analiza i synteza specjalizowanych układów modelowania i

analiza i synteza specjalizowanych układów modelowania i

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 68
Transport
2009
Piotr Kawalec
Wydział Transportu
ANALIZA I SYNTEZA SPECJALIZOWANYCH
UKŁADÓW MODELOWANIA I STEROWANIA
RUCHEM W TRANSPORCIE
Re˛kopis dostarczono 20.04.2009 r.
W pracy przedstawiono nowe podejście do projektowania specjalizowanych układów modelowania i sterowania ruchem w transporcie. Polega ono na zastosowaniu do tego celu je˛zyków
opisu sprze˛tu HDL oraz programowalnych struktur logicznych. We wste˛pie pracy uzasadniono,
że powrót do sprze˛towej realizacji algorytmów modelowania sterowania pozwoli uzyskać
znaczne przyśpieszenie działania układów oraz uzyskać poprawe˛ wskaźników bezpiecznościowych i niezawodnościowych. Uwzgle˛dniaja˛c zasoby współczesnych struktur programowalnych,
możliwa jest realizacja jednoukładowych sterowników lokalnych i obiektowych. Wskazano, że
jak dotychczas, nowe metody analizy i syntezy układów cyfrowych nie znalazły swojego odzwierciedlenia w metodyce projektowania układów modelowania i sterowania ruchem w transporcie. W rozdziale 2 przedstawiono metody i narze˛dzia projektowania specjalizowanych układów cyfrowych. Po dokonaniu przegla˛du programowalnych struktur logicznych, wskazano, że
realizacja układów specjalizowanych w tych strukturach pozwala na poła˛czenie zalet sprze˛towych i programowych metod realizacji algorytmów sterowania i przetwarzania danych. Przedstawiono podstawowe cechy je˛zyków opisu sprze˛tu, wskazuja˛c na szczególna˛ przydatność
je˛zyka VHDL do specyfikacji układów modelowania i sterowania ruchem w transporcie. Ponieważ obecnie brak jest systemu komputerowego projektowania jednego producenta, dokonano
przegla˛du pakietów wspomagania komputerowego, wybieraja˛c te, które, po zintegrowaniu,
be˛da˛ najlepszym systemem projektowania komputerowego. Dokonano przegla˛du stanowisk
uruchomieniowych dla prototypów układów. W rozdziale 3 przedstawiono metodyke˛ projektowania specjalizowanych układów modelowania i sterowania ruchem w transporcie, obejmuja˛ca˛
specyfikacje˛, synteze˛, implementacje˛ i prototypowanie tworzonych układów. Pokazano, że do
specyfikacji takich układów szczególnie przydatne sa˛ grafy sterowania, w tym grafy hierarchiczne, natomiast specyfikacje˛ złożonych układów najlepiej przeprowadzać metoda˛ strukturalna˛
w postaci bloków hierarchicznych. Wskazano na konieczność stosowania mechanizmów automatycznej syntezy i implementacji układów specjalizowanych w strukturach FPGA. Przedstawiono proces weryfikacji prototypów układów na stanowiskach uruchomieniowych. Rozdział 4
poświe˛cony jest sprze˛towym generatorom liczb pseudolosowych zbudowanych na LFSR-ach.
Przedstawiono podstawowe metody generowania liczb losowych, wskazuja˛c na zalety rozwia˛zań sprze˛towych. Wykorzystuja˛c generatory zbudowane na dwóch LFSR-ach opracowano
4
Wykaz oznaczeń i akronimów
i zbudowano szesnastokanałowy generator liczb pseudolosowych w strukturze FPGA. Na podstawie zbudowanego generatora wielokanałowego, opracowano sprze˛towe generatory o zadanym rozkładzie. Szczegółowo omówiono generatory o rozkładach wykładniczym i normalnym.
W rozdziale 5 przedstawiono układy arytmetyki stochastycznej, tworza˛ce funkcjonalnie pełny
zbiór. Szczególna˛ uwage˛ poświe˛cono budowie stochastycznych układów dziela˛cych oraz komparatorów stochastycznych. Przedstawiono wyniki weryfikacji działania układów stochastycznych. Rozdział 6 poświe˛cony jest specjalizowanym układom modelowania i sterowania ruchem
drogowym. Na przykładzie reprezentatywnych układów sterowników lokalnych, sterowników
obszarowych oraz układów detekcji, klasyfikacji i przetwarzania danych o pojazdach, stosuja˛c
opracowana˛ metodyke˛, pokazano proces projektowania specjalizowanych układów. Zastosowano specyfikacje˛ poszczególnych algorytmów z wykorzystaniem edytora grafów przejść automatów skończonych FSM, w postaci grafów hierarchicznych. Natomiast specyfikacje˛ całego układu przeprowadzono w edytorze schematów blokowych BDE, w postaci hierarchicznej struktury
blokowej. Weryfikacje˛ poprawności zbudowanych algorytmów oraz poprawności ich specyfikacji przeprowadzono w postaci symulacji funkcjonalnej oraz symulacji czasowej. Otrzymane
wyniki wykorzystania zasobów struktur FPGA oraz parametry czasowe i niezawodnościowe,
w pełni potwierdziły celowość realizacji tych układów w postaci specjalizowanej. Dodatkowym
argumentem przemawiaja˛cym za zastosowaniem opracowanej metodyki projektowania specjalizowanych układów modelowania i sterowania ruchem w transporcie, jest możliwość budowy
sprze˛towych modeli ruchu sterowanego na skrzyżowaniach, cia˛gach i obszarach miasta.
Wykaz ważniejszych oznaczeń i akronimów
ASIC
BDE
CLK
CPLD
FIT
FPGA
FPLD
FSM
GLP
GSA
HDE
HDL
n-wymiarowa przestrzeń binarna
alfabet wejściowy automatu
alfabet wewne˛trzny automatu
alfabet wyjściowy automatu
funkcja przejść
funkcja wyjść
wartość oczekiwana zmiennej losowej
wariancja zmiennej losowej
macierz kolizji
wektor kolizji dla i-tego strumienia pojazdów
wektor awarii dla i-tego strumienia pojazdów
wektor sterowań dla i-tego strumienia pojazdów
wektor zgłoszeń dla i-tego strumienia pojazdów
układy specjalizowane przez producenta
edytor schematów blokowych
sygnał taktuja˛cy (zegarowy)
reprogramowalne układy typu bramkowego
parametr uszkodzeń w czasie układów FPGA
reprogramowalne układy typu komórkowego
układy reprogramowalne
edytor grafów przejść automatów skończonych
generator liczb pseudolosowych
graficzny schemat algorytmu
edytor tekstowy je˛zyków HDL
je˛zyki opisu sprze˛tu