CN108241359A - 一种基于SAFEBus总线的故障安全输出方法 - Google Patents

一种基于SAFEBus总线的故障安全输出方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于SAFEBus总线的故障安全输出方法，属于电子电路技术领域。本方法步骤如下：步骤一，主节点的BIU模块从SAFEBus总线上读取离散量输入控制信号；步骤二，X支路与Y支路的BIU模块对离散量控制进行比较；步骤三，确认控制信号一致后，传输给后一级的FPGA模块；步骤四，FPGA模块产生方波传输至输出电路模块；步骤五，输出电路模块对方波进行调制后对外输出并回绕至离散量采集模块；步骤六，FPGA模块读取离散量采集模块中的输出信号，并对输入输出信号进行比较；步骤八，仅当输入输出信号对应，继续下一阶段任务。本发明针对单个故障影响，采用组合式技术，固有故障技术，以及反应式故障技术，对故障模式进行规避，极大的提高信号输出的安全性。

Description

一种基于SAFEBus总线的故障安全输出方法
技术领域
本发明一种基于SAFEBus总线的故障安全输出方法，属于电子电路技术领域。
背景技术
目前的安全控制系统绝大多数都是计算机控制系统，一旦控制系统不能正常工作，有可能向被控设备输出危险的控制信号，从而造成人员伤亡和财产损失，当前在铁路领域，故障安全输出常见的结构有二取二，三取二结构，普遍只使用组合故障安全技术，安全措施相对单一，缺乏多重保障。
发明内容
本发明的目的，为了提高现阶段列控车载安全计算机平台架构的安全性，本发明提出一种基于SAFEBus总线的故障安全输出方法。
本发明的技术方案：一种基于SAFEBus总线的故障安全输出方法，所述方法采取以下步骤：
步骤一：主节点的X支路读取SAFEBus总线上的离散量输入控制信号x；主节点的Y支路读取SAFEBus总线上的离散量输入控制信号y。
步骤二：主节点X支路的背板总线单元读取SAFEBus中的离散量输入控制信号y，并对离散量输入控制信号x与离散量输入控制信号y进行逐位比较；主节点Y支路的背板总线单元读取SAFEBus中的离散量输入控制信号x，并对离散量输入控制信号y与离散量输入控制信号x进行逐位比较；若X支路的背板总线单元、Y支路的背板总线单元读取到离散量输入控制信号x与离散量输出控制信号y一致，则进入步骤三，反之报故障。
步骤三：主节点FPGAx收到主节点X支路的背板总线单元传递的离散量控制信号，FPGAx产生相应的方波信号x；主节点FPGAy收到主节点Y支路的背板总线单元传递的控制信号，主节点的FPGAy产生相应的方波信号y。
步骤四：FPGAx产生的方波信号x通过主节点X支路的输出电路模块，产生离散量输出信号x；FPGAy产生的方波信号y通过主节点Y支路的输出电路模块，产生离散量输出信号y；离散量输出信号x与离散量输出信号y分别通过X支路输出电路模块与Y支路输出电路模块对外输出。
步骤五：离散量输出信号x同时回绕至主节点X支路的离散量采集模块；离散量输出信号y同时回绕至主节点Y支路的离散量采集模块；
步骤六：离散量输出信号x通过X支路的连量采集模块传输至FPGAx；离散量输出信号y通过Y支路的连量采集模块传输至FPGAy；
步骤七：FPGAx比较收集到的离散量输入信号控制信号x与离散量输出信号x；FPGAy比较收集到的离散量输入信号控制信号y与离散量输出信号y；若离散量输入控制信号x与离散量输出信号、离散量控制信号y与离散量输出信号y均一一对应。则正常进行下一阶段任务，反之，停止离散量对外输出。
