车载信号控制系统的制作方法

1.本实用新型涉及列车技术领域，尤其涉及一种车载信号控制系统。


背景技术：

2.目前的车载信号控制系统的设备体积较大，板卡数量较多，模块化程度不够高，层次化设计不到位，导致设备可靠性差，故障频发。车载信号系统可靠性运行严重影响列车的安全运营，如何提升车载信号设备的可靠性，提升设备维护效率、优化故障诊断效率是当前迫切需要解决的问题。


技术实现要素：

3.本实用新型提供一种车载信号控制系统，用以提高车载信号控制系统的模块化程度，提高设备可靠性以及设备维护效率。
4.本实用新型提供一种车载信号控制系统，包括：
5.主机模块，所述主机模块包括2乘2取2架构，所述2乘2取2架构与两条冗余总线通信连接；
6.输入处理模块，所述输入处理模块包括第一组两系2取2架构，所述第一组两系2取2架构分别与所述两条冗余总线以及信号输入端通信连接；
7.输出处理模块，所述输出处理模块包括第二组两系2取2架构，所述第二组两系2取2架构分别与所述两条冗余总线以及安全输出驱动板通信连接；
8.信号采集模块，所述信号采集模块包括2取2架构，所述2取2架构分别与所述两条冗余总线以及信号采集设备通信连接。
9.根据本实用新型提供的车载信号控制系统，所述车载信号控制系统，还包括：
10.通信控制器模块，所述通信控制器模块包括第一处理器、第一powerlink芯片以及辅助操作模块端口，所述第一powerlink芯片分别与所述第一处理器以及所述两条冗余总线通信连接，且所述第一处理器还与所述辅助操作模块端口通信连接。
11.根据本实用新型提供的车载信号控制系统，所述车载信号控制系统，还包括：
12.驾驶控制模块，所述驾驶控制模块包括主机板、通信控制器、第二powerlink芯片和第三powerlink芯片，所述第二powerlink芯片分别与所述两条冗余总线以及所述主机板通信连接，所述主机板还与输入采集设备以及输出控制设备通信连接，所述第三powerlink芯片分别与所述两条冗余总线以及所述通信控制器通信连接，所述通信控制器还与输入采集设备以及输出控制设备通信连接。
13.根据本实用新型提供的车载信号控制系统，所述车载信号控制系统，还包括：
14.记录模块，所述记录模块包括第二处理器、第四powerlink芯片和存储设备，所述第四powerlink芯片分别与所述两条冗余总线和所述第二处理器通信连接，且所述第二处理器还与目标网络接口通信连接。
15.根据本实用新型提供的车载信号控制系统，所述目标网络接口包括以太网接口、
usb接口、stata接口以及扩展无线接口。
16.根据本实用新型提供的车载信号控制系统，所述通信控制器模块、所述驾驶控制模块以及所述记录模块中的powerlink芯片，均包括：
17.交换模块，所述交换模块包括现场可编程逻辑门阵列和多个物理层，现场可编程逻辑门阵列与多个物理层通信连接。
18.根据本实用新型提供的车载信号控制系统，所述2乘2取2架构、所述第一组两系2取2架构、所述第二组两系2取2架构以及所述2取2架构均包括至少一组第三处理器，一组第三处理器包含有两个第三处理器，且所述两个第三处理器之间通过spi总线通信连接。
19.根据本实用新型提供的车载信号控制系统，所述信号采集设备，包括速度传感器和雷达。
20.根据本实用新型提供的车载信号控制系统，所述信号采集模块，还包括第一隔离电路、第二隔离电路和串口芯片；
21.所述2取2架构通过所述第一隔离电路与所述速度传感器通信连接，所述2取2架构依次通过所述串口芯片和所述第二隔离电路与所述雷达通信连接。
22.根据本实用新型提供的车载信号控制系统，所述信号采集模块，还包括电源，所述电源依次通过所述第二隔离以及所述串口芯片与所述2取2架构的处理器电性连接。
23.本实用新型提供的车载信号控制系统，包括：主机模块、输入处理模块、输出处理模块以及信号采集模块，各个模块均与两条冗余总线通信连接。基于模块化的功能设计，可根据需求灵活配置，具有高度的可扩展性，支持多种外设，适用于轨道交通多种应用场景。主机模块作为核心架构，采用2乘2取2架构，不会出现因系统部件故障单点失效的情况。因此，本实用新型提供的车载信号控制系统，可以以提高车载信号控制系统的模块化程度，提高设备可靠性以及设备维护效率。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本实用新型提供的车载信号控制系统的结构示意图；
