簡析南京地鐵四號線車輛段計算機聯(lián)鎖主機設計論文
1概述
NRIET-CI-Ⅲ型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)用于南京地鐵四號線青龍車輛段，青龍車輛段計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)主要由上位機子系統(tǒng)、車輛段聯(lián)鎖子系統(tǒng)、室外設備子系統(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子系統(tǒng)的操作信息外，還接收來自室外設備子系統(tǒng)發(fā)送的反映信號機、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)當前內部信息進行處理，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(tǒng)實施執(zhí)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(tǒng)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(tǒng)中普遍應用的安全計算機系統(tǒng)，通過采集外部信號設備繼電器狀態(tài)以及接受來自遠端網(wǎng)絡的相關信息，進行處理，將處理結果輸出，控制外部設備繼電器以及通過網(wǎng)絡向遠端發(fā)送信息。系統(tǒng)按照故障-安全原則設計，設備故障時導向安全。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(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，系統(tǒng)可自動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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)中MPU板、GATE板、COM板的工作狀態(tài)，管理各個受控板的電源和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板實現(xiàn)擴展DI、DO的板數(shù)。電源機箱為系統(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)鎖主機系統(tǒng)互連架構
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動繼電器;COM板完成與外界的數(shù)據(jù)通信;GATE板用于系統(tǒng)擴展，以采集/驅動更多的IO點;VSC板對MPU板、GATE板和COM板的狀態(tài)進行監(jiān)控并負責系統(tǒng)的同步。
系統(tǒng)內部通信主要有HDLC鏈路、MSI鏈路、裁剪VME總線。
MPU板、COM板、GATE板之間均有HDLC鏈路可進行通信。MPU板通過裁剪VME總線與DI、DO板進行通信。MPU板通過裁剪VME總線對各個DI、DO板輪詢可獲知對應DI、DO板是否在位，通過讀取狀態(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(tǒng)中有獨立的三套裁剪VME總線分別屬于每個MPU板。
MSI鏈路用于VSC接受各個受控板(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動繼電器閉合，從而為MPU板、COM板、GATE板通電。
4聯(lián)鎖主機系統(tǒng)內部通信
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)，同時作為心跳信號;另一線傳輸幀數(shù)據(jù)，每bit數(shù)據(jù)占據(jù)10個25MHz時鐘節(jié)拍，0.1ms周期內可發(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�？紤]到鏈路負載，設計方案采取每周期傳輸數(shù)據(jù)量202bit。
HDLC通信用于系統(tǒng)內部MPU板、GATE板、COM板之間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)HDLC通信采用點對點、主從可配置方式。HDLC通信使用MPC8323自帶4個SCC和1個FCC端口實現(xiàn)，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、TDM和HDLC通信協(xié)議，帶5個UCCs接口，UCCs可以實現(xiàn)動態(tài)配置。每個HDLC幀尾由CPU硬件自動加入16位CRC校驗。MPU板把5個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，電平驅動轉換芯片采用DS26LV32AT接收器，DS26LV31T發(fā)送器。
在系統(tǒng)設計中裁剪VME總線通信方式為主從式通信，從設備不需發(fā)起總線請求，只能等待外部主設備來讀寫，故去除了部分不必要的信號控制線。從設備將數(shù)據(jù)存入對應的寄存器中，外部設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，且支持總線傳送錯誤檢測功能。
5聯(lián)鎖主機系統(tǒng)同步原理
3塊MPU板構成三取二邏輯結構，采集/驅動外部繼電器的動作應保證同時性。3塊MPU板同時產(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脈沖時附帶的時間戳信息保持同步。
系統(tǒng)同步的實現(xiàn)依靠2塊VSC板產(chǎn)生同步信號，通過MSI鏈路發(fā)送至各個MPU板，各個MPU板跟隨VSC同步信號，校正本地中斷計數(shù)器，從而保證動作同步。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，必要時發(fā)生主備切換，該切換為無擾切換且切換時間不超過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。在每個同步周期內(同步周期可根據(jù)需要適當配置)，MPU按輸入、應用處理、輸出的次序進行工作。
(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3路獨立的裁剪VME總線傳送給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板將采集來的DI結果通過MPU間的HDLC通信通道互相傳送，進行輸入數(shù)據(jù)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，MPU板通過HDLC通信通道接收從COM板轉發(fā)過來的外部報文。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(guī)定的時間內完成邏輯處理，并在規(guī)定的時間內將應用邏輯處理的結果通過HDLC通信通道傳送給其余的MPU板，3個(或2個)MPU板將收集到的MPU板處理結果進行3取2比較表決(或2取2比較)。
(3)最后，在規(guī)定的時間內將表決的結果，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DO板同時接收到3路VME總線傳來的表決結果，并通過FPGA(表決后)利用固有安全的驅動電路，驅動外部繼電器。同時，利用對驅動結果的反饋控制，如果驅動結果錯誤并有導向危險側的趨勢，DO板將切斷驅動電路工作電源。
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