簡析小型平臺的從模塊邏輯控制設計

王 鑫，丁 歡，王國英

（1．中鐵二十一局集團電務電化工程有限公司，蘭州 730000；2．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；3．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，鐵路信號控制系統高速發展，經歷了人工控制、機械控制、繼電控制、計算機控制等階段，現在已進入網絡化信息控制為主的階段。為適應鐵路信號控制系統的發展趨勢，各類小型平臺接踵而出。這類小型平臺普遍具有較強的靈活性、低廉的成本、較高的可靠性、良好的抗震性和便捷的擴展性等特點，可應用于室內和室外。其中北京全路通信信號研究設計院集團有限公司開發的小型平臺兼具這些特點。

該小型平臺可作為軌旁設備的安全執行單元，將邏輯控制置于現場，實現了信號的分布式遠程控制，大幅度減少信號電纜的使用量，減少能源消耗，減低工程造價，利用小型平臺實現閉環控制的本地化，可有效提高軌旁信號設備控制的可靠性和安全性。

該小型平臺以支撐分散式道口、計軸等軌旁設備為落腳點，是一種安全、可靠、可擴展性強的安全執行單元產品應用的基礎平臺。主要適用于分散式道口、計軸、智能轉轍機等軌旁終端執行設備。

本文著重介紹小型平臺的從模塊邏輯控制部分的設計。

2 小型平臺主要功能

小型平臺的主要功能如下：

1）小型平臺根據接收到的繼電信號、模擬電壓電流或以太網等通信數據等輸入信號，進行信息的摘取，最終按照產品規范需求生成符合特定軌旁設備應用所需要的輸出信號，向適配的軌旁執行設備發送；

2）當輸入接口故障時，能導向適配的軌旁設備安全側；

3）小型平臺有監測、記錄與維護等功能。

3 小型平臺系統邊界

小型平臺系統邊界及接口如圖1 所示。

圖1 小型平臺系統邊界及接口示意圖Fig.1 Schematic diagram of system boundary and interfaces for compact platform

小型平臺包含如下接口。

電源接口：電源接口為小型平臺供電。

輸出接口：小型平臺與適配軌旁信號設備之間的接口。

通信接口：小型平臺與遠程控制中心之間的接口，作為小型平臺的通信輸入輸出接口。

監測接口：小型平臺通過監測接口對各模塊的關鍵信息進行監測記錄并存儲在eMMC 等嵌入式存儲記錄芯片中，以備查看；同時監測接口可以通過ETH 等通信方式向監測維護終端報告運行過程中的關鍵信息。

維護接口：小型平臺安全相關維護接口通過ETH 或USB 接口對平臺層的主控模塊等進行安全相關配置操作；通過非安全相關維護接口通過ETH接口對平臺層的其他非安全模塊進行記錄讀取、監測、參數配置等非安全相關操作。

4 小型平臺系統結構

小型平臺系統為二乘二取二結構，取二部分主要由電源模塊、主控模塊、輸入模塊、輸出模塊、通信模塊等功能模塊組成。根據應用要求及輸入接口形式，小型平臺可適配各類軌旁信號設備。

小型平臺系統結構如圖2 所示。

圖2 小型平臺系統結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of system structure of compact platform

5 小型平臺從模塊邏輯控制主要功能

5.1 模塊結構及主要功能

小型平臺從模塊邏輯控制結構如圖3 所示。

從模塊邏輯控制主要完成如下功能：

1）根據總線指令狀態執行邏輯控制功能；

2）具有取二的功能；

3）外部數據獲取通道和內部總線數據交互符合SIL4 安全等級要求。

5.2 從模塊邏輯控制設計組成

從模塊邏輯控制設計由電源部分、電源監測部分、邏輯控制部分、復位電路、通信接口部分、溫度監測部分和接口防護部分共7 部分組成。

圖3 小型平臺從模塊邏輯控制結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of logic control structure of slave module for compact platform

電源部分采用典型的設計方法，即隔離設計通過隔離電源模塊來實現，非隔離設計通過低壓差穩壓電路LDO 和電源管理集成芯片來實現。外電通過符合隔離度要求的隔離電源模塊轉化為從模塊邏輯控制所需的內部電源，再通過非隔離的DCDC 將該內部電源轉化為其他所需的各種電源輸出。

電源監測部分采用監控電壓IC 以及AD 采集的方式進行設計，一旦監測到電源輸出異常，則及時對從模塊邏輯控制IC 產生復位動作。

邏輯控制部分采用典型的FPGA+ARM 最小系統法進行設計，并按從模塊邏輯控制的需求，外擴Flash、DDR3 等功能。

復位電路由邏輯控制IC 的復位電路和電源監測復位電路組合邏輯與進行設計。邏輯控制IC 的復位電路采用典型的看門狗電路進行設計；電源監測復位電路則是監測關鍵的電源輸出，一旦輸出異常，立即對邏輯控制IC 產生復位信號。

通信接口部分由內部接口和外部接口兩部分組成。內部接口有CANFD、SPI、I2C、UART 和GPIO 等組成；外部接口只有ETH 接口。

溫度監測部分是通過邏輯控制IC 的內部接口與溫度傳感器進行適配來實現。

接口防護部分主要是對小型平臺的輸入和輸出邏輯控制信號進行熱插拔、阻抗匹配等進行防護設計。

6 結束語

邏輯控制設計主要是根據項目需求如操作系統、系統周期、存儲量、交互數據量、IO 個數、各類通信接口要求等進行開展。小型平臺的從模塊邏輯控制是綜合考慮輕量化、低成本、高可靠以及滿足安全性等特性展開相應的邏輯控制設計。