王国英，丁 欢，肖毅平

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

近年来，铁路信号控制系统的发展日新月异，从传统的人工、机械等控制方式调度指挥列车运行，到如今的计算机网络化控制方式对列车运行提供自动化、精准化的调度。先进的控制方式最大程度提升列车运营的安全性和可靠性，同时实现接发车和区间运行的自动化。

为适应铁路信号控制系统的发展趋势，北京全路通信信号研究设计院集团有限公司设计开发兼具灵活、可靠、稳定、可扩展等特点的轨旁小型平台。该小型平台将逻辑控制置于现场，实现了信号的分布式远程控制，从而完成闭环控制的本地化，有效提高轨旁信号设备控制的可靠性和安全性。

本文着重介绍小型平台的主控模块设计。

2 小型平台主要功能

小型平台的主要功能集成了通信、采集和输出等安全相关功能，以及监测、记录与维护等非安全相关功能。

3 小型平台系统结构

小型平台基于安全性、灵活性、可靠性和小型化等因素考虑，电气部分设计采用满足组合式故障-安全的二乘二取二结构；机械设计采用可扩展的导轨安装结构；元器件及模块外壳材料的选型和信号设计的完整性等方面均按照高可靠性且小体积的要求进行设计选型。

综上考虑，小型平台系统结构设计示意如图1所示。

图1 小型平台系统结构设计示意图Fig.1 Schematic diagram for system structure of compact platform

4 小型平台主控模块结构及主要功能

4.1 主控模块结构

主控模块是小型平台的核心处理模块，相当于小型平台的“大脑”，综合考虑其安全性和功能性，小型平台主控模块结构设计示意如图2 所示。

图2 小型平台主控模块结构设计示意图Fig.2 Schematic diagram for structure of main control module of compact platform

4.2 主控模块主要功能

主控模块主要完成如下功能：

1）按照安全协议，通过以太网接口，获取外部设备发送的数据，用于小型平台外部接口的控制数据输入和输出；

2）根据外部接口的控制数据输入和输出，小型平台实现对扩展从模块的控制；

3）对外部输入、内部输出进行双CPU 表决，表决通过后进行安全处理发送至输出模块；

4）设备自检、温度监控、运行日志报告等；

5）小型平台内部采用CANFD 总线；

6）双安全CPU 各提供一路RS-422 作为系间通信通道，两个系间通信通道可配置为冗余关系或独立关系；

7）双安全CPU 各提供6 路切换信号，供双系切换模块使用；

8）对外提供一路监测维护以太网，不需要进行协议转换，直接使用非安全CPU 的以太网通信。

5 主控模块的设计

5.1 设计目标

主控模块的设计开发遵循EN50129 的要求，考虑主控模块的外部接口、数据处理速度、处理的数据量、内部接口、应用环境等因素，展开主控模块的具体设计。

主控模块的安全部分满足二取二的设计结构，安全部分取二通道之间、安全通道与非安全通道之间均采用隔离电源和隔离芯片，保证电气独立性；主运算处理器选择上满足软件运行周期要求，接口种类和数量满足需求；所有器件都使用工业级芯片，满足规定使用环境下可靠性要求；电路设计上考虑EMC 等因素，使用必要的防护电路。

5.2 设计结构

主控模块的设计由安全相关部分和非安全相关部分构成。安全相关部分设计成硬件二取二故障安全结构，主要承担安全通信、输入和输出数据安全处理等功能；非安全相关部分主要承担维护更新和监测记录等功能。

5.3 安全相关部分模块设计

安全相关部分模块采用硬件相同的两通道，对安全输入和输出接口进行二取二表决。

每个安全通道模块设计由电源部分、监控部分、安全数据处理部分、安全通信接口部分、复位部分和隔离防护部分等组成。

电源部分主要采用带时序控制的多轨非隔离的DC-DC 模块从安全逻辑电取电，从而生成安全处理器所需的各轨电源，保证安全处理器可靠稳定的运行。

监控部分设计主要针对各轨输出电压精度、安全处理器运行温度、安全输入输出数据处理异常等的监控。

安全数据处理部分采用SitaraTM ARM Cortex-A9 32-Bit RISC 结构的处理器，数据处理速度可达1 GHz 的处理器进行设计。

安全通信接口部分采用处理器提供的种类多样且数量可观的外部接口进行设计，具体用到了UART、通用IO、SPI、AD、DSS、I2C、RMII、USB、eMMC 等接口。

复位部分采用看门狗逻辑控制IC 的复位电路和电源监测复位电路组合逻辑与进行设计。

隔离防护部分主要包括标准数字信号隔离、阻抗匹配以及热插拔等设计。

5.4 非安全相关部分模块设计

非安全相关部分模块设计由电源部分、监控部分、运行数据的监测记录部分、蓝牙部分、电子标签部分等组成。

电源部分的设计与安全相关部分电源设计类似。

监控部分设计主要针对监测维护处理器各轨电压精度、运行温度等的监控。

运行数据的监测记录部分同样采用了SitaraTM ARM Cortex-A9 32-Bit RISC 结构的处理器进行设计。

蓝牙部分采用兼容蓝牙5 的带Cortex-M4F 核的SOC 进行设计。

电子标签部分设计采用I2C 接口的EEPROM进行设计。

6 结束语

主控模块设计主要是根据平台系统需求例如平台是否要运行操作系统，平台与外部接口采用何种通信方式，通信的数据量有多大，通信的实时性要求等进行设计。主控模块的设计在满足了平台系统需求之后，可考虑采用当前国内外的一些先进技术，以保证平台完成相关认证并应用于市场后能够具有较强的市场竞争力。