王蓓

摘要

为提高铁路信号防灾系统的可靠性，本文利用CAN总线作为各个子系统之间的通信渠道，以便于安装、维护和扩展。在软件设计中，编写了CAN总线控制器的驱动程序，利用CA总线实现了双机热备冗余结构，有效的提高系统的可靠性。

关键词:冗余技术，铁路信号，防灾，嵌入式，CAN总线。

TN919

1.绪论

防灾系统需要对危机列车运行安全的自然灾害(风、雨、雪、地震等)和异物侵袭进行监测，掌握灾害的动态，提供及时准确的灾害报警和预警功能，将灾害引起的损失降到最低。因此，铁路防灾系统是铁路信息化总体规划的一个重要子系统，是保证铁路行车安全的重要设备。

2.铁路防灾系统的结构

第一层:用户层

用户层设备设在调度所，用户为调度人员。该层包括了防灾系统服务器和终端设备。调度所防灾服务器为整个调度所管辖范围内线路服务。每个调度台设置一个终端设备，报警信息同时提供本调度台信息和相邻调度台信息。一旦发生异物侵入，在调度台的终端处立刻弹出视频报警和侵入地点的图像信息。用户层的电源、防雷与接地等辅助设备应该与调度所其他系统统筹考虑。

第二层:区域处理层

区域处理层设置在维修段中，每个区域处理层都有其规定的管辖范围。该层的功能是实时接收其管辖范围内的监控处理层传送来的数据信息，并且对接收到的数据进行存储、分析、处理、显示和打印等，通过数据分析之后，该层根据灾害程度的不同提供相应的报警和预警信息，将报警信息上传至调度所用户层，同时根据列车运行管制规则提供限速、停运等预案信息。

第三层:监控处理层

监控处理层:采集现场监测设备的实时数据，对数据进行处理和短期存储备份，再通过通信网络上传至综合维修段的区域处理层;对现场监测设备状态信息进行监测管理，实现故障报警、故障诊断;对异物侵限监控子系统还要通过继电接点条件与就近的列控中心接口，及时的发出停车信号。

第四层:现场信息采集层

该层直接面向轨旁设施。轨旁设施不但分散，而且内容多样。如风速风向计、公跨铁防护网监测、隧道口异物坠落监测等。

3.基于冗余技术的双机热备系统设计方案

3.1铁路防灾系统监控处理层的结构

铁路防灾系统监控处理层需要接收现场气象数据采集层上传的数据，并且进行数据处理，然后将数据上传给上级设备。该层设备主要由主控模块，气象数据输入模块，开关量输入模块，开关量输出模块组成，四个模块通过CAN总线进行通信:

1主控模块:处理气象数据接收模块传过来的数据，判断是否存在安全隐患，若存在安全隐患，及时报警，同时将处理完成的数据发送给远程上位机进行备份。

2气象数据输入模块:通过485总线接收气象数据，并通过CAN总线发送给主控模块。

3开关量输入/输出模块:接收外来的开关量信号(8路输入)，输出开关量信号(4路输出)。设计多路输入和多路输出有利于提高系统的可扩展性。

3.2铁路防灾系统监控处理层的双机热备结构

为了提高系统的可靠性，本文在监控处理层使用基于冗余技术的双机热备系统。因此主控模块，气象数据输入模块，开关量输入模块，开关量输出模块都需要各自的备用模块。在主模块死机或者出现故障的时候，备用模块会切换到主模块的工作模式，并且发出报警，通知工作人员到现场进修维护。各个模块的之间通过CAN总线进行通信和工作协调。

3.3具体芯片的选择

1微处理器的选择

铁路防灾系统需要接受气象采集模块上传的数据，并且进行分析处理，而且还需要管理控制总线的协议，同时运行系统的应用程序，本文在对系统性能进行分析之后，还考虑到各个芯片的性价比，最后选择了ARM7核心的S3C44BOX作为微处理器。S3C44BOX是三星公司推出的一款微处理器，提供了丰富而且通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，以S3C44BOX为核心构建嵌入式系统十分适合本设计。并且S3C44BOX拥有成熟的软硬件开发资源，为系统设计提供了很大的便利，能有效的减短开发周期。

2 CAN总线控制器的选择

现在经常使用的CAN总线控制器有飞利浦公司生产的SJA1000系列和Mieroehip公司生产的MCp2510、Mep2515系列芯片。MCP2510支持标准的CAN总线技术规范，利用其SPI接口能方便的与多种微处理器进行通信，并且通信速率高，操作方便。其工作温度在一40℃到+125℃之间，满足系统环境的需求。所以，本文最终确定使用Microchip公司生产的MCP2510作为CAN总线控制器。

