CN102935849A - 一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统 - Google Patents

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一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统，由2台相同硬件的ATO单元组成，其DIO单元是一个基于CPCI总线的16路输入，16路输出数字量接口电路板，包括PCI模块、FPGA模块、驱动隔离模块、采集隔离模块、互切模块和检测模块；FPGA模块完成DIO单元输入输出控制的时序和逻辑；对外提供16路DI,16路DO,并控制1路AO输出，FPGA模块通过PCI模块接口芯片挂接在CPCI总线上；驱动隔离模块完成隔离驱动实现ATO单元对列车的输出DO控制；采集隔离模块完成隔离采集实现ATO单元采集列车输入DI；互切模块完成AO信号通过互锁切换输出；检测模块完成对上述5个模块的故障和过温检测。

Description

一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统
技术领域
本发明涉及城市轨道交通信号系统，尤其涉及一种车载ATO系统的冗余的数字量输入输出和模拟量输出的实现系统。
背景技术
城市轨道交通信号系统中车载ATO主要负责列车牵引、制动伺服控制、精确停车、车门和屏蔽门的控制等功能。为保证列车安全、可靠地运行，车载ATO采用双机热备的方式。两台相同的ATO同时运行相同的程序。当一台设备出现故障时，可以及时切换到另一台ATO设备，保证了应用的持续性。单台ATO设备由电源单元、处理器（CPU）单元、数字量输入输出（DIO）单元、模拟量输出(AO)单元、串口通信单元等五种类型的控制板组成，组装在标准的3U机笼内。其中，DIO单元用于提供到列车的继电器、按钮及指示灯等开关状态的驱动和采集功能；AO单元是从车载ATO到列车控制的电流接口（模拟量），用于传输列车自动运行的加速/减速值。目前，除了DIO单元其余板卡均采用标准的3U CPCI总线的货架商品。该种板卡技术成熟，易于生产采购，满足车载环境要求。
根据国内车辆厂家提供的DIO电气特性表明其接口电平为24V或110V。但目前基于CPCI总线DIO单元的货架商品多为TTL电平且驱动能力较弱。同时为实现ATO的AO单元热备输出，需要列车提供两路模拟量接口，而通常列车一端只提供一路模拟量输入接口。
发明内容
针对城市轨道交通列车电气接口特性，本发明提供了一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统。该系统的DIO单元可以实现数字量冗余输入输出和模拟量的冗余输出功能，为车载ATO的输入输出的热备方式提供一种技术实现方法，可提高系统的可靠性和安全性。
为了解决以上问题本发明提供了一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统，由2台相同硬件的ATO单元，即第一台ATO单元和第二台ATO单元组成,ATO单元包括电源单元、AO信号单元、串口通信单元、DIO单元、CPU单元，其特征在于:DIO单元是一个基于CPCI总线的16路输入，16路输出数字量接口电路板，包括PCI模块、FPGA模块、驱动隔离模块、采集隔离模块、互切模块和检测模块；
FPGA模块完成DIO单元输入输出控制的时序和逻辑；对外提供16路DI,16路DO,并控制1路AO输出，是DIO单元的控制单元；
FPGA模块通过PCI模块接口芯片挂接在CPCI总线上；
驱动隔离模块完成隔离驱动实现ATO单元对列车的输出DO控制；
采集隔离模块完成隔离采集实现ATO单元采集列车输入DI；
互切模块完成AO信号通过互锁切换输出；
检测模块完成对PCI模块、FPGA模块、驱动隔离模块、采集隔离模块、互切模块的故障和过温检测。
所述的驱动隔离模块包括驱动部分，FPGA模块通过CPCI总线接收来自CPU单元的DO数据并通过驱动隔离模块中的驱动部分驱动相应的继电器输出电平信号。
所述的驱动隔离模块还包括反馈部分，用于检测输出结果是否正确，即采用光耦反馈检测回路实现高压和低压之间的隔离采集，并在每一个任务周期将采集的DO数据通过FPGA模块及CPCI总线反馈给CPU单元。
所述的驱动部分采用固态继电器功率控制回路作为DIO电路板3.3V到24V的隔离驱动，输入信号由FPGA控制，驱动终端电压值为24/110V。
