CN103019218A - 采用双cpu冗余技术的铁路信号装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用双CPU冗余技术的铁路信号装置及其控制方法。装置包括：CAN通讯电路、第一CPU、第二CPU、主备状态标志，同步电路、输入缓冲器、输出缓冲器、输出切换控制、输出转换电路、输出互斥电路、状态检测电路、逻辑或门电路、动态采集电路、电流检测器、过载保护电路和电压检测器。本发明的装置及其控制方法，实现了铁路信号设备控制的双CPU启动、热复位、强干扰源下的主备切换以及对信号设备的控制，铁路信号设备电子执行单元的智能化程度更高，可以根据不同现场工况识别故障，从而达到快速故障定位，快速检修的目的，并可通过现场设备与控制中心等上一级设备进行快速网络通信，使控制中心等上级系统能够随时掌握现场设备运行情况。
Description
技术领域
本发明属于双CPU冗余控制技术领域，特别是涉及一种采用双CPU冗余技术的铁路信号装置及其控制方法。
背景技术
现阶段，铁路车站信号控制领域大量应用的技术以6502电气集中和以安全型继电器为执行机构的计算机联锁系统。该系统在铁路信号控制系统已经使用多年，技术比较成熟，性能相对稳定，但由于采用集中控制方式与大量安全型继电器的使用，使得设备的体积、数量庞大，给设备现场维护带来很多问题，采用全电子控制的智能化执行单元可以有效解决上述问题，并且智能电子执行单元可以根据不同工况识别故障，从而达到快速故障定位，快速检修等优点。目前很多厂家正在处于研制过程中，距离大量上道使用还需要进行更多的试验与测试，但这是铁路信号全电子化的发展方向。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种采用双CPU冗余技术的铁路信号装置及其控制方法。
为了达到上述目的，本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置包括：CAN通讯电路、第一CPU、第二CPU、主备状态标志，同步电路、输入缓冲器、输出缓冲器、输出切换控制、输出转换电路、输出互斥电路、状态检测电路、逻辑或门电路、动态采集电路、电流检测器、过载保护电路和电压检测器；
其中：CAN通讯电路为CAN总线通讯接口电路，两个CAN通讯电路分别将第一CPU和第二CPU通过CAN总线与连锁主机相连接；
第一CPU和第二CPU分别通过主备状态标志和同步电路实现互联；其中：主备状态标志包括第一CPU和第二CPU的状态标志和状态显示电路，其分别与第一CPU和第二CPU相连接；同步电路为SCI串行数据接口电路，其通过SCI串行数据总线分别与第一CPU和第二CPU相连接；
输出缓冲器、输出切换控制和输出转换电路组成一路输出切换电路，三路输出切换电路构成输出切换单元；其中：输出缓冲器为输出接口缓冲器，第一CPU和第二CPU的输出端分别通过输出缓冲器连接至输出切换控制的输入端；输出缓冲器由多组缓冲器电路组成；输出切换控制为具有判断功能的二选一数字开关，其相当于一路输出信号来说具有两个输入端，一个输出端和两个控制端口；输出切换控制的两个控制端口分别与第一CPU和第二CPU相连接，输出端与一个输出转换电路的输入端相连接；
输出转换电路为输出推动电路，其输出端与负载连接；
输出互斥电路为输出互斥保护电路，其两个输入端分别与两个输出转换电路的输出端相连接，输出端分别与功率继电器K1、K2的控制端相连接；
逻辑或门电路的两个输入端分别与输出互斥电路的两个输出端相连接，输出端与功率继电器K3的控制端相连接；
输入缓冲器和动态采集电路组成一路输入采集电路，四路输入采集电路构成动态信号采集单元；输入缓冲器和状态检测电路组成开关量输入单元；动态信号采集单元和开关量输入单元组成输入电路部分；其中：输入缓冲器的一个输入端与一个动态采集电路的输出端相连接，其相应的输出端同时与第一CPU和第二CPU的一个输入端相连接；动态采集电路的输入端与检测信号B1-B4之中的一个信号端相连接；状态检测电路的三个输入端分别与功率继电器K1-K3的常闭触点输出端子相连接，状态检测电路的输出端输出检测信号B5，其与输入缓冲器的输入端相连接；
功率继电器J为输入电源控制部件，其具有两对主触点J1、J2，每对主触点均包含一个输入端子，一个常开输出端子和一个常闭输出端子，其中主触点J1的输入端子与正电源输入端XZ相连接，常开触点输出端子同时与功率继电器K1、K2的输入端子相连接，常闭触点输出端子与第一正输出端OUT1+相连接；主触点J2的输入端子与负电源输入端XF相连接，常开触点输出端子与功率继电器K3的输入端子相连接，常闭触点输出端子与负输出端OUT1-相连接；
功率继电器K1、K2、K3均为输出电源控制部件，分别具有一个输入触点端子、一个常开触点输出端子和一个常闭触点输出端子，其中：功率继电器K1的常开触点输出端子通过一个电流检测器与第一正输出端OUT1+相连接，功率继电器K2的常开触点输出端子通过另一个电流检测器与第二正输出端OUT2+相连接，功率继电器K3的常开触点输出端子直接与负输出端OUT1-相连接；
电流检测器为输出电流检测电路，其具有一个输入端、一个输出端和一个信号输出端，两个电流检测器分别用于检测两路功率输出的输出电流值，其中一个电流检测器的输入端与功率继电器K1的常开触点输出端子相连接，输出端与第一正输出端OUT1+相连接，信号输出端输出检测信号B1，且与一个动态采集电路的输入端相连接；另一个电流检测器的输入端与功率继电器K2的常开触点输出端子相连接，输出端与第二正输出端OUT2+相连接，信号输出端输出检测信号B2，且与一个动态采集电路的输入端相连接；
过载保护电路为输出电流峰值过载保护电路，两个过载保护电路的输入端分别与两个电流检测器的信号输出端相连接，输出端分别与对应于控制信号A2、A3的两路输出电路中两个输出转换电路的保护输入端相连接；
电压检测器为输出电压检测电路，其具有一个输入端、一个输出端，两个电压检测器分别用于检测两路功率输出的电压值，其中一个电压检测器的输入端与第一正输出端OUT1+相连接，输出端的输出信号为检测信号B3，与一个动态采集电路的输入端相连接；另一个电压检测器的输入端与第二正输出端OUT2+相连接，输出端的输出信号为检测信号B4，与一个动态采集电路的输入端相连接；
