CC BY
78
102
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
2.5
(D
§.Z нраз1(‘)
Q>_____
^ Z нзам1(^
s______
=3 Usr2(t) ■ 2.2 %___ .
- 0.1
Срабатывание Реле
1 " 1
tnim+ °.5 t kim+ 0.5
I ■d
|| p
II ■d р
1
|1 1
1
1 1
0 0.31 0.63 0.94 1.25 1.56 1.88 2.19 2.5 2.81 3.13 3.44 3.75 4.06 4.38 4.69 5
0 t ceil(t k)
Время [сек]
Рис. 12. Осциллограмма работы путевого реле ТРЦ
4. Модель позволяет оценить погрешности измерения фазового сдвига рельсовой линии.
5. Модель имеет возможность определить наибольшее значение фазового сдвига комплексного сопротивления рельсовой линии, который не должен быть больше 40 градусов.
6. Исходные данные, полученные в результате расчета, были использованы в модели тональной рельсовой цепи и показали адекватность модели в заданном доверительном интервале.
Библиографический список
1. Рельсовые цепи. Анализ работы и техническое обслуживание / В. С. Аркатов, Ю. А. Кравцов, Б. М. Степенский. - М. : Транспорт, 1990. - 292 с. - ISBN 5-277-009574.
2. Системы автоблокировки с рельсовыми цепями тональной частоты / В. С. Дмитриев, В. А. Минин. - М. : Транспорт, 1992. - 182 c. - ISBN 5-277 00814-4.
3. Математика для электро- и радиоинженеров / Андре Анго. - М. : Наука, 1965. -778 с.
4. Электромеханические системы / А. Ю. Львович. - Л. : Изд-во Ленинградского ун-та, 1989. - 295 с.
Статья поступила в редакцию 03.03.2008;
представлена к публикации членом редколлегии Вл. В. Сапожниковым.
Общетехнические и социальные проблемы
УДК 05.22.08 И. В. Гладков
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
Транспортное, промышленное и гражданское строительсТвЗ
РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕНТРАЛИЗАЦИИ НА БАЗЕ ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Изложены основные проблемы разработок современных систем микропроцессорной централизации. Предложена альтернативная элементная база для реализации алгоритмов электрической централизации. Проанализированы основные направления развития интегральных микросхем. Приведена классификация микросхем программируемой логики. Рассмотрены особенности их внутренней структуры, область применения и тенденции развития этого направления.
алгоритмы электрической централизации, микросхемы программируемой логики, программируемые логические интегральные схемы.
Введение
В настоящее время существуют два способа реализации алгоритмов электрической централизации - аппаратный и программный.
Аппаратная реализация - это первый исторически сложившийся способ построения систем электрической централизации (ЭЦ). Все существующие релейные системы представляют собой аппаратную реализацию алгоритмов ЭЦ, где каждая функция представлена индивидуальным логическим элементом с несимметричными отказами (реле I класса) [1]. Однако в силу научно-технического прогресса в нашей стране прекращены разработки новых релейных систем ЭЦ [2], хотя их модернизация и проектирование продолжаются.
Программная реализация при построении систем электрической централизации стала возможна лишь после появления микропроцессоров (МП) как массовых и дешевых устройств. При этом способе алгоритмы ЭЦ реализуются на основе универсальной программируемой логики и каждый компьютер в системе рассматривается как большой универсальный логический элемент с симметричными отказами. Однако в процессе разработок возникли проблемы в части доказательства безопасности микропроцессорных систем электрической централизации (МПЦ), которые не решены и сегодня. В статье предпринята попытка обратить внимание специалистов на микросхемы программируемой логики как на потенциальную элементную базу для реализации алгоритмов ЭЦ.