26.图2是本实用新型提供的主机模块的结构示意图；
27.图3是本实用新型提供的输入处理模块的结构示意图；
28.图4是本实用新型提供的输出处理模块的结构示意图；
29.图5是本实用新型提供的信号采集模块的结构示意图；
30.图6是本实用新型提供的通信控制器模块的结构示意图；
31.图7是本实用新型提供的驾驶控制模块的结构示意图；
32.图8是本实用新型提供的记录模块的结构示意图；
33.图9是本实用新型提供的交换模块的结构示意图；
34.图10是本实用新型提供的车载信号控制系统的交互示意图。
具体实施方式
35.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
36.下面结合图1-图9描述本实用新型的车载信号控制系统。
37.如图1所示，本实用新型提供一种车载信号控制系统，包括：主机模块110、输入处理模块120、输出处理模块130和信号采集模块140，主机模块110、输入处理模块120、输出处理模块130和信号采集模块140分别与总线通信连接。
38.主机模块110，如图2所示，所述主机模块110包括2乘2取2架构，所述2乘2取2架构与两条冗余总线181、182通信连接。
39.输入处理模块120，如图3所示，所述输入处理模块120包括第一组两系2取2架构，所述第一组两系2取2架构分别与所述两条冗余总线181、182以及信号输入端通信连接。输入处理模块120包括输入处理板121、安全输入采集板122、功能输入采集板123。
40.输出处理模块130，如图4所示，所述输出处理模块130包括第二组两系2取2架构，所述第二组两系2取2架构分别与所述两条冗余总线181、182以及安全输出驱动板通信连接。输出处理模块130包括输出处理板131、安全输出驱动板132、功能输出接口板133。
41.信号采集模块140，如图5所示，所述信号采集模块140包括2取2架构，所述2取2架构分别与所述两条冗余总线181、182以及信号采集设备通信连接。
42.可以理解的是，主机模块110可以搭载2乘2取2平台软件以及列车自动保护系统(atp，automatic train protection)应用软件，硬件上设计为2乘2取2架构，即有4个独立的处理器，4个独立的处理器通过两条冗余总线181、182(即：绿网和紫网)进行通信，以及和其他模块进行通信。
43.为了满足列车自动保护系统应用软件需求，处理器选择ti的双核a15处理器，主频1.6ghz，内存2gb。
44.主机模块110的每个处理器都扩展了绿网、紫网两个powerlink网络，2乘2两系之间通过powerlink网络进行通信。powerlink网络采用现场可编程逻辑门阵列(fpga，field programmable gate array)实现，通过数据地址总线与处理器连接。
45.主机模块110的处理器使用的电源需要进行隔离，每个处理器使用自身独立的电源。
46.输入处理模块120用于采集车辆安全开关量，采用双系2取2架构，即两系2取2独立采集外部开关量，单系内进行2取2比较后提交给主机模块110，输入处理模块120的系间不进行通信。
47.输入处理模块120的硬件电路采用如下设计：为了满足输入处理模块120安装安全输入应用软件的需求，输入处理模块120的处理器选择ti的tms570处理器，该处理器自身满足sil3安全等级要求2取2两个处理器之间通过内部总线通信。2取2两个处理器，每个处理器扩展一路powerlink网络，一个处理器连接绿网，另一个处理器连接紫网。powerlink网络采用现场可编程逻辑门阵列实现，通过数据地址总线与处理器连接。输入处理模块120的四
个处理器使用的电源需要进行隔离，因此每个处理器使用自身独立的电源。
48.外部同一个开关量，外部存储器控制器(emc，external memory controller)电路为一套电路，经过内部分线经过四个独立的动态采集电路，由4个处理器分别进行采集。外部开关量经过外部存储器控制器处理电路后，分给a、b两系。单系为了故障定位，进行冗余采集，结合冗余采集结果，判断采集电路是否正确。