当故障在高电平时，利用FPGA模块的心跳信号使VCC24V电源关断该故障端，并向CPU单元上报该状态；当故障在低电平时，利用二极管的反向截止特性，防止高电平正常输出的DO被故障端拉低，并向CPU单元上报该状态；第一台ATO单元和第二台ATO单元的DO冗余采用并联方式。
所述的采集隔离模块采用采集光耦作为DIO电路板5V和外界24V的隔离,FPGA模块实时采集每个输入电平信号状态，并通过CPCI总线向CPU单元上报DI的状态，FPGA在每一个时钟周期检测每一个DI口的电平状态并反馈给CPU，当输入电平信号状态为24/110V时表示输入有效，当输入电平信号状态为0V表示无输入。
在电平信号状态的采集过程中通过延时3/5/7个时钟周期，并在这个周期内信号保持相同即可判定采集信号的状态。
所述的互切模块采用继电器互锁电路实现AO的切换输出，当ATO单元完成启动自检后，在第一台ATO单元的控制下，第一台ATO单元的DIO单元的FPGA率先输出心跳方波，通过驱动电路和整流电路使互锁继电器中节点接通第一台ATO单元的AO输出，同时切断第二台ATO单元的AO输出。当第一台ATO单元发生故障时该心跳信号立即中断，此时第一台ATO单元的DIO单元的互锁继电器落下，第二台ATO单元的DIO单元的互锁继电器吸起并立即对外输出AO信号；当第一台ATO单元故障恢复之后，仍然由第二台ATO单元继续工作，直到第二台ATO单元发生故障才切换回第一台ATO单元；若第一台ATO单元和第二台ATO单元都发生了故障，则整个ATO单元设备进入宕机状态并向CPU单元上报该状态。
所述的DIO单元是以[XXC1] ”接入CPCI总线，CPCI总线接口电路包括PCI总线接口、局部总线接口、串行E2PROM接口，PCI总线使用32位地址数据总线，局部总线采用32位数据总线接入FPGA模块中实现控制逻辑，串行E2PROM用于编写配置信息，使用PCI芯片本地时钟信号BCLKo产生的内部时钟信号，分别用于局域总线LCLK和FPGA模块的时钟信号，TCK/TMS/TDI/TDO接地。  
所述的DIO电路板上设有看门狗和板内温度检测芯片，FPGA模块周期性喂狗，当FPGA模块在定时周期内没有喂狗，则看门狗电路关掉对应的FPGA模块电源；板内温度检测芯片监视板内温度情况，当出现异常，FPGA模块报警，向CPU单元上报该故障。
有益效果：本发明针对地铁车辆的DIO接口特性定制设计，满足实际应用的需求。仅修改DIO板卡设计，对已有ATO产品最大化利用，降低开发成本，缩短开发周期。板卡硬件集成度较高，配置灵活，设计简单，易于维护。
附图说明
图1为车载ATO设备硬件配置的组成框图；
图2 为DIO单元组成框图；
图3 为驱动隔离模块原理框图；
图4为采集隔离模块原理框图；
图5为互切模块原理图；
图6为CPCI总线接口示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统由2台相同硬件的ATO单元组成，ATO单元包括电源单元、AO信号单元（模拟量输出单元）、串口通信单元、DIO单元（数字量输入输出单元）、CPU单元（处理器单元）。
[XXC2] ，本发明的DIO单元是一个基于CPCI总线的16路输入，16路输出数字量接口电路板，并提供模拟量输出切换功能，包括PCI模块、FPGA模块、驱动隔离模块、采集隔离模块、互切模块和检测模块等。
DIO单元采用FPGA模块作为DIO的控制单元。FPGA模块对外提供16路DI,16路DO,并控制1路AO输出。FPGA模块通过PCI模块接口芯片挂接在CPCI总线上，实现CPU与外部DIO口的数据交互。
各模块功能关系如下：
PCI模块：完成DIO单元与CPU单元的总线接口功能；
FPGA模块：完成DIO单元输入输出控制的时序和逻辑；
驱动隔离模块：完成隔离驱动实现ATO单元对列车的输出（DO）控制功能；
采集隔离模块：完成隔离采集实现ATO单元采集列车输入(DI)功能；
互切模块：完成AO信号通过互锁切换输出功能；
检测模块：完成上述5个模块的故障、过温等检测。
驱动输出：
如图3所示，驱动隔离模块包括驱动部分和反馈部分，FPGA模块通过CPCI总线接收来自CPU的DO数据并通过驱动隔离模块中的驱动部分驱动相应的继电器输出电平信号（24/110V表示输出有效，0V表示无输出）。为了提高系统的可靠性、安全性，驱动隔离模块附加了反馈部分（光耦反馈检测回路）用于检测输出结果是否正确，并在每一个任务周期将检测的DO状态通过FPGA模块及CPCI总线反馈给CPU。其中：
