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簡(jiǎn)析南京地鐵四號線(xiàn)車(chē)輛段計算機聯(lián)鎖主機設計論文
1概述
NRIET-CI-Ⅲ型計算機聯(lián)鎖系統用于南京地鐵四號線(xiàn)青龍車(chē)輛段，青龍車(chē)輛段計算機聯(lián)鎖系統主要由上位機子系統、車(chē)輛段聯(lián)鎖子系統、室外設備子系統以及各子系統之間通信通道子系統組成。聯(lián)鎖子系統是聯(lián)鎖系統的核心，用于實(shí)現聯(lián)鎖功能的。聯(lián)鎖子系統必須具有故障—安全性能，除了接收來(lái)自上位機子系統的操作信息外，還接收來(lái)自室外設備子系統發(fā)送的反映信號機、道岔和軌道區段狀態(tài)的信息。聯(lián)鎖子系統的功能是根據聯(lián)鎖需求對輸入的操作信息和狀態(tài)信息，以及聯(lián)鎖系統當前內部信息進(jìn)行處理，改變內部信息，產(chǎn)生相應的信號控制命令和道岔控制命令，并交付室外設備子系統實(shí)施執行，最終使信號設備的狀態(tài)發(fā)生改變。
2計算機聯(lián)鎖系統聯(lián)鎖主機結構設計
聯(lián)鎖主機采用城市軌道交通信號系統中普遍應用的安全計算機系統，通過(guò)采集外部信號設備繼電器狀態(tài)以及接受來(lái)自遠端網(wǎng)絡(luò )的相關(guān)信息，進(jìn)行處理，將處理結果輸出，控制外部設備繼電器以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò )向遠端發(fā)送信息。系統按照故障-安全原則設計，設備故障時(shí)導向安全。核心處理模塊采用三取二表決結構，具有完備的故障診斷及安全反應機制。
安全計算機由以下單元組成：主處理單元(MPU)、數字輸入板(DI)、數字輸出板(DO)、通信板(COM)、安全狀態(tài)監控板(VSC)、中繼擴展板(GATE)、機箱電源等。MPU板負責信息處理，3塊MPU組成三取二表決結構，當發(fā)生單MPU板故障時(shí)，系統可自動(dòng)轉換為二取二表決工作。DI板負責采集外部設備繼電器信息，供MPU板讀取。DO板接受MPU板處理結果，控制外部設備繼電器。COM板負責系統與遠端設備通信，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板負責監控系統中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)現擴展DI、DO的板數。電源機箱為系統提供5V和24V電源，5V為本系統使用，24V用于外部繼電器供電。
3聯(lián)鎖主機系統互連架構
3塊MPU板組成三取二邏輯表決系統;DI數字輸入板采集繼電器的狀態(tài)信息通過(guò)裁剪VME總線(xiàn)送至MPU板進(jìn)行三取二表決;DO數字輸出板通過(guò)裁剪VME總線(xiàn)接收MPU板信息通過(guò)三取二表決后驅動(dòng)繼電器;COM板完成與外界的數據通信;GATE板用于系統擴展，以采集/驅動(dòng)更多的IO點(diǎn);VSC板對MPU板、GATE板和COM板的狀態(tài)進(jìn)行監控并負責系統的同步。
系統內部通信主要有HDLC鏈路、MSI鏈路、裁剪VME總線(xiàn)。
MPU板、COM板、GATE板之間均有HDLC鏈路可進(jìn)行通信。MPU板通過(guò)裁剪VME總線(xiàn)與DI、DO板進(jìn)行通信。MPU板通過(guò)裁剪VME總線(xiàn)對各個(gè)DI、DO板輪詢(xún)可獲知對應DI、DO板是否在位，通過(guò)讀取狀態(tài)信息獲知對應DI、DO板是否正常。為配合MPU板三取二邏輯結構，系統中有獨立的三套裁剪VME總線(xiàn)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(guò)硬連線(xiàn)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動(dòng)繼電器閉合，從而為MPU板、COM板、GATE板通電。
4聯(lián)鎖主機系統內部通信
