LKJ监控软件工作原理

第二节监控软件

_、概述

监控软件位于监控主机插件的U3、U4芯片中，山微控制器MC68332执行，实现各种监控功能和记录功能。

LKJ2000型监控软件的控制原理与LKJ-93型基本上一样，都是基于车载路线数据的一种实时控制模式：功

能也相似，都包含了防冒、防超和防溜等基本功能。尽管如此，LKJ200.型和LKJ-93型软件仍有一些差别：

1.LKJ2000型监控软件集监控、记录于一身，使两者的结合更密切，而LKJ-93型则是由两个软件分别完

成。

2.LKJ2000型的控制模式曲线是根据2000年颁布的新《牵规》计算的.而LKJ-93型是依据1982年颁布

的I日《牵规》O

3.LKJ2000型监控软件的容量最大可达1024KB,是LKJ-93型(不到32KB)的数十倍，于是具有更大的口

J■扩充性。

4.LKJ2000型监控软件使用C+4■语言编制，更可靠、更易于维护，而LKJ-93使用汇编语言编制，维护

艰难。

5.LKJ2000硬件具有双套，于是软件上较多地考虑了双机冗余措施，理论上诃靠性更高。

二、双机尚

LKJ2000型的一个重要特点是双套冗余，也就是说，有两套彻底一样的设备同时在工作，一套为主，一套

为辅，当为主的一套发生故障而不能正常工作时.装置会自动地切换到另一套继续工作，控制模式不会中断。

1.双机概念

了解软件的双机热备方案，需要说明几个重要的概念，参见图5-2-1。

(1)A机与B机

监控主机箱中分摆布两套插件，两套插件彻底一样，分别由8块插件组成，由内向外挨次为监控记录插件、

地面信息处理插件、通信插件、摹拟信号处理插件、备用插件、数字量输入插件、数字屋输入输出插件和电源

插件。其中，左边的一套插件共用同一电源插件，定名为A机或者子系统A,右边的一套插件共用另一电源插件，

定名为B机或者子系统A机和B机相互独立，甩源隔离。

I端黑匣子11端

显示器显示器

地

监

模

数

监

地

通

模

备

数

数

电备通电

信

用

源

控

控

面

拟

字

拟

字

字

用信面

记

源记

信

帚

箫

信

猛

储a

录

录

息

输

息

输

轲

榆

输

同

处

处

入

入

入

人

入

理

理

输

生输

输

价

出

出77出

111

A机(使用同一电源)

