鐵路計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中通用輸入輸出接口研究

蘇 曼，蔣 晟

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 衡陽 421002）

1 引言

近幾年，我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，促使計算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，在社會各個行業(yè)、領(lǐng)域，得到了越來越廣泛且深入的應(yīng)用。就鐵路領(lǐng)域而言，現(xiàn)代信息技術(shù)的引入和應(yīng)用，從根本上改變了鐵路運(yùn)行管理的工作模式，提高了國內(nèi)鐵路系統(tǒng)整體的智能化、自動化水平。就現(xiàn)代鐵路系統(tǒng)而言，全電子計算機(jī)連鎖系統(tǒng)是其進(jìn)行鐵路信號控制的全新一代設(shè)備，而全電子計算機(jī)連鎖就是車站信號連鎖的主流發(fā)展趨勢。在這種環(huán)境背景下，鐵路系統(tǒng)將主要由電子單元構(gòu)成，不僅體積更加小巧，功能更加強(qiáng)大，同時可以為地鐵信息化、自動化提供基礎(chǔ)信息，并提供相應(yīng)的遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程管理功能，提高系統(tǒng)整體的安全性和可靠性。本文即圍繞鐵路計算機(jī)連鎖系統(tǒng)，就其通用輸入輸出結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究，進(jìn)行了分析和探討，具體內(nèi)容如下。

2 通用接入接觸口的總體設(shè)計思想分析

計算機(jī)連鎖系統(tǒng)具體是指在軟件防護(hù)和硬件防護(hù)基礎(chǔ)上，得到一種全電子監(jiān)測和執(zhí)行系統(tǒng)。一般情況下，計算機(jī)連鎖系統(tǒng)由監(jiān)測機(jī)和執(zhí)行機(jī)兩部分內(nèi)容構(gòu)成，其中，監(jiān)測機(jī)與輸入模塊、聯(lián)鎖機(jī)與輸出模塊間，使用CAN總線完成通信。具體來說，就是使用三重冗余CAN總線和經(jīng)過編碼的安全協(xié)議進(jìn)行通訊。

為了實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，本設(shè)計選用SJA1000獨(dú)立CAN控制器，根據(jù)相關(guān)功能要求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行簡單連接后，SKA1000可實(shí)現(xiàn)CAN總線對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的所有功能；CAN收發(fā)器主要采用TJA1050T完成，即主要應(yīng)用于通信速度處于60K～1Mbps區(qū)間內(nèi)的高速應(yīng)用領(lǐng)域。同時，TJA1050T在驅(qū)動電路中具有相應(yīng)的限制電路，故而可有效避免輸出級對地、對電源或負(fù)載短路的問題，從而可以達(dá)到一定的安全保護(hù)效果。

3 輸入接口模塊的實(shí)現(xiàn)分析

就鐵路計算機(jī)連鎖系統(tǒng)而言，輸入接口的主要任務(wù)，就是采集當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，并針對采集的設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行科學(xué)處理，最終將分析數(shù)據(jù)經(jīng)由CAN總線上傳到監(jiān)測機(jī)。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，U1、U2雙處理器同時進(jìn)行工作，其中U1與CAN A相連，U2與CAN B相連，同時都與監(jiān)測機(jī)相連。該模塊主要負(fù)責(zé)對電流、電壓等模擬量的實(shí)時監(jiān)測，以避免出現(xiàn)過流問題，也有利于過流問題的及時處理。此外，所有的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息都將整合在一個模塊當(dāng)中，MCU內(nèi)的每個I/O口，分別對應(yīng)一路的監(jiān)測工作。

假設(shè)使用以上系統(tǒng)對設(shè)備K的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測，如設(shè)備K處于未接通狀態(tài)，則MCU對應(yīng)的I/O口檢測到高電平。由于光耦原邊設(shè)定為交流電輸入，當(dāng)設(shè)備K處于接通狀態(tài)時，MCU對應(yīng)的I/O就可以檢測與AC頻率高低變化相一致的電平。從程序?qū)崿F(xiàn)的角度分析，需要保障MCU在規(guī)定的時間內(nèi)，完成對應(yīng)/O口電平變換次數(shù)的檢測，如檢測到連續(xù)的脈沖，則說明設(shè)備處于接通狀態(tài)；如檢測到“0”，則表明光耦被擊穿，由此就可以快速地找到故障成因，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。在這種環(huán)境背景下，就可以有效避免依靠檢測常“1”或常“0”的方法，進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)的判斷，從而確保返回的設(shè)備狀態(tài)信息，可以科學(xué)地說明開關(guān)的具體狀態(tài)。這樣做的原因是由于在外界條件因素的干擾和影響下，使用檢測常“1”或常“0”的方法，并不足以證明開關(guān)的狀態(tài)，僅依靠這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)的判斷，較容易出現(xiàn)誤判、錯判的問題。相反，采用新方法進(jìn)行檢測，就可以有效保障檢測的科學(xué)性和有效性，進(jìn)而提高系統(tǒng)整體的抗干擾性。