所述的控制信号A1、A2、A3之中：控制信号A1所对应的输出端与功率继电器J的控制端相连接；控制信号A2和控制信号A3所对应的输出端分别通过输出互斥电路与功率继电器K1、K2的控制端相连接。
所述的输出切换控制的两个控制端口均包括多条信号线；所述的检测信号B5所对应的输入电路均包含多条数据线。
所述的对应于控制信号A2、A3的两路输出电路中两个输出转换电路还具有保护输入端，其两个保护输入端分别与两个过载保护电路的输出端相连接。
所述的状态信号C1，C2包含状态判别信号和状态，其中的状态判别信号为主机发出的一连串固定频率的脉冲信号。
所述的输出缓冲器、输出切换控制和输出转换电路由可编程逻辑单元器件来实现。
本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置在运行状态下主控程序的控制方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1)准备阶段：系统上电初始化自检，在此阶段中两个CPU分别检查自身状态和外部设备状态是否正常，然后进入系统启动状态，两个CPU同时依据本机和对方状态进行系统启动状态主备确定，从而确定双机的主备关系；
步骤2)数据更新阶段：主机动态采集外部数据状态，主机和备机周期检查与联锁主机通讯系统是否正常及通讯数据是否已经更新。主机随时等待新的控制指令，在此过程中若发现外部状态或通讯等出现异常则要及时报警；
步骤3)执行操作阶段：主机接收新的控制指令，首先判断指令是否正常，若正常则进入输出控制操作，输出控制操作包括向外部发送输出控制指令，延时判断回采信号，判断输出控制是否正常，若正常则返回控制成功状态并点亮相应的复显指示灯，若异常则根据异常报警进行报警处理同时关闭所有外部输出；
步骤4)等待阶段：主机和备机在等待操作状态下，定时与联锁主机通讯，上报设备状态信息；并在需要时转入切换状态。
在步骤3)执行操作阶段中，所述的输出控制操作的控制方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1)点亮白灯的S101阶段：首先接通白灯输出回路，点亮白色信号灯；
步骤2)延时100毫秒的S102阶段：程序延时等待100毫秒；
步骤3)判断异常控制次数的S103阶段：程序先将异常控制计数器加1，然后判断异常控制计数器的当前值是否大于5，如果判断结果为“是”，则跳转至S106阶段的入口处，否则进入下一步骤；
步骤4)判断输出是否开路的S104阶段：程序通过连接在白灯回路上的电流检测器检测白灯回路的输出电流，并以此判断白灯回路是否处于开路状态，如果判断结果为“是”，则上报输出开路，然后程序跳转至S101阶段的入口处，否则进入下一步骤；
步骤5)判断输出是否过载的S105阶段；程序通过连接在白灯回路上的电流检测器检测白灯回路的工作电流值，并以此判断白灯回路的工作电流是否过载，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则程序结束，至此完成本次操作；
步骤6)点亮蓝灯的S106阶段：首先关闭白灯回路，熄灭白灯；然后接通蓝灯输出回路，点亮蓝色信号灯；
步骤7)判断蓝灯输出是否开路或短路的S107阶段：程序通过安装在蓝灯回路上的电流检测器检测蓝灯回路的工作电流值，并以此判断白灯回路是否处于短路或过载状态，如果判断结果为“是”，则跳转至S110阶段的入口处，否则进入下一步骤；
步骤8)延时10秒的S108阶段：程序延时等待10秒；
步骤9)点亮白灯的S109阶段：程序先接通白灯输出回路，点亮白色信号灯；然后程序跳转至S102阶段的人口处；
步骤10)关闭驱动的S110阶段：程序首先关闭所有外部输出，并上报故障状态，然后结束本次操作。
本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置的系统启动状态主备确定的控制方法包括按顺序进行的下列步骤；
步骤1)延时200毫秒的S201阶段：程序延时等待200毫秒；
步骤2)判断硬件锁定状态的S202阶段：通过主备状态标志中的状态标志，判断当前本机是否已被锁定为备机，如果判断结果为“是”，则保持本机的备机状态，本流程至此结束；否则进入下一步骤；
步骤3)判断本机SCI通讯是否正常的S203阶段：判断两个CPU之间的SCI通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则程序跳转至S206阶段的入口处；
步骤4)判断对方是否为主机的S204阶段：程序根据得到的SCI通讯数据的内容，判别另一个CPU当前是否为主机，如果判断结果为“是”，则保持本机的备机状态，本流程至此结束；否则程序则进入下一步骤；
步骤5)判断GPI015是否为1的S205阶段：判断输入接口GPI015是否为“高电平”，如果判断结果为“是”，则本机转为主机状态，本流程至此结束，否则保持本机的备机状态，本流程至此结束；
步骤6)判断GPI01是否为1的S206阶段：判断输入接口GPI015是否为“高电平”，如果判断结果为“是”，则本机转为主机状态，切换流程至此结束，否则保持本机的备机状态，本流程至此结束。
本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置在系统运行状态下主机主备切换控制方法包括按顺序进行的下列步骤；
步骤1)判断操作等待状态的S301阶段：如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则保持本机的主机状态，本流程至此结束；
步骤2)判断本机CAN是否正常的S302阶段：判断本机与联锁主机之间CAN通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则保持本机的主机状态，本流程至此结束；否则，进入下一步骤；
步骤3)延时300毫秒的S303阶段：延时等待300毫秒，然后进入下一步骤；