49.输出处理模块130用于输出车辆安全开关量，采用双系2取2架构。双系2取2架构中的单系2取2经过串联开关控制继电器，实现常开触点输出。两系间的继电器触点进行并联，即任何一系输出闭合，最终的输出为闭合状态。
50.输出处理模块130的硬件电路采用如下设计：
51.为了满足安全输出应用软件需求，输出处理模块130的处理器选择ti的tms570处理器，该处理器自身满足sil3安全等级要求。2取2两个处理器之间通过内部总线通信。
52.双系2取2架构中单系2取2架构的两个处理器中，每个处理器扩展一路powerlink网络，其中一个处理器连接绿网，另一个处理器连接紫网。对于绿网或者紫网的数据，需要两个处理器之间通过spi总线进行交互。powerlink网络采用现场可编程逻辑门阵列实现，通过数据地址总线与处理器连接。
53.双系2取2架构的四个处理器使用的电源需要进行隔离，因此每个处理器使用自身独立的电源。
54.单系2取2架构的两个处理器输出动态脉冲，产生负电源，通过负电源驱动继电器获得安全电源，提供给后续动态输出回检电路使用。单系2取2架构的两个处理器动态输出控制信号，用于输出回检。
55.单系2取2架构的a、b两系分别输出开关量信号，两系输出的开关量并联到一起。为了保证输出的可靠性，每系对输出开关进行回采。
56.信号采集模块140用于车辆速度的采集，以及扩展串口与外部设备通信。
57.信号采集模块140的硬件电路采用如下设计：
58.为了满足在信号采集模块140安装安全信号应用软件的需求，信号采集模块140的双系2取2架构的处理器选择ti的tms570处理器，该处理器自身满足sil3安全等级要求。
59.双系2取2架构中单系2取2架构的两个处理器之间通过内部总线通信。单系2取2架构的每个处理器扩展一路powerlink网络，其中一个处理器连接绿网，另一个处理器连接紫网。对于绿网或者紫网的数据，需要两个处理器之间通过spi总线进行交互。powerlink网络采用现场可编程逻辑门阵列实现，通过数据地址总线与处理器连接。
60.双系2取2架构的四个处理器使用的电源需要进行隔离，因此每个处理器使用自身独立的电源。
61.在一些实施例中，所述车载信号控制系统，还包括：
62.通信控制器模块150，如图6所示，所述通信控制器模块150包括第一处理器152、第一powerlink芯片151以及辅助操作模块(aom，assistant operation module)端口153，所述第一powerlink芯片151分别与所述第一处理器152以及所述两条冗余总线181、182通信连接，且所述第一处理器152还与所述辅助操作模块端口153通信连接。
63.可以理解的是，辅助操作模块端口153也即是辅助操作模块的输入输出端口。通信控制器模块150用于对外以太网通信数据的转发，通信控制器采用单处理器处理器，内部扩
展绿紫网与主机通信，外部扩展红蓝网191、192与外部系统通信。为了保证外网通信的可靠性，系统中可以配置两块或者多块通信控制器模块150控制。
64.通信控制器模块150的硬件电路采用如下设计：
65.为了满足通信控制器应用软件需求，通信控制器模块150的处理器选择ti的tms570处理器。
66.通信控制器模块150的处理器扩展两路powerlink网络，分别连接绿网、紫网。powerlink网络采用现场可编程逻辑门阵列实现，通过数据地址总线与处理器连接。powerlink网络的处理器扩展两路独立的百兆以太网接口，与外网通信。
67.在一些实施例中，所述车载信号控制系统，还包括：
68.驾驶控制模块160，如图7所示，所述驾驶控制模块160包括主机板161、通信控制器162、第二powerlink芯片163和第三powerlink芯片164，所述第二powerlink芯片163分别与所述两条冗余总线181、182以及所述主机板161通信连接，所述主机板161还与输入采集设备165以及输出控制设备166通信连接。所述第三powerlink芯片164分别与所述两条冗余总线以及所述通信控制器162通信连接，所述通信控制器162还与输入采集设备165以及输出控制设备166通信连接。
