太网芯片，符合 i e e e 8 0 2 3 标准，支持半双工或全双工1 0 m b p s 以太网。d i m m p c c o m 串行 通讯接口模板，可以扩充两个串口。 2 2d i m m p c 的接口规范 d i m m p c 的所有模板使用了一种通用的d i m m 1 4 4 内存插座作为连接 件，采用1 4 4 线的金手指连接方式，其c p u 模板和扩展模板的插座略有区别， 以防插错，几个扩展模板间没有区别，可以随便接插就象i s a 插槽一样。c p u 模板1 4 4 线的接线分为以下几类： i s a 总线信号：s d 0 s d l 5 , s a 0 s a l 9 数据地址信号，i o w , i o r ，s m e m r 等各种读写控制信号，o s c ，s y s c l k ，d r q ，d a c k 等特别功能信号，包含了标 准i s a 总线上的所有数据信号。 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 i d e 硬盘控制信号：i d e c s 0 ，i d e c s l ，p d i a c d a s p 等。 两个串口相关信号：d t x ，r t s ，t x d ，r x d ，r i 等。 软驱控制信号：f d r d a t , f d w d a t , f d s t e p 等。 l p t 并口控制信号：b u s ys l c te r r 等。 p s 2 键盘信号：k b c l k ，k b d a t 等。 其它辅助信号：p g o o d ，r e s e t , s p k r 等。 特殊功能信号：1 2 d a t1 2 c l kb a t tg p c s 0 等。 2 3d i m m p c 的功能介绍 d i m m p c 具有一台标准i b m p c 的通用接口功能，包括一个i d e 硬盘控制 器、一个标准软盘控制器、p s 2 标准键盘接口、两个串行通讯接口( t t l 电平 输出) 、一个并行输出接口( 支持e p p ，e c p ) 、r e s e t 和喇叭输出信号、1 1 6 m 的d r a m i 内存、1 1 6 m 的电子盘( i d e 或b i o s 方式) 。 除上述通用的功能之外，还有一些特殊的功能，给用户开发提供很多方 便，下面详细介绍特殊功i i 看门狗( w a t c hd o g ) 一个高可靠的应用系统，尤其是一些现场实时控制， 是不允许系统间断的，如果系统死机而没有自恢复功能，则会引发事故。看门 狗可有效解决这一问题，看门狗定时向系统发出复位信号。如果主机未死机， 主机应定时复位看门狗，看门狗将不复位主机，如果主机死机，将无法复位看 门狗，看门狗则复位主机，使主机重新运行。d i m m p c 已在模板上集成了看 门狗电路，并可以在c m o s 中方便的设置定时时间从0 4 s 8 5 m i n ，程序设计也 很简单，因为b i o s 设计直接支持相关调用，使用b i o s 的i n t1 5 h 功能即可： 1 5 h0 0 h 。 字符液晶( c h a r a c t e rl c d ) 可以显示a s c i i 字符，已大量应用在各种系统 中，虽然生产厂家和型号众多，但都具有相同的接口规范和驱动方法，成为事 实上的规范。为此d i m m p c 专门在b i o s 中设计了支持字符液晶的程序，用户 不必再开发相关的驱动程序，你可以象使用v g a 一样编程输出文字，大大简化 用户的开发过程。使用步骤如下： 1 启动d i m m 按 进入c m o s 设置菜单。 2 改变l p tp o r t 设置成e x t e n d e dm o d e 。 3 保存设置，退出启动d o s 。 4 运行工具程序d 2 0 1 l c d e x e 设置液晶参数如2 行1 6 字符液晶设置如下 哈尔滨理丁大学工学硕l 学位论文 d 2 0 1 l c dc o p y 21 60 0 4 00 04 0 。 5 重启动计算机即可。 字符液晶显示与并口在系统中占用相同的资源，由c m o s 设置b i o s 程序决 定谁使用，所以，二者不能同时使用。字符液晶显示程序与v g a 编程方法一 样，但只支持文本显示，不支持图像模式。 1 2 c 总线是一种两线串行总线，它在同一系统或不同系统之间甚至是芯片 之间提供了一种小范围的网络概念。目前有很多单片机，存储器芯片都支持 1 2 cb u s ，1 2 c b u s 简单高效，只包括两根双向线，即串行数据线( 1 2 d a t ) 和串 行时钟( 1 2 c l k ) 。