1 Анализ современных микропроцессорных систем централизации
1.1 Этапы развития бесконтактных систем безопасности
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
104
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
Первые попытки построения систем безопасности на бесконтактных элементах были предприняты в 60-х годах прошлого столетия. В это время в промышленной автоматике всё большее применение находят полупроводниковые приборы, которые обладают неоспоримыми преимуществами: неограниченным ресурсом переключений, более высокой надежностью, независимостью от ориентации в пространстве, что характерно для железнодорожных реле [2]. Всё это стимулировало специалистов к разработкам бесконтактных систем безопасности, в которых переключения осуществлялись бы без использования электромеханических приборов (электромагнитных реле), а электронными ключами.
При этом подход к построению и доказательству безопасности бесконтактных систем был такой же, как и для релейных систем. Элементами релейной ЭЦ являются реле I класса надежности, и система строится с учетом специальных требований: использование ведомственных норм проектирования, типовых альбомов, методических указаний и прочих нормативных документов. Также применяются определенные правила построения схем: двухполюсная коммутация внепостовых цепей, контроль тыловых контактов, схемный контроль реле не I класса и другие.
Как и в бесконтактных системах, используя безопасный элемент и соблюдая определенные правила построения системы, можно было доказать её безопасность. Такие логические элементы были разработаны и представляли собой сочетание полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов) и ферромагнитных приборов (кольцевых сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса), например феррит-транзисторные модули. Но оказалось, что эти элементы нетехнологичны при производстве, поэтому разработка систем безопасности в этом направлении прекратилась.
Бурное развитие технологии изготовления полупроводниковых элементов с дискретными и интегральными компонентами предопределило дальнейшие пути развития бесконтактных систем ЭЦ [1].
1.2 Современный уровень развития микропроцессорных систем централизации
С появлением микропроцессоров начались попытки их использования в системах управления движением поездов, в частности в системах ЭЦ.
На сегодняшний день перед разработчиками стоят две основные проблемы доказательства безопасности микропроцессорных централизаций:
1) доказать безопасность структуры, то есть аппаратных средств;
2) доказать безопасность прикладного программного обеспечения и операционной системы.
Первая проблема связана с тем, что микропроцессор (а также компьютер) представляет собой универсальный программируемый логический элемент с симметричными отказами и решается введением избыточности. Так, в системе ЭЦ-ЕМ применена троированная структура управляющего
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
Транспортное, промышленное и гражданское строительсГВб
вычислительного комплекса. МПЦ Ebilock-950 (разработчик - фирма "АВВ Signal", Швеция) характеризуется дублированной структурой, где процессорный модуль централизации состоит из двух компьютеров, в каждом из которых обработку информации производят два независимых процессора по разным программам (рис. 1).
Рис. 1. Структура вычислительного ядра МПЦ Ebilock-950
Наибольшую трудность представляет вторая проблема. Существуют методы доказательства безопасности прикладного программного обеспечения, однако трудозатраты на них сопоставимы с трудозатратами на разработку искомого программного обеспечения. Что касается доказательства безопасности операционной системы, то эта задача пока не решена. Дело в том, что в любой операционной системе всегда есть ошибки, недоработки и невозможно спрогнозировать, как они подействуют на прикладное программное обеспечение электрической централизации.
Предлагается в качестве альтернативной элементной базы рассмотреть современные интегральные микросхемы с программируемой структурой, используя которые можно избежать трудности, связанные с программным обеспечением. Безусловно, такие микросхемы также являются продуктом полупроводниковой технологии и не могут претендовать на несимметричность по отказам, однако, применяя в этом случае избыточность, можно добиться разной вероятности опасного и защитного отказа. Кроме того, программируемые логические интегральные схемы не нуждаются в расширителях входов/выходов и устройства сопряжения с объектами используются только в объеме несимметричных схем сравнения.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
106
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
2 Применение программируемых логических интегральных схем для реализации алгоритмов электрической централизации
2.1 Обзор основных направлений развития интегральных микросхем
Среди основных направлений развития интегральных микросхем выделяют три следующие:
1) стандартная цифровая логика;
2) заказные сверхбольшие интегральные схемы;
3) программируемые логические интегральные схемы.
