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簡析南京地鐵四號線車輛段計算機聯鎖主機設計論文
1概述
NRIET-CI-Ⅲ型計算機聯鎖系統用于南京地鐵四號線青龍車輛段，青龍車輛段計算機聯鎖系統主要由上位機子系統、車輛段聯鎖子系統、室外設備子系統以及各子系統之間通信通道子系統組成。聯鎖子系統是聯鎖系統的核心，用于實現聯鎖功能的。聯鎖子系統必須具有故障—安全性能，除了接收來自上位機子系統的操作信息外，還接收來自室外設備子系統發送的反映信號機、道岔和軌道區段狀態的信息。聯鎖子系統的功能是根據聯鎖需求對輸入的操作信息和狀態信息，以及聯鎖系統當前內部信息進行處理，改變內部信息，產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施執行，最終使信號設備的狀態發生改變。
2計算機聯鎖系統聯鎖主機結構設計
聯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，通過采集外部信號設備繼電器狀態以及接受來自遠端網絡的相關信息，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絡向遠端發送信息。系統按照故障-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)、數字輸入板(DI)、數字輸出板(DO)、通信板(COM)、安全狀態監控板(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，當發生單MPU板故障時，系統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板負責系統與遠端設備通信，通信鏈路為百兆以太網。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，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信息通過裁剪VME總線送至MPU板進行三取二表決;DO數字輸出板通過裁剪VME總線接收MPU板信息通過三取二表決后驅動繼電器;COM板完成與外界的數據通信;GATE板用于系統擴展，以采集/驅動更多的IO點;VSC板對MPU板、GATE板和COM板的狀態進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。
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)上報狀態信息和發送信息。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聯鎖主機系統內部通信
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;另一線傳輸幀數據，每bit數據占據10個25MHz時鐘節拍，0.1ms周期內可發送的極限數據量為250bit，MSI通信的最大通信速率為2.5Mbps。考慮到鏈路負載，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，通信速率可達到10Mbps。MPC8323E是集成QUICCEngine1.0通信協處理器，該協處理器支持ATM、網絡、TDM和HDLC通信協議，帶5個UCCs接口，UCCs可以實現動態配置。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通信協議模式，傳輸過程中為了保證傳輸的可靠性采用差分422電平傳輸，電平驅動轉換芯片采用DS26LV32AT接收器，DS26LV31T發送器。
在系統設計中裁剪VME總線通信方式為主從式通信，從設備不需發起總線請求，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。從設備將數據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數據線加上一些控制信號組合，數據傳輸率大于1MB/S。裁剪VME總線是TTL電平的異步通信;支持對數據的讀寫、修改功能，且支持總線傳送錯誤檢測功能。
5聯鎖主機系統同步原理
3塊MPU板構成三取二邏輯結構，采集/驅動外部繼電器的動作應保證同時性。3塊MPU板同時產生5ms同步脈沖，確保3塊MPU板的5ms脈沖同頻同相，相差小于12us;發送5ms脈沖時附帶的時間戳信息保持同步。
系統同步的實現依靠2塊VSC板產生同步信號，通過MSI鏈路發送至各個MPU板，各個MPU板跟隨VSC同步信號，校正本地中斷計數器，從而保證動作同步。2塊VSC板維持一主一備機制，確保可以向MPU板提供可用的同步脈沖，必要時發生主備切換，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，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，MPU板通過HDLC通信通道接收從COM板轉發過來的外部報文。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應用軟件或聯鎖應用軟件)在規定的時間內完成邏輯處理，并在規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。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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