主机箱

图5-2-1LKJ2000型各插件之间通信联络

主机箱中带CPL♦的插件有监控记录插件、地面信息处理插件、通信插件和备用插件，它们都挂在双CAX总

线(CAN-A和CAN-B)上，除A、B机的监控记录插件之间有第三条同步串行通信路线外.这些插件之间只能通过

CAN-A和CAN-B两路异步串行通信路线交换信息。由于软件中作了特殊考虑，主机箱中任一带CPU的插件相对本

子系统或者另一子系统中其它带CPU的插件在独立性方面是彻底等同的，因此它们属模块级冗余。举例说明，

假设A机的地面信息处理插件浮现了故障，A机的其它插件和B机的地面信息处理插件仍可组成一个完好的系

统。

主机箱中不带CPU的插件有摹拟量输入输出插件、数字量输入输出插件和数字最输入插件，这些插件本身

没有CAN通信，只能由本子系统的监控记录插件通过VME并行总线进行访问，惟独当本子系统的监控记录插件

正常工作时才干实现冗余，因此这些插件属系统级冗余。固然，如果把这些插件看做是监控记录插件的扩展的

话，也可•以说是模块级冗余。

插件上的软件■通过检测本插件中由母板送来的WS信号确定本插件是属于A机还是B机，M/S为低电平

者属于A机或者子系统A,M/S为高电平者属于B机或者子系统

(2)单机与双机

在同一主机箱中，同类模块都有两块，一块属于A机一块属于B机。双机是指两块同类插件同时处于正常

工作状态，相互之间能正常通信，知道对方的存在。当两块插件中惟独一块在工作时，称为单机。因此单机和

双机只针对某种插件小范围内而言。

（3）主机（工作机）与备机（热备机）

两套系统中所有带CPU的插件都向双CAN总线发送自己的信息.同类插件都有两块，向CAN总线发送的信

息种类也是一样的，但具体数值却不一定相同，这样，这两块插件信息的重要程度就应该有主次之分。比如A机

和B机监控记录插件，它们都对本子系统的速度信号进行采样，A机采得的速度和B机采得的速度不可能彻底

一样，即使相差0.Ikm/h通过四舍五入可能就变成相差1km/h,如果没有主次之分将不知以哪个速度进行控

制。此外，两块监控记录插件工作时都会产生各自的控制命令，两者也不一定彻底一致，也应该有主次之分，

否则，可能产生不希翼的动作。

为了保证系统中同类数据的惟一合法性，规定同类插件中只以其中一块插件的数据作为这种插件的合法代

表，或者说作为控制和记录的依据，这块插件就被称为主机或者工作机，而另一块插件就被称为备机或者热备

机。因此主机和备机都是针对某种插件而言的。山于监控记录插件在监控装置中核心地位，我们通常所说的主

机、备机、单机、双机均只针对该插件而言。

正常情况下，同类插件中有且惟独一块为主机，另一块为备机。多主或者无主状态均应视为不正常状态或

者过渡状态，只允许短期内或者瞬间存在。

2.双机热备设计

（1）双机热备软件设计的原则

A.考虑到单机系统的可能性，司时也为了减轻用户软件管理的工作量，监控软件应能同时适应于单机系

统和双机系统，两者的软件应无任何区别。

B.为了保证记录数据的合法性，双机系统中A机和B机的记录数据应保持一致。可任从A机或者B机转

录数据且结果相同。

C.为了保证运行数据的合法性，双机系统中网上流通的数据只能有一套子系统的被认可。

D.为了避免双机控制冲突，同一输出设备在某一时刻只能由A机或者B机中的一个进行控制。

E.为了充分发挥硬件的功能，实现更高的可靠性，应尽可能做到各模块优势互补、取长补短。直接对CAN

总线通信的各插件，实现同功能板级冗余。

（2）单机的确认方法

当系统中某一监控记录插件与另一监控记录插件较长期无法通信时，此插件便工作在单机状态。为了能在

主机蓦地故障时原备机能迅速转为主机接管控制权，这个“较长期”不能设得太大，目前设为0.8s。但是，在

监控软件复位期间，由于自检时何较长，双机进入正常状态的时何差别较大，为了避免因此造成自检较快的一

方提前转为单机，在复位时这个时间又不能设得太小，目前定为“。

（3）主备的确认方法

A.上电或者复位时，软件首先检测本机是A机还是B机，并工作在主备不定的状态，等待与对方通信确

认。发送本机的主备状态、A/B机标志、本机最近一次处于主机状态的时间等信息，通知对方。

双方收到对方此信息后，均与木机的相应信息进行比较。先前作为主机时间较新者自动转为主机，较旧者

自动转为备机，也就是说，上次谁是主机，本次仍以主机身份运行。

当通过时间无法决定主备机时，以A机优先的原则决定A机为主机，B机为备机。

B.主机在运行过程中，随时刷新自己处于主机状态的最新时间。便于下次比较。

（4）主备机的切换原则和方法

在土备机均能正常工作的情况下.原则上不进行土备机的切换。惟独在下述情况之一发生时才进行切换。

A,主机的地而数据校验失败而备机校验正常时；

B.主机的记录区有故隙时而备现记录区正常时。

固然，因一方通信故障或者主机复位导致的主备切换例外，这种情况不是软件故意识地进行切换，

在大多数硬件故障的情况下，主备机并不进行切换。如果主机某个部位发生故障而备机相应正常时，则只

进行相防通道的切换.因为备机不管有无故障,仍不断地向主机发送自身的状态和采集到的各种信息，比如速

度、压力、时间等等，同时将与这些信息相关的硬件故障状态发给主机，主机根据双方信号的可靠程度决定某

个信息以谁为准。

（5）两套系统中相同模块浮现故障

当两子系统中相同模块相同通道浮现故障时.应视故障部位实施降级控制或者作系统故障处理。

当某块监控记录插件浮现对CAN-A和CAN-B通信同时故障时，该插件单独按系统故障处理。

当A、B机紧急制动输出电路同时故障时两块监控记录插件均作系统故障处理。

按系统故障处理的监控插件，住手发送故障电路驱动脉冲，产生系统故障输出。

惟独两套系统同时产生系统故障输出时，才会驱动系统故障电路，要求在3分钟内人工关闭主机电源否则

产生紧急制动。

（6）数据记录的原则

A.A机和B机的记录数据应彻底保持一致。备机数据应是主机数据的彻底映象。这样做可避免某一子系

统出现永久性故障其中记录数据无法转录时，浮现数据丢失的现象。

B.转录数据应是唯-的，只要工作正常，可以任从A机或者B机转录【1进行转录。

三、监控记录软件主程序流程

监控记录软件按功能为9个模块：主控制模块、系统检测模块、信弓•采集模块、通讯处理模块、监控管理

模块、制动计算模块、记录转储模块、双机处理模块和控制条件模块。主控制模块流程框图见图5-2-2.

