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簡析南京地鐵四號(hào)線車輛段計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖主機(jī)設(shè)計(jì)論文
1概述
NRIET-CI-Ⅲ型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)用于南京地鐵四號(hào)線青龍車輛段，青龍車輛段計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)主要由上位機(jī)子系統(tǒng)、車輛段聯(lián)鎖子系統(tǒng)、室外設(shè)備子系統(tǒng)以及各子系統(tǒng)之間通信通道子系統(tǒng)組成。聯(lián)鎖子系統(tǒng)是聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心，用于實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖功能的。聯(lián)鎖子系統(tǒng)必須具有故障—安全性能，除了接收來自上位機(jī)子系統(tǒng)的操作信息外，還接收來自室外設(shè)備子系統(tǒng)發(fā)送的反映信號(hào)機(jī)、道岔和軌道區(qū)段狀態(tài)的信息。聯(lián)鎖子系統(tǒng)的功能是根據(jù)聯(lián)鎖需求對輸入的操作信息和狀態(tài)信息，以及聯(lián)鎖系統(tǒng)當(dāng)前內(nèi)部信息進(jìn)行處理，改變內(nèi)部信息，產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)控制命令和道岔控制命令，并交付室外設(shè)備子系統(tǒng)實(shí)施執(zhí)行，最終使信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生改變。
2計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)聯(lián)鎖主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
聯(lián)鎖主機(jī)采用城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中普遍應(yīng)用的安全計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過采集外部信號(hào)設(shè)備繼電器狀態(tài)以及接受來自遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息，進(jìn)行處理，將處理結(jié)果輸出，控制外部設(shè)備繼電器以及通過網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)端發(fā)送信息。系統(tǒng)按照故障-安全原則設(shè)計(jì)，設(shè)備故障時(shí)導(dǎo)向安全。核心處理模塊采用三取二表決結(jié)構(gòu)，具有完備的故障診斷及安全反應(yīng)機(jī)制。
安全計(jì)算機(jī)由以下單元組成：主處理單元(MPU)、數(shù)字輸入板(DI)、數(shù)字輸出板(DO)、通信板(COM)、安全狀態(tài)監(jiān)控板(VSC)、中繼擴(kuò)展板(GATE)、機(jī)箱電源等。MPU板負(fù)責(zé)信息處理，3塊MPU組成三取二表決結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生單MPU板故障時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為二取二表決工作。DI板負(fù)責(zé)采集外部設(shè)備繼電器信息，供MPU板讀取。DO板接受MPU板處理結(jié)果，控制外部設(shè)備繼電器。COM板負(fù)責(zé)系統(tǒng)與遠(yuǎn)端設(shè)備通信，通信鏈路為百兆以太網(wǎng)。2塊COM板為1:1熱備工作方式。VSC板負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)中MPU板、GATE板、COM板的工作狀態(tài)，管理各個(gè)受控板的電源和24V電源，為MPU板提供同步信息。2塊VSC板為1:1熱備工作方式。GATE板實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展DI、DO的板數(shù)。電源機(jī)箱為系統(tǒng)提供5V和24V電源，5V為本系統(tǒng)使用，24V用于外部繼電器供電。
3聯(lián)鎖主機(jī)系統(tǒng)互連架構(gòu)
3塊MPU板組成三取二邏輯表決系統(tǒng);DI數(shù)字輸入板采集繼電器的狀態(tài)信息通過裁剪VME總線送至MPU板進(jìn)行三取二表決;DO數(shù)字輸出板通過裁剪VME總線接收MPU板信息通過三取二表決后驅(qū)動(dòng)繼電器;COM板完成與外界的數(shù)據(jù)通信;GATE板用于系統(tǒng)擴(kuò)展，以采集/驅(qū)動(dòng)更多的IO點(diǎn);VSC板對MPU板、GATE板和COM板的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并負(fù)責(zé)系統(tǒng)的同步。
系統(tǒng)內(nèi)部通信主要有HDLC鏈路、MSI鏈路、裁剪VME總線。
MPU板、COM板、GATE板之間均有HDLC鏈路可進(jìn)行通信。MPU板通過裁剪VME總線與DI、DO板進(jìn)行通信。MPU板通過裁剪VME總線對各個(gè)DI、DO板輪詢可獲知對應(yīng)DI、DO板是否在位，通過讀取狀態(tài)信息獲知對應(yīng)DI、DO板是否正常。為配合MPU板三取二邏輯結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中有獨(dú)立的三套裁剪VME總線分別屬于每個(gè)MPU板。
MSI鏈路用于VSC接受各個(gè)受控板(所有MPU板、COM板、GATE板，包括相鄰VSC板)上報(bào)狀態(tài)信息和發(fā)送信息。特別地，VSC板之間的MSI通道為雙向雙路冗余。
