王國(guó)英，丁 歡，肖毅平

(1．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；2．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(lái)，鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)的發(fā)展日新月異，從傳統(tǒng)的人工、機(jī)械等控制方式調(diào)度指揮列車(chē)運(yùn)行，到如今的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化控制方式對(duì)列車(chē)運(yùn)行提供自動(dòng)化、精準(zhǔn)化的調(diào)度。先進(jìn)的控制方式最大程度提升列車(chē)運(yùn)營(yíng)的安全性和可靠性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)接發(fā)車(chē)和區(qū)間運(yùn)行的自動(dòng)化。

為適應(yīng)鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)兼具靈活、可靠、穩(wěn)定、可擴(kuò)展等特點(diǎn)的軌旁小型平臺(tái)。該小型平臺(tái)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，從而完成閉環(huán)控制的本地化，有效提高軌旁信號(hào)設(shè)備控制的可靠性和安全性。

本文著重介紹小型平臺(tái)的主控模塊設(shè)計(jì)。

2 小型平臺(tái)主要功能

小型平臺(tái)的主要功能集成了通信、采集和輸出等安全相關(guān)功能，以及監(jiān)測(cè)、記錄與維護(hù)等非安全相關(guān)功能。

3 小型平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小型平臺(tái)基于安全性、靈活性、可靠性和小型化等因素考慮，電氣部分設(shè)計(jì)采用滿足組合式故障-安全的二乘二取二結(jié)構(gòu)；機(jī)械設(shè)計(jì)采用可擴(kuò)展的導(dǎo)軌安裝結(jié)構(gòu)；元器件及模塊外殼材料的選型和信號(hào)設(shè)計(jì)的完整性等方面均按照高可靠性且小體積的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

綜上考慮，小型平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意如圖1所示。

圖1 小型平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram for system structure of compact platform

4 小型平臺(tái)主控模塊結(jié)構(gòu)及主要功能

4.1 主控模塊結(jié)構(gòu)

主控模塊是小型平臺(tái)的核心處理模塊，相當(dāng)于小型平臺(tái)的“大腦”，綜合考慮其安全性和功能性，小型平臺(tái)主控模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意如圖2 所示。

圖2 小型平臺(tái)主控模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Schematic diagram for structure of main control module of compact platform

4.2 主控模塊主要功能

主控模塊主要完成如下功能：

1）按照安全協(xié)議，通過(guò)以太網(wǎng)接口，獲取外部設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，用于小型平臺(tái)外部接口的控制數(shù)據(jù)輸入和輸出；

2）根據(jù)外部接口的控制數(shù)據(jù)輸入和輸出，小型平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)展從模塊的控制；

3）對(duì)外部輸入、內(nèi)部輸出進(jìn)行雙CPU 表決，表決通過(guò)后進(jìn)行安全處理發(fā)送至輸出模塊；

4）設(shè)備自檢、溫度監(jiān)控、運(yùn)行日志報(bào)告等；

5）小型平臺(tái)內(nèi)部采用CANFD 總線；

6）雙安全CPU 各提供一路RS-422 作為系間通信通道，兩個(gè)系間通信通道可配置為冗余關(guān)系或獨(dú)立關(guān)系；

7）雙安全CPU 各提供6 路切換信號(hào)，供雙系切換模塊使用；

8）對(duì)外提供一路監(jiān)測(cè)維護(hù)以太網(wǎng)，不需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，直接使用非安全CPU 的以太網(wǎng)通信。

5 主控模塊的設(shè)計(jì)

5.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

主控模塊的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)遵循EN50129 的要求，考慮主控模塊的外部接口、數(shù)據(jù)處理速度、處理的數(shù)據(jù)量、內(nèi)部接口、應(yīng)用環(huán)境等因素，展開(kāi)主控模塊的具體設(shè)計(jì)。