所步骤二中SAFEBus总线可分为Ax总线，Ay总线，Bx总线，By总线；主节点X支路的背板总线单元按照时间戳读取并发送Ax，Bx总线上数据，按照时间戳仅读取Ay，By总线上的数据。主节点Y支路的背板总线单元按照时间戳读取并发送Ay，By总线上数据，按照时间戳仅读取Ax，Bx总线上的数据。依照时间戳读取数据可以保证同一时刻下，X支路的背板总线单元与Y支路的背板总线单元在Ax，Ay，Bx，By总线上读取到的数据为同一帧的数据。
所述步骤四中的输出电路模块，其特征在于，FPGA产生的方波1通过光耦，光耦的主要作用是对方波1进行电平转换产生具有新电平的方波2，同时光耦还有隔离作用。方波2经过反激励变压器，其中反激励变压器的作用是避免光耦或是其他驱动电路故障后，输出被称低电平或高电平或不受控制。仅在输入端有一定频率的方波2时，反激励变压器次级才会有输出信号1；方波2经反激励变压器输出至全波整流电路，其功能主要对输出信号1的波形进行整流；输出信号1经全波整流电路进入参数匹配电路模块，其功能在于通过负载等进行参数匹配输出需求参数下的直流信号1。当FPGA没有产生方波时，输出电路模块中的反激励变压器次级无输出。
所述步骤七中，FPGA通过SPI接口与离散量采集模块进行连接；离散量输出信号通过输出电路模块回绕至离散量采集模块；FPGA通过SPI接口读取离散量采集模块上的离散量输出信号；同时FPGA比较离散量输入控制信号与离散量输出信号，每一个离散量输出控制信号对应唯一的离散量输出信号。当且仅当FPGAx从SAFEBus上读取到的离散量输出控制信号x与从离散量采集模块x读取到的离散量输出信号x对应。同时，FPGAy从SAFEBus上读取到的离散量输出控制信号y与从离散量采集模块y读取到的离散量输出信号y对应时，FPGAx与FPGAy才继续进行下一阶段任务，反之，FPGAx与FPGAy则停止离散量输出。该反应式故障技术，保障了输入输出的一一对应，确保整个输入输出阶段信号的正确性，安全性。
本发明具有的优点和有益效果：本发明针对单个故障影响，采用基于SAFEBus总线的二取二方法，通过背板总线单元对X支路、Y支路采集到的离散量输入信号控制信号进行比较，确保离散量控制信号的一致性后，传输到下一级的FPGA；FPGA产生方波并通过输出电路模块，来规避由于光耦或其他驱动模块异常导致信号输出常高或常低或不受控制的故障模式，进一步的保障了信号的安全输出；FPGA通过比较离散量输入控制信号和离散量输出信号来控制下一阶段是否继续输出离散量，若离散量输入控制信号与离散量输出信号一一对应则下一阶段继续输出离散量，若不一致，则下一阶段报故障停止输出离散量。本方法采用组合式技术，固有故障技术，以及反应式故障技术，通过三种故障技术组合使用，对信号安全输出进行多重保障，极大的提高信号输出的安全性。
附图说明
图1为SAFEBus总线特征图
图2为基于SAFEBus总线的故障安全输出方法框图
图3为输出电路模块图
具体实施方式
参见图1，一种基于SAFEBus总线的故障安全输出方法，其特征在于，针对故障模式，采用组合故障技术，固有故障技术，反应式故障技术，多重保障信号的安全输出。所述方法采取以下步骤：
步骤一：主节点的X支路读取SAFEBus总线上的离散量输入控制信号x；主节点的Y支路读取SAFEBus总线上的离散量输入控制信号y。
步骤二：主节点X支路的背板总线单元读取SAFEBus中的离散量输入控制信号y，并对离散量输入控制信号x与离散量输入控制信号y进行逐位比较；主节点Y支路的背板总线单元读取SAFEBus中的离散量输入控制信号x，并对离散量输入控制信号y与离散量输入控制信号x进行逐位比较；若X支路的背板总线单元、Y支路的背板总线单元读取到离散量输入控制信号x与离散量输出控制信号y一致，则进入步骤三，反之报故障。