丽

关中断

MCU初始化

通用寄存器自检

MCU内部RAM自系统保护模块初始化

检错误中断模块初始化

日历时钟模块初始化

开关信号模块初始化

而板LED全亮摹拟信号模块初始化

面板LED全灭频率信号模块初始化

计算复位时间语音处理模块初始化

复位状态处理监控处理模块初始化

记录处理模块初始化

Can通信模块初始化

〈掉电时间＞30秒？

同步通信模块初始化

转储通信模块初始化

程序ROM自检地

面数据自检口历

时钟RAM自检置热启动标志

开总中断

系统保护处和

日历时钟处理

开美信号处理.

暮拟信号处理

飘率信号处理

语音输出处理

断控控制处理

通信处理

数据记录处理

同步通信处理

数据输枇如灯

图5-2-2监控记录软件主控制模块

流程图

匹、监控软件主要程序模块

（一）、摹拟信号处理模块

这里所指的摹拟信号是指幅值连续变化的，并以幅值的大小作为度景的信号。在LKJ2000监控装置中，共有

8路摹拟信号，分别是列车管压力、间缸压力、均衡风缸I压力、均衡风缸【【压力、自检电压、原边电压、原

边电流和加速度计。这些信号共用同2/1）转换器，由软件通过多路开关切换在任•时刻只选择其中的•路信

号进行采样。

该模块的主要功能是将这些信号转化为微控制器能够识别、存储并可重复使用的数字量，即电压数值。软

件流程见图5-2-3o

1.“摹拟信号采样”子程序

这个了程序就是对8路信号通道轮流进行采样，将输入信号转化为与幅值成正比的、计算机能够处理的数

字信号。本程序并不关心通道信号的具体含义，只是将信号进行A/D转换，读出转换值并作简单的滤波处理然

后存储。

当对某个通道的A/D转换超时时，程序设置相应的通道故障标志，以表

示该通道的信号不可•信。

2.“列车管压力姓理”子程序

启动Watchdog

该子程序主要完成3个功能：摹拟信号采样

列车管压力处理

1）负责将列车管压力通道的信号转换值根据压力信号的特点作进一

闸缸压力处理

步的的滤波处理然后通过比例运算转化为真正的列车管压力值单位为kPa均衡风缸庶力处理

备用压力处理

O

白检迪道处理

原边电处理

2）对列车管压力进行双机冗余处理。

原边电流处理

3）根据管压力的变化决定对管压力是否记录。加速度计处理

招拟输出处理

3.“制动缸压力处理”子程序

该子程序主耍完成3个功能：

1）将制动缸压力通道的信号转换值根据压力信号的特点作进一步的的

滤波处理，然后通过比例运算转化为真正的制动缸压力值，单位为

5-2-3摹拟信号处理模块流

kPa。

2）对制动缸压力进行双机冗余处理，处理方法统一见“摹取信号的“一节。

3）根据制动缸压力的变化决定对制动缸压力是否记录。

4.“均衡风缸II压力处理”子程序

该子程序主要完成3个功能：

1）将均衡风缸压力通道的信号转换值根据压力信号的特点作进一步的的滤波处理，然后通过比例运算计算

出真正的均衡风缸压力值，单位为kPa,

2）对均衡风缸压力进行双机冗余处理，处理方法统一见“摹拟信号的“一节。

3）根据均衡风缸压力的变化决定对均衡风缸压力是否记录。

5.“原边电流处理”子程序

该子程序主要完成3个功能：

1）将原边电流通道的信号转换值作进一步的的滤波处理，然后通过比例运算计算出真正的原边电流值，

单位为A。

2）对原边电流进行双机冗余处理，处理方法统一见“摹拟信号的“一节。

3）根据原边电流的变化决定是否记录原边电流。

6.“原边电压处理”子程序

该子程序主要完成3个功能：

1）将原边电压通道的信号转换值作进一步的的滤波处理，然后通过比例运算计算出真正的原边电压值，

单位为V。

2）对原功电压进行双机冗余处理，处理方法统一见“墓拟信号的“一节。

3）根据原边电压的变化决定是否记录原边电压。

7.“加速度计处理”子程序

该子程序主要完成3个功能：