主控模塊的安全部分滿足二取二的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，安全部分取二通道之間、安全通道與非安全通道之間均采用隔離電源和隔離芯片，保證電氣獨(dú)立性；主運(yùn)算處理器選擇上滿足軟件運(yùn)行周期要求，接口種類(lèi)和數(shù)量滿足需求；所有器件都使用工業(yè)級(jí)芯片，滿足規(guī)定使用環(huán)境下可靠性要求；電路設(shè)計(jì)上考慮EMC 等因素，使用必要的防護(hù)電路。

5.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

主控模塊的設(shè)計(jì)由安全相關(guān)部分和非安全相關(guān)部分構(gòu)成。安全相關(guān)部分設(shè)計(jì)成硬件二取二故障安全結(jié)構(gòu)，主要承擔(dān)安全通信、輸入和輸出數(shù)據(jù)安全處理等功能；非安全相關(guān)部分主要承擔(dān)維護(hù)更新和監(jiān)測(cè)記錄等功能。

5.3 安全相關(guān)部分模塊設(shè)計(jì)

安全相關(guān)部分模塊采用硬件相同的兩通道，對(duì)安全輸入和輸出接口進(jìn)行二取二表決。

每個(gè)安全通道模塊設(shè)計(jì)由電源部分、監(jiān)控部分、安全數(shù)據(jù)處理部分、安全通信接口部分、復(fù)位部分和隔離防護(hù)部分等組成。

電源部分主要采用帶時(shí)序控制的多軌非隔離的DC-DC 模塊從安全邏輯電取電，從而生成安全處理器所需的各軌電源，保證安全處理器可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。

監(jiān)控部分設(shè)計(jì)主要針對(duì)各軌輸出電壓精度、安全處理器運(yùn)行溫度、安全輸入輸出數(shù)據(jù)處理異常等的監(jiān)控。

安全數(shù)據(jù)處理部分采用SitaraTM ARM Cortex-A9 32-Bit RISC 結(jié)構(gòu)的處理器，數(shù)據(jù)處理速度可達(dá)1 GHz 的處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

安全通信接口部分采用處理器提供的種類(lèi)多樣且數(shù)量可觀的外部接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體用到了UART、通用IO、SPI、AD、DSS、I2C、RMII、USB、eMMC 等接口。

復(fù)位部分采用看門(mén)狗邏輯控制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)。

隔離防護(hù)部分主要包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)隔離、阻抗匹配以及熱插拔等設(shè)計(jì)。

5.4 非安全相關(guān)部分模塊設(shè)計(jì)

非安全相關(guān)部分模塊設(shè)計(jì)由電源部分、監(jiān)控部分、運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)記錄部分、藍(lán)牙部分、電子標(biāo)簽部分等組成。

電源部分的設(shè)計(jì)與安全相關(guān)部分電源設(shè)計(jì)類(lèi)似。

監(jiān)控部分設(shè)計(jì)主要針對(duì)監(jiān)測(cè)維護(hù)處理器各軌電壓精度、運(yùn)行溫度等的監(jiān)控。

運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)記錄部分同樣采用了SitaraTM ARM Cortex-A9 32-Bit RISC 結(jié)構(gòu)的處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

藍(lán)牙部分采用兼容藍(lán)牙5 的帶Cortex-M4F 核的SOC 進(jìn)行設(shè)計(jì)。

電子標(biāo)簽部分設(shè)計(jì)采用I2C 接口的EEPROM進(jìn)行設(shè)計(jì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

主控模塊設(shè)計(jì)主要是根據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)需求例如平臺(tái)是否要運(yùn)行操作系統(tǒng)，平臺(tái)與外部接口采用何種通信方式，通信的數(shù)據(jù)量有多大，通信的實(shí)時(shí)性要求等進(jìn)行設(shè)計(jì)。主控模塊的設(shè)計(jì)在滿足了平臺(tái)系統(tǒng)需求之后，可考慮采用當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的一些先進(jìn)技術(shù)，以保證平臺(tái)完成相關(guān)認(rèn)證并應(yīng)用于市場(chǎng)后能夠具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。