全電子計算機聯鎖系統信息傳輸網絡的設計

熊 飛

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司 電化電信工程設計研究處， 天津 300251)

工業控制領域中，各種串行和并行總線得到了極大的應用,鐵路信號中CAN總線和RS422總線使用非常廣泛。本系統設計了CAN總線和RS422總線智能通信單元，并在此基礎上構建了全電子計算機聯鎖系統聯鎖機和執行機之間的信息傳輸網絡。該網絡采用光纖通信技術和自愈網技術，在CAN總線或RS422總線出現故障的情況下，能在極短的時間自動恢復所攜帶的業務，具備發現替代傳輸路由并重新確立通信的能力。

1 系統簡介

在傳統的計算機聯鎖系統基礎上，綜合考慮聯鎖系統可靠性和安全性，設計了全電子計算機聯鎖系統信息傳輸網，結構如圖1。該網絡室內僅設聯鎖計算機，由聯鎖計算機負責與上位機通信，執行機終端通過專門設計的智能通信單元接入信息傳輸網，到達聯鎖計算機。

圖1 全電子計算機聯鎖系統信息傳輸網結構圖

智能通信單元由CAN智能通信單元和RS422智能通信單元組成。每一個智能通信單元包括CPCI-RS422智能通信模塊和CPCI-CAN智能通信模塊。2個模塊均支持熱插拔，插接在研華工控機中。執行機終端采集現場設備的狀態信息和控制命令輸出的信息，傳送至智能通信單元中。傳送至智能通信單元的信息，由工控機進行判斷并篩選，將可靠的信息傳送到信息傳輸網上，進過聯鎖計算機的邏輯運算，最后在上位機中顯示。為防止因環境惡劣，CAN總線失效，系統采用了雙RS422和雙CAN冗余通信方式，使得在CAN總線通信失效時，RS422總線能從備用升級為主要總線使用，不影響系統信息傳輸，使得系統更加安全可靠。

2 系統組成

本通信網絡通信模塊主要由以下3部分組成：CPCI-CAN總線通信單元、CPCI-RS422總線通信單元、光保護自動切換系統。

圖2 信息傳輸網節點智能化結構圖

信息傳輸網的節點智能化結構如圖2。執行機終端采集現場信息經由CPCI-CAN總線通信單元傳輸到聯鎖機上。當CAN總線傳輸出現故障，則經過光保護自動切換系統，倒換到備用的CPCIRS422通信單元。信息傳輸網中，光保護自動切換系統實時監測工作光纖和備用光纖上的光功率，當監測到光線路上的光功率值低于設定切倒換門限時發出警告，提示并自動切換到備用光纖，從而，實現對光傳輸系統線路的冗余備份。光保護自動切換系統能自動識別主、備系統光路信號狀態，進行光路瞬時切換，當主用光纖發生障礙時，保護系統運行正常。

3 智能通信單元硬件設計

CPCI-CAN通信模塊的結構如圖3。智能CPCI-CAN通信模塊，通過CPCI總線插槽與工控機相連，完成工控機與CAN總線上各個節點信息數據交換的功能。工控機的信息經由PLX9054芯片暫時保存于IDT7005中。ATMEGA128單片機控制2片CAN總線控制器SJA1000，將工控機的信息數據通過CAN收發器TJA1050下發到CAN總線的各個執行機終端上。TJA1050負責將CAN總線上各執行機終端的狀態信息上傳給總線控制器SJA1000, 由單片機ATMEGA128控制，將狀態信息傳輸至雙口RAM 中, 再經CPCI 總線接口上傳至工控機進一步數據處理。整個過程包括聯鎖機數據的下發過程和執行機上傳過程。FPGA能對PCI總線接口芯片PLX9054、雙口RAM 芯IDT7005和ATMEGA128三者之間的邏輯控制和總線仲裁。當有數據信息由工控機經CPCI總線接口向下發時，FPGA能使PCI9054取得IDT7005控制權，當工控機將數據向下發送完畢時，FPGA能使ATMEGA128取得IDT7005控制權，ATMEGA128將下發數據首先存入自身FLASH存儲空間，并將這些數據按照制定的CAN總線通信協議打包成數據幀或遠程幀，再由SJA1000發送至各執行機節點。

CPCI-RS422總線通信模塊在CAN通信模塊上經過修改而成，完成PCI總線協議與RS422通信協議的轉換。在原有CAN通信模塊修改，將RS422通信總線接口芯片和UART芯片接入CPCI總線中，原有的CPCI硬件部分沒有改變，通信模塊的硬件組成如圖4。

圖3 CPCI-CAN通信模塊的結構框圖

4 系統調試

圖4 CPCI-RS422通信模塊的結構框圖

智能通信單元的調試主要針對Atmega128的軟件部分，由于智能通信模塊硬件和軟件結合緊密，調試數據難以注入，調試的信息難以輸出等原因，主要采用了JTAG仿真調試和C++語言編寫上位機軟件程序，搭建了測試平臺，如圖5。

圖5 測試平臺示意圖

以CAN總線智能通信單元數據采集功能為例。首先，在測試主機中運行調試軟件，依照CAN通信協議向智能通信單元發送數據采集命令。接收到數據采集命令后，智能通信單元自動向CAN檢測總線發送數據采集指令。接收到數據采集命令后，模擬主機由ISA-CAN通信卡接收回傳的現場數據并傳送至測試主機。同時，通過在測試主機中比較智能通信單元發送幀和接收幀的數量是否一致，以及兩者的內容是否一致，來判斷被調試的智能模塊運行是否正常。調試主機接收到的部分數據界面如圖6。

5 結束語

圖6 測試主機接收到的數據界面

本文設計了安全信息傳輸網絡來保障全電子計算機聯鎖系統聯鎖機和執行機之間的安全通信。經過長期綜合調試，智能通信單元已經能穩定地運行在安全信息傳輸網中，提高了全電子計算機聯鎖系統聯鎖機和執行機之間的傳輸可靠性和傳輸效率。智能通信單元已成功應用到多個新近開通的使用全電子計算機聯鎖系統的車站上。根據現場反饋的情況，該智能通信單元結構合理，功能完善，工作可靠，達到了預期的設計要求。

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