王 鑫，丁 歡，王國(guó)英

（1．中鐵二十一局集團(tuán)電務(wù)電化工程有限公司，蘭州 730000；2．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；3．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

近年來，鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)高速發(fā)展，經(jīng)歷了人工控制、機(jī)械控制、繼電控制、計(jì)算機(jī)控制等階段，現(xiàn)在已進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化信息控制為主的階段。為適應(yīng)鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，各類小型平臺(tái)接踵而出。這類小型平臺(tái)普遍具有較強(qiáng)的靈活性、低廉的成本、較高的可靠性、良好的抗震性和便捷的擴(kuò)展性等特點(diǎn)，可應(yīng)用于室內(nèi)和室外。其中北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司開發(fā)的小型平臺(tái)兼具這些特點(diǎn)。

該小型平臺(tái)可作為軌旁設(shè)備的安全執(zhí)行單元，將邏輯控制置于現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的分布式遠(yuǎn)程控制，大幅度減少信號(hào)電纜的使用量，減少能源消耗，減低工程造價(jià)，利用小型平臺(tái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的本地化，可有效提高軌旁信號(hào)設(shè)備控制的可靠性和安全性。

該小型平臺(tái)以支撐分散式道口、計(jì)軸等軌旁設(shè)備為落腳點(diǎn)，是一種安全、可靠、可擴(kuò)展性強(qiáng)的安全執(zhí)行單元產(chǎn)品應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺(tái)。主要適用于分散式道口、計(jì)軸、智能轉(zhuǎn)轍機(jī)等軌旁終端執(zhí)行設(shè)備。

本文著重介紹小型平臺(tái)的從模塊邏輯控制部分的設(shè)計(jì)。

2 小型平臺(tái)主要功能

小型平臺(tái)的主要功能如下：

1）小型平臺(tái)根據(jù)接收到的繼電信號(hào)、模擬電壓電流或以太網(wǎng)等通信數(shù)據(jù)等輸入信號(hào)，進(jìn)行信息的摘取，最終按照產(chǎn)品規(guī)范需求生成符合特定軌旁設(shè)備應(yīng)用所需要的輸出信號(hào)，向適配的軌旁執(zhí)行設(shè)備發(fā)送；

2）當(dāng)輸入接口故障時(shí)，能導(dǎo)向適配的軌旁設(shè)備安全側(cè)；

3）小型平臺(tái)有監(jiān)測(cè)、記錄與維護(hù)等功能。

3 小型平臺(tái)系統(tǒng)邊界

小型平臺(tái)系統(tǒng)邊界及接口如圖1 所示。

圖1 小型平臺(tái)系統(tǒng)邊界及接口示意圖Fig.1 Schematic diagram of system boundary and interfaces for compact platform

小型平臺(tái)包含如下接口。

電源接口：電源接口為小型平臺(tái)供電。

輸出接口：小型平臺(tái)與適配軌旁信號(hào)設(shè)備之間的接口。

通信接口：小型平臺(tái)與遠(yuǎn)程控制中心之間的接口，作為小型平臺(tái)的通信輸入輸出接口。

監(jiān)測(cè)接口：小型平臺(tái)通過監(jiān)測(cè)接口對(duì)各模塊的關(guān)鍵信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄并存儲(chǔ)在eMMC 等嵌入式存儲(chǔ)記錄芯片中，以備查看；同時(shí)監(jiān)測(cè)接口可以通過ETH 等通信方式向監(jiān)測(cè)維護(hù)終端報(bào)告運(yùn)行過程中的關(guān)鍵信息。

維護(hù)接口：小型平臺(tái)安全相關(guān)維護(hù)接口通過ETH 或USB 接口對(duì)平臺(tái)層的主控模塊等進(jìn)行安全相關(guān)配置操作；通過非安全相關(guān)維護(hù)接口通過ETH接口對(duì)平臺(tái)層的其他非安全模塊進(jìn)行記錄讀取、監(jiān)測(cè)、參數(shù)配置等非安全相關(guān)操作。

