CN110554978A - 一种采用通用i/o模块实现的安全计算机平台 - Google Patents

一种采用通用i/o模块实现的安全计算机平台 Download PDF

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Abstract

本发明的安全计算机平台，采用二乘二取二的安全冗余架构，分为主控层和执行层；针对执行层，设计两种通用I/O的执行模块以供安全计算机平台集成选用；该两种通用I/O的执行模块分别为通用安全I/O模块和通用非安全I/O模块，二者基本功能一致，仅从架构设计上区分为安全模块和非安全模块，以供不同应用环境选择；该两种通用I/O模块的功能集中了数字量的输入输出、模拟量的输出输出、频率量的输入采集等常用I/O功能；只需在集成平台系统时，配置合适数量的通用模块个数，便可满足系统需求。本发明的技术优势：设计了一种功能完整、通用性极好的IO模块，供安全计算机平台集成使用，极大的降低了平台的维护性和配置难度。

Description

一种采用通用I/O模块实现的安全计算机平台
技术领域
本发明涉及铁路安全计算机平台实现领域，具体涉及一种采用通用I/O模块实现系统集成的安全计算机平台。
背景技术
随着铁路运输事业的发展，列车信号控制相关设备发展的多样性。对列控设备的安全性、可维护性提出更高要求。安全计算机平台作为一个基本的通用平台，可灵活开发应用业务并集成多种输入输出(I/O)模块，支持多种不同应用环境。其特点是分层和总线的架构，各层包含相对独立可集成的模块，每个模块可包含软件程序，模块间可通过总线通信。适用于铁路列控系统的安全计算机平台系统，除了需要主控模块控制整个系统的运行时序、运行周期和工作状态等，还需要大量的数据采集或输入输出模块,使得现场安装维护和应用配置工作变得十分繁琐，容易造成人为失误引起的安全问题。
综上，为了提高铁路安全计算机平台的可维护性，在安全计算机平台系统集成时，采用通用I/O模块来集成，可以有效降低安装维护成本和提高系统的可配置性，对于提高安全计算机平台系统通用性、适用性、安全性有重要意义。
发明内容
本发明所针对要解决的问题：安全计算机平台应用场景复杂，配置模块过多，维护成本高难度大，既要保证安全又要提高系统性能的问题。
本发明提出一种采用通用I/O模块实现的安全计算机平台，该安全计算机平台采用二乘二取二的安全冗余架构，分为主控层和执行层；所述主控层由主控模块A和主控模块B构成；执行层由两组执行模块A和执行模块B构成，提供状态输入接口，提供控制输出接口，提供与外部设备和外部子模块的通信接口；所述主控层与执行层之间通过冗余全双工串行总线通信；其特征在于，
针对执行层，设计两种通用I/O的执行模块以供安全计算机平台集成选用；
该两种通用I/O的执行模块分别为通用安全I/O模块和通用非安全I/O模块，二者基本功能一致，仅从架构设计上区分为安全模块和非安全模块，以供不同应用环境选择；
该两种通用I/O模块的功能集中了数字量的输入输出、模拟量的输出输出、频率量的输入采集等常用I/O功能；对于通用I/O的扩展，只需在集成平台系统时，配置合适数量的通用模块个数，便可满足系统需求。
本发明的技术优势：设计了一种功能完整、通用性极好的IO模块，供安全计算机平台集成使用，极大的降低了平台的维护性和配置难度；通用的IO模块由设计分为安全架构和非安全架构，以满足不同应用配置使用，同时，整个安全计算机平台针对安全模块和非安全模块进行了隔离，保证了安全计算机平台的安全性和系统性能。
附图说明
[1]图1为本发明安全计算机平台的总体架构图
[2]图4为本发明采用通用I/O模块的安全计算机平台的连接配置图
[3]图2为通用安全I/O模块主要功能架构示意图
[4]图3为通用非安全I/O模块主要功能架构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的说明，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明。本发明所适用的安全平台是一种基于串行总线的网络结构及用该网络结构组成的安全计算机平台，平台不以任何形式限制本发明。
