列車自動運行系統(tǒng)的輸出單元設(shè)計

李 旭，周 榮，沈俊遠

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

列車自動運行(ATO)系統(tǒng)為在列車自動防護（ATP）系統(tǒng)的防護下，接管車輛的牽引和制動功能，實現(xiàn)車站自動發(fā)車、區(qū)間自動運行、站內(nèi)自動停車、車門自動開門、車門/站臺門聯(lián)動控制等功能，ATO 硬件平臺作為ATO 系統(tǒng)的安全計算機平臺，實現(xiàn)邏輯處理、對外通信、輸入采集、輸出控制等功能。輸出控制功能主要實現(xiàn)列車牽引和制動的輸出控制、開關(guān)車門輸出控制等功能。但是既有系統(tǒng)輸出方式信號種類不全，不能滿足某些型號的列車，且既有ATO 系統(tǒng)當主系輸出單元故障時，系統(tǒng)完全切換到備系，包括未故障的邏輯單元、輸入單元等也切換到備系，降低系統(tǒng)可靠性。

現(xiàn)有一種車載信號設(shè)備的冗余輸入輸出實現(xiàn)系統(tǒng)，輸出功能包括24 V 或110 V 數(shù)字量驅(qū)動信號、0 ～20 mA 模擬量互鎖切換輸出功能，缺少0 ～10 V 模擬電壓輸出功能、PWM 輸出功能等。為克服現(xiàn)有輸出方式信號種類不全的問題，設(shè)計一種應(yīng)用于ATO 系統(tǒng)的輸出單元，可提供數(shù)字量信號、電壓模擬量信號、電流環(huán)信號以及PWM 信號，同時采用無倒切單元的雙系熱備切換方式，提升系統(tǒng)的可靠性。

2 ATO系統(tǒng)與輸出單元結(jié)構(gòu)

ATO 系統(tǒng)主要包括本系邏輯單元與對系邏輯單元，本系與對系的輸出單元、輸入單元、通信單元、接口單元以及電源單元、和記錄單元。所有單元都連接至接口單元，接口單元包括2 路電源總線、互為冗余的2 路第一通信總線（CAN0 和CAN1）、板卡標識如圖1 所示。

圖1 ATO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 ATO system structure diagram

本設(shè)計以本系邏輯單元、本系輸出單元、對系邏輯單元以及對系輸出單元互為交叉冗余為設(shè)計展開說明，但不僅限于邏輯單元與輸出單元，其余各單元也適用。ATO 系統(tǒng)輸出結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 ATO系統(tǒng)與輸出結(jié)構(gòu)圖Fig.2 ATO system and output structure diagram

本系邏輯單元與對系邏輯單元通過2 路第一通信總線連接本系與對系的輸出單元。本系邏輯單元與對系邏輯單元還用于分別控制本系輸出單元與對系輸出單元輸出及回采，包括對數(shù)字量信號、電壓模擬量信號、電流環(huán)模擬量信號、PWM 信號中一種或多種控制指令進行輸出及回采，從而使本系邏輯單元與對系邏輯單元通過2 路互為冗余的第一通信總線實現(xiàn)對車輛系統(tǒng)的控制，并且能夠根據(jù)不同型號的車輛對4 種信號輸出進行任意組合。其中，數(shù)字量信號為24 V 或110 V 數(shù)字量信號；電壓模擬量信號為0 ～10 V 電壓模擬量信號；電流環(huán)模擬量信號為0 ～20 mA 電流環(huán)模擬量信號；PWM 信號占空比可調(diào)。

系統(tǒng)采用沒有倒切（管理）單元或者沒有功能類似倒切（管理）單元的雙系熱備切換方式，本系邏輯單元與對系邏輯單元通過互為冗余的第二通信總線進行通信，用于本系邏輯單元與對系邏輯單元進行主備系競爭，當本系邏輯單元或?qū)ο颠壿媶卧偁帪橹飨禃r，控制輸出單元的輸出與通信，并輸出主系狀態(tài)信號。

