CN111830856B - 一种列车主控系统 - Google Patents

Abstract

一种列车主控系统，其包括相互冗余的第一主控板和第二主控板，其中，当第一主控板上电并进入CPU正常启动状态后，第一主控板配置为判断在第一预设时长内是否接收到第二主控板发送来的第二主控板状态信息，如果接收到第二主控板状态信息，则进入比较状态；在比较状态中，在第二主控板状态信息不存在错误时，第一主控板配置为根据第二主控板状态信息比较自身与第二主控板的状态，并根据比较结果进入切主状态或从状态。本系统通过提供一种有序而稳定的状态机切换方式来实现主控系统中两个主控板主从状态的切换。这两个主控板通过自身状态以及对方状态的监测来实现主从设备的竞争和切换，其能够有效避免错误切换以及频繁切换，从而提高系统的可靠性。

Description

一种列车主控系统

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，具体地说，涉及一种列车主控系统。

背景技术

列车通信网络被誉为列车的“大脑”与“神经”，主要用于列车控制、状态监视、故障诊断、维护、车载信息服务、视频监控、安全传感等数据传输，是保证列车安全与提升轨道交通服务质量的重要系统。

在相关的应用项目中，网络平台机箱内的IO板都通过背板总线与CPU主控板交互。CPU主控板为系统的主设备，进行IO数据的收集、分析、处理以及控制指令的发送。主控板一旦发生故障将导致整个系统的瘫痪，因此需要非常高的可靠性，可采用两块主控板进行单板冗余。但是两块主控板的切换机制非常重要，错误切换、频繁切换、切换过慢都会导致系统错误。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种列车主控系统，所述系统包括相互冗余的第一主控板和第二主控板，其中，

当第一主控板上电并进入CPU正常启动状态后，所述第一主控板配置为判断在第一预设时长内是否接收到所述第二主控板发送来的第二主控板状态信息，如果接收到所述第二主控板状态信息，则进入比较状态；

在所述比较状态中，在所述第二主控板状态信息不存在错误时，所述第一主控板配置为根据所述第二主控板状态信息比较自身与所述第二主控板的状态，并根据比较结果进入切主状态或从状态。

根据本发明的一个实施例，所述第二主控板状态信息包含第二主控板的槽位号，

在所述比较状态中，如果所述第一主控板自身的槽位号小于所述第二主控板的槽位号并且所述第二主控板的状态不是主状态，或者所述第一主控板自身的槽位号较大但所述第二主控板的状态为错误状态，那么所述第一主控板则配置为进入切主状态，否则进入从状态。

根据本发明的一个实施例，在所述切主状态中，所示第一主控板配置为产生中断并获取主设备权限，随之进入主状态。

根据本发明的一个实施例，当处于主状态时，如果所述第一主控板的生命信号丢失，所述第一主控板则配置为进入错误状态。

根据本发明的一个实施例，当处于所述错误状态时，所述第一主控板配置为将自身状态配置为异常并通知所述第二主控板，当第一主控板的生命信号回复正常后，所述第一主控板配置为进入从状态。

根据本发明的一个实施例，当处于主状态时，如果所述第一主控板获取到应用层切换指令，所述第一主控板则配置为进入切换状态，

当处于所述切换状态时，所述第一主控板配置为根据所述第二主控板状态信息判断第二主控板的状态，其中，如果所述第二主控板的状态正常，所述第一主控板则配置为进入切从状态，如果所述第二主控板的状态异常，所述第一主控板则配置为进入保持主状态。

根据本发明的一个实施例，当处于所述保持主状态时，所述第一主控板配置为产生中断后进入主状态。

根据本发明的一个实施例，当处于所述比较状态时，如果所述第二主控板状态信息存在错误，所述第一主控板配置为进入通信异常状态。

根据本发明的一个实施例，当处于所述从状态时，如果所述第一主控板的生命信号丢失，所述第一主控板则配置为进入错误状态。

根据本发明的一个实施例，当处于所述从状态时，如果所述第一主控板在第二预设时长内未获取到所述第二主控板的第二主控板状态信息，所述第一主控板则配置为进入对方数据发送超时状态。

本发明所提供的列车主控系统通过提供一种有序而稳定的状态机切换方式来实现主控系统中两个主控板主从状态的切换。这两个主控板通过自身状态以及对方状态的监测来实现主从设备的竞争和切换，其能够有效避免错误切换以及频繁切换，从而提高系统的可靠性。本系统可以广泛应用在高可靠性的轨道交通控制领域，前景十分广阔。