图1所示，为本发明适用的一种安全计算机平台的架构，该安全计算机平台采用二乘二取二的安全冗余架构，安全计算机平台分为主控层和执行层。主控层与执行层之间通过冗余全双工串行总线通信，如CANFD总线、以太网总线等。
主控层由主控模块A和主控模块B构成，是安全计算机的控制核心，控制整个系统的运行时序、运行周期和工作状态；主控层为应用软件提供运行环境、系统功能支持；主控层提供应用软件接口、配置文件接口。
执行层由两组执行模块A和执行模块B构成，提供状态输入接口，提供控制输出接口，提供与外部设备和外部子模块的通信接口。
本发明针对执行层，设计2种通用I/O的执行模块以供安全计算机平台集成选用，分别叫做通用安全I/O模块和通用非安全I/O模块。2种通用I/O模块的基本功能一致，仅从架构设计上区分为安全模块和非安全模块，以供不同应用环境选择。一般来说，安全模块采用二取二的安全架构设计，非安全模块采用单CPU的架构设计。
2种通用I/O模块功能上应至少满足以下设计要求，应具备：数字输入通道、数字输出通道、模拟输入通道、模拟输出通道、频率输入通道。每种功能的通道个数可在实际设计时进行调整，下面列举的通道数量不限制本发明，具体实施方式如下：
数字输入通道：实现4路开关量的采集；
数字输出通道：实现2路继电器输出，每路继电器都输出常开和常闭两组干接点供应用选择；
模拟输入通道：实现2路模拟信号的采集，如压力信号、原边电压和原边电流的采集；
模拟输出通道：实现1路模拟信号的输出，如时速、限速和里程等信号的输出；
频率输入通道：实现2路频率信号的采集，如速度传感器信号，2路频率信息可以是1组两两正交的频率信号，也可以是2路独立的频率信号；
通用安全I/O模块采用二取二的安全架构设计，如图2所示，图中的数字表示数据类型编号，对于本模块的所有输入，均需要采用双套CPU实时比较，只有比较一致才对外输出；
通用非安全I/O模块采用单CPU的架构设计，如图3所示，图中的数字表示数据类型编号，对于本模块的所有输入，只需要采用单CPU进行处理，处理正确后即可对外输出。
对于单个通用I/O模块而言，主控模块既是数据输入源也是数据输出目标模块，即主控模块会输出数字量和模拟量相关的数据或控制信息给通用I/O模块，同时主控模块也会接收本I/O模块采集的数字量、模拟量、频率量信息。
图4所示为一种适用铁路列控系统的、采用通用I/O模块实现系统集成的安全计算机平台，图中模块的选择以及连接位置不以任何形式限制本发明。
图4中所示安全计算机平台的单系，除主控模块之外，选择了4个通用安全I/O模块和2个通用非安全I/O模块和其他模块(如串口通信模块)。图4中，模块A1、A2、A3、A4是扩展关系，扩展了各安全I/O的通道数，模块A5、A6也是扩展关系，扩展了非安全I/O的通道数。同时，安全计算机平台采用2X2的双机热备结构，即图4中的A系和B系，因此模块A1和模块B1、模块A5和模块B5等为冗余关系。各模块的配置和识别，通过主控模块读取配置文件后进行系统完整性检查来完成。
因此根据本文中举例的通用I/O模块设计通道数，图4所示的安全计算机平台最大可支持：16路安全数字量输入，8路安全数字量输出，8路安全模拟量输入，4路安全模拟量输出，8路安全频率量输入，以及，8路非安全数字量输入，4路非安全数字量输出，4路非安全模拟量输入，2路非安全模拟量输出，4路非安全频率量输入。
在安全计算机平台上，本发明的通用安全I/O模块与通用非安全I/O模块连接在相同的串行总线上与主控模块进行通信。为了保证非安全模块与安全模块的物理独立性，非安全I/O模块采用隔离器件隔离后再连接到串行总线并且采用独立的供电电源。
本发明与现有技术的关键不同处在于：
