一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統的製作方法
2023-10-24 15:18:42 1
專利名稱：一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及城市軌道交通信號系統，尤其涉及一種車載ATO系統的冗餘的數字量輸入輸出和模擬量輸出的實現系統。
背景技術：
城市軌道交通信號系統中車載ATO主要負責列車牽引、制動伺服控制、精確停車、 車門和屏蔽門的控制等功能。為保證列車安全、可靠地運行，車載ATO採用雙機熱備的方式。兩臺相同的ATO同時運行相同的程序。當一臺設備出現故障時，可以及時切換到另一臺ATO設備，保證了應用的持續性。單臺ATO設備由電源單元、處理器(CPU)單元、數字量輸入輸出(DIO)單元、模擬量輸出(AO)單元、串口通信單元等五種類型的控制板組成，組裝在標準的3U機籠內。其中，DIO單元用於提供到列車的繼電器、按鈕及指示燈等開關狀態的驅動和採集功能;A0單元是從車載ATO到列車控制的電流接口(模擬量)，用於傳輸列車自動運行的加速/減速值。目前，除了 DIO單元其餘板卡均採用標準的3U CPCI總線的貨架商品。該種板卡技術成熟，易於生產採購，滿足車載環境要求。
根據國內車輛廠家提供的DIO電氣特性表明其接口電平為24V或110V。但目前基於CPCI總線DIO單元的貨架商品多為TTL電平且驅動能力較弱。同時為實現ATO的AO單元熱備輸出，需要列車提供兩路模擬量接口，而通常列車一端只提供一路模擬量輸入接口。發明內容
針對城市軌道交通列車電氣接口特性，本發明提供了一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統。該系統的DIO單兀可以實現數字量冗餘輸入輸出和模擬量的冗餘輸出功能，為車載ATO的輸入輸出的熱備方式提供一種技術實現方法,可提高系統的可靠性和安全性。
為了解決以上問題本發明提供了一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統，由 2臺相同硬體的ATO單元，即第一臺ATO單元和第二臺ATO單元組成，ATO單元包括電源單元、AO信號單元、串口通信單元、DIO單元、CPU單元，其特徵在於DI0單元是一個基於CPCI 總線的16路輸入，16路輸出數字量接口電路板，包括PCI模塊、FPGA模塊、驅動隔離模塊、 採集隔離模塊、互切模塊和檢測模塊；FPGA模塊完成DIO單元輸入輸出控制的時序和邏輯；對外提供16路DI，16路D0，並控制I路AO輸出，是DIO單元的控制單元；FPGA模塊通過PCI模塊接口晶片掛接在CPCI總線上；驅動隔離模塊完成隔離驅動實現ATO單元對列車的輸出DO控制；米集隔尚模塊完成隔尚米集實現ATO單兀米集列車輸入DI ；互切模塊完成AO信號通過互鎖切換輸出；檢測模塊完成對PCI模塊、FPGA模塊、驅動隔離模塊、採集隔離模塊、互切模塊的故障和過溫檢測。
所述的驅動隔離模塊包括驅動部分，FPGA模塊通過CPCI總線接收來自CPU單元的DO數據並通過驅動隔離模塊中的驅動部分驅動相應的繼電器輸出電平信號。
所述的驅動隔離模塊還包括反饋部分，用於檢測輸出結果是否正確，即採用光耦反饋檢測迴路實現高壓和低壓之間的隔離採集，並在每一個任務周期將採集的DO數據通過FPGA模塊及CPCI總線反饋給CPU單元。
所述的驅動部分採用固態繼電器功率控制迴路作為DIO電路板3. 3V到24V的隔離驅動，輸入信號由FPGA控制，驅動終端電壓值為24/110V。
當故障在高電平時，利用FPGA模塊的心跳信號使VCC24V電源關斷該故障端，並向 CPU單元上報該狀態；當故障在低電平時，利用二極體的反向截止特性，防止高電平正常輸出的DO被故障端拉低，並向CPU單元上報該狀態；第一臺ATO單元和第二臺ATO單元的DO 冗餘採用並聯方式。
所述的採集隔離模塊採用採集光耦作為DIO電路板5V和外界24V的隔離，FPGA模塊實時採集每個輸入電平信號狀態，並通過CPCI總線向CPU單元上報DI的狀態，FPGA在每一個時鐘周期檢測每一個DI 口的電平狀態並反饋給CPU，當輸入電平信號狀態為24/1IOV 時表不輸入有效，當輸入電平信號狀態為OV表不無輸入。
在電平信號狀態的採集過程中通過延時3/5/7個時鐘周期，並在這個周期內信號保持相同即可判定採集信號的狀態。