同时，本系统所包含的两个主控板之间采用类似SPI的同步串行通信来传输状态信息，其具有快速稳定的特性，同时能够根据应用的需求灵活调整通信周期，从而提高故障时切换的速率，进而达到无缝切换的效果。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的列车主控系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的通信协议示意图；

图3是根据本发明一个实施例的状态机切换的实现流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

主控板是整个列车控制系统的大脑，在系统中可采用两块主控板进行单板冗余。正常工作时，一块主控板处理相应的工作，而另外一块主控板则作为备用主控板来监视当前主控板的状态。一旦当前主控板发生故障，备用主控板就取代当前主控板成为新的主控板接管整个系统的工作。

主控板和备用主控板之间的切换机制也非常重要，错误切换、频繁切换、切换过慢都会导致系统错误。因此亟需一种快速、可靠的切换方式来保障两块主控板之间的正确切换，从而提高系统的可靠性。

针对上述问题，本发明提供了一种新的列车主控系统，该列车主控系统能够实现当前主控板故障时与备用主控板之间的无缝切换。

图1示出了本实施例所提供的列车主控系统的结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的列车主控系统优选地包括第一主控板101和第二主控板102。其中，第一主控板101和第二主控板102相互冗余。本实施例中，第一主控板101与第二主控板102通过背板103通信连接。

具体地，本实施例中，第一主控板101和第二主控板102分别插在背板103的不同槽位处。第一主控板101与第二主控板102之间优选地通过四条通信线进行通信。这四条通信线中有两条为输入线，两条为输出线。对于将由第一主控板101所产生的信号传输至第二主控板102的两条通信线来说，其中一条通信线所传输的信号优选地为时钟信号，而另一条通信线所传输的信号优选的为数据信号。

同样地，对于将第二主控板102所产生的信号传输至第一主控板101的两条通信线来说，其中一条通信线所传输的信号优选地为时钟信号，而另一条通信线所传输的信号优选的为数据信号。

实施例中，第一主控板101与第二主控板102在传输数据信号时优选地采用预设通信协议来实现数据传输。具体地，第一主控板102和第二主控板102优选地采用如图2所示的通信协议来进行数据信号的传输。

如图2所示，本实施例中，第一主控板101和第二主控板102所传输的数据信号优选地包括：帧头、槽位号、生命信号、主备状态以及CRC校验位。具体地，帧头用于实现数据帧的同步识别；槽位号则表征发送数据帧的主控板自身的槽位号信息，其用来与另一主控板进行比较；生命信号则用于保证发送数据帧的主控板的生命状态；主备状态则用于表征发送数据帧的主控板当前处于主状态还是从状态(即备用主状态)；而CRC校验则用于实现CRC数据校验。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，根据不同的实际需要，上述数据帧的长度可以配置为不同的合理长度，本发明并不对数据帧的具体长度进行限定。例如，本实施例中，上述帧头可以为4bits，槽位号可以为6bits，生命信号可以为4bits，主备状态可以为2bits，而CRC校验则可以为8bits。

本实施例中，当采用2bits的数据来表征主备状态时，优选地可以采用“01”来表征备用主状态(即从状态)，采用“10”来表征主状态，采用“11”来表征错误状态或切换状态。例如，第一主控板101接收到第二主控板102所发送来的数据信号后，通过对数据信号进行解析可以得到第二主控板102的主备状态为“10”，这也就表示第二主控板102当前处于主状态。

当然，在本发明的其他实施例中，第一主控板101与第二主控板102还可以采用其他合理方式来实现数据通信。

本实施例中，第一主控板101和第二主控板102通过有序而稳定的状态机来实现主备状态切换。由于第一主控板101与第二主控板102的状态机切换机制相同，因此为了描述的方便，以下以第一主控板101为例来对第一主控板101的状态机切换机制进行说明。

图3示出了本实施例中第一主控板101的状态机切换的实现流程示意图。

本实施例中，当第一主控板101刚刚上电时，第一主控板101优选地会进入空闲状态(IDLE)。当处于空闲状态时，第一主控板101并不会进行相关控制和数据处理。

如果第一主控板101上电后能够正常启动(例如第一主控板101中的CPLD和CPU均能够正常启动)，那么本实施例中，第一主控板101则优选地会进入CPU正常启动状态(CPU_ON)。而如果第一主控板101上电后未正常启动(例如CPU启动异常)，那么此时第一主控板101则优选地会进入CPU启动异常状态(CPU_DOWN)。

当处于CPU启动异常状态(CPU_DOWN)时，第一主控板101优选地会生成自身的主备状态配置为错误状态，并将此状态通过相应数据帧传输至第二主控板102。当处于CPU启动异常状态(CPU_DOWN)时，如果第一主控板101启动状态恢复正常，那么此时第一主控板101则优选地会进入CPU正常启动状态(CPU_ON)。