69.可以理解的是，输入采集设备165也即是辅助操作模块的输入采集设备，输出控制设备166也即是辅助操作模块的输出控制设备。
70.驾驶控制模块160用于控制列车自动驾驶系统(ato，automatic train operation)应用的运行，以及控制列车自动驾驶系统与车辆以太网的通信，以及辅助操作模块自动唤醒等功能。驾驶控制模块160采用双系冗余架构，即两系独立的模块采集外部开关量，任何一路均可以输出控制车辆接口。
71.驾驶控制模块160的硬件电路采用如下设计：
72.为了满足在驾驶控制模块160安装ato/aom应用软件的需求，驾驶控制模块160的主机板161选择ti的双核a15处理器。
73.单系主机板扩展两路powerlink网络，分别连接绿网、紫网。powerlink网络采用现场可编程逻辑门阵列实现，通过数据地址总线与主机板连接。
74.单系主机板扩展一路串口，用于辅助操作模块在列车自动保护系统断电时，与通信控制器162通信，获取外网的控制命令。
75.采集外部开关量，经过外部存储器控制器处理电路后，分给驾驶控制模块160的a、b两系。单系为了故障定位，进行冗余采集，结合冗余采集结果，判断采集电路是否正确。
76.驾驶控制模块160的a、b两系分别输出开关量信号，两系输出的开关量并联到一起。为了保证输出的可靠性，每系对输出开关进行回采。
77.在一些实施例中，所述车载信号控制系统，还包括：
78.记录模块170，如图8所示，所述记录模块170包括第二处理器172、第四powerlink芯片171和存储设备，所述第四powerlink芯片171分别与所述两条冗余总线181、182和所述第二处理器172通信连接，且所述第二处理器172还与目标网络接口通信连接。
79.进一步，所述目标网络接口包括以太网接口、usb接口、stata接口以及扩展无线接口。
80.可以理解的是，记录模块170用于执行各个模块数据的记录、转存，系统的在线调
试等功能，记录模块170采用单处理器处理器，内部扩展绿紫网与主机模块110通信，外部扩展两个以太网接口与维护网通信。
81.记录模块170的硬件电路采用如下设计：
82.为了满足记录模块170上安装的记录板应用软件需求，记录模块170的处理器选择ti的双核a15理器。
83.记录模块170的处理器扩展两路powerlink网络，分别连接绿网、紫网。powerlink网络采用现场可编程逻辑门阵列实现，通过数据地址总线与处理器连接。
84.记录模块170的处理器扩展三路独立的百兆以太网接口，分别与维护网设备通信，同时设计面板调试以太网接口，用于数据下载程序，更新数据等。
85.记录模块170的内部通过sata接口扩展至少64g电子盘，用于数据存储。
86.记录模块170的扩展usb3.0接口，用于将数据从电子盘转移到外部usb存储器中。
87.记录模块170的扩展无线接口，用于无线方式数据调试、数据下载等。
88.在一些实施例中，所述通信控制器模块150、所述驾驶控制模块160以及所述记录模块170中的powerlink芯片，均包括：
89.图9所示的交换模块210，所述交换模块包括现场可编程逻辑门阵列和多个物理层，现场可编程逻辑门阵列与多个物理层通信连接。
90.可以理解的是，交换模块负责各个模块内网传输数据的交换，因为内网采用powerlink网络，powerlink网络为主从通信方式，交换模块采用hub作为通信交换载体。单个交换模块实现一种网络，紫网或者绿网，依靠两个交换模块实现冗余网。
91.交换模块的硬件电路考虑了如下设计：通过现场可编程逻辑门阵列实现hub核心逻辑，扩展12路以太网接口。以太网物理层通过成熟的phy芯片实现。
92.在一些实施例中，所述2乘2取2架构、所述第一组两系2取2架构、所述第二组两系2取2架构以及所述2取2架构均包括至少一组第三处理器，一组第三处理器包含有两个第三处理器，且所述两个第三处理器之间通过spi总线通信连接。
