简析小型平台的从模块逻辑控制设计

王 鑫，丁 欢，王国英

（1．中铁二十一局集团电务电化工程有限公司，兰州 730000；2．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；3．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

近年来，铁路信号控制系统高速发展，经历了人工控制、机械控制、继电控制、计算机控制等阶段，现在已进入网络化信息控制为主的阶段。为适应铁路信号控制系统的发展趋势，各类小型平台接踵而出。这类小型平台普遍具有较强的灵活性、低廉的成本、较高的可靠性、良好的抗震性和便捷的扩展性等特点，可应用于室内和室外。其中北京全路通信信号研究设计院集团有限公司开发的小型平台兼具这些特点。

该小型平台可作为轨旁设备的安全执行单元，将逻辑控制置于现场，实现了信号的分布式远程控制，大幅度减少信号电缆的使用量，减少能源消耗，减低工程造价，利用小型平台实现闭环控制的本地化，可有效提高轨旁信号设备控制的可靠性和安全性。

该小型平台以支撑分散式道口、计轴等轨旁设备为落脚点，是一种安全、可靠、可扩展性强的安全执行单元产品应用的基础平台。主要适用于分散式道口、计轴、智能转辙机等轨旁终端执行设备。

本文着重介绍小型平台的从模块逻辑控制部分的设计。

2 小型平台主要功能

小型平台的主要功能如下：

1）小型平台根据接收到的继电信号、模拟电压电流或以太网等通信数据等输入信号，进行信息的摘取，最终按照产品规范需求生成符合特定轨旁设备应用所需要的输出信号，向适配的轨旁执行设备发送；

2）当输入接口故障时，能导向适配的轨旁设备安全侧；

3）小型平台有监测、记录与维护等功能。

3 小型平台系统边界

小型平台系统边界及接口如图1 所示。

图1 小型平台系统边界及接口示意图Fig.1 Schematic diagram of system boundary and interfaces for compact platform

小型平台包含如下接口。

电源接口：电源接口为小型平台供电。

输出接口：小型平台与适配轨旁信号设备之间的接口。

通信接口：小型平台与远程控制中心之间的接口，作为小型平台的通信输入输出接口。

监测接口：小型平台通过监测接口对各模块的关键信息进行监测记录并存储在eMMC 等嵌入式存储记录芯片中，以备查看；同时监测接口可以通过ETH 等通信方式向监测维护终端报告运行过程中的关键信息。

维护接口：小型平台安全相关维护接口通过ETH 或USB 接口对平台层的主控模块等进行安全相关配置操作；通过非安全相关维护接口通过ETH接口对平台层的其他非安全模块进行记录读取、监测、参数配置等非安全相关操作。

4 小型平台系统结构

小型平台系统为二乘二取二结构，取二部分主要由电源模块、主控模块、输入模块、输出模块、通信模块等功能模块组成。根据应用要求及输入接口形式，小型平台可适配各类轨旁信号设备。

小型平台系统结构如图2 所示。

图2 小型平台系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of system structure of compact platform

5 小型平台从模块逻辑控制主要功能

5.1 模块结构及主要功能

小型平台从模块逻辑控制结构如图3 所示。

从模块逻辑控制主要完成如下功能：

1）根据总线指令状态执行逻辑控制功能；

2）具有取二的功能；

3）外部数据获取通道和内部总线数据交互符合SIL4 安全等级要求。

5.2 从模块逻辑控制设计组成

从模块逻辑控制设计由电源部分、电源监测部分、逻辑控制部分、复位电路、通信接口部分、温度监测部分和接口防护部分共7 部分组成。

图3 小型平台从模块逻辑控制结构示意图Fig.3 Schematic diagram of logic control structure of slave module for compact platform

电源部分采用典型的设计方法，即隔离设计通过隔离电源模块来实现，非隔离设计通过低压差稳压电路LDO 和电源管理集成芯片来实现。外电通过符合隔离度要求的隔离电源模块转化为从模块逻辑控制所需的内部电源，再通过非隔离的DCDC 将该内部电源转化为其他所需的各种电源输出。

电源监测部分采用监控电压IC 以及AD 采集的方式进行设计，一旦监测到电源输出异常，则及时对从模块逻辑控制IC 产生复位动作。

逻辑控制部分采用典型的FPGA+ARM 最小系统法进行设计，并按从模块逻辑控制的需求，外扩Flash、DDR3 等功能。

复位电路由逻辑控制IC 的复位电路和电源监测复位电路组合逻辑与进行设计。逻辑控制IC 的复位电路采用典型的看门狗电路进行设计；电源监测复位电路则是监测关键的电源输出，一旦输出异常，立即对逻辑控制IC 产生复位信号。

通信接口部分由内部接口和外部接口两部分组成。内部接口有CANFD、SPI、I2C、UART 和GPIO 等组成；外部接口只有ETH 接口。

温度监测部分是通过逻辑控制IC 的内部接口与温度传感器进行适配来实现。

接口防护部分主要是对小型平台的输入和输出逻辑控制信号进行热插拔、阻抗匹配等进行防护设计。

6 结束语

逻辑控制设计主要是根据项目需求如操作系统、系统周期、存储量、交互数据量、IO 个数、各类通信接口要求等进行开展。小型平台的从模块逻辑控制是综合考虑轻量化、低成本、高可靠以及满足安全性等特性展开相应的逻辑控制设计。