Попытаемся выявить их достоинства и недостатки с позиций выполнения функций электрической централизации.
Первое направление - стандартная цифровая логика общего применения, например микросхемы различных серий. Наборы цифровой логики довольно длительное время являлись основной элементной базой для разработки цифровых устройств. Основной недостаток этого направления -то, что для получения конечных изделий обычно требуется большое число микросхем и, следовательно, множество внешних соединений. В результате возрастает сложность конструкции, растут габариты, снижается надежность.
Второе направление - заказные сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Наиболее кардинально проблема габаритов, быстродействия, упрощения конструкций печатных плат и их надежности решается с помощью заказных СБИС. Классический пример - микросхемы материнских плат персональных компьютеров. Однако этот путь экономически оправдан только при крупносерийном производстве, так как проектирование заказных СБИС обходится достаточно дорого.
Третье направление - программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Первыми представителями здесь стали программируемые логические матрицы и программируемая матричная логика, которые появились к восьмидесятым годам прошлого века. Но тогда воспользоваться этими приборами было затруднительно, так как процесс их проектирования и программирования был трудоёмок. В последние годы произошел резкий прорыв в технологии проектирования программирования и изготовления ПЛИС.
Среди обозначенных направлений представляется наиболее целесообразным использовать в качестве элементной базы ЭЦ программируемые логические интегральные схемы.
В сущности любая схема ЭЦ, реализуемая по плану станции, представляет собой определенную логическую программу по проверке условий в виде конъюнкций этих условий, только выраженную аппаратно. В свою очередь определенные конъюнкции могут быть использованы в разных вариантах, то есть в схемах дизъюнкций. Нагляднее это отражается на структуре программируемой логической матрицы, в которой также сначала
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
Транспортное, промышленное и гражданское строительствЗ
формируются определенные конъюнкции, а потом они используются в разных вариантах дизъюнкций (рис. 2).
Рис. 2. Фрагмент структуры программируемой логической матрицы
2.2 Программируемые логические интегральные схемы
как потенциальная элементная база для реализации алгоритмов ЭЦ
С развитием полупроводниковой техники появилась возможность реализации сложных алгоритмов на одной микросхеме. Стандартные большие интегральные схемы (БИС) лидируют по степени интеграции. Но наряду со стандартными БИС в системе присутствуют и нестандартные части, присущие данной конкретной разработке. Реализация нестандартной части исторически была связана с применением стандартных микросхем среднего уровня интеграции. При этом, как отмечалось выше, росло число корпусов интегральных схем, усложнялся монтаж, снижалась надежность системы и её быстродействие. Это противоречие нашло разрешение на путях разработки БИС с программируемой и репрограммируемой структурой - микросхем программируемой логики.
Предлагается следующая классификация микросхем программируемой логики:
1) по типу программируемых элементов;
2) по внутренней структуре;
3) по уровню интеграции;
4) по наличию внутреннего оперативного запоминающего устройства.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
108
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
По типу программируемых элементов микросхемы могут быть однократно программируемыми и многократно программируемыми (репрограммируемыми). При этом репрограммируемые ПЛУ могут стираться как ультрафиолетовыми лучами, так и электрическими сигналами. Среди современных семейств микросхем уже не осталось тех, которые стирались бы ультрафиолетовыми лучами, все они стираются и перепрограммируют-ся электрическими сигналами, хотя на этапах становления программируемой логики ультрафиолетовое стирание было основным. Надежность этого метода была невысокой, и число циклов перепрограммирования не превышало сотни.
Классификация по внутренней структуре (её иногда именуют классификацией по способу формирования целевого устройства) будет рассмотрена несколько позже.
По уровню интеграции микросхем (и программируемой логики в том числе) их делят следующим образом:
1) низкая степень интеграции (логическая ёмкость до 1500 ЛВ);
2) средняя степень интеграции (логическая ёмкость от 1500 до 15 000 ЛВ);
3) высокая степень интеграции (логическая ёмкость от 15 000 до 150 000 ЛВ);
4) сверхвысокая степень интеграции (логическая ёмкость более 150 000 ЛВ),
где ЛВ - логический вентиль, элемент «2И-НЕ».