步骤4)判断本机SCI是否正常的S304阶段：判断两个CPU之间的SCI通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则保持本机的主机状态，本流程至此结束；
步骤5)判断备机CAN是否正常的S305阶段：通过SCI通讯数据的内容，判断当前的备机与联锁主机之间CAN通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则保持本机的主机状态，本流程至此结束；
步骤6)释放主机的S306阶段：本机转入备机状态，本流程至此结束。
本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置在系统运行状态下备机主备切换控制方法包括按顺序进行的下列步骤；
步骤1)延时100毫秒的S401阶段：首先延时等待100毫秒；
步骤2)判断硬件锁定状态的S402阶段：通过主备状态标志中的状态标志，判断当前本机是否已被锁定为备机，如果判断结果为“是”，则程序跳转至S405阶段的入口处，否则进入下一步骤；
步骤3)判断本机SCI是否正常的S403阶段：判断本机的SCI通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则程序跳转至S406阶段的入口处；
步骤4)判断对方是否为主机的S404阶段：程序根据得到的SCI通讯数据的内容，判别另一个CPU当前是否为主机，如果判断结果为“是”，则保持本机的备机状态，本流程至此结束；否则本机转入主机状态，本流程至此程结束；
步骤5)判断本机SCI是否正常的的S405阶段：判断本机的SCI通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则保持本机的备机状态，本流程至此结束；否则本机转为永备状态，本流程至此结束；
步骤6)判断本机是否为永备的S406阶段：通过永备标志判断本机是否被设置为永备，如果判断结果为“是”，则保持本机的永备状态，本流程至此结束；否则本机转为主机状态，本流程至此结束。
本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置及其控制方法，实现了铁路信号设备控制的双CPU启动、热复位、强干扰源下的主备切换以及对信号设备的控制，铁路信号设备电子执行单元的智能化程度更高，可以根据不同现场工况识别故障，从而达到快速故障定位，快速检修的目的，并可通过现场设备与控制中心等上一级设备进行快速网络通信，使控制中心等上级系统能够随时掌握现场设备运行情况。
此外，本装置采用全电子化设计，有效地节省了现场设备空间占用，提高了经济效益。
附图说明
图1为本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置结构示意图。
图2为本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置中输出切换单元的原理框图。
图3为本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置中动态信号采集单元的原理框图。
图4为本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置中开关量输入单元的原理框图。
图5为本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置中运行状态下输出控制操作的控制流程图。
图6为本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置中启动状态主备确定操作的控制流程图。
图7为本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置中运行状态下主机的主备切换操作的控制流程图。
图8为本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置中运行状态下备机的主备切换操作的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置及其控制方法进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置包括：CAN通讯电路2、第一CPU3、第二CPU4、主备状态标志5、同步电路6、输入缓冲器7、输出缓冲器8、输出切换控制9、输出转换电路10、输出互斥电路11、状态检测电路12、逻辑或门电路13、动态采集电路14、电流检测器15、过载保护电路16和电压检测器17；
其中：CAN通讯电路2为CAN总线通讯接口电路，两个CAN通讯电路2分别将第一CPU3和第二CPU4通过CAN总线与连锁主机1相连接；
第一CPU3和第二CPU4为两个相同的单片机控制器，用于实现双机冗余控制，每个控制器提供三路输出端口，并通过输出切换单元输出三路控制信号A1-A3，其用于通过功率继电器J和功率继电器K1-K3实现对两路功率输出端口OUT1，OUT2的控制；同时每个控制器均通过输入电路部分采集五路检测信号B1-B5，并通过检测信号B1-B5监视和检测两路功率输出工作状态；五路检测信号包括：两路电流检测输入信号B1、B2，两路电压检测输入信号B3、B4以及功率继电器K1-K3的状态检测输入信号B5；
第一CPU3和第二CPU4分别通过主备状态标志5和同步电路6实现互联，并通过主备状态标志5和同步电路6实现第一CPU3和第二CPU4之间主备工作状态的相互确认；其中：主备状态标志5包括第一CPU3和第二CPU4的状态标志和状态显示电路，其分别与第一CPU3和第二CPU4相连接；同步电路6为SCI串行数据接口电路，其通过SCI串行数据总线分别与第一CPU3和第二CPU4相连接，从而建立第一CPU3和第二CPU4之间的SCI通讯，SCI通讯数据内容包含本机的CAN通讯标志和主备状态标志，是双CPU之间进行冗余切换的主要判断依据；