所述的互切模塊採用繼電器互鎖電路實現AO的切換輸出，當ATO單元完成啟動自檢後，在第一臺ATO單元的控制下，第一臺ATO單元的DIO單元的FPGA率先輸出心跳方波， 通過驅動電路和整流電路使互鎖繼電器中節點接通第一臺ATO單元的AO輸出，同時切斷第二臺ATO單元的AO輸出。當第一臺ATO單元發生故障時該心跳信號立即中斷，此時第一臺 ATO單元的DIO單元的互鎖繼電器落下，第二臺ATO單元的DIO單元的互鎖繼電器吸起並立即對外輸出AO信號；當第一臺ATO單元故障恢復之後，仍然由第二臺ATO單元繼續工作，直到第二臺ATO單元發生故障才切換回第一臺ATO單元；若第一臺ATO單元和第二臺ATO單元都發生了故障，則整個ATO單元設備進入宕機狀態並向CPU單元上報該狀態。
所述的DIO單元是以[XXC1] 」接入CPCI總線，CPCI總線接口電路包括PCI總線接口、局部總線接口、串行E2PROM接口，PCI總線使用32位地址數據總線，局部總線採用32 位數據總線接入FPGA模塊中實現控制邏輯，串行E2PROM用於編寫配置信息，使用PCI晶片本地時鐘信號BCLKo產生的內部時鐘信號，分別用於局域總線LCLK和FPGA模塊的時鐘信號，TCK/TMS/TDI/TD0 接地。所述的DIO電路板上設有看門狗和板內溫度檢測晶片，FPGA模塊周期性餵狗，當FPGA 模塊在定時周期內沒有餵狗，則看門狗電路關掉對應的FPGA模塊電源；板內溫度檢測晶片監視板內溫度情況，當出現異常，FPGA模塊報警，向CPU單元上報該故障。
有益效果本發明針對地鐵車輛的DIO接口特性定製設計，滿足實際應用的需求。 僅修改DIO板卡設計，對已有ATO產品最大化利用，降低開發成本，縮短開發周期。板卡硬體集成度較高，配置靈活，設計簡單，易於維護。
圖I為車載ATO設備硬體配置的組成框圖；圖2為DIO單元組成框圖；圖3為驅動隔離模塊原理框圖；圖4為採集隔離模塊原理框圖；圖5為互切模塊原理圖；圖6為CPCI總線接口示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步的描述。
如圖I所示，一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統由2臺相同硬體的ATO 單元組成，ATO單元包括電源單元、AO信號單元(模擬量輸出單元)、串口通信單元、DIO單元 (數字量輸入輸出單元)、CPU單元(處理器單元)。
[XXC2]，本發明的DIO單元是一個基於CPCI總線的16路輸入，16路輸出數字量接口電路板，並提供模擬量輸出切換功能，包括PCI模塊、FPGA模塊、驅動隔離模塊、採集隔離模塊、互切模塊和檢測模塊等。
DIO單元採用FPGA模塊作為DIO的控制單元。FPGA模塊對外提供16路DI，16路 D0,並控制I路AO輸出。FPGA模塊通過PCI模塊接口晶片掛接在CPCI總線上，實現CPU 與外部DIO 口的數據交互。
各模塊功能關係如下PCI模塊完成DIO單元與CPU單元的總線接口功能；FPGA模塊完成DIO單元輸入輸出控制的時序和邏輯；驅動隔離模塊完成隔離驅動實現ATO單元對列車的輸出(DO)控制功能；採集隔離模塊完成隔離採集實現ATO單元採集列車輸入(DI)功能；互切模塊完成AO信號通過互鎖切換輸出功能；檢測模塊完成上述5個模塊的故障、過溫等檢測。
驅動輸出如圖3所示，驅動隔離模塊包括驅動部分和反饋部分，FPGA模塊通過CPCI總線接收來自CPU的DO數據並通過驅動隔離模塊中的驅動部分驅動相應的繼電器輸出電平信號 (24/110V表示輸出有效，OV表示無輸出)。為了提高系統的可靠性、安全性，驅動隔離模塊附加了反饋部分(光耦反饋檢測迴路)用於檢測輸出結果是否正確，並在每一個任務周期將檢測的DO狀態通過FPGA模塊及CPCI總線反饋給CPU。其中驅動部分採用固態繼電器功率控制迴路作為本板3. 3V到24V的隔離驅動，輸入信號由 FPGA控制，驅動終端典型電壓值為24/110V。
反饋部分用於檢測此驅動電路是否良好，反饋電路利用光耦檢測控制迴路實現高壓和低壓之間的隔離採集。
第一臺ATO單元和第二臺ATO單元的DO冗餘採用並聯方式，為防止其中一路DO 故障時影響另一路輸出，採用以下措施①當故障在高電平時，利用FPGA模塊心跳信號使能VCC24V電源關斷該故障端並向CPU 上報該狀態。具體設計詳見「A0輸出控制」小節。
②當故障在低電平時，利用二極體的反向截止特性防止高電平正常輸出的DO被故障端拉低並向CPU上報該狀態。
採集輸入如圖4所示，第一臺ATO單元和第二臺ATO單元的DI冗餘採用並聯方式，採集隔離模塊的採集光耦作為本板5V和外界24V的隔離，FPGA模塊實時採集每個輸入電平信號狀態 (24/1IOV表示輸入有效，OV表示無輸入)，並通過CPCI總線向CPU上報DI的狀態。FPGA模塊在每一個時鐘周期檢測每一個DI 口的電平狀態並反饋給CPU。在信號採集過程中為克服偶發的電平幹擾造成採集信號的跳變，通過延時3/5/7個時鐘周期，並在這個周期內信號保持相同即可判定採集信號的狀態。