2塊VSC共同參與管理各個(gè)受控板的5V和24V電源。VSC通過硬連線給各板供電電路發(fā)送供電脈沖，供電脈沖可以使供電電路的驅(qū)動(dòng)繼電器閉合，從而為MPU板、COM板、GATE板通電。
4聯(lián)鎖主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部通信
MSI通信采取雙線傳輸。一線傳輸0.1ms幀同步脈沖(周期0.1ms，占空比的50%方波)，同時(shí)作為心跳信號(hào);另一線傳輸幀數(shù)據(jù)，每bit數(shù)據(jù)占據(jù)10個(gè)25MHz時(shí)鐘節(jié)拍，0.1ms周期內(nèi)可發(fā)送的極限數(shù)據(jù)量為250bit，MSI通信的最大通信速率為2.5Mbps。考慮到鏈路負(fù)載，設(shè)計(jì)方案采取每周期傳輸數(shù)據(jù)量202bit。
HDLC通信用于系統(tǒng)內(nèi)部MPU板、GATE板、COM板之間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)HDLC通信采用點(diǎn)對點(diǎn)、主從可配置方式。HDLC通信使用MPC8323自帶4個(gè)SCC和1個(gè)FCC端口實(shí)現(xiàn)，通信速率可達(dá)到10Mbps。MPC8323E是集成QUICCEngine1.0通信協(xié)處理器，該協(xié)處理器支持ATM、網(wǎng)絡(luò)、TDM和HDLC通信協(xié)議，帶5個(gè)UCCs接口，UCCs可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)配置。每個(gè)HDLC幀尾由CPU硬件自動(dòng)加入16位CRC校驗(yàn)。MPU板把5個(gè)UCCs全部配置為HDLC通信協(xié)議模式，傳輸過程中為了保證傳輸?shù)目煽啃圆捎貌罘?22電平傳輸，電平驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換芯片采用DS26LV32AT接收器，DS26LV31T發(fā)送器。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中裁剪VME總線通信方式為主從式通信，從設(shè)備不需發(fā)起總線請求，只能等待外部主設(shè)備來讀寫，故去除了部分不必要的信號(hào)控制線。從設(shè)備將數(shù)據(jù)存入對應(yīng)的寄存器中，外部設(shè)備通過總線可讀取這些寄存器。每套總線有16bit地址線、8bit數(shù)據(jù)線加上一些控制信號(hào)組合，數(shù)據(jù)傳輸率大于1MB/S。裁剪VME總線是TTL電平的異步通信;支持對數(shù)據(jù)的讀寫、修改功能，且支持總線傳送錯(cuò)誤檢測功能。
5聯(lián)鎖主機(jī)系統(tǒng)同步原理
3塊MPU板構(gòu)成三取二邏輯結(jié)構(gòu)，采集/驅(qū)動(dòng)外部繼電器的動(dòng)作應(yīng)保證同時(shí)性。3塊MPU板同時(shí)產(chǎn)生5ms同步脈沖，確保3塊MPU板的5ms脈沖同頻同相，相差小于12us;發(fā)送5ms脈沖時(shí)附帶的時(shí)間戳信息保持同步。
系統(tǒng)同步的實(shí)現(xiàn)依靠2塊VSC板產(chǎn)生同步信號(hào)，通過MSI鏈路發(fā)送至各個(gè)MPU板，各個(gè)MPU板跟隨VSC同步信號(hào)，校正本地中斷計(jì)數(shù)器，從而保證動(dòng)作同步。2塊VSC板維持一主一備機(jī)制，確保可以向MPU板提供可用的同步脈沖，必要時(shí)發(fā)生主備切換，該切換為無擾切換且切換時(shí)間不超過1ms。
6系統(tǒng)安全工作方式
系統(tǒng)采用硬件同步，軟件表決的工作方式。在每個(gè)同步周期內(nèi)(同步周期可根據(jù)需要適當(dāng)配置)，MPU按輸入、應(yīng)用處理、輸出的次序進(jìn)行工作。
(1)首先，DI板采用固有安全采集電路采集外部繼電器狀態(tài)，并將采集結(jié)果通過3路獨(dú)立的裁剪VME總線傳送給3路獨(dú)立的MPU板(如果是GATE板采集，則由GATE板轉(zhuǎn)發(fā)給MPU板)。3路(或2路)獨(dú)立的MPU板將采集來的DI結(jié)果通過MPU間的HDLC通信通道互相傳送，進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的3取2表決(或2取2比較)，其表決結(jié)果也可用于通信的錯(cuò)誤檢測。同時(shí)，MPU板通過HDLC通信通道接收從COM板轉(zhuǎn)發(fā)過來的外部報(bào)文。COM板對外部報(bào)文的處理是采用冗余的工作方式。
(2)其次，MPU板應(yīng)用程序(ATP應(yīng)用軟件或聯(lián)鎖應(yīng)用軟件)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成邏輯處理，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將應(yīng)用邏輯處理的結(jié)果通過HDLC通信通道傳送給其余的MPU板，3個(gè)(或2個(gè))MPU板將收集到的MPU板處理結(jié)果進(jìn)行3取2比較表決(或2取2比較)。
(3)最后，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將表決的結(jié)果，一方面通過VME總線傳送給DO板，另一方面通過COM板傳送給外部系統(tǒng)。每個(gè)DO板同時(shí)接收到3路VME總線傳來的表決結(jié)果，并通過FPGA(表決后)利用固有安全的驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)外部繼電器。同時(shí)，利用對驅(qū)動(dòng)結(jié)果的反饋控制，如果驅(qū)動(dòng)結(jié)果錯(cuò)誤并有導(dǎo)向危險(xiǎn)側(cè)的趨勢，DO板將切斷驅(qū)動(dòng)電路工作電源。
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