每个支持1 2 cb u s 的设备都可以简单的把这两根线并在一起就 组成了一个数据交换网络，它们没有主从关系，任何一个设备都可做主设备又 可做从设备，并可任意变换自己的角色。也正是它的这些优点，1 2 cb u s 得到了 广泛的应用。 d i m m p c 全系列c p u 模板都支持1 2 cb u s 应用，d i m m p c 的7 2 ，7 4 管脚就是 1 2 c d a t , 1 2 c c l k 并设计了相应的b i o s 程序，用户只需调用b i o s 过程的i n t 1 5 h 即可实现。 使用时注意设备地址：1 0 1 0 0 0 0 ( a o h ) 已被系统e e p r o m 占用，对该地址 的操作将改变保存的系统配置参数，应避免操作该地址。 g p c s 在i s a 总线上的板卡，如果占用某一i o 地址，为了能通过该i o 地址 与主c p u 交换数据，必需设计一地址译码电路，通常用g a l 或7 4 系列的数字 电路实现，当主机对该地址操作时，地址译码器输出一选通信号控制板卡数据 入出，这一过程不复杂却非做不可，为此d i m m p c 特别设计了电路和软件， 使你在做类似开发时再也不用设计地址译码器了，即g e n e r a lp u r p o s ec h i p s e l e c t ，简称g p c s ，过程如下： 我们先设定要使用的i o 地址，在c m o s 设置中可以设置g p c s 使用的地址 为1 1 0 h ，2 2 0 h ，3 3 0 h ，当选定一个地址后，如3 3 0 h ，则对3 3 0 h 地址操作时， g p c s ( d i m m p c 的7 6 管脚) 信号将有效，你可以用这个信号控制你的数据出 入，假如你需要更多的地址端口，可以再加上a 1 l - a 1 9 的地址线进行组合译 码。下面是一个简单的例子： j r c 是j u m p t e c 专门开发的远程调试软件，它只要在一台主机上运行该程 序，与之相连的d i m m p c 就作为服务器受控于它，在d i m m p c 的b i o s 中已 设计了相应的串口服务程序，不需在某操作系统下运行特别程序，利用这一功 能，可以读写d i m m p c 上的各种信息，在开发阶段，可以通过串口对无显示 输出的d i m m p c 进行加载和调试应用程序，采用d i m m p c 的产品，即使已卖 哈尔滨理t 大学下学硕l ：学位论文 给用户，你还可以通过这一功能对程序进行修改和升级，增强产品的延续性。 j r c 电缆是交叉的r s 2 3 2 电缆，两端都使用d b 9 的连接器时，接线如表2 一l 。 表2 1j r e 电缆使用d b 9 的连接器时的接线表 t a b l e2 1w i r i n gt a b l eo f j r cc a b l eu s i n gd b 9c o n n e c t o r s x l x 2 s i g n a l p i np i n s i g n a l r e c e i v ed a t a 23t r a n s m i td a t a t r a n s m i td a t a3 2r e c e i v ed a t a g n d55g n d 主频调节在一些场合，对功耗有严格要求，对于3 8 6 s x 这样的c p u 来讲， 降低主频是降低功耗的有效途径，为此j u m p t e c 的d i m m p c 设计了主频调节功 能，在c m o s 设置中，可以设置c p u 的主频工作在1 0 4 0m h z ，分别为 1 0 ，1 2 ，1 6 ，2 5 ，3 0 ，3 3 和4 0 m h z ，默认为3 3 m h z ，当主频为1 0 m h z 时，功耗为 5 v * 1 9 5 m a ，当主频为4 0 m h z 时，功耗为5 v 2 8 0 m a ，相差3 0 。 j i d a 是j u m p t e ci n t e l l i g e n td e v i c ea r c h i t e c t u r e 的缩写，j u m p t e c 的每一块 模板上的b i o s 都支持下面的函数调用，j i d a 函数通过调用中断1 5 h 实现。 a h = e a h ，a l = 功能号，d x = 4 6 4 8 h ( 保密字) ，c l = 卡号( 从1 开始) 。 如果该卡不存在c l 返回0 ，返回的d x = 6 8 6 f h 则成功，其它值表明有误， j i d ai n t l 5 h 的一般功能调用表如下，还有更多有用的功能参见手册如表2 2 。 