在正常的情况下，第一CPU3和第二CPU4一个为主机另一个为备机，当主机出现故障时需要进行主备切换，即原来主机转为备机，同时原来的备机转为主机；三个输出信号A1-A3所对应的三路输出端口始终保持由主机所控制，因此，在进行主、备机切换时，三个输出信号A1-A3也需要在第一CPU3和第二CPU4之间进行切换，这一功能是由输出切换单元来完成的。
输出切换单元由大致相同的三个输出切换电路构成，每一输出切换电路完成一路输出信号的输出切换操作，三个输出切换电路共同组成输出信号A1、A2、A3的输出电路；为叙述方便，下面仅以其中的一路来说明；如图2所示，每路输出切换电路包括：输出缓冲器8、输出切换控制9和输出转换电路10；
其中：输出缓冲器8为输出接口缓冲器，第一CPU3和第二CPU4的输出端分别通过输出缓冲器8连接至输出切换控制9的输入端；输出缓冲器8由多组缓冲器电路组成，用于完成输出信号的整形，以及系统上电启动或运行过程中复位时输出信号的暂态封锁，滤除系统复位过程中出现的不准确信号，保证第一CPU3和第二CPU4输出接口的正常输出；输出缓冲器8的两个输入端分别与第一CPU3和第二CPU4的相应输出端相连接，两个输出端分别与输出切换控制9的两个输入端相连接；
输出切换控制9为具有判断功能的二选一数字开关，其相当于一路输出信号来说具有两个输入端，一个输出端和两个控制端口；输出切换控制9首先根据两个控制端口输入的状态信号C1、C2确定第一CPU3和第二CPU4之中的主机，然后将主机所对应的那路输入信号传送到输出端；输出切换控制9的两个控制端口分别与第一CPU3和第二CPU4相连接，输出端与一个输出转换电路10的输入端相连接；
输出转换电路10为输出推动电路，其输出端与负载连接；
如图1、图2所示，实际的输出切换单元包括了对第一CPU3和第二CPU4的三路输出信号的切换，其输出为三路输出信号端，需要三个输出转换电路10，构成整个输出切换电路的三路输出，其输出信号分别对应控制信号A1、A2、A3；
输出互斥电路11为输出互斥保护电路，其两个输入端分别与两个输出转换电路10的输出端相连接，输出端分别与功率继电器K1、K2的控制端相连接；
逻辑或门电路13的两个输入端分别与输出互斥电路11的两个输出端相连接，输出端与功率继电器K3的控制端相连接。
本装置的输入电路部分由输入缓冲器7和动态采集电路14以及状态检测电路12构成，第一CPU3和第二CPU4通过输入电路实现对检测信号B1-B5五路输入信号的采集；其中：输入缓冲器7为输入接口缓冲器，其由多组输入缓冲电路组成，用于完成外围采集信号与内部CPU信号之间的电平转换和系统上电启动或运行过程中复位时的输入信号的暂态封锁，以保证控制系统与外界信号暂时中断，滤除系统复位过程中出现的不准确信号，保证第一CPU3和第二CPU4输入接口的正常工作；
本装置的输入电路部分包括动态信号采集单元和开关量输入单元，动态信号采集单元用于完成对检测信号B1-B4的采集，检测信号B1-B4为四路动态输入信号，其每路动态信号的输入采集电路基本相同，为叙述方便，下面仅以其中的一路来说明；如图3所示，动态信号采集单元中的每路输入采集电路均由输入缓冲器7和动态采集电路14组成，其中：输入缓冲器7的一个输入端与一个动态采集电路14的输出端相连接，其相应的输出端同时与第一CPU3和第二CPU4的一个输入端相连接；动态采集电路14的输入端与检测信号B1-B4之中的一个信号端相连接；如图1所示，整个动态信号采集单元共有四路动态输入信号，共需要四个动态采集电路14，其四个输入端分别与检测信号B1-B4所对应的四个信号端相连接；
开关量输入单元为检测信号B5的输入电路，检测信号B5包含多路开关量信号；如图4所示，开关量输入单元由输入缓冲器7和状态检测电路12组成，其中：状态检测电路12的三个输入端分别与功率继电器K1-K3的常闭触点输出端子相连接，状态检测电路12的输出端输出检测信号B5，其与输入缓冲器7的输入端相连接；输入缓冲器7的相应输出端同时与第一CPU3和第二CPU4的输入端相连接；
本装置的控制部件由功率继电器J和功率继电器K1-K3组成，功率继电器J为输入电源控制部件，其具有两对主触点J1、J2，每对主触点均包含一个输入端子，一个常开输出端子和一个常闭输出端子，其中主触点J1的输入端子与正电源输入端XZ相连接，常开触点输出端子同时与功率继电器K1、K2的输入端子相连接，常闭触点输出端子与第一正输出端OUT1+相连接；主触点J2的输入端子与负电源输入端XF相连接，常开触点输出端子与功率继电器K3的输入端子相连接，常闭触点输出端子与负输出端OUT1-相连接；
功率继电器J的两个常闭触点用于当本装置出现严重故障时，主机对现场失去控制，该继电器两个触点同时落下接通常闭触点，从而旁路掉功率继电器K1，K3，直接接通第一正输出端OUT1+(信号安全侧)输出回路，保证信号不升级；
功率继电器K1、K2、K3均为输出电源控制部件，分别具有一个输入触点端子、一个常开触点输出端子和一个常闭触点输出端子，其中：功率继电器K1的常开触点输出端子通过一个电流检测器15与第一正输出端OUT1+相连接，功率继电器K2的常开触点输出端子通过另一个电流检测器15与第二正输出端OUT2+相连接，功率继电器K3的常开触点输出端子直接与负输出端OUT1-相连接；
电流检测器15为输出电流检测电路，其具有一个输入端、一个输出端和一个信号输出端，两个电流检测器15分别用于检测两路功率输出的输出电流值，其中一个电流检测器15的输入端与功率继电器K1的常开触点输出端子相连接，输出端与第一正输出端OUT1+相连接，信号输出端输出检测信号B1且与一个动态采集电路14的输入端相连接；另一个电流检测器15的输入端与功率继电器K2的常开触点输出端子相连接，输出端与第二正输出端OUT2+相连接，信号输出端输出检测信号B2且与一个动态采集电路14的输入端相连接；
过载保护电路16为输出电流峰值过载保护电路，两个过载保护电路16的输入端分别与两个电流检测器15的信号输出端相连接，输出端分别与对应于控制信号A2、A3的两路输出电路中两个输出转换电路10的保护输入端相连接。
电压检测器17为输出电压检测电路，其具有一个输入端、一个输出端，两个电压检测器17分别用于检测两路功率输出的电压值，其中一个电压检测器17的输入端与第一正输出端OUT1+相连接，输出端的输出信号为检测信号B3，与一个动态采集电路14的输入端相连接；另一个电压检测器17的输入端与第二正输出端OUT2+相连接，输出端的输出信号为检测信号B4，与一个动态采集电路14的输入端相连接。