另外，從系統(tǒng)出錯處理的角度分析，具有CAN初始化、MCU程序區(qū)故障等初始化報警，同時具有繼電器開關(guān)擊穿報警、采集電路故障保障、以及繼電器開路報警等。

4 輸出接口模塊的實(shí)現(xiàn)分析

就鐵路計算機(jī)連鎖系統(tǒng)而言，輸出接口模塊的主要作用，是接收上位機(jī)下達(dá)的各類執(zhí)行命令，并根據(jù)命令內(nèi)容完成現(xiàn)場設(shè)備的控制，并采集命令執(zhí)行后的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，最終經(jīng)由CAN總線反饋至上位機(jī)。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，U1、U2雙處理器同時進(jìn)行工作，其中U1與CAN A相連，U2與CAN B相連，同時都與聯(lián)鎖機(jī)相連。該模塊主要針對電壓、電流等模擬量進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果會經(jīng)由CAN C上傳至監(jiān)測機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對過流的控制和處理。另外，與輸入接口模塊相似，所有的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息都將整合在一個模塊當(dāng)中，MCU內(nèi)的每個I/O口，就可以分別對應(yīng)一路的監(jiān)測工作。

聯(lián)鎖機(jī)下達(dá)的控制命令被聯(lián)鎖機(jī)接收后，雙MCU就會開始相應(yīng)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)，經(jīng)過數(shù)據(jù)校驗(yàn)后，如二者接收的命令相同，則驗(yàn)證成功根據(jù)命令內(nèi)容輸出命令，并完成相應(yīng)的設(shè)備控制；如二者接收的命令存在差異，就錯誤信息進(jìn)行上傳。MCU下達(dá)控制命令后，其對應(yīng)的I/O口輸出變?yōu)椤?”，并控制光耦N原邊導(dǎo)通，即繼電器J的原邊完成導(dǎo)通，次邊同時出于導(dǎo)通狀態(tài)。由此完成對設(shè)備的控制，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，同時可以達(dá)到簡化電路的目的。

另外，從系統(tǒng)出錯處理的角度分析，輸出接口模塊與輸入接口模塊相一致，不僅具有CAN初始化、MCU程序區(qū)故障等初始化報警，同時具有繼電器開關(guān)擊穿報警、采集電路故障保障、以及繼電器開路報警。

5 故障-安全設(shè)計分析

故障-安全設(shè)計主要包含以下幾點(diǎn)內(nèi)容：一，系統(tǒng)內(nèi)部采用門和硬件控制，如電子模塊中的任意一個MCU出現(xiàn)故障或者存在錯誤動作，系統(tǒng)都會自動導(dǎo)向安全側(cè)，并進(jìn)行相應(yīng)的輸出；二，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，現(xiàn)場設(shè)備與模塊間將采用光電隔離技術(shù)實(shí)施隔離，從而控制減少系統(tǒng)故障問題的發(fā)生；三，系統(tǒng)輸入電路中會相應(yīng)使用防高壓元件，以提高系統(tǒng)整體的抗高壓性能，最大限度地避免雷擊或電路故障對于模塊的損壞影響，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

6 結(jié)語

綜上所述，隨著我國鐵路事業(yè)不斷發(fā)展，相關(guān)部門及人員需全面提高對鐵路計算機(jī)連鎖系統(tǒng)的重視和關(guān)注，通過在聯(lián)鎖機(jī)各執(zhí)行單元中分離出輸入輸出接口的方式，全方位提高系統(tǒng)的運(yùn)行安全性和可靠性，同時實(shí)現(xiàn)模塊功能的優(yōu)化整合，優(yōu)化系統(tǒng)的故障檢測和處理流程，控制降低系統(tǒng)故障可能造成的不良影響，從而促進(jìn)我國鐵路事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

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