驱动部分采用固态继电器功率控制回路作为本板3.3V到24V的隔离驱动，输入信号由FPGA控制，驱动终端典型电压值为24/110V。
反馈部分用于检测此驱动电路是否良好，反馈电路利用光耦检测控制回路实现高压和低压之间的隔离采集。
第一台ATO单元和第二台ATO单元的DO冗余采用并联方式，为防止其中一路DO故障时影响另一路输出，采用以下措施：
①当故障在高电平时，利用FPGA模块心跳信号使能VCC24V电源关断该故障端并向CPU上报该状态。具体设计详见“AO输出控制”小节。
②当故障在低电平时，利用二极管的反向截止特性防止高电平正常输出的DO被故障端拉低并向CPU上报该状态。
采集输入：
如图4所示，第一台ATO单元和第二台ATO单元的DI冗余采用并联方式，采集隔离模块的采集光耦作为本板5V和外界24V的隔离,FPGA模块实时采集每个输入电平信号状态（24/110V表示输入有效，0V表示无输入），并通过CPCI总线向CPU上报DI的状态。FPGA模块在每一个时钟周期检测每一个DI口的电平状态并反馈给CPU。在信号采集过程中为克服偶发的电平干扰造成采集信号的跳变，通过延时3/5/7个时钟周期，并在这个周期内信号保持相同即可判定采集信号的状态。
输出控制：
由于AO是模拟量输出信号,需要通过切换实现冗余输出。本发明中AO信号通过DIO单元上的继电器互锁电路实现切换输出。切换原理如下：
当ATO单元完成启动自检后，在第一台ATO单元的控制下，第一台ATO单元的DIO单元的FPGA率先输出心跳方波，通过驱动电路和整流电路使互锁继电器中节点接通第一台ATO单元的AO输出，同时切断第二台ATO单元的AO输出。当第一台ATO单元发生故障时该心跳信号立即中断，此时第一台ATO单元的DIO单元的互锁继电器落下，第二台ATO单元的DIO单元的互锁继电器吸起并立即对外输出AO信号；当第一台ATO单元故障恢复之后，仍然由第二台ATO单元继续工作，直到第二台ATO单元发生故障才切换回第一台ATO单元；若第一台ATO单元和第二台ATO单元都发生了故障，则整个ATO单元设备进入宕机状态并向CPU上报该状态。
通讯功能:
DIO单元是以“[XXC3] 接入CPCI总线。CPCI总线接口电路主要分为3个部分，即PCI总线接口、局部总线接口、串行E2PROM接口。
CPCI总线接口示意图如图6所示。本发明中PCI总线使用32位地址数据总线。局部总线采用32位数据总线接入FPGA模块中实现控制逻辑。串行E2PROM用于编写配置信息。使用PCI芯片本地时钟信号BCLKo产生的内部时钟信号，分别用于局域总线LCLK和FPGA模块的时钟信号。由于不使用边界扫描（JTAG），故可将TCK/TMS/TDI/TDO接地。
自诊断
DIO板自诊断功能包括FPGA故障检测、过温检测和驱动电路反馈检测。
FPGA故障检测：板内设计一个硬件看门狗,FPGA模块周期性喂狗，如FPGA在定时周期内没有喂狗，则看门狗电路关掉对应的FPGA模块电源。
过温检测：板内温度检测检测芯片监视板内温度情况，如出现异常，FPGA模块可报警向CPU上报该故障。
驱动电路反馈检测在“DO驱动输出”小节中有详细说明。
采用本发明的技术方案可实现的主要功能如下：
①24V或110V数字量驱动功能；
②24V或110V数字量采集功能；
③0-20mA模拟量互锁切换输出功能；
④CPCI通讯功能；
⑤自诊断功能；
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统，由2台相同硬件的ATO单元，即第一台ATO单元和第二台ATO单元组成,ATO单元包括电源单元、AO信号单元、串口通信单元、DIO单元、CPU单元，其特征在于:DIO单元是一个基于CPCI总线的16路输入，16路输出数字量接口电路板，包括PCI模块、FPGA模块、驱动隔离模块、采集隔离模块、互切模块和检测模块；
FPGA模块完成DIO单元输入输出控制的时序和逻辑；对外提供16路DI,16路DO,并控制1路AO输出，是DIO单元的控制单元；
FPGA模块通过PCI模块接口芯片挂接在CPCI总线上；
驱动隔离模块完成隔离驱动实现ATO单元对列车的输出DO控制；
采集隔离模块完成隔离采集实现ATO单元采集列车输入DI；
互切模块完成AO信号通过互锁切换输出；
检测模块完成对PCI模块、FPGA模块、驱动隔离模块、采集隔离模块、互切模块的故障和过温检测。