MSI通信采取雙線(xiàn)傳輸。一線(xiàn)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;另一線(xiàn)傳輸幀數據，每bit數據占據10個(gè)25MHz時(shí)鐘節拍，0.1ms周期內可發(fā)送的極限數據量為250bit，MSI通信的最大通信速率為2.5Mbps�？紤]到鏈路負載，設計方案采取每周期傳輸數據量202bit。
HDLC通信用于系統內部MPU板、GATE板、COM板之間的數據交換。系統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，通信速率可達到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。MPU板把5個(gè)UCCs全部配置為HDLC通信協(xié)議模式，傳輸過(guò)程中為了保證傳輸的可靠性采用差分422電平傳輸，電平驅動(dòng)轉換芯片采用DS26LV32AT接收器，DS26LV31T發(fā)送器。
在系統設計中裁剪VME總線(xiàn)通信方式為主從式通信，從設備不需發(fā)起總線(xiàn)請求，只能等待外部主設備來(lái)讀寫(xiě)，故去除了部分不必要的信號控制線(xiàn)。從設備將數據存入對應的寄存器中，外部設備通過(guò)總線(xiàn)可讀取這些寄存器。每套總線(xiàn)有16bit地址線(xiàn)、8bit數據線(xiàn)加上一些控制信號組合，數據傳輸率大于1MB/S。裁剪VME總線(xiàn)是TTL電平的異步通信;支持對數據的讀寫(xiě)、修改功能，且支持總線(xiàn)傳送錯誤檢測功能。
5聯(lián)鎖主機系統同步原理
3塊MPU板構成三取二邏輯結構，采集/驅動(dòng)外部繼電器的動(dòng)作應保證同時(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。
系統同步的實(shí)現依靠2塊VSC板產(chǎn)生同步信號，通過(guò)MSI鏈路發(fā)送至各個(gè)MPU板，各個(gè)MPU板跟隨VSC同步信號，校正本地中斷計數器，從而保證動(dòng)作同步。2塊VSC板維持一主一備機制，確�？梢韵騇PU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(wú)擾切換且切換時(shí)間不超過(guò)1ms。
6系統安全工作方式
系統采用硬件同步，軟件表決的工作方式。在每個(gè)同步周期內(同步周期可根據需要適當配置)，MPU按輸入、應用處理、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)，并將采集結果通過(guò)3路獨立的裁剪VME總線(xiàn)傳送給3路獨立的MPU板(如果是GATE板采集，則由GATE板轉發(fā)給MPU板)。3路(或2路)獨立的MPU板將采集來(lái)的DI結果通過(guò)MPU間的HDLC通信通道互相傳送，進(jìn)行輸入數據的3取2表決(或2取2比較)，其表決結果也可用于通信的錯誤檢測。同時(shí)，MPU板通過(guò)HDLC通信通道接收從COM板轉發(fā)過(guò)來(lái)的外部報文。COM板對外部報文的處理是采用冗余的工作方式。
(2)其次，MPU板應用程序(ATP應用軟件或聯(lián)鎖應用軟件)在規定的時(shí)間內完成邏輯處理，并在規定的時(shí)間內將應用邏輯處理的結果通過(guò)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板處理結果進(jìn)行3取2比較表決(或2取2比較)。
(3)最后，在規定的時(shí)間內將表決的結果，一方面通過(guò)VME總線(xiàn)傳送給DO板，另一方面通過(guò)COM板傳送給外部系統。每個(gè)DO板同時(shí)接收到3路VME總線(xiàn)傳來(lái)的表決結果，并通過(guò)FPGA(表決后)利用固有安全的驅動(dòng)電路，驅動(dòng)外部繼電器。同時(shí)，利用對驅動(dòng)結果的反饋控制，如果驅動(dòng)結果錯誤并有導向危險側的趨勢，DO板將切斷驅動(dòng)電路工作電源。
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