所述的控制信号A1、A2、A3之中：控制信号A1所对应的输出端与功率继电器J的控制端相连接；控制信号A2和控制信号A3所对应的输出端分别通过输出互斥电路11与功率继电器K1、K2的控制端相连接；
所述的输出切换控制9的两个控制端口均包括多条信号线。
所述的对应于控制信号A2、A3的两路输出电路中两个输出转换电路10还具有保护输入端，其两个保护输入端分别与两个过载保护电路16的输出端相连接。
所述的状态信号C1，C2包含状态判别信号和状态，其中的状态判别信号为主机发出的一连串固定频率的脉冲信号。
所述的检测信号B5所对应的输入电路均包含多条数据线。
所述的输出缓冲器8、输出切换控制9和输出转换电路10由可编程逻辑单元(CPLD)器件来实现。
一种采用双CPU冗余技术的铁路信号装置的控制方法。其主要控制方法包括：运行状态下主控程序、运行状态下输出控制操作、系统启动状态主备确定、运行状态下主机主备切换和运行状态下备机主备切换控制方法，其主控程序分为系统运行状态和切换状态两部分，一般情况下只有系统处于等待指令状态下才能够进行CPU之间切换。若系统正处于操作过程中，则需要等待本操作完成后才能进行主备切换；下面简述其中的主要控制步骤。
采用双CPU冗余技术的铁路信号装置其软件实现中运行状态下主控程序的控制方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1)准备阶段：系统上电初始化自检，在此过程中两个CPU分别检查自身状态和外部设备状态是否正常，然后进入系统启动状态，两个CPU同时依据本机和对方状态进行系统启动状态主备确定，从而确定双机的主备关系；
步骤2)数据更新阶段：主机动态采集外部数据状态，主机和备机周期检查与联锁主机1通讯系统是否正常及通讯数据是否已经更新。主机随时等待新的控制指令，在此过程中若发现外部状态或通讯等出现异常则要及时报警；
步骤3)执行操作阶段：主机接收新的控制指令，首先判断指令是否正常(一般情况下联锁主机1会同时发送几组控制命令码，执行单元需要组合判断命令码是否正常)，若正常则进入输出控制操作，输出控制操作包括向外部发送输出控制指令，延时判断回采信号，判断输出控制是否正常，若正常则返回控制成功状态并点亮相应的复显指示灯，若异常则根据异常报警进行报警处理同时关闭所有外部输出；
步骤4)等待阶段：主机和备机在等待操作状态下，定时与联锁主机1通讯，上报设备状态信息；并在需要时转入切换状态。
在步骤3)执行操作阶段中，所述的控制操作包含了本装置主要的输出操作内容，下面以调车信号机控制为例，说明控制操作的控制流程；在此例中输出端0UT1+连接蓝色信号灯，输出端OUT2+连接白色信号灯；如图5所示，所述的运行状态下输出控制操作的控制方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1)点亮白灯的S101阶段：首先接通白灯输出回路，点亮白色信号灯；
步骤2)延时100毫秒的S102阶段：程序延时等待100毫秒；
步骤3)判断异常控制次数的S103阶段：程序先将异常控制计数器加1，然后判断异常控制计数器的当前值是否大于5，如果判断结果为“是”，则跳转至S106阶段的入口处，否则进入下一步骤；
步骤4)判断输出是否开路的S104阶段：程序通过连接在白灯回路上的电流检测器15检测白灯回路的输出电流，并以此判断白灯回路是否处于开路状态，如果判断结果为“是”，则上报输出开路，然后程序跳转至S101阶段的入口处，否则进入下一步骤；
步骤5)判断输出是否过载的S105阶段；程序通过连接在白灯回路上的电流检测器15检测白灯回路的工作电流值，并以此判断白灯回路的工作电流是否过载，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则程序结束，至此完成本次操作；
步骤6)点亮蓝灯的S106阶段：首先关闭白灯回路，熄灭白灯；然后接通蓝灯输出回路，点亮蓝色信号灯；
步骤7)判断蓝灯输出是否开路或短路的S107阶段：程序通过安装在蓝灯回路上的电流检测器15检测蓝灯回路的工作电流值，并以此判断白灯回路是否处于短路或过载状态，如果判断结果为“是”，则跳转至S110阶段的入口处，否则进入下一步骤；
步骤8)延时10秒的S108阶段：程序延时等待10秒；
步骤9)点亮白灯的S109阶段：程序先接通白灯输出回路，点亮白色信号灯；然后程序跳转至S102阶段的人口处；
步骤10)关闭驱动的S110阶段：程序首先关闭所有外部输出，并上报故障状态，然后结束本次操作。
采用双CPU冗余技术的铁路信号装置其软件实现中的切换状态包括系统启动状态主备确定和系统运行状态下主备切换两部分；而在系统运行状态下主备切换又分为主机切换和备机切换两种控制，在第一CPU3和第二CPU4之中作为主机的CPU采用主机切换控制流程，作为备机的CPU采用备机切换控制流程；其中，所述的输入接口GPI015为默认的主机标识，所述的备机状态与永备状态的区别是：一般备机状态可以随时转为主机状态，而永备状态则无法转为主机状态。
如图6所示，系统启动状态主备确定的控制方法包括按顺序进行的下列步骤；
步骤1)延时200毫秒的S201阶段：程序延时等待200毫秒；
步骤2)判断硬件锁定状态的S202阶段：通过主备状态标志5中的状态标志，判断当前本机是否已被锁定为备机，如果判断结果为“是”，则保持本机的备机状态，本流程至此结束；否则进入下一步骤；
步骤3)判断本机SCI通讯是否正常的S203阶段：判断两个CPU之间的SCI通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则程序跳转至S206阶段的入口处；
步骤4)判断对方是否为主机的S204阶段：程序根据得到的SCI通讯数据的内容，判别另一个CPU当前是否为主机，如果判断结果为“是”，则保持本机的备机状态，本流程至此结束；否则程序则进入下一步骤；
步骤5)判断GPI015是否为1的S205阶段：判断输入接口GPI015是否为“高电平”，如果判断结果为“是”，则本机转为主机状态，本流程至此结束，否则保持本机的备机状态，本流程至此结束；