1）将加速度传感器通道的信号转换值作进一步的的滤波处理，然后通过比例运算计算出真正的加速度值,

单位为V。

2）对加速度进行双机冗余处理，处理方法统一见“摹拟信号的“一节。

3）根据加速度的变化决定是否记录加速度。

8.“双针表驱动”子程序

该子程序主要完成2个功能：

1）根据通道的状态判断是否进行驱动输出。由于监控装置可能工作在双机状态，而双针表惟独一块，A、

B机均可驱动，为了避免同时驱动造成显示误差，当双机同时工作时，只能有一套系统进行驱动。判断依据

为：

a）若为单机，强制允许输出：

b）若为主机，根据本机”允许瑜出标志”决定是否允许输出：

c）若为备机，根据对方（主机）的“允许输出标志”决定本机是否允许输出。若对方允许输出则本机不

允许，否则本机允许。

2）根据速度和限速的值进行平滑处理，转化为对应的D/A变换器的输入值，并启动D/A转换。平滑处理

的目的是限制双针表指针的挪移速度，避免损坏表针。

（二）、开关信号处理模块

开关信号是指以高低电平作为度量的信号。高低电平的概念是以某个电压值（阈值）为界将信号幅值划分

为两档，超过阈值时统一认为是高电平，低于阈值时便认为是低电平。实际上信号

的幅值也不是连续的，阈值的选取普通是正常高电平的电压值和正常低电平的电

压值的平均值。程序流程见图5-2-40

.启劾Watchdog

1.“动态自检处理”子程序

动态自检处理

主要是对数字量输入插件、数字量输出插件的各个输入通道进行自检，自检过数字量输入

平调信号处理

程每10s进行一次。若发现某通道自检故障则置相应的通道故障标志，以表明该通机车信号绝缘打处理

UM71信号制式处理

道信号不可信。

机车信号处理

2.“数字量输入”子程序'零位，况处理

牵引制.动工况处理

完成对数字量输入插件的机车信号（色灯信号、速度等级、顷71制式、绝缘

前进后退1：况处理

节）等信号及数字量输入输出插件的机车工况等信号的采样。数字量输出

码形绝缘节信号处理

3."平调信号处理”子程序面板LED处理

该子程序有4个功能：

1）根据平面凋车信号的特点，通过分析从机车信号通道输入的开关信

2）若为平面调车信号，进行延时处理，以消除传输路线上的瞬间干扰或者继

电器触点颤动所造成的影响。

5-2-4开关信号姓理模块流程图

号自动识别这些信号是平面调车信号还是机车信号。

3）平调信号的双机冗余处理。

4）记录平调信号的变化。

4.“机车信号绝缘节处理”子程序

机车信号绝缘节是由通用式机车信号设备送出的一个开关信号，当该信号发生变化（从高电平到低电平或

者从低电平到高电平）时，表明机车王越过地面轨道绝缘节的位置。根据这个信号进行的距离校正我们称之为

“电平校正”0

该子程序的功能为：

1）绝缘节信号的确认，方法是进行延时处理，以消除传输路线上的瞬间干扰或者继电器触点颤动所造成的

影响。

2）绝缘节信号的双机冗余处理。

3）记录绝缘节信号的变化。

5.“UM71信号制式处理”子程序

“UM71信号制式”是由通用式机车信号设备送出的一个开关信号，表明通用式机车信号设备识别出的地

面轨道信号为UM71。

该子程序的功能为：

1）**皿71信号制式”信号的确认，方法是进行延时处理，以消除传输路线上的瞬间干扰或者继电器触点

颤动所造成的影响。

2）制式信号的双机冗余处理。

3）记录制式信号的变化。

6.“机车信号处理”子程序

机车信号是指“色灯信号”和“速度等级信号”的组合。

该子程序的功能为：

1）机车信号的确认，方法是进行延时处理，以消除传输路线上的瞬间干扰或者继电器触点颤动所造成的

影响，当色灯信号浮现“多灯〃或者灭灯”时.延时时间作特殊处理。

2）机车信号的双机冗余处理。

3）记录机车信号的变化。

7.“零位工况处理”子程序

该子程序的功能为：

1）零位工况的确认，方法是进行延时处理，以消除传输路线上的瞬间干扰或者继电器触点颤动所造成的

影响。

2）零位工况的双机冗余处理。