Микросхемы программируемой логики могут содержать внутреннее запоминающее устройство или оно может отсутствовать. Этот критерий классификации стал применим только к микросхемам последних поколений. Дело в том, что когда только появились первые представители микросхем программируемой логики (программируемые логические матрицы и программируемая матричная логика), их внутреннее строение было достаточно однородным, что наглядно иллюстрируется рисунком 2. С развитием этой отрасли в микросхемы стали внедряться специальные области, решающие специальные задачи, например области памяти. Современные микросхемы содержат в себе столько функциональных узлов, что вопрос об их однородности давно отпал.
На сегодняшний день развитие микросхем программируемой логики идет по следующим двум направлениям, которые представляют собой классификацию по внутренней структуре.
1. ПЛИС - программируемые логические интегральные схемы. К этой группе относятся устройства, в которых требуемая структура создается программированием связей коммутирующих матриц. ПЛИС содержат несколько логических блоков, объединенных коммутационной матрицей. Каждый логический блок представляет собой структуру типа программируемой матричной логики, то есть программируемую матрицу «И» и фик-
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
Транспортное, промышленное и гражданское строительств®
сированную матрицу «ИЛИ». Особенность этих устройств заключается в том, что сформированная структура является энергонезависимой, то есть сохраняется при выключении питания. Для изменения структуры необходимо выполнить операции стирания и программирования новой структуры.
2. ППВМ - программируемые пользователем вентильные матрицы. К этому классу относятся микросхемы программируемой логики, которые управляются битовой последовательностью, хранящейся во внутреннем статическом оперативном запоминающем устройстве (по методу ключа, управляемого триггером памяти конфигурации). Особенностью устройств этого класса является то, что требуемая структура целевого устройства должна восстанавливаться (записываться во внутреннюю статическую память) после каждого включения питания, что требует принятия дополнительных мер по сохранению и восстановлению требуемой конфигурации. С одной стороны, это является недостатком подобных устройств, с другой -позволяет реализовать системы с изменяющейся архитектурой.
Программное обеспечение (битовая последовательность) обычно хранится в постоянном запоминающем устройстве, стоящем рядом с ППВМ, и после включения питания или по сигналу сброса она автоматически переписывается в программирующий сдвиговый регистр ППВМ. Этот процесс называется конфигурированием ППВМ. Так как основу ППВМ составляют триггеры, хранящие программное обеспечение, то ППВМ изготавливаются по технологии микросхем статического оперативного запоминающего устройства (ОЗУ).
Поскольку в качестве потенциальной элементной базы для реализации алгоритмов ЭЦ предложены программируемые логические интегральные схемы, подробнее остановимся на их внутренней структуре и возможностях.
ПЛИС состоят из центральной программируемой матрицы соединений (ПМС), блоков ввода/вывода на периферии кристалла, функциональных блоков ФБ (макроячейки, макроэлементы), которые представляют собой структуру типа программируемой матричной логики (рис. 3).
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
110 Транспортное, промышленное и гражданское строительство
Рис. 3. Архитектура программируемых логических интегральных схем
Как видно из рисунка, ПЛИС состоят из множества функциональных блоков и программируемых соединений между этими блоками. Программируемые соединения выполняют коммутацию между входными сигналами от блоков ввода-вывода и входами логических блоков или между выходами логических блоков и входами тех же самых или других логических блоков (некоторые логические блоки имеют местную обратную связь, так что выходы макроячейки, использующиеся в тех же самых логических блоках, не соединяются через ПМС). Программируемая матрица соединений позволяет любому сигналу соединяться с любым логическим блоком.