步骤6)判断GPI01是否为1的S206阶段：判断输入接口GPI015是否为“高电平”，如果判断结果为“是”，则本机转为主机状态，切换流程至此结束，否则保持本机的备机状态，本流程至此结束。
如图7所示，系统运行状态下主机主备切换控制方法包括按顺序进行的下列步骤；
步骤1)判断操作等待状态的S301阶段：因为在操作状态下是不能进行主备切换的，只有当前操作完成后，进入下一个等待周期才能进行主备判断和切换；因此程序首先判断当前是否处于操作等待状态，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则保持本机的主机状态，本流程至此结束；
步骤2)判断本机CAN是否正常的S302阶段：判断本机与联锁主机1之间CAN通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则保持本机的主机状态，本流程至此结束；否则，进入下一步骤；
步骤3)延时300毫秒的S303阶段：延时等待300毫秒，然后进入下一步骤；
步骤4)判断本机SCI是否正常的S304阶段：判断两个CPU之间的SCI通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则保持本机的主机状态，本流程至此结束；
步骤5)判断备机CAN是否正常的S305阶段：通过SCI通讯数据的内容，判断当前的备机与联锁主机1之间CAN通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则保持本机的主机状态，本流程至此结束；
步骤6)释放主机的S306阶段：本机转入备机状态，本流程至此结束。
如图8所示，系统运行状态下备机主备切换控制方法包括按顺序进行的下列步骤；
步骤1)延时100毫秒的S401阶段：首先延时等待100毫秒；
步骤2)判断硬件锁定状态的S402阶段：通过主备状态标志5中的状态标志，判断当前本机是否已被锁定为备机，如果判断结果为“是”，则程序跳转至S405阶段的入口处，否则进入下一步骤；
步骤3)判断本机SCI是否正常的S403阶段：判断本机的SCI通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则程序跳转至S406阶段的入口处；
步骤4)判断对方是否为主机的S404阶段：程序根据得到的SCI通讯数据的内容，判别另一个CPU当前是否为主机，如果判断结果为“是”，则保持本机的备机状态，本流程至此结束；否则本机转入主机状态，本流程至此程结束；
步骤5)判断本机SCI是否正常的S405阶段：判断本机的SCI通讯是否正常？如果判断结果为“是”，则保持本机的备机状态，本流程至此结束；否则本机转为永备状态，本流程至此结束；
步骤6)判断本机是否为永备的S406阶段：通过永备标志判断本机是否被设置为永备，如果判断结果为“是”，则保持本机的永备状态，本流程至此结束；否则本机转为主机状态，本流程至此结束。
本发明提供的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置，其控制设备平台采用全电子化设计，现场控制信号全部来自于通信网络数据，所以该套设备能够在自动化、智能化程度高，保证安全可靠的前提下实现信号设备连续可靠控制。同时相比原来系统，新的控制系统体积更小、占用空间更少、系统维护更方便。
Claims (10)
1.一种采用双CPU冗余技术的铁路信号装置，其特征在于：所述的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置包括：CAN通讯电路(2)、第一CPU(3)、第二CPU(4)、主备状态标志(5)，同步电路(6)、输入缓冲器(7)、输出缓冲器(8)、输出切换控制(9)、输出转换电路(10)、输出互斥电路(11)、状态检测电路(12)、逻辑或门电路(13)、动态采集电路(14)、电流检测器(15)、过载保护电路(16)和电压检测器(17)；
其中：CAN通讯电路(2)为CAN总线通讯接口电路，两个CAN通讯电路(2)分别将第一CPU(3)和第二CPU(4)通过CAN总线与连锁主机(1)相连接；
第一CPU(3)和第二CPU(4)分别通过主备状态标志(5)和同步电路(6)实现互联；其中：主备状态标志(5)包括第一CPU(3)和第二CPU(4)的状态标志和状态显示电路，其分别与第一CPU(3)和第二CPU(4)相连接；同步电路(6)为SCI串行数据接口电路，其通过SCI串行数据总线分别与第一CPU(3)和第二CPU(4)相连接；
输出缓冲器(8)、输出切换控制(9)和输出转换电路(10)组成一路输出切换电路，三路输出切换电路构成输出切换单元；其中：输出缓冲器(8)为输出接口缓冲器，第一CPU(3)和第二CPU(4)的输出端分别通过输出缓冲器(8)连接至输出切换控制(9)的输入端；输出缓冲器(8)由多组缓冲器电路组成；输出切换控制(9)为具有判断功能的二选一数字开关，其相当于一路输出信号来说具有两个输入端，一个输出端和两个控制端口；输出切换控制(9)的两个控制端口分别与第一CPU(3)和第二CPU(4)相连接，输出端与一个输出转换电路(10)的输入端相连接；
输出转换电路(10)为输出推动电路，其输出端与负载连接；
输出互斥电路(11)为输出互斥保护电路，其两个输入端分别与两个输出转换电路(10)的输出端相连接，输出端分别与功率继电器K1、K2的控制端相连接；
逻辑或门电路(13)的两个输入端分别与输出互斥电路(11)的两个输出端相连接，输出端与功率继电器K3的控制端相连接；
输入缓冲器(7)和动态采集电路(14)组成一路输入采集电路，四路输入采集电路构成动态信号采集单元；输入缓冲器(7)和状态检测电路(12)组成开关量输入单元；动态信号采集单元和开关量输入单元组成输入电路部分；其中：输入缓冲器(7)的一个输入端与一个动态采集电路(14)的输出端相连接，其相应的输出端同时与第一CPU(3)和第二CPU(4)的一个输入端相连接；动态采集电路(14)的输入端与检测信号B1-B4之中的一个信号端相连接；状态检测电路(12)的三个输入端分别与功率继电器K1-K3的常闭触点输出端子相连接，状态检测电路(12)的输出端输出检测信号B5，其与输入缓冲器(7)的输入端相连接；