2.根据权利要求1所述的一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统，其特征在于:所述的驱动隔离模块包括驱动部分，FPGA模块通过CPCI总线接收来自CPU单元的DO数据并通过驱动隔离模块中的驱动部分驱动相应的继电器输出电平信号。
3.根据权利要求2所述的一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统，其特征在于:所述的驱动隔离模块还包括反馈部分，用于检测输出结果是否正确，即采用光耦反馈检测回路实现高压和低压之间的隔离采集，并在每一个任务周期将采集的DO数据通过FPGA模块及CPCI总线反馈给CPU单元。
4.根据权利要求3所述的一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统，其特征在于:所述的驱动部分采用固态继电器功率控制回路作为DIO电路板3.3V到24V的隔离驱动，输入信号由FPGA控制，驱动终端电压值为24/110V。
5.根据权利要求2或3所述的一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统，其特征在于:当故障在高电平时，利用FPGA模块的心跳信号使VCC24V电源关断该故障端，并向CPU单元上报该状态；当故障在低电平时，利用二极管的反向截止特性，防止高电平正常输出的DO被故障端拉低，并向CPU单元上报该状态；第一台ATO单元和第二台ATO单元的DO冗余采用并联方式。
6.根据权利要求1所述的一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统，其特征在于:所述的采集隔离模块采用采集光耦作为DIO电路板5V和外界24V的隔离,FPGA模块实时采集每个输入电平信号状态，并通过CPCI总线向CPU单元上报DI的状态，FPGA在每一个时钟周期检测每一个DI口的电平状态并反馈给CPU，当输入电平信号状态为24/110V时表示输入有效，当输入电平信号状态为0V表示无输入。
7.根据权利要求6所述的一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统，其特征在于:在电平信号状态的采集过程中通过延时3/5/7个时钟周期，并在这个周期内信号保持相同即可判定采集信号的状态。
8.根据权利要求1所述的一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统，其特征在于:所述的互切模块采用继电器互锁电路实现AO的切换输出，当ATO单元完成启动自检后，在第一台ATO单元的控制下，第一台ATO单元的DIO单元的FPGA率先输出心跳方波，通过驱动电路和整流电路使互锁继电器中节点接通第一台ATO单元的AO输出，同时切断第二台ATO单元的AO输出；
当第一台ATO单元发生故障时该心跳信号立即中断，此时第一台ATO单元的DIO单元的互锁继电器落下，第二台ATO单元的DIO单元的互锁继电器吸起并立即对外输出AO信号；当第一台ATO单元故障恢复之后，仍然由第二台ATO单元继续工作，直到第二台ATO单元发生故障才切换回第一台ATO单元；若第一台ATO单元和第二台ATO单元都发生了故障，则整个ATO单元设备进入宕机状态并向CPU单元上报该状态。
9.根据权利要求1所述的一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统，其特征在于:所述的DIO单元是以[XXC1] ”接入CPCI总线，CPCI总线接口电路包括PCI总线接口、局部总线接口、串行E2PROM接口，PCI总线使用32位地址数据总线，局部总线采用32位数据总线接入FPGA模块中实现控制逻辑，串行E2PROM用于编写配置信息，使用PCI芯片本地时钟信号BCLKo产生的内部时钟信号，分别用于局域总线LCLK和FPGA模块的时钟信号，TCK/TMS/TDI/TDO接地。
10.根据权利要求1所述的一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统，其特征在于:所述的DIO电路板上设有看门狗和板内温度检测芯片，FPGA模块周期性喂狗，当FPGA模块在定时周期内没有喂狗，则看门狗电路关掉对应的FPGA模块电源；板内温度检测芯片监视板内温度情况，当出现异常，FPGA模块报警，向CPU单元上报该故障。
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