簡析小型平臺的主控模塊設計

王國英，丁 歡，肖毅平

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

1 概述

近年來，鐵路信號控制系統的發展日新月異，從傳統的人工、機械等控制方式調度指揮列車運行，到如今的計算機網絡化控制方式對列車運行提供自動化、精準化的調度。先進的控制方式最大程度提升列車運營的安全性和可靠性，同時實現接發車和區間運行的自動化。

為適應鐵路信號控制系統的發展趨勢，北京全路通信信號研究設計院集團有限公司設計開發兼具靈活、可靠、穩定、可擴展等特點的軌旁小型平臺。該小型平臺將邏輯控制置于現場，實現了信號的分布式遠程控制，從而完成閉環控制的本地化，有效提高軌旁信號設備控制的可靠性和安全性。

本文著重介紹小型平臺的主控模塊設計。

2 小型平臺主要功能

小型平臺的主要功能集成了通信、采集和輸出等安全相關功能，以及監測、記錄與維護等非安全相關功能。

3 小型平臺系統結構

小型平臺基于安全性、靈活性、可靠性和小型化等因素考慮，電氣部分設計采用滿足組合式故障-安全的二乘二取二結構；機械設計采用可擴展的導軌安裝結構；元器件及模塊外殼材料的選型和信號設計的完整性等方面均按照高可靠性且小體積的要求進行設計選型。

綜上考慮，小型平臺系統結構設計示意如圖1所示。

圖1 小型平臺系統結構設計示意圖Fig.1 Schematic diagram for system structure of compact platform

4 小型平臺主控模塊結構及主要功能

4.1 主控模塊結構

主控模塊是小型平臺的核心處理模塊，相當于小型平臺的“大腦”，綜合考慮其安全性和功能性，小型平臺主控模塊結構設計示意如圖2 所示。

圖2 小型平臺主控模塊結構設計示意圖Fig.2 Schematic diagram for structure of main control module of compact platform

4.2 主控模塊主要功能

主控模塊主要完成如下功能：

1）按照安全協議，通過以太網接口，獲取外部設備發送的數據，用于小型平臺外部接口的控制數據輸入和輸出；

2）根據外部接口的控制數據輸入和輸出，小型平臺實現對擴展從模塊的控制；

3）對外部輸入、內部輸出進行雙CPU 表決，表決通過后進行安全處理發送至輸出模塊；

4）設備自檢、溫度監控、運行日志報告等；

5）小型平臺內部采用CANFD 總線；

6）雙安全CPU 各提供一路RS-422 作為系間通信通道，兩個系間通信通道可配置為冗余關系或獨立關系；

7）雙安全CPU 各提供6 路切換信號，供雙系切換模塊使用；

8）對外提供一路監測維護以太網，不需要進行協議轉換，直接使用非安全CPU 的以太網通信。

5 主控模塊的設計

5.1 設計目標

主控模塊的設計開發遵循EN50129 的要求，考慮主控模塊的外部接口、數據處理速度、處理的數據量、內部接口、應用環境等因素，展開主控模塊的具體設計。

主控模塊的安全部分滿足二取二的設計結構，安全部分取二通道之間、安全通道與非安全通道之間均采用隔離電源和隔離芯片，保證電氣獨立性；主運算處理器選擇上滿足軟件運行周期要求，接口種類和數量滿足需求；所有器件都使用工業級芯片，滿足規定使用環境下可靠性要求；電路設計上考慮EMC 等因素，使用必要的防護電路。

5.2 設計結構

主控模塊的設計由安全相關部分和非安全相關部分構成。安全相關部分設計成硬件二取二故障安全結構，主要承擔安全通信、輸入和輸出數據安全處理等功能；非安全相關部分主要承擔維護更新和監測記錄等功能。

5.3 安全相關部分模塊設計

安全相關部分模塊采用硬件相同的兩通道，對安全輸入和輸出接口進行二取二表決。

每個安全通道模塊設計由電源部分、監控部分、安全數據處理部分、安全通信接口部分、復位部分和隔離防護部分等組成。

電源部分主要采用帶時序控制的多軌非隔離的DC-DC 模塊從安全邏輯電取電，從而生成安全處理器所需的各軌電源，保證安全處理器可靠穩定的運行。

監控部分設計主要針對各軌輸出電壓精度、安全處理器運行溫度、安全輸入輸出數據處理異常等的監控。

安全數據處理部分采用SitaraTM ARM Cortex-A9 32-Bit RISC 結構的處理器，數據處理速度可達1 GHz 的處理器進行設計。

安全通信接口部分采用處理器提供的種類多樣且數量可觀的外部接口進行設計，具體用到了UART、通用IO、SPI、AD、DSS、I2C、RMII、USB、eMMC 等接口。

復位部分采用看門狗邏輯控制IC 的復位電路和電源監測復位電路組合邏輯與進行設計。

隔離防護部分主要包括標準數字信號隔離、阻抗匹配以及熱插拔等設計。

5.4 非安全相關部分模塊設計

非安全相關部分模塊設計由電源部分、監控部分、運行數據的監測記錄部分、藍牙部分、電子標簽部分等組成。

電源部分的設計與安全相關部分電源設計類似。

監控部分設計主要針對監測維護處理器各軌電壓精度、運行溫度等的監控。

運行數據的監測記錄部分同樣采用了SitaraTM ARM Cortex-A9 32-Bit RISC 結構的處理器進行設計。

藍牙部分采用兼容藍牙5 的帶Cortex-M4F 核的SOC 進行設計。

電子標簽部分設計采用I2C 接口的EEPROM進行設計。

6 結束語

主控模塊設計主要是根據平臺系統需求例如平臺是否要運行操作系統，平臺與外部接口采用何種通信方式，通信的數據量有多大，通信的實時性要求等進行設計。主控模塊的設計在滿足了平臺系統需求之后，可考慮采用當前國內外的一些先進技術，以保證平臺完成相關認證并應用于市場后能夠具有較強的市場競爭力。