功率继电器J为输入电源控制部件，其具有两对主触点J1、J2，每对主触点均包含一个输入端子，一个常开输出端子和一个常闭输出端子，其中主触点J1的输入端子与正电源输入端XZ相连接，常开触点输出端子同时与功率继电器K1、K2的输入端子相连接，常闭触点输出端子与第一正输出端OUT1+相连接；主触点J2的输入端子与负电源输入端XF相连接，常开触点输出端子与功率继电器K3的输入端子相连接，常闭触点输出端子与负输出端OUT1-相连接；
功率继电器K1、K2、K3均为输出电源控制部件，分别具有一个输入触点端子、一个常开触点输出端子和一个常闭触点输出端子，其中：功率继电器K1的常开触点输出端子通过一个电流检测器(15)与第一正输出端OUT1+相连接，功率继电器K2的常开触点输出端子通过另一个电流检测器(15)与第二正输出端OUT2+相连接，功率继电器K3的常开触点输出端子直接与负输出端OUT1-相连接；
电流检测器(15)为输出电流检测电路，其具有一个输入端、一个输出端和一个信号输出端，两个电流检测器(15)分别用于检测两路功率输出的输出电流值，其中一个电流检测器(15)的输入端与功率继电器K1的常开触点输出端子相连接，输出端与第一正输出端OUT1+相连接，信号输出端输出检测信号B1，且与一个动态采集电路(14)的输入端相连接；另一个电流检测器(15)的输入端与功率继电器K2的常开触点输出端子相连接，输出端与第二正输出端OUT2+相连接，信号输出端输出检测信号B2，且与一个动态采集电路(14)的输入端相连接；
过载保护电路(16)为输出电流峰值过载保护电路，两个过载保护电路(16)的输入端分别与两个电流检测器(15)的信号输出端相连接，输出端分别与对应于控制信号A2、A3的两路输出电路中两个输出转换电路(10)的保护输入端相连接；
电压检测器(17)为输出电压检测电路，其具有一个输入端、一个输出端，两个电压检测器(17)分别用于检测两路功率输出的电压值，其中一个电压检测器(17)的输入端与第一正输出端OUT1+相连接，输出端的输出信号为检测信号B3，与一个动态采集电路(14)的输入端相连接；另一个电压检测器(17)的输入端与第二正输出端OUT2+相连接，输出端的输出信号为检测信号B4，与一个动态采集电路(14)的输入端相连接；
所述的控制信号A1、A2、A3之中：控制信号A1所对应的输出端与功率继电器J的控制端相连接；控制信号A2和控制信号A3所对应的输出端分别通过输出互斥电路(11)与功率继电器K1、K2的控制端相连接。
2.根据权利要求1所述的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置，其特征在于：所述的输出切换控制(9)的两个控制端口均包括多条信号线；所述的检测信号B5所对应的输入电路均包含多条数据线。
3.根据权利要求1所述的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置，其特征在于：所述的对应于控制信号A2、A3的两路输出电路中两个输出转换电路(10)还具有保护输入端，其两个保护输入端分别与两个过载保护电路(16)的输出端相连接。
4.根据权利要求1所述的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置，其特征在于：所述的状态信号C1，C2包含状态判别信号和状态，其中的状态判别信号为主机发出的一连串固定频率的脉冲信号。
5.根据权利要求1所述的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置，其特征在于：所述的输出缓冲器(8)、输出切换控制(9)和输出转换电路(10)由可编程逻辑单元器件来实现。
6.一种如权利要求1所述的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置的控制方法，其特征在于：所述的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置在运行状态下主控程序的控制方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1)准备阶段：系统上电初始化自检，在此阶段中两个CPU分别检查自身状态和外部设备状态是否正常，然后进入系统启动状态，两个CPU同时依据本机和对方状态进行系统启动状态主备确定，从而确定双机的主备关系；
步骤2)数据更新阶段：主机动态采集外部数据状态，主机和备机周期检查与联锁主机(1)通讯系统是否正常及通讯数据是否已经更新。主机随时等待新的控制指令，在此过程中若发现外部状态或通讯等出现异常则要及时报警；
步骤3)执行操作阶段：主机接收新的控制指令，首先判断指令是否正常，若正常则进入输出控制操作，输出控制操作包括向外部发送输出控制指令，延时判断回采信号，判断输出控制是否正常，若正常则返回控制成功状态并点亮相应的复显指示灯，若异常则根据异常报警进行报警处理同时关闭所有外部输出；
步骤4)等待阶段：主机和备机在等待操作状态下，定时与联锁主机(1)通讯，上报设备状态信息；并在需要时转入切换状态。
7.根据权利要求6所述的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置的控制方法，其特征在于：在步骤3)执行操作阶段中，所述的输出控制操作的控制方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1)点亮白灯的S101阶段：首先接通白灯输出回路，点亮白色信号灯；
步骤2)延时100毫秒的S102阶段：程序延时等待100毫秒；
步骤3)判断异常控制次数的S103阶段：程序先将异常控制计数器加1，然后判断异常控制计数器的当前值是否大于5，如果判断结果为“是”，则跳转至S106阶段的入口处，否则进入下一步骤；