本实施例中，当处于CPU正常启动状态(CPU_ON)时，第一主控板101优选地会判断在第一预设时长内是否接收到第二主控板102所发送来的第二主控板状态信息。其中，如果在第一预设时长内未接收到第二主控板102所发送来的第二主控板状态信息，那么此时第一主控板101优选地会进入对方发送数据超时状态(TIMEOUT)。而如果在第一预设时长内接收到了第二主控板102所发送来的第二主控板状态信息，那么此时第一主控板101优选地将会进入比较状态(COMP)。

需要指出的是，本实施例中并不对上述第一预设时长的具体取值进行限定。在本发明的不同实施例中，上述第一预设时长的具体取值可以根据实际需要配置为不同的合理值。

本实施例中，当处于对方发送数据超时状态(TIMEOUT)时，第一主控板101优选地会判定此时对方主控板(即第二主控板102)并未正常工作，其会随即进入切主状态(SW_M)

在切主状态(SW_M)中，第一主控板101处于准备变为主设备的阶段，此时第一主控板101优选地会产生中断并获取主设备权限，随之进入到主状态(MASTER)。本实施例中，优选地，第一主控板101会产生中断并告知自身CPU已获取到主设备权限后，再进入到主状态(MASTER)。

当处于比较状态(COMP)时，第一主控板101优选地会判断第二主控板102所传输来的第二主控板状态信息是否存在错误。其中，如果第二主控板状态信息不存在错误(即第二主控板状态信息的数据是正确的)，本实施例中，第一主控板101优选地会根据上述第二主控板状态信息比较自身与第二主控板102的状态，并根据比较结果来进入切主状态(SW_M)或是从状态(SLAVE)。

具体地，本实施例中，本实施例中，上述第二主控板状态信息包含第二主控板的槽位号和主备状态。第一主控板101也就可以根据上述第二主控板状态信息获悉第二主控板102的槽位号以及主备状态。

例如，在比较状态(COMP)中，如果第一主控板101自身的槽位号小于第二主控板102的槽位号并且第二主控板102的状态不是主状态(例如从状态、错误状态或是切换状态)，或者第一主控板101自身的槽位号较大但第二主控板102的状态为错误状态，那么本实施例中，第一主控板101优选地会进入切主状态(SW_M)；否则第一主控板101则将进入从状态(SLAVE)。

本实施例中，当处于从状态(SLAVE)时，第一主控板101也就是处于备用主状态，此时第一主控板101会持续地监测自身的生命信号(例如CPU生命信号)。其中，如果第一主控板101的生命信号丢失，那么此时第一主控板101优选地会进入错误状态(ERROR)。

本实施例中，当处于从状态(SLAVE)时，优选地，第一主控板101还会判断在第二预设时长内是否接收到第二主控板102所传输来的第二主控板状态信息。其中，如果第一主控板101在第二预设时长内未获取到第二主控板102的第二主控板状态信息，第一主控板则优选地配置为进入对方数据发送超时状态(TIMEOUT)。而如果第一主控板101在第二预设时长内获取到第二主控板102的第二主控板状态信息，那么此时第一主控板101则优选地会进入比较状态(COMP)。

当处于错误状态(ERROR)时，第一主控板101优选地会将自身状态配置为异常(例如将数据帧中的主备状态配置为“11”)并通过向第二主控板102发送相应的第一主控板状态信息来通知第二主控板102。

同时，可选地，本实施例中，当处于错误状态(ERROR)时，第一主控板101同样会持续地监测自身的生命信号。其中，如果自身的生命信号恢复正常，那么此时第一主控板101则优选地会进入到从状态(SLAVE)。

当处于比较状态(COMP)时，第一主控板101优选地会判断第二主控板102所传输来的第二主控板状态信息是否存在错误。如果第二主控板状态信息存在错误(例如帧头或CRC校验错误)，那么也就表示第一主控板101与第二主控板102之间的数据通信出现异常，因此本实施例中，第一主控板101则优选地会进入通信异常状态(COM_ERR)。

本实施例中，当处于通信异常状态(COM_ERR)时，也就表示第一主控板101与第二主控板102之间的通信存在异常，其异常原因可能是物理层线路发生故障。此时，第一主控板101优选地会产生终端通知自身CPU。如果第一主控板101与第二主控板102之间的通信恢复正常，那么此时第一主控板101则优选地会进入从状态(SLAVE)。

本实施例中，当第一主控板101处于主状态(MASTER)时，第一主控板101也就是处于主设备状态，其会接管整个系统的工作。而在此过程中，第一主控板101还会持续地监测自身的生命信号(例如CPU生命信号)，其中，如果生命信号丢失，那么第一主控板101则优选地会进入错误状态(ERROR)。