表2 - 2j i d ai n t l 5 h 的一般功能调用表 t a b l e2 - 2f u n c t i o nt a b l eo f j i d ai n t l5 h 功能号功能功能号 功能 0 0 h 获取i d 工厂信息 o b h 获取数字设备i d 0 1 h 获取b i o s 4 0 h从e e p r o m 中读用户信息 0 2 h 获取生产日期 4 1 h往e e p r o m 中写用户信息 0 3 h 获取系列 4 2 h获取用户可用的 0 4 h 获取硬件版本 8 0 h获取 0 5 h 获取固件信息 8 1 h设置c p u 时钟 0 6 h 获取最后维修日期 0 a h 获取设备子版本号 0 9 h 获取 j i d a 功能可以帮助用户读写自己的信息，也可获取主板信息，配置主板参 数，可用于特殊调用、加密、系统自检和其它特殊功能。 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 2 4d i m m p c 开发过程与发展 d i m m p c 的目标应用系统都需要用户自己设计母板，在底板上设计一个 d i m m p c 的插座，以d i m m p c 为核心，在周边区域设计电源、a d 、i 0 和相 关接口电路，如果辅助电路较多，有条件的最好设计4 层p c b ，注意电源线的 设计。 具体开发过程如下： 1 确认系统的主要功能和达到的性能。 2 选择外围设备和接口芯片。 3 初步选择配置一种d i m m p c 。 4 在台式机上开发应用程序。 5 评估系统的能力和达到的指标。 6 反复修改配置和程序。 7 最后确认d i m m p c 配置和外围电路。 8 电路板设计，p c b 板加工。 9 安装，程序下载到d i m m 。p c 上。 1 0 现场调试，修改程序。 d i m m p c 目前已有3 8 6 、4 8 6 、5 8 6 的产品，更高档次的正在开发中，用 户可以有更大的选择余地开发不同档次的产品，并能保持不断的发展升级，从 而保证产品的延续发展和不断更新。 2 5 本章小结 本章对d i m m p c 模板的现状和发展、接口规范、功能、开发过程进行介 绍。 首先，对d i m m p c 模板进行简介；其次，是对d i m m p c 模板的接口规 范进行说明并详细介绍了d i m m p c 的功能，包括通用和特殊功能；最后，是 d i m m - p c 模板的开发过程和发展前景。 哈尔滨理下大学工学硕上学位论文 第3 章系统需求分析和总体设计 3 1 系统需求分析 双主控计轴系统是实时检查铁路区段占用或空闲状态的安全设备。采用计 算机集中控制方式瞳4 2 5 2 引，在计轴区段对多点计轴点数据进行采集，再结合其 他信息( 包括计轴复零信息和继电器状态信息) 运算得出各计轴区段的空闲或 占用状态，驱动轨道继电器表示区段占有或空闲。在对总体进行需求分析后， 得出系统需要具备下面的功能： 1 计轴点信息采集采集计轴器轴数信息，是系统运行的前提。保证传 感器的采集准确并能实时与室内计轴相关设备的通信是至关重要的。因此采用 多机硬件冗余的方法。在很短的时间间隔内，系统中两台主机同时出错并且呈 现同一模式的概率几乎为o 。在本系统中采用双传感器和双c p u 采集一组两个 轴数，只有两个轴数相同时才确认轴数有效，其二取二方式保证了采集到的轴 数正确无误。主计算机必须和计轴器通信获取得到轴数信息。在此用容错技术 保存主机信息，防止因异常情况使内存中保存的轴数发生变化，造成系统不可 用。 2 运算器的数据处理在计轴轨道区段，所有计轴器采集得到正确的轴 数信息后，需要进行区段运算以得出轨道区段是否占用的信息。计轴轨道区段 有多种类型：无岔区段、和道岔区段。其中道岔区段又分为一送双受、一送 三受、交叉渡线方式。交叉渡线方式的计轴器设置是分解为一送三受方式完成 的，故可归入一送三受的方式。因此一个计轴轨道区段可能需要安装2 - 4 个计 轴器。 在相邻的两个区段都使用计轴技术，则共用的计轴器需要进行复用。例如 如图3 1 中交叉渡线部分的计轴器2 ，3 ，即需要复用。复用的方法是每一个计 轴器c p u 存储两个轴数，分别代表该端点的上、下行方向的计轴轴数信息。 这两个轴数可以不同。 系统需判断计轴区段是否空闲。判断的原理如下： 在计轴区段处于空闲状态时，上行方向的计轴器轴数之和与下行方向的计 轴器轴数之和相同。例如，对于无岔区段，计轴器1 ，2 的轴数相等：对于一送 三受区段，计轴器1 的轴数与计轴器2 ，3 ，4 的轴数之和相等。 哈尔滨理t 人学工学硕j ：学位论文 图3 1 计轴点设置分类 f i g 3 - 1c l a s s i f i c a t i o no fa x l e - s e t i n gp o i n t s 当上一条描述的上下行方向轴数和不等时，判断为区段占用。区段运算结 果依赖于所有轴数的正确性。单机的区段运算结果出错的可能性远远大于双机 运