Теперь рассмотрим область применения ПЛИС. Во-первых, при разработке оригинальной аппаратуры, а также для замены обычных ИС малой и средней степени интеграции [3]. При этом значительно уменьшаются размеры устройства, снижается потребляемая мощность и повышается надежность. Наиболее эффективно использование ПЛИС в изделиях, требующих нестандартных схемотехнических решений. В этих случаях ПЛИС даже средней степени интеграции (24 вывода) заменяет, как правило, до 10-15 обычных интегральных микросхем.
Другим критерием использования ПЛИС является потребность резко сократить сроки и затраты на проектирование, а также повысить возможность модификации и отладки аппаратуры. Поэтому ПЛИС широко применяется в стендовом оборудовании, на этапах разработки и производства опытной партии новых изделий, а также для эмуляции схем, подлежащих последующей реализации на другой элементной базе, в частности на сверхбольших интегральных схемах.
Отдельная область применения ПЛИС: проектирование на их основе устройств для защиты программного обеспечения и аппаратуры от несанкционированного доступа и копирования. ПЛИС обладают такой техноло-
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
Транспортное, промышленное и гражданское строительств!
гической особенностью, как "бит секретности", после программирования которого схема становится недоступной для чтения (хотя свои функции ПЛИС, естественно, продолжает выполнять). Обычно применения одной-двух ПЛИС средней степени интеграции оказывается вполне достаточно для надежной защиты информации.
Наиболее широко программируемые логические интегральные схемы используются в микропроцессорной и вычислительной технике. На их основе разрабатываются контроллеры, адресные дешифраторы, логика обрамления микропроцессоров, формирователи управляющих сигналов. На ПЛИС часто изготавливают микропрограммные автоматы и другие специализированные устройства, например цифровые фильтры, схемы обработки сигналов и изображения, процессоры быстрого преобразования функций Фурье и так далее.
В технике связи ПЛИС применяются в аппаратуре уплотнения телефонных сигналов. Применение ПЛИС становится актуальным еще и потому, что у разработчиков зачастую нет необходимых стандартных микросхем.
Нужно отметить, что уже несколько последних лет на рынке появились гибридные интегральные микросхемы, сочетающие в себе характерные черты ПЛИС и ППВМ. Развитие этого направления привело к созданию совершенно особого, нового типа микросхем, известного под названием "система на кристалле". Остановимся подробнее на этой теме, так как многими специалистами она признаётся самой перспективной среди прочих направлений развития микросхем программируемой логики. Материал, изложенный здесь, почерпнут из источника [4].
Уменьшение топологических норм проектирования и ряд технологических усовершенствований довели уровень интеграции современных микросхем программируемой логики до величин в несколько миллионов эквивалентных вентилей, а быстродействие - до тактовых частот в 500-600 и более МГц. На таких кристаллах можно разместить целую систему (процессорную часть, память, интерфейсные схемы).
Определение ПЛИС как "система на кристалле" возникло благодаря двум факторам.
Во-первых, из-за высокого уровня интеграции, позволяющего разместить на кристалле схему высокой сложности (систему). При этом разные по функционированию блоки реализуются одними и теми же аппаратными средствами благодаря их программируемости.
Во-вторых, из-за того, что СБИС приобретает специализированные области, выделенные на кристалле для определённых функций, - аппаратные ядра.
Системы разного назначения разделяются, тем не менее, на типовые части, что и ставит вопрос о целесообразности введения в ПЛИС наряду с программируемой логикой специализированных областей с заранее опре-
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
112
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
деленными функциями. Введение специализированных аппаратных ядер, имея ряд позитивных следствий, сужает в то же время круг потребителей микросхем, поскольку в сравнении с полностью программируемыми схемами уменьшается их универсальность.
Реализация сложных функций специализированными аппаратными ядрами значительно уменьшает площадь кристалла в сравнении с их реализациями на конфигурируемых логических блоках. Для некоторых аппаратных ядер площадь снижается на порядок, для других меньше. Таким образом, введение специализированных аппаратных ядер в ПЛИС представляет собой процесс, противоречивый по результатам. Он сокращает площадь кристалла при реализации сложных функций и ведет к достижению максимального быстродействия, но и таит в себе нежелательные последствия для изготовителя СБИС, так как может ощутимо сузить рынок их сбыта, а это ведет к росту цен и в какой-то степени - к потере конкурентоспособности продукции.