4.CAN总线驱动程序的设计

CAN总线驱动的作用是负责在物理链路上收发CAN总线的报文，本文是通过对MCP2510编写驱动，利用驱动编写成整个CAN设备驱动层程序，使系统具备CAN总线的数据收发能力。

4.1 MCP2510的SPI接口

CAN总线控制器MCP2510一般是通过SPI口与处理器连接，标准的SPI通信接口使用了四条线:

1SCK:时钟信号，由主设备产生;

2CS:从设备使能信号，由主设备控制;

350:主设备数据输出，从设备数据输入;

451:主设备数据输入，从设备数据输出。

其中CS是MCP2510的片选信号，只有CS片选信号有效低电平时，微处理器才能与选中的MCP2510进行通信。

在SPI通信中，微处理器从SCK引脚对MCP2510提供时钟信号，50，SI则在SCK时钟控制下进行数据传输。数据输出通过50引脚，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接的下降沿或上升沿被读取，完成一位数据传输，数据输入通过SI引脚，原理与数据输出相同。完成8位数据的传输需要8个时钟周期的时间。

1读指令:在读操作开始时，首先将CS引脚置为低电平，随后读指令和8位地址码在SCK的控制下依次送入MCP2510，MCP2510在接收到该命令后，通过50引脚发送命令中地址寄存器的数据;MCP2510内部的地址指针在每一直接从寄存器中移出后，会自动的指向下一地址，所以可以直接进行读操作去读取下一个地址寄存器;这样就能很方便的读写连续地址区域的寄存器;每次读操作结束后，都要拉高CS引脚，取消选定;读操作时序如图4.2所示;

2写指令:用户在执行写操作时，需要先将CS引脚置低;CS置低之后，地

址码以及一个或多个字节的数据被依次发送到MCP2510;此时如果CS引脚一直为低电平，就可以将连续的数据写入地址连续的寄存器中;每位数据都在SCK的控制下写入;CS引脚在一个字节的8位数据发送还未完全的时候被之高，那么该就会终止写操作，未写完的数据将丢失;在对MCP2510的读写过程中，CS片选信号需要一直处于低电平，本文中使用GPIO口模拟CS信号对MCP2510进行片选控制。

4.2 S3C44BOX的510接口

S3C44BOX没有现成的SPI通信接口，所以本文使用S3C44BOX的510口模拟SPI接口的时序与MCP2510进行通信。510是一种串行接口的标准，提供了与各种外设连接的接口。S3C44BOX的510能与各种类型的串行外设接口。这个510模块能以一定的频率(由寄存器设置)发送或接收8位串行数据。S3以4BOX与MCP2510通信时，510工作在正常操作模式下，发送数据脚(SIOTXD)和接收数据脚(SIORXD)，同时进行收发操作，当一个字节写入SIODAT数据寄存器，如果510运行位设置和发送模式允许，则510开始发送数据。利用510进行通信的步骤如下:

l设置GPIO(SIOTXD，SIOCLK，SIORXD);

2設置SIOCON寄存器;

3设置510中断允许位;

4需要发送数据时，写数据到SIODAT数据寄存器;

5设置SIOCON为l，开始数据移位操作;

6数据完成传输后，510产生中断信号，从SIODAT读取接收到的数据;

7返回第4步。

由于S3C44BOX的510接口每次发送5bit数据，因此可以很好的模拟SPI接口的时序，比利用普通的GPIO口模拟SPI时序有着更高的效率，也为编写MCP2510驱动提供了便利。

结论

本文根据国内外铁路信号防灾系统的现状，设计了基于冗余技术的双机热备系统。经过分析采用ARM7作为微处理器进行设计，使用CAN总线作为各个子系统之间的通信渠道。将基于冗余技术的双机热备系统应用到铁路信号防灾系统之中，以提高系统的可靠性。对提高铁路运输的安全性有一定的实际意义。

参考文献

[1]胡博.CAN总线在分布式数据采集与控制系统的设计和开发[学位论文].沈阳.沈阳农业大学.2005年.6一8.

[2]沈志凌.高速铁路防灾安全监控系统设计方案[J].铁路通信信号工程技术(RscE).2009年6月，第6卷第3期.6一9.