需要指出的是，本实施例中，可选地，第一主控板101还会持续地监测是否接收到应用层切换指令。其中，应用层切换指令表征的是通过外部所进行的主动切换(例如用户主动进行的主从切换)。如果接收到应用层切换指令，第一主控板101优选地会进入切换状态(SWITCH_S)。

当处于切换状态(SWITCH_S)时，第一主控板101优选地会判断根据对方主控板(即第二主控板102)所发送来的状态信息判断对方主控板的状态。具体地，本实施例中，第一主控板101优选地可以根据第二主控板状态信息中的主备状态和/或生命信号来判断第二主控板102的状态。其中，如果第二主控板102的状态存在异常，那么第一主控板101则会进入到保持主状态(HOLD_MASTER)。而如果第二主控板102的状态正常，那么第一主控板101则会正常响应上述应用层切换指令而进入切从状态(SW_S)。

本实施例中，第一主控板101在接收到应用层切换指令后，由于发现对方主控板状态异常，因此也就不满足切换条件，这样也就需要第一主控板101维持自身的主设备状态。因此此时第一主控板101将会随即进入到主状态(MASTER)。

当处于且从状态(SW_S)时，本实施例中，第一主控板优选地会随即跳转到从状态(SLAVE)。

从上述描述中可以看出，本发明所提供的列车主控系统通过提供一种有序而稳定的状态机切换方式来实现主控系统中两个主控板主从状态的切换。这两个主控板通过自身状态以及对方状态的监测来实现主从设备的竞争和切换，其能够有效避免错误切换以及频繁切换，从而提高系统的可靠性。本系统可以广泛应用在高可靠性的轨道交通控制领域，前景十分广阔。

同时，本系统所包含的两个主控板之间采用类似SPI的同步串行通信来传输状态信息，其具有快速稳定的特性，同时能够根据应用的需求灵活调整通信周期，从而提高故障时切换的速率，进而达到无缝切换的效果。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (9)

1.一种列车主控系统，其特征在于，所述系统包括相互冗余的第一主控板和第二主控板，其中，

当第一主控板上电并进入CPU正常启动状态后，所述第一主控板配置为判断在第一预设时长内是否接收到所述第二主控板发送来的第二主控板状态信息，如果未接收到第二主控板所发的状态信息，第一主控板进入对方发送数据超时状态，判定此时第二主控板并未正常工作，随即进入切主状态；如果接收到所述第二主控板状态信息，则进入比较状态；

在所述比较状态中，第一主控板判断第二主控板所传输来的状态信息是否存在错误，如果第二主控板状态信息存在错误，第一主控板进入通信异常状态；在所述第二主控板状态信息不存在错误时，所述第一主控板配置为根据所述第二主控板状态信息比较自身与所述第二主控板的状态，并根据比较结果进入切主状态或从状态；

所述第二主控板状态信息包含第二主控板的槽位号，

在所述比较状态中，如果所述第一主控板自身的槽位号小于所述第二主控板的槽位号并且所述第二主控板的状态不是主状态，或者所述第一主控板自身的槽位号较大但所述第二主控板的状态为错误状态，那么所述第一主控板则配置为进入切主状态，否则进入从状态。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述切主状态中，所示第一主控板配置为产生中断并获取主设备权限，随之进入主状态。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，当处于主状态时，如果所述第一主控板的生命信号丢失，所述第一主控板则配置为进入错误状态。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，当处于所述错误状态时，所述第一主控板配置为将自身状态配置为异常并通知所述第二主控板，当第一主控板的生命信号回复正常后，所述第一主控板配置为进入从状态。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当处于主状态时，如果所述第一主控板获取到应用层切换指令，所述第一主控板则配置为进入切换状态，

当处于所述切换状态时，所述第一主控板配置为根据所述第二主控板状态信息判断第二主控板的状态，其中，如果所述第二主控板的状态正常，所述第一主控板则配置为进入切从状态，如果所述第二主控板的状态异常，所述第一主控板则配置为进入保持主状态。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，当处于所述保持主状态时，所述第一主控板配置为产生中断后进入主状态。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当处于所述比较状态时，如果所述第二主控板状态信息存在错误，所述第一主控板配置为进入通信异常状态。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当处于所述从状态时，如果所述第一主控板的生命信号丢失，所述第一主控板则配置为进入错误状态。

9.如权利要求1或8所述的系统，其特征在于，当处于所述从状态时，如果所述第一主控板在第二预设时长内未获取到所述第二主控板的第二主控板状态信息，所述第一主控板则配置为进入对方数据发送超时状态。