针对铁路列控系统安全计算机平台，设计了功能集中的、通用的I/O模块，供平台系统集成选用。通用I/O模块的功能集中了数字量的输入输出、模拟量的输出输出、频率量的输入采集等常用I/O功能，对于通用I/O的扩展，只需要在集成平台系统时配置适量的模块个数，便可满足系统需求。极大的提高了安全计算机平台系统的可维护性，降低了安装、维护、配置成本。
在保证功能一致的前提下，设计了两种不同架构的通用I/O模块，即安全架构的通用I/O模块和非安全架构的通用I/O模块。区分安全和非安全的通用I/O模块，用以适应安全计算机平台系统不同的应用环境，对安全计算机平台系统集成时的功能划分、提高系统可用性等有重要意义。
设计了隔离安全模块和非安全模块的方法。通用安全I/O模块和通用的非安全I/O模块连接在相同的内部串行总线上与主控模块进行通信，为了保证非安全I/O模块的异常不对安全模块产生影响，非安全模块采用隔离器件隔离后再连接到串行总线，并且采用将安全模块和非安全模块的供电分开，既保证了安全计算机平台系统功能的可集成性又保证了系统的安全性，提高了安全计算机平台系统的通用性和安全性。
以上所述仅为本新方案的较佳实施案例而已，并非用于限定本新方案的保护范围。凡在本新方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本新方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采用通用I/O模块实现的安全计算机平台，该安全计算机平台采用二乘二取二的安全冗余架构，分为主控层和执行层；所述主控层由主控模块A和主控模块B构成；执行层由两组执行模块A和执行模块B构成，提供状态输入接口，提供控制输出接口，提供与外部设备和外部子模块的通信接口；所述主控层与执行层之间通过冗余全双工串行总线通信；其特征在于，
针对执行层，设计两种通用I/O的执行模块以供安全计算机平台集成选用；
该两种通用I/O的执行模块分别为通用安全I/O模块和通用非安全I/O模块，二者基本功能一致，仅从架构设计上区分为安全模块和非安全模块，以供不同应用环境选择；
该两种通用I/O模块的功能集中了数字量的输入输出、模拟量的输出输出、频率量的输入采集等常用I/O功能；对于通用I/O的扩展，只需在集成平台系统时，配置合适数量的通用模块个数，便可满足系统需求。
2.根据权利要求1所述的安全计算机平台，其特征在于，所述通用安全I/O模块和通用非安全I/O模块连接在相同的内部串行总线上与主控模块进行通信；对非安全模块采用隔离器件隔离后再连接到串行总线，并将对安全模块和非安全模块的供电分开，以保证通用非安全I/O模块的异常不对安全模块产生影响。
3.根据权利要求1所述的安全计算机平台，其特征在于，安全模块采用二取二的安全架构设计，非安全模块采用单CPU的架构设计。
4.根据权利要求1所述的安全计算机平台，其特征在于，该两种通用I/O模块功能上至少满足以下设计要求，具备：数字输入通道、数字输出通道、模拟输入通道、模拟输出通道、频率输入通道，每种功能的通道个数可在实际设计时调整。
5.根据权利要求1所述的安全计算机平台，其特征在于，对于单个通用I/O模块而言，主控模块既是数据输入源也是数据输出目标模块，即主控模块会输出数字量和模拟量相关的数据或输出控制信息给通用I/O模块，同时主控模块也会接收该通用I/O模块采集的数字量、模拟量、频率量信息。
6.根据权利要求1所述的安全计算机平台，其特征在于，优选地，对所述安全计算机平台的单系，除主控模块之外，执行层选取了4个通用安全I/O模块、2个通用非安全I/O模块；各模块的配置和识别，通过主控模块读取配置文件后进行系统完整性检查来完成。
7.根据权利要求6所述的安全计算机平台，其特征在于，所述安全计算机平台最大支持：16路安全数字量输入，8路安全数字量输出，8路安全模拟量输入，4路安全模拟量输出，8路安全频率量输入；以及，8路非安全数字量输入，4路非安全数字量输出，4路非安全模拟量输入，2路非安全模拟量输出，4路非安全频率量输入。
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