全电子计算机联锁系统信息传输网络的设计

熊 飞

(铁道第三勘察设计院集团有限公司 电化电信工程设计研究处， 天津 300251)

工业控制领域中，各种串行和并行总线得到了极大的应用,铁路信号中CAN总线和RS422总线使用非常广泛。本系统设计了CAN总线和RS422总线智能通信单元，并在此基础上构建了全电子计算机联锁系统联锁机和执行机之间的信息传输网络。该网络采用光纤通信技术和自愈网技术，在CAN总线或RS422总线出现故障的情况下，能在极短的时间自动恢复所携带的业务，具备发现替代传输路由并重新确立通信的能力。

1 系统简介

在传统的计算机联锁系统基础上，综合考虑联锁系统可靠性和安全性，设计了全电子计算机联锁系统信息传输网，结构如图1。该网络室内仅设联锁计算机，由联锁计算机负责与上位机通信，执行机终端通过专门设计的智能通信单元接入信息传输网，到达联锁计算机。

图1 全电子计算机联锁系统信息传输网结构图

智能通信单元由CAN智能通信单元和RS422智能通信单元组成。每一个智能通信单元包括CPCI-RS422智能通信模块和CPCI-CAN智能通信模块。2个模块均支持热插拔，插接在研华工控机中。执行机终端采集现场设备的状态信息和控制命令输出的信息，传送至智能通信单元中。传送至智能通信单元的信息，由工控机进行判断并筛选，将可靠的信息传送到信息传输网上，进过联锁计算机的逻辑运算，最后在上位机中显示。为防止因环境恶劣，CAN总线失效，系统采用了双RS422和双CAN冗余通信方式，使得在CAN总线通信失效时，RS422总线能从备用升级为主要总线使用，不影响系统信息传输，使得系统更加安全可靠。

2 系统组成

本通信网络通信模块主要由以下3部分组成：CPCI-CAN总线通信单元、CPCI-RS422总线通信单元、光保护自动切换系统。

图2 信息传输网节点智能化结构图

信息传输网的节点智能化结构如图2。执行机终端采集现场信息经由CPCI-CAN总线通信单元传输到联锁机上。当CAN总线传输出现故障，则经过光保护自动切换系统，倒换到备用的CPCIRS422通信单元。信息传输网中，光保护自动切换系统实时监测工作光纤和备用光纤上的光功率，当监测到光线路上的光功率值低于设定切倒换门限时发出警告，提示并自动切换到备用光纤，从而，实现对光传输系统线路的冗余备份。光保护自动切换系统能自动识别主、备系统光路信号状态，进行光路瞬时切换，当主用光纤发生障碍时，保护系统运行正常。

3 智能通信单元硬件设计

CPCI-CAN通信模块的结构如图3。智能CPCI-CAN通信模块，通过CPCI总线插槽与工控机相连，完成工控机与CAN总线上各个节点信息数据交换的功能。工控机的信息经由PLX9054芯片暂时保存于IDT7005中。ATMEGA128单片机控制2片CAN总线控制器SJA1000，将工控机的信息数据通过CAN收发器TJA1050下发到CAN总线的各个执行机终端上。TJA1050负责将CAN总线上各执行机终端的状态信息上传给总线控制器SJA1000, 由单片机ATMEGA128控制，将状态信息传输至双口RAM 中, 再经CPCI 总线接口上传至工控机进一步数据处理。整个过程包括联锁机数据的下发过程和执行机上传过程。FPGA能对PCI总线接口芯片PLX9054、双口RAM 芯IDT7005和ATMEGA128三者之间的逻辑控制和总线仲裁。当有数据信息由工控机经CPCI总线接口向下发时，FPGA能使PCI9054取得IDT7005控制权，当工控机将数据向下发送完毕时，FPGA能使ATMEGA128取得IDT7005控制权，ATMEGA128将下发数据首先存入自身FLASH存储空间，并将这些数据按照制定的CAN总线通信协议打包成数据帧或远程帧，再由SJA1000发送至各执行机节点。

CPCI-RS422总线通信模块在CAN通信模块上经过修改而成，完成PCI总线协议与RS422通信协议的转换。在原有CAN通信模块修改，将RS422通信总线接口芯片和UART芯片接入CPCI总线中，原有的CPCI硬件部分没有改变，通信模块的硬件组成如图4。

图3 CPCI-CAN通信模块的结构框图

4 系统调试

图4 CPCI-RS422通信模块的结构框图

智能通信单元的调试主要针对Atmega128的软件部分，由于智能通信模块硬件和软件结合紧密，调试数据难以注入，调试的信息难以输出等原因，主要采用了JTAG仿真调试和C++语言编写上位机软件程序，搭建了测试平台，如图5。

图5 测试平台示意图

以CAN总线智能通信单元数据采集功能为例。首先，在测试主机中运行调试软件，依照CAN通信协议向智能通信单元发送数据采集命令。接收到数据采集命令后，智能通信单元自动向CAN检测总线发送数据采集指令。接收到数据采集命令后，模拟主机由ISA-CAN通信卡接收回传的现场数据并传送至测试主机。同时，通过在测试主机中比较智能通信单元发送帧和接收帧的数量是否一致，以及两者的内容是否一致，来判断被调试的智能模块运行是否正常。调试主机接收到的部分数据界面如图6。

5 结束语

图6 测试主机接收到的数据界面

本文设计了安全信息传输网络来保障全电子计算机联锁系统联锁机和执行机之间的安全通信。经过长期综合调试，智能通信单元已经能稳定地运行在安全信息传输网中，提高了全电子计算机联锁系统联锁机和执行机之间的传输可靠性和传输效率。智能通信单元已成功应用到多个新近开通的使用全电子计算机联锁系统的车站上。根据现场反馈的情况，该智能通信单元结构合理，功能完善，工作可靠，达到了预期的设计要求。

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