CARATTERIZZAZIONE E VALIDAZIONE DI UNA SCHEDA BASATA SU MPSOC XILINX PER IL CONTROLLO VITALE IN AUTONOMOUS TRAIN OPERATION

The European Union (EU), in the context of the Shift2Rail project in the railway sector, has provided a huge push towards the development of automatic railway traffic management systems that would allow for the optimization of consumption, better interoperability between the various national systems and an increase in transport capacity. In this context, the Automatic Train Operation module, briefly ATO, was introduced, which, alongside and integrating with the already existing and widespread ERTMS / ETCS architecture, forms the well-known ATO over ETCS structure. This architecture aims to perform the most disparate functions of control and autonomous driving of a railway train, in a totally independent way from human intervention, thus achieving ever higher degrees of automation, GoA in short. Starting from these assumptions, this thesis has dealt with characterizing and validating a card for the vital control on board the train which, by integrating into an ATO over ETCS architecture, partially replaces the ETCS in its supervisory functions on the condition. operation of the train and interfacing with all on-board and ground systems and subsystems in order to monitor the evolution of traffic, the status of operational missions and free the section quickly and in total safety for the rapid resumption of regular traffic. In this context, it was necessary to carry out an experimental test phase of the most important low speed (SPI, RS485 / 422 and CAN) and high speed (fast ethernet and gigabit ethernet) communication buses present on board the vital module, exploiting, from the software point of view , the various controllers that can be instantiated in the PS and PL sections of the MPSoC in the Vivado environment and usable through dedicated firmware in the Vitis environment. From the hardware point of view, a specific hardware setup was used for the low speed interfaces which, where necessary, required the connection of an external peripheral or an oscilloscope with the function of decoding serial protocols. For the high speed interfaces (ethernet), a dedicated PCB acting as a backplane was used which, by connecting to SMO, allows the use of two RJ45 connectors to which it is possible to connect via UTP cat.5 cable. The experimental results confirmed the correct transmission and reception of frames and randomized packets for low speed peripherals (SPI, CAN, RS4xx with UART protocol) showing full equality between the number of packets sent and the number of packets correctly received and decoded. The result was repeatable at the different working frequencies envisaged by the reference regulatory subsets. As for the high-speed peripherals, the four Fast Ethernet (10 / 100M) available on the board have shown that they can exchange up to 3.3Gb of data in 290 s with an average speed of 94.8Mb / s both configured as a server and as a client. The Gigabit Ethernet controller has also shown that it can successfully manage the data exchange between an external single board computer and the SMO application logic instantiated on the RFIOS proprietary real-time operating system.

L’Unione Europea (UE), nel contesto del progetto Shift2Rail in ambito ferroviario, ha fornito una spinta enorme verso lo sviluppo di sistemi automatici di gestione del traffico ferroviario che consentissero l’ottimizzazione dei consumi, una migliore interoperabilità tra i diversi sistemi nazionali e un aumento della capacità di trasporto. In questo contesto è stato introdotto il modulo Automatic Train Operation, brevemente ATO, il quale, affiancandosi ed integrandosi, con la già vigente e diffusa architettura ERTMS/ETCS costituisce la nota struttura ATO over ETCS. Questa architettura si pone l’obiettivo di svolgere le funzioni più disparate di controllo e guida autonoma di un convoglio ferroviario, in maniera totalmente indipendente dall’intervento umano, raggiungendo così gradi di automazione, brevemente GoA, sempre più elevati. A partire da questi presupposti, questo lavoro di tesi si è occupato di caratterizzare e validare una scheda per il controllo vitale a bordo del treno la quale, integrandosi in una architettura ATO over ETCS, sostituisca parzialmente l’ETCS nelle sue funzioni di vigilanza sulla condizione operativa del treno e di interfacciamento con tutti i sistemi e sottosistemi di bordo e di terra in modo da monitorare l’evolversi del traffico, lo stato delle missioni operative e liberare rapidamente e in totale sicurezza la tratta per la rapida ripresa del traffico regolare. In questo contesto, si è resa necessaria una fase di test sperimentali dei più importanti bus di comunicazione low speed (SPI, RS485/422 e CAN) e high speed (fast ethernet e gigabit ethernet) presenti a bordo del modulo vitale sfruttando, dal punto di vista software, i vari controller istanziabili nelle sezioni PS e PL del MPSoC in ambiente Vivado e utilizzabili attraverso firmware dedicati in ambiente Vitis. Dal punto di vista hardware è stato utilizzato, per le interfacce low speed, uno specifico setup hardware che, laddove necessario, ha richiesto il collegamento di una periferica esterna o di un oscilloscopio con funzione di decodifica di protocolli seriali. Per le interfacce high speed (ethernet) è stata utilizzata in aggiunta una PCB dedicata facente funzione di backplane che, collegandosi a SMO, permette l’utilizzo di due connettori RJ45 a cui è possibile connettersi via cavo UTP cat.5. I risultati sperimentali hanno confermato la corretta trasmissione e ricezione di frame e pacchetti randomizzati per le periferiche low speed (SPI, CAN, RS4xx con protocollo UART) mostrando una piena uguaglianza tra numero di pacchetti inviati e numero di pacchetti correttamente ricevuti e decodificati. Il risultato è risultato ripetibile alle diverse frequenze di lavoro previste dai subset normativi di riferimento. Per quanto concerne le periferiche high-speed, le quattro Fast Ethernet (10/100M) disponibili su scheda hanno dimostrato di poter scambiare fino a 3.3Gb di dati in 290 s con una velocità media di 94.8Mb/s sia configurate come server che come client. Il controller Gigabit Ethernet ha inoltre dimostrato di poter gestire con successo lo scambio dati tra una single board computer esterno e la logica applicativa di SMO istanziata sul sistema operativo real-time proprietario RFIOS.