輸出控制由於AO是模擬量輸出信號，需要通過切換實現冗餘輸出。本發明中AO信號通過DIO 單元上的繼電器互鎖電路實現切換輸出。切換原理如下當ATO單元完成啟動自檢後，在第一臺ATO單元的控制下，第一臺ATO單元的DIO單元的FPGA率先輸出心跳方波，通過驅動電路和整流電路使互鎖繼電器中節點接通第一臺ATO 單元的AO輸出，同時切斷第二臺ATO單元的AO輸出。當第一臺ATO單元發生故障時該心跳信號立即中斷，此時第一臺ATO單元的DIO單元的互鎖繼電器落下，第二臺ATO單元的DIO 單元的互鎖繼電器吸起並立即對外輸出AO信號；當第一臺ATO單元故障恢復之後，仍然由第二臺ATO單元繼續工作，直到第二臺ATO單元發生故障才切換回第一臺ATO單元；若第一臺ATO單元和第二臺ATO單元都發生了故障，則整個ATO單元設備進入宕機狀態並向CPU 上報該狀態。
通訊功能DIO單元是以「[XXC3]接入CPCI總線。CPCI總線接口電路主要分為3個部分，即PCI 總線接口、局部總線接口、串行E2PROM接口。
CPCI總線接口示意圖如圖6所示。本發明中PCI總線使用32位地址數據總線。 局部總線採用32位數據總線接入FPGA模塊中實現控制邏輯。串行E2PROM用於編寫配置信息。使用PCI晶片本地時鐘信號BCLKo產生的內部時鐘信號，分別用於局域總線LCLK和 FPGA模塊的時鐘信號。由於不使用邊界掃描(JTAG)，故可將TCK/TMS/TDI/TD0接地。
自診斷DIO板自診斷功能包括FPGA故障檢測、過溫檢測和驅動電路反饋檢測。
FPGA故障檢測板內設計一個硬體看門狗，FPGA模塊周期性餵狗，如FPGA在定時周期內沒有餵狗，則看門狗電路關掉對應的FPGA模塊電源。
過溫檢測板內溫度檢測檢測晶片監視板內溫度情況，如出現異常，FPGA模塊可報警向CPU上報該故障。
驅動電路反饋檢測在「D0驅動輸出」小節中有詳細說明。
採用本發明的技術方案可實現的主要功能如下①24V或IlOV數字量驅動功能；②24V或IlOV數字量採集功能；③0-20mA模擬量互鎖切換輸出功能；④CPCI通訊功能；⑤自診斷功能；以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不限制於本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求範圍之內。
權利要求
1.一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統，由2臺相同硬體的ATO單元，即第一臺ATO單元和第二臺ATO單元組成，ATO單元包括電源單元、AO信號單元、串口通信單元、 DIO單元、CPU單元，其特徵在於DIO單元是一個基於CPCI總線的16路輸入，16路輸出數字量接口電路板，包括PCI模塊、FPGA模塊、驅動隔離模塊、採集隔離模塊、互切模塊和檢測模塊；FPGA模塊完成DIO單元輸入輸出控制的時序和邏輯；對外提供16路DI，16路D0，並控制I路AO輸出，是DIO單元的控制單元；FPGA模塊通過PCI模塊接口晶片掛接在CPCI總線上；驅動隔離模塊完成隔離驅動實現ATO單元對列車的輸出DO控制；米集隔尚模塊完成隔尚米集實現ATO單兀米集列車輸入DI ；互切模塊完成AO信號通過互鎖切換輸出；檢測模塊完成對PCI模塊、FPGA模塊、驅動隔離模塊、採集隔離模塊、互切模塊的故障和過溫檢測。
2.根據權利要求I所述的一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統，其特徵在於 所述的驅動隔離模塊包括驅動部分，FPGA模塊通過CPCI總線接收來自CPU單元的DO數據並通過驅動隔離模塊中的驅動部分驅動相應的繼電器輸出電平信號。
3.根據權利要求2所述的一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統，其特徵在於 所述的驅動隔離模塊還包括反饋部分，用於檢測輸出結果是否正確，即採用光耦反饋檢測迴路實現高壓和低壓之間的隔離採集，並在每一個任務周期將採集的DO數據通過FPGA模塊及CPCI總線反饋給CPU單元。