4 小型平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小型平臺(tái)系統(tǒng)為二乘二取二結(jié)構(gòu)，取二部分主要由電源模塊、主控模塊、輸入模塊、輸出模塊、通信模塊等功能模塊組成。根據(jù)應(yīng)用要求及輸入接口形式，小型平臺(tái)可適配各類軌旁信號(hào)設(shè)備。

小型平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 小型平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of system structure of compact platform

5 小型平臺(tái)從模塊邏輯控制主要功能

5.1 模塊結(jié)構(gòu)及主要功能

小型平臺(tái)從模塊邏輯控制結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

從模塊邏輯控制主要完成如下功能：

1）根據(jù)總線指令狀態(tài)執(zhí)行邏輯控制功能；

2）具有取二的功能；

3）外部數(shù)據(jù)獲取通道和內(nèi)部總線數(shù)據(jù)交互符合SIL4 安全等級(jí)要求。

5.2 從模塊邏輯控制設(shè)計(jì)組成

從模塊邏輯控制設(shè)計(jì)由電源部分、電源監(jiān)測(cè)部分、邏輯控制部分、復(fù)位電路、通信接口部分、溫度監(jiān)測(cè)部分和接口防護(hù)部分共7 部分組成。

圖3 小型平臺(tái)從模塊邏輯控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of logic control structure of slave module for compact platform

電源部分采用典型的設(shè)計(jì)方法，即隔離設(shè)計(jì)通過隔離電源模塊來實(shí)現(xiàn)，非隔離設(shè)計(jì)通過低壓差穩(wěn)壓電路LDO 和電源管理集成芯片來實(shí)現(xiàn)。外電通過符合隔離度要求的隔離電源模塊轉(zhuǎn)化為從模塊邏輯控制所需的內(nèi)部電源，再通過非隔離的DCDC 將該內(nèi)部電源轉(zhuǎn)化為其他所需的各種電源輸出。

電源監(jiān)測(cè)部分采用監(jiān)控電壓IC 以及AD 采集的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，一旦監(jiān)測(cè)到電源輸出異常，則及時(shí)對(duì)從模塊邏輯控制IC 產(chǎn)生復(fù)位動(dòng)作。

邏輯控制部分采用典型的FPGA+ARM 最小系統(tǒng)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按從模塊邏輯控制的需求，外擴(kuò)Flash、DDR3 等功能。

復(fù)位電路由邏輯控制IC 的復(fù)位電路和電源監(jiān)測(cè)復(fù)位電路組合邏輯與進(jìn)行設(shè)計(jì)。邏輯控制IC 的復(fù)位電路采用典型的看門狗電路進(jìn)行設(shè)計(jì)；電源監(jiān)測(cè)復(fù)位電路則是監(jiān)測(cè)關(guān)鍵的電源輸出，一旦輸出異常，立即對(duì)邏輯控制IC 產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。

通信接口部分由內(nèi)部接口和外部接口兩部分組成。內(nèi)部接口有CANFD、SPI、I2C、UART 和GPIO 等組成；外部接口只有ETH 接口。

溫度監(jiān)測(cè)部分是通過邏輯控制IC 的內(nèi)部接口與溫度傳感器進(jìn)行適配來實(shí)現(xiàn)。

接口防護(hù)部分主要是對(duì)小型平臺(tái)的輸入和輸出邏輯控制信號(hào)進(jìn)行熱插拔、阻抗匹配等進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。

6 結(jié)束語

邏輯控制設(shè)計(jì)主要是根據(jù)項(xiàng)目需求如操作系統(tǒng)、系統(tǒng)周期、存儲(chǔ)量、交互數(shù)據(jù)量、IO 個(gè)數(shù)、各類通信接口要求等進(jìn)行開展。小型平臺(tái)的從模塊邏輯控制是綜合考慮輕量化、低成本、高可靠以及滿足安全性等特性展開相應(yīng)的邏輯控制設(shè)計(jì)。