步骤4)判断输出是否开路的S104阶段：程序通过连接在白灯回路上的电流检测器(15)检测白灯回路的输出电流，并以此判断白灯回路是否处于开路状态，如果判断结果为“是”，则上报输出开路，然后程序跳转至S101阶段的入口处，否则进入下一步骤；
步骤5)判断输出是否过载的S105阶段；程序通过连接在白灯回路上的电流检测器(15)检测白灯回路的工作电流值，并以此判断白灯回路的工作电流是否过载，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则程序结束，至此完成本次操作；
步骤6)点亮蓝灯的S106阶段：首先关闭白灯回路，熄灭白灯；然后接通蓝灯输出回路，点亮蓝色信号灯；
步骤7)判断蓝灯输出是否开路或短路的S107阶段：程序通过安装在蓝灯回路上的电流检测器(15)检测蓝灯回路的工作电流值，并以此判断白灯回路是否处于短路或过载状态，如果判断结果为“是”，则跳转至S110阶段的入口处，否则进入下一步骤；
步骤8)延时10秒的S108阶段：程序延时等待10秒；
步骤9)点亮白灯的S109阶段：程序先接通白灯输出回路，点亮白色信号灯；然后程序跳转至S102阶段的人口处；
步骤10)关闭驱动的S110阶段：程序首先关闭所有外部输出，并上报故障状态，然后结束本次操作。
8.一种如权利要求1所述的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置的控制方法，其特征在于：所述的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置的系统启动状态主备确定的控制方法包括按顺序进行的下列步骤；
步骤1)延时200毫秒的S201阶段：程序延时等待200毫秒；
步骤2)判断硬件锁定状态的S202阶段：通过主备状态标志(5)中的状态标志，判断当前本机是否已被锁定为备机，如果判断结果为“是”，则保持本机的备机状态，本流程至此结束；否则进入下一步骤；
步骤3)判断本机SCI通讯是否正常的S203阶段：判断两个CPU之间的SCI通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则程序跳转至S206阶段的入口处；
步骤4)判断对方是否为主机的S204阶段：程序根据得到的SCI通讯数据的内容，判别另一个CPU当前是否为主机，如果判断结果为“是”，则保持本机的备机状态，本流程至此结束；否则程序则进入下一步骤；
步骤5)判断GPI015是否为1的S205阶段：判断输入接口GPI015是否为“高电平”，如果判断结果为“是”，则本机转为主机状态，本流程至此结束，否则保持本机的备机状态，本流程至此结束；
步骤6)判断GPI01是否为1的S206阶段：判断输入接口GPI015是否为“高电平”，如果判断结果为“是”，则本机转为主机状态，切换流程至此结束，否则保持本机的备机状态，本流程至此结束。
9.一种如权利要求1所述的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置的控制方法，其特征在于：所述的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置在系统运行状态下主机主备切换控制方法包括按顺序进行的下列步骤；
步骤1)判断操作等待状态的S301阶段：如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则保持本机的主机状态，本流程至此结束；
步骤2)判断本机CAN是否正常的S302阶段：判断本机与联锁主机(1)之间CAN通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则保持本机的主机状态，本流程至此结束；否则，进入下一步骤；
步骤3)延时300毫秒的S303阶段：延时等待300毫秒，然后进入下一步骤；
步骤4)判断本机SCI是否正常的S304阶段：判断两个CPU之间的SCI通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则保持本机的主机状态，本流程至此结束；
步骤5)判断备机CAN是否正常的S305阶段：通过SCI通讯数据的内容，判断当前的备机与联锁主机(1)之间CAN通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则保持本机的主机状态，本流程至此结束；
步骤6)释放主机的S306阶段：本机转入备机状态，本流程至此结束。
10.一种如权利要求1所述的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置的控制方法，其特征在于：所述的采用双CPU冗余技术的铁路信号装置在系统运行状态下备机主备切换控制方法包括按顺序进行的下列步骤；
步骤1)延时100毫秒的S401阶段：首先延时等待100毫秒；
步骤2)判断硬件锁定状态的S402阶段：通过主备状态标志(5)中的状态标志，判断当前本机是否已被锁定为备机，如果判断结果为“是”，则程序跳转至S405阶段的入口处，否则进入下一步骤；
步骤3)判断本机SCI是否正常的S403阶段：判断本机的SCI通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则进入下一步骤，否则程序跳转至S406阶段的入口处；
步骤4)判断对方是否为主机的S404阶段：程序根据得到的SCI通讯数据的内容，判别另一个CPU当前是否为主机，如果判断结果为“是”，则保持本机的备机状态，本流程至此结束；否则本机转入主机状态，本流程至此程结束；
步骤5)判断本机SCI是否正常的的S405阶段：判断本机的SCI通讯是否正常，如果判断结果为“是”，则保持本机的备机状态，本流程至此结束；否则本机转为永备状态，本流程至此结束；
步骤6)判断本机是否为永备的S406阶段：通过永备标志判断本机是否被设置为永备，如果判断结果为“是”，则保持本机的永备状态，本流程至此结束；否则本机转为主机状态，本流程至此结束。
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