3）记录零位工况的变化。

8.“牵制工况处理”子程序

该子程序的功能为：

1）牵引、制动工况的确认，方法是进行延时处理，以消除传输路线上的瞬间干扰或者继电器触点颤动所

造成的影响。

2）牵引、制动工况的双机冗余处理。

3）记录牵引、制动工况的变化。

9.“先后工况处理”子程序

该子程序的功能为：

1）前进、后退工况的确认，方法是进行延时处理，以消除传输路线上的瞬间干扰或者继电器触点颤动所造

成的影响。

2）前进、后退工况的双机冗余处理。

3）记录前进、后退工况的变化。

10.•'数字量输出”子程序

该子程序的功能为：

1）对监控处理模块确认的卸我动作、常用制动和紧急制动等条件进行双机冗余处理。

2）将这些条件转化成数字量输出命令，通过数字量输入输出插件控制"卸载等继电器的动作。

11.“码形绝缘节信号处理”子程序

码形过节信号是指通过I.KJ2000型监控装置自身的“地面信息处理”插件通过分析轨道信号波形（包括信

号的载频、幅值、包络等）的变化，并根据监控装置自身的要求判断出来的过绝缘节信号。

地面信息处理软件判断出有过绝缘节信号时，向监控主机插件发出一个脉宽约30nls的中断信号-监控软

件收到后即将进行距离校正处理。

该子程序的功能是将中断信号转化为产生距离校正处理的指令。

12.面板LED处理

驱动监控主机面板发光二极管，以显示软件的运行情况和硬件的故障状态。

（三）、频率信号处理模块

频率信号指信号波形为方波并以方波频率的大小作为度量的信号，LKJ2000型监控装置中有5路频率

信号：3路速度信号、1路柴油机转速信号和1路原边功率信号。软件流程见图5-2-5。

1.“频率信号采样”子程序

频率信号的采集分两部份，一部，分由中断服务例程完成，主要是测

量频率信号相邻两个脉冲之何的时何间隔，即信号周期。因为时间间隔

关系到速度和距离的计算，要求测最值必须十分精确。另一部份由非中

断服务例程完成，主要任务是根据测量得到的信号周期，计算出相应的

信号频率，并对信号作简单的滤波。对于速度信号，还应进行空转和轮滑

的判断，运行速度、列车位移的计算等等。山于这部份程序涉及大量的浮

点运算，运行时间较长，因此将其从中断服务例程中剥离出来。

2.“速度信号处理”子程序

5-2-5频率信号处理模块流程图

该了程序有3个功能:

1）确认速度计算的通道。因为速度信号有三路.只能选择其中一路作为速度与位移计算的基础。

2）完成运行速度、列车位移的双机冗余处理。根据故障倒向安全的原则，当A、B机两路速度不一致时,

取两路信号中的较大值作为确认的速度，距离也按此速度进行计算。

3）远度变化的记录。

3.“柴油机转速处理”子程序

该子程序有4个功能：

1）根据通道信号的频率，计算出对应的柴油机转速。

2）对转速作进一步的滤波处理，以削弱信号中强干扰和信号不规则所造成的影响。

3）柴油机转速的双机冗余处理。

4）柴油机转速变化的记录。

4.“原边功率处理”子程序

原边功率的测量是山硬件电路完成原边电流与原边电压的乘法运算，再将乘积转化为成比例的频率信号,

送到监控主机板。监控软件只要测出信号的频率便可推算出当时的功率。

该子程序有4个功能：

1）根据通道信号的频率，计算出对应的原边功率。

2）对原边功率作进一步的滤波处理，以削弱信号中强干扰的影响。

3）原边功率的双机冗余处理。

4）原边功率变化的记录。

（四）、日历时钟处理模块

H历时钟是指日期和时间,即年月日时分秒。LKJ200o的日历时钟最小计时单位为0.01秒,即10ms。当

装置关机时，该时钟信号仍在工作。软件流程见图5-2-6.

1.“读口历时钟”子程序

该子程序有2个功能：

1）读取本机时钟芯片中的口期和时间。

启动Watchdog

2）判断日期和时间的合法性，若浮现非法时钟时•，置相应的故障

读日历时钟

标志，并进行恢复处理。时钟切换处理

2.“时钟切换姓理