步骤三：主节点FPGAx收到主节点X支路的背板总线单元传递的离散量控制信号，FPGAx产生相应的方波信号x；主节点FPGAy收到主节点Y支路的背板总线单元传递的控制信号，主节点的FPGAy产生相应的方波信号y。
步骤四：FPGAx产生的方波信号x通过主节点X支路的输出电路模块，产生离散量输出信号x；FPGAy产生的方波信号y通过主节点Y支路的输出电路模块，产生离散量输出信号y；离散量输出信号x与离散量输出信号y分别通过X支路输出电路模块与Y支路输出电路模块对外输出。
步骤五：离散量输出信号x同时回绕至主节点X支路的离散量采集模块；离散量输出信号y同时回绕至主节点Y支路的离散量采集模块；
步骤六：离散量输出信号x通过X支路的连量采集模块传输至FPGAx；离散量输出信号y通过Y支路的连量采集模块传输至FPGAy；
步骤七：FPGAx比较收集到的离散量输入信号控制信号x与离散量输出信号x；FPGAy比较收集到的离散量输入信号控制信号y与离散量输出信号y；若离散量输入控制信号x与离散量输出信号、离散量控制信号y与离散量输出信号y均一一对应。则正常进行下一阶段，反之，停止离散量对外输出。
对系统而言所有SAFEBus上的每个离散量输入控制信号要通过二取二的方法来确定，对离散量输出而言，接收到离散量输入控制信号后FPGA产生相应方波并将方波输送至输出电路模块，输出电路模块通过增加反激励变压器，可规避光耦或其他驱动模块故障后，输出被持续拉高或者拉低或不受控制导致固有的故障模式。对于离散量输出而言，通过输出电路后进行输出回绕，回绕至FPGA上，通过对输入输出信号的比较，可以确定整个输入输出极端信号的安全性与正确性。
参见图2，SAFEBus总线的特征如下：SAFEBus总线可分为Ax总线，Ay总线，Bx总线，By总线；Ax、Ay、Bx、By四余度总线同时传输数据兼顾完整性和可用性，每一余度总线包含一根时钟线，两根数据线，两根数据线并行传输数据；针对背板总线单元BIU，BIUx控制Ax总线，Bx总线的发送，BIUy控制Ax总线，Bx总线的发送；BIUx，BIUy均接收Ax总线，Ay总线，Bx总线，By总线数据；BIU自监控对相互控制对方驱动器的输出使能端，每个BIU仅在自己认为应该要发送数据的时刻才打开对方的发送使能(不发送数据时保持发送使能关闭)BIU对时刻互相监视对方的行为(发送的数据、状态等)，只有在对方与自己行为一致时才允许对方发送数据。
输出电路模块主要由光耦、反激励变压器、全波整流电路和参数匹配电路构成，其中光耦的作用是将前一级FPGA产生的方波进行电平转换，并起到隔离作用；反激励变压器的目的是为了避免光耦(或者其他驱动电路)故障后，输出被持续拉高或者拉低。增加范吉利变压器后仅在输入端有一定频率的方波时，反激励变压器次级才会有输出；全波整流电路的功能主要在于对方波的波形进行整流；参数匹配电路模块功能在于通过负载等进行参数匹配输出需求参数下的直流信号。当FPGA没有产生方波时，输出电路模块中的反激励变压器次级无输出。

Claims (4)

1.一种基于SAFEBus总线的故障安全输出方法，其特征在于，所述方法采取以下步骤：
步骤一：主节点的X支路读取SAFEBus总线上的离散量输入控制信号x；主节点的Y支路读取SAFEBus总线上的离散量输入控制信号y；
步骤二：主节点X支路的背板总线单元读取SAFEBus中的离散量输入控制信号y，并对离散量输入控制信号x与离散量输入控制信号y进行逐位比较；主节点Y支路的背板总线单元读取SAFEBus中的离散量输入控制信号x，并对离散量输入控制信号y与离散量输入控制信号x进行逐位比较；若X支路的背板总线单元、Y支路的背板总线单元读取到离散量输入控制信号x与离散量输出控制信号y一致，则进入步骤三，反之报故障；