Сейчас среди специализированных аппаратных ядер преобладают блоки оперативного запоминающего устройства. Эти блоки в той или иной мере нужны почти для всех систем, причем некоторые из них требуют очень больших объемов памяти. Как отмечалось выше, многие ППВМ уже давно основываются на ячейках ОЗУ, и эти ячейки могут быть не только применены для конфигурирования, но и далее объединяться в более емкие регистровые файлы. Однако такой вариант не дает максимального быстродействия и существенно снижает количество доступной пользователю логики кристалла.
В среднем блок ОЗУ с заказным проектированием емкостью 256-512 бит может быть реализован на площади в 10 раз меньше той, которая затрачивается на подобный блок, составленный из распределенных на кристалле ячеек памяти конфигурации. Время доступа также уменьшается в 1,5-4 раза.
Области оперативного запоминающего устройства - первые и, безусловно, главные специализированные аппаратные ядра. Других не так уж много. Это умножители, используемые в некоторых ПЛИС, а также схемы интерфейса периферийного сканирования, ядра которого успешно внедрились во многие микросхемы, поскольку они выполняют важные функции, нужные очень многим, занимают очень небольшую площадь на кристалле и позволяют достичь высокого быстродействия.
Заключение
Подводя итоги, можем выделить следующее. Перед разработчиками микропроцессорных централизаций стоит нерешенная проблема безопасности прикладного программного обеспечения МПЦ. В качестве альтернативного пути предлагается обратить внимание на современные микросхемы программируемой логики, используя которые можно обойти проблему
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
Транспортное, промышленное и гражданское строительсТВЗ
безопасности ППО. Программируемые логические интегральные схемы на сегодняшний день представлены широким спектром устройств и областью применения.
Электрическая централизация на такой элементной базе является компромиссом между релейными и компьютерными системами, сочетая в себе их достоинства (сравнительно низкая стоимость, отсутствие материалоемких и энергоемких элементов) и лишенная их недостатков (отсутствие операционной системы и программного обеспечения).
Библиографический список
1. Проблема доказательства безопасности аппаратной и программной реализации функций электрической централизации / О. К. Дрейман, Д. С. Марков, А. А. Лыков // Автоматика и телемеханика на железных дорогах. Техническая эксплуатация и сертификация. - СПб. : ПГУПС, 2000. - 113 с.
2. Станционные системы автоматики и телемеханики : учебник для вузов ж.-д. транспорта / Вл. В. Сапожников, Б. Н. Елкин, И. М. Кокурин. - М. : Транспорт. - 1997. -432 с. - ISBN 5-277-02176-0.
3. Системы автоматизированного проектирования фирмы Altera MAX+plus II и Quartus II : краткое описание и самоучитель / Д. А. Комолов, Р. А. Мяльк, А. А. Зобенко, А. С. Филиппов. - М. : ИП «Радиософт», 2002. - 352 с.
4. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики / Р. И. Грушвицкий, А. Х. Мурсаев, Е. П. Угрюмов. - СПб. : БХВ-Петербург, 2002. -608 с. - ISBN 5-94157-002-3.
Статья поступила в редакцию 20.03.2008;
представлена к публикации членом редколлегии Вл. В. Сапожниковым.
УДК 624.21.03 И. Г. Ганиев
РАСЧЁТ ИЗНОСА В ЭЛЕМЕНТАХ ПРОЛЁТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ С УЧЁТОМ КОРРОЗИИ АРМАТУРЫ
В статьи приведена методика расчета износа в элементах пролетных строений мостов с учетом коррозии арматуры. Определено, что наиболее сильное снижение класса происходит в наружной консоли плиты.
износ, пролет мостов, коррозия арматуры, балка.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