4.根據權利要求3所述的一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統，其特徵在於 所述的驅動部分採用固態繼電器功率控制迴路作為DIO電路板3. 3V到24V的隔離驅動，輸入信號由FPGA控制，驅動終端電壓值為24/110V。
5.根據權利要求2或3所述的一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統，其特徵在於當故障在高電平時，利用FPGA模塊的心跳信號使VCC24V電源關斷該故障端，並向CPU 單元上報該狀態；當故障在低電平時，利用二極體的反向截止特性，防止高電平正常輸出的 DO被故障端拉低，並向CPU單元上報該狀態；第一臺ATO單元和第二臺ATO單元的DO冗餘採用並聯方式。
6.根據權利要求I所述的一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統，其特徵在於 所述的採集隔離模塊採用採集光耦作為DIO電路板5V和外界24V的隔離，FPGA模塊實時採集每個輸入電平信號狀態，並通過CPCI總線向CPU單元上報DI的狀態，FPGA在每一個時鐘周期檢測每一個DI 口的電平狀態並反饋給CPU，當輸入電平信號狀態為24/1IOV時表不輸入有效，當輸入電平信號狀態為OV表不無輸入。
7.根據權利要求6所述的一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統,其特徵在於 在電平信號狀態的採集過程中通過延時3/5/7個時鐘周期，並在這個周期內信號保持相同即可判定採集信號的狀態。
8.根據權利要求I所述的一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統，其特徵在於 所述的互切模塊採用繼電器互鎖電路實現AO的切換輸出，當ATO單元完成啟動自檢後，在第一臺ATO單元的控制下，第一臺ATO單元的DIO單元的FPGA率先輸出心跳方波，通過驅動電路和整流電路使互鎖繼電器中節點接通第一臺ATO單元的AO輸出，同時切斷第二臺ATO 單元的AO輸出；當第一臺ATO單元發生故障時該心跳信號立即中斷，此時第一臺ATO單元的DIO單元的互鎖繼電器落下，第二臺ATO單元的DIO單元的互鎖繼電器吸起並立即對外輸出AO信號；當第一臺ATO單元故障恢復之後，仍然由第二臺ATO單元繼續工作，直到第二臺ATO單元發生故障才切換回第一臺ATO單元；若第一臺ATO單元和第二臺ATO單元都發生了故障， 則整個ATO單元設備進入宕機狀態並向CPU單元上報該狀態。
9.根據權利要求I所述的一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統，其特徵在於 所述的DIO單元是以[XXC1] 」接入CPCI總線，CPCI總線接口電路包括PCI總線接口、局部總線接口、串行E2PROM接口，PCI總線使用32位地址數據總線，局部總線採用32位數據總線接入FPGA模塊中實現控制邏輯，串行E2PROM用於編寫配置信息，使用PCI晶片本地時鐘信號BCLKo產生的內部時鐘信號，分別用於局域總線LCLK和FPGA模塊的時鐘信號，TCK/ TMS/TDI/TD0 接地。
10.根據權利要求I所述的一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統，其特徵在於 所述的Dio電路板上設有看門狗和板內溫度檢測晶片，FPGA模塊周期性餵狗，當FPGA模塊在定時周期內沒有餵狗，則看門狗電路關掉對應的FPGA模塊電源；板內溫度檢測晶片監視板內溫度情況，當出現異常，FPGA模塊報警，向CPU單元上報該故障。
全文摘要
一種車載信號設備的冗餘輸入輸出實現系統，由2臺相同硬體的ATO單元組成，其DIO單元是一個基於CPCI總線的16路輸入，16路輸出數字量接口電路板，包括PCI模塊、FPGA模塊、驅動隔離模塊、採集隔離模塊、互切模塊和檢測模塊；FPGA模塊完成DIO單元輸入輸出控制的時序和邏輯；對外提供16路DI,16路DO,並控制1路AO輸出，FPGA模塊通過PCI模塊接口晶片掛接在CPCI總線上；驅動隔離模塊完成隔離驅動實現ATO單元對列車的輸出DO控制；採集隔離模塊完成隔離採集實現ATO單元採集列車輸入DI；互切模塊完成AO信號通過互鎖切換輸出；檢測模塊完成對上述5個模塊的故障和過溫檢測。
文檔編號B61C17/00GK102935849SQ20121037342
公開日2013年2月20日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者項小淳, 馬建婷, 張一萌 申請人:南京恩瑞特實業有限公司