浅析冗余技术在铁路信号设备中的应用

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 浅析冗余技术在铁路信号设备中的 应用 摘要 中国论文网 /2/view-12900530.htm 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 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。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 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。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 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。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 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。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 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， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 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 设置 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 -精选财经经济类资料- -最新财经