3 輸出單元設(shè)計

本系輸出單元與對系輸出單元包括CPU 模塊，與其相連接的數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸出模塊以及PWM 輸出模塊。其中，數(shù)字量輸出模塊中包括MOSFET 開關(guān)模塊，模擬量輸出模塊包括第二繼電器控制模塊，PWM 輸出模塊包括第三繼電器控制模塊。本系邏輯單元與對系邏輯單元通過互為冗余的2 路第一通信總線控制本系輸出單元或?qū)ο递敵鰡卧獙?4/110 V 數(shù)字量信號、0 ～10 V 電壓模擬量信號、0 ～20 mA 電流環(huán)模擬量信號以及PWM信號中的一種或多種控制指令的輸出與回采。

本系輸出單元與對系輸出單元首先獲取自身的板卡標識號，然后接收邏輯單元的通信數(shù)據(jù)，響應(yīng)邏輯單元的控制指令，然后判斷自身是否故障，若出現(xiàn)故障則切斷數(shù)字量信號、模擬量信號以及PWM 信號輸出，并切斷MOSFET 開關(guān)模塊，第二繼電器控制模塊，以及第三繼電器控制模塊的控制與輸出。輸出單元運行示意如圖3 所示。

3.1 數(shù)字量輸出模塊設(shè)計

數(shù)字量輸出模塊由電源、隔離模塊、MOSFET 開關(guān)模塊、一個或多個固態(tài)繼電器模塊以及回采模塊組成。本系數(shù)字量輸出模塊與對系數(shù)字量輸出模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

CPU 模塊通過I/O 控制線連接MOSFET 開關(guān)模塊、一個或多個固態(tài)繼電器模塊以及回采模塊，且CPU 模塊與上述模塊之間設(shè)置有隔離模塊，用于實現(xiàn)CPU模塊與其他模塊電信號的隔離；電源模塊通過MOSFET 開關(guān)模塊與一個或多個固態(tài)繼電器模塊相連接，用于提供110/24 V 電源；一個或多個固態(tài)繼電器模塊均連接有回采模塊。

圖3 輸出單元運行示意圖Fig.3 Schematic diagram of output unit operation

圖4 本系數(shù)字量輸出模塊與對系數(shù)字量輸出模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of digital signal output module of this system and the other system

固態(tài)繼電器模塊接收CPU 模塊的I/O控制指令，當有輸出時固態(tài)繼電器模塊閉合，且當MOSFET 開關(guān)模塊提供電源時，固態(tài)繼電器模塊輸出數(shù)字量，如果接入電源為110 V 輸出數(shù)字量信號為110 V，如果接入電源為24 V，輸出數(shù)字量信號為24 V；回采模塊用于采集固態(tài)繼電器模塊輸出情況，當有輸出時，回采模塊進行輸出量回采，CPU 模塊讀取回采模塊采集量，當輸出和回采比較不一致時，輸出單元上報主系邏輯單元，并記錄故障數(shù)據(jù)，由邏輯單元進行邏輯控制。

本系數(shù)字量信號輸出與對系數(shù)字量信號輸出相互獨立，互為冗余關(guān)系，主備系通過控制MOSFET開關(guān)決定是否輸出數(shù)字量，即主系輸出單元的CPU模塊驅(qū)動MOSFET 開關(guān)模塊閉合，提供110/24 V電源給固態(tài)繼電器模塊；備系MOSFET 開關(guān)模塊為斷開狀態(tài)，無數(shù)字量輸出。

3.2 模擬量輸出模塊設(shè)計

模擬量輸出模塊由隔離模塊、DAC 模塊、ADC 模塊以及繼電器控制模塊組成，本系模擬量輸出模塊和對系模擬量輸出模塊結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 本系模擬量輸出模塊和對系模擬量輸出模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of analog signal output module of this system and the other system