步骤三：主节点FPGAx收到主节点X支路的背板总线单元传递的离散量控制信号，FPGAx产生相应的方波信号x；主节点FPGAy收到主节点Y支路的背板总线单元传递的控制信号，主节点的FPGAy产生相应的方波信号y；
步骤四：FPGAx产生的方波信号x通过主节点X支路的输出电路模块，产生离散量输出信号x；FPGAy产生的方波信号y通过主节点Y支路的输出电路模块，产生离散量输出信号y；离散量输出信号x与离散量输出信号y分别通过X支路输出电路模块与Y支路输出电路模块对外输出；
步骤五：离散量输出信号x同时回绕至主节点X支路的离散量采集模块；离散量输出信号y同时回绕至主节点Y支路的离散量采集模块；
步骤六：离散量输出信号x通过X支路的连量采集模块传输至FPGAx；离散量输出信号y通过Y支路的连量采集模块传输至FPGAy；
步骤七：FPGAx比较收集到的离散量输入信号控制信号x与离散量输出信号x；FPGAy比较收集到的离散量输入信号控制信号y与离散量输出信号y；若离散量输入控制信号x与离散量输出信号、离散量控制信号y与离散量输出信号y均一一对应；则正常进行下一阶段，反之，停止离散量对外输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于SAFEBus总线的故障安全输出方法，其特征在于，步骤二中SAFEBus总线分为Ax总线，Ay总线，Bx总线，By总线；主节点X支路的背板总线单元按照时间戳读取并发送Ax，Bx总线上数据，按照时间戳仅读取Ay，By总线上的数据；主节点Y支路的背板总线单元按照时间戳读取并发送Ay，By总线上数据，按照时间戳仅读取Ax，Bx总线上的数据；依照时间戳读取数据可以保证同一时刻下，X支路的背板总线单元与Y支路的背板总线单元在Ax，Ay，Bx，By总线上读取到的数据为同一帧的数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于SAFEBus总线的故障安全输出方法，其特征在于，步骤四中的输出电路模块，FPGA产生的方波1通过光耦，光耦的主要作用是对方波1进行电平转换产生具有新电平的方波2，同时光耦还有隔离作用；方波2经过反激励变压器，其中反激励变压器的作用是避免光耦或是其他驱动电路故障后，输出被称低电平或高电平或不受控制；仅在输入端有一定频率的方波2时，反激励变压器次级才会有输出信号1；方波2经反激励变压器输出至全波整流电路，其功能主要对输出信号1的波形进行整流；输出信号1经全波整流电路进入参数匹配电路模块，其功能在于通过负载等进行参数匹配输出需求参数下的直流信号1；当FPGA没有产生方波时，输出电路模块中的反激励变压器次级无输出。
4.根据权利要求1所述的一种基于SAFEBus总线的故障安全输出方法，其特征在于，步骤七中，FPGA通过SPI接口与离散量采集模块进行连接；离散量输出信号通过输出电路模块回绕至离散量采集模块；FPGA通过SPI接口读取离散量采集模块上的离散量输出信号；同时FPGA比较离散量输入控制信号与离散量输出信号，每一个离散量输出控制信号对应唯一的离散量输出信号；当且仅当FPGAx从SAFEBus上读取到的离散量输出控制信号x与从离散量采集模块x读取到的离散量输出信号x对应；同时，FPGAy从SAFEBus上读取到的离散量输出控制信号y与从离散量采集模块y读取到的离散量输出信号y对应时，FPGAx与FPGAy才继续进行下一阶段任务，反之，FPGAx与FPGAy则停止离散量输出；保证输入输出的一一对应，即整个输入输出阶段信号的正确、安全。
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