CPU 模塊通過I/O 控制線連接繼電器控制模塊，CPU 模塊還通過SPI 通信總線分別與DAC 模塊的輸入端、ADC 模塊的輸出端連接，且CPU模塊與DAC 模塊、ADC 模塊之間設(shè)有隔離模塊，DAC 模塊的輸出端、ADC 模塊的輸入端與繼電器控制模塊相連接。其中，隔離模塊實現(xiàn)CPU 模塊與DAC、ADC 模塊SPI 信號隔離功能；DAC 模塊通過SPI 通信總線接收CPU 模塊配置數(shù)據(jù)及控制指令，輸出0 ～10 V 范圍電壓模擬量與0 ～20 mA 范圍電流環(huán)模擬量；繼電器控制模塊接收CPU 模塊的I/O 控制指令，對電壓模擬量、電流環(huán)模擬量輸出進行卡控。ADC 模塊主要功能為對電壓模擬量、電流環(huán)模擬量的輸出進行回采，CPU 模塊通過SPI 通信總線讀取回采值，當輸出和回采比較不一致時，輸出單元上報邏輯單元，并記錄故障數(shù)據(jù)，由邏輯單元進行邏輯控制。

本系輸出單元的模擬量輸出與對系輸出單元的模擬量輸出相互獨立，互為冗余關(guān)系，主備系通過繼電器控制模塊決定是否輸出電壓模擬量、電流環(huán)模擬量，即作為主系輸出單元的CPU 模塊驅(qū)動繼電器控制模塊閉合，輸出電壓模擬量、電流環(huán)模擬量，當輸出單元作為備系時繼電器控制模塊斷開，無電壓模擬量、電流環(huán)模擬量輸出。

3.3 PWM輸出模塊設(shè)計

PWM 輸出模塊由隔離模塊、驅(qū)動電路、回采電路以及繼電器控制模塊組成，本系PWM 輸出模塊和對系PWM 輸出模塊結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 本系PWM輸出模塊和對系PWM輸出模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of PWM output module of this system and the other system

CPU 模塊通過I/O 控制線連接繼電器控制模塊，CPU 模塊分別與驅(qū)動電路的輸入端、回采電路的輸出端連接，且CPU 模塊與驅(qū)動電路、回采電路之間設(shè)有隔離模塊，DAC 模塊的輸出端、ADC 模塊的輸入端與繼電器控制模塊相連接。其中，隔離模塊實現(xiàn)CPU 模塊與驅(qū)動模塊PWM 信號隔離功能；驅(qū)動電路對PWM 信號進行放大，輸出24 V、頻率可調(diào)、占空比可調(diào)的PWM 信號；繼電器控制模塊接收CPU 模塊的I/O 控制指令，對PWM 信號輸出進行卡控?；夭赡K主要功能為對PWM 的輸出進行回采，CPU 模塊采集PWM 的頻率及占空比，當輸出和回采比較不一致時，輸出單元上報邏輯單元，并記錄故障數(shù)據(jù)，由邏輯單元進行邏輯控制。

本系輸出單元的PWM 輸出與對系輸出單元的PWM 輸出相互獨立，互為冗余關(guān)系，主備系通過繼電器控制模塊決定是否輸出PWM 信號，即作為主系的輸出單元的CPU 模塊驅(qū)動繼電器控制模塊閉合，輸出PWM 信號，當輸出單元作為備系時繼電器控制模塊斷開，無PWM 信號輸出。

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有ATO 系統(tǒng)輸出方式信號種類不全的問題，研究設(shè)計一種應(yīng)用于列車自動運行系統(tǒng)的輸出單元，可提供24 V 或110 V 數(shù)字量信號、0 ～10 V 電壓模擬量信號、0 ～20 mA 電流環(huán)模擬量信號和PWM 信號輸出。系統(tǒng)可根據(jù)實際使用需要，進行一種或多種輸出方式組合，有效提高系統(tǒng)的可用性和可靠性。