93.可以理解的是，单系2取2架构的两个处理器中，每个处理器扩展一路powerlink网络，其中一个处理器连接绿网，另一个处理器连接紫网。对于绿网或者紫网的数据，需要两个处理器之间通过spi总线进行交互。powerlink网络采用现场可编程逻辑门阵列实现，通过数据地址总线与处理器连接。
94.在一些实施例中，所述信号采集设备，包括速度传感器和雷达。
95.可以理解的是，信号采集模块140采用双系2取2架构，即两系2取2独立获取速度传感器和雷达所采集的信息，独立于外部设备通信。双系2取2架构中，单系内进行2取2比较后提交给主机模块110，信号采集模块140间不进行通信。
96.在一些实施例中，所述信号采集模块140，还包括第一隔离电路、第二隔离电路和串口芯片；
97.所述2取2架构通过所述第一隔离电路与所述速度传感器通信连接，所述2取2架构依次通过所述串口芯片和所述第二隔离电路与所述雷达通信连接。
98.可以理解的是，速度传感器、雷达，外部存储器控制器电路为同一套电路，经过内部分线经过四个独立的采集电路，由2取2架构的处理器分别进行采集。
99.在一些实施例中，所述信号采集模块140，还包括电源，所述电源依次通过所述第
二隔离以及所述串口芯片与所述2取2架构的处理器电性连接。
100.可以理解的是，每个处理器使用的电源需要进行隔离，因此每个处理器使用自身独立的电源。
101.在一些实施例中，本实用新型提供的车载信号控制系统，基于硬件的板卡功能组成，将上述各模块以模块化组合方式分别放置于3个3u的插箱中，插箱之间的信息交互通过通信线缆完成。相比现有的信号控制系统，实现了车载信号系统的小型化，按照功能分配为主机插箱，io插箱1，io插箱2。硬件模块板卡配置功能列表如下：
[0102][0103]
在另一些实施例中，根据平台功能和接口，将车载信号控制系统划分成主机模块110、信号采集模块140、输入处理模块120、输出处理模块130、通信控制器模块150、驾驶控制模块160、记录模块170等7大模块。
[0104]
各个模块之间通过powerlink网络实时以太网进行通信，为了保证数据通信的可靠性，采用绿网、紫网两条冗余总线。各个模块的实现原理和功能如下：
[0105]
主机模块110：采用2乘2取2架构，运行应用软件，例如列车运输自动防护应用软件，同时负责调度其他模块。
[0106]
信号采集模块140：采用双系冗余的2取2架构，实现功能：负责采集速度脉冲、雷达，进行速度融合；与应答器传输设备(btm)通信；与轨道电路读取器设备(tcr)通信；与铁路数字移动通信系统设备(gsmr)通信；与人机界面设备(dmi)通信。
[0107]
信号采集模块140包括：信号处理板，运行信号处理软件，负责2取2平台软件、安全测速、串口通信；信号调理板；信号接口板，7路串口通信。
[0108]
输入处理模块120：采集安全开关量信号、非安全开关量、车辆模拟量输入信号。
[0109]
输入处理模块120包括：输入处理板，运行输入采集软件，负责2取2平台软件、安全输入采集、功能输入采集、模拟量输入采集；安全输入采集板，安全输入动态采集，安全输入最多16路；功能输入采集板，功能输入冗余采集，也称为非安全输入，最多20路；输入接口板，对外接口，以及外部存储器控制器防护。
[0110]
输出处理模块130：输出安全开关量、非安全开关量输出信号、模拟量输出信号。
[0111]
输出处理模块130包括：输出处理板，运行输出软件，负责2取2平台软件、安全输出、功能输出、模拟量输出；安全输出驱动板，安全输出10路；继电器板；紧急继电器，紧急制动输出专用，2路安全输出；功能输出接口板，2路pwm输出，2路模拟量输出。
[0112]
通信控制器模块150：主机和外部系统之间的通信数据进行转发，负责部分辅助操作模块输入、输出功能。
[0113]
驾驶控制模块160：运行ato/aom应用软件，实现辅助操作模块的输入、输出逻辑、多功能列车通讯总线(mvb)、列车实时数据通信协议(trdp)。
[0114]
驾驶控制模块160包括：主机板，负责运行ato/aom应用软件，扩展辅助操作模块输入、输出；电源板；接口板，辅助操作模块输入6路，辅助操作模块输出2路。
[0115]
记录模块170：对运行的关键数据进行记录、转存。
[0116]
交换模块：实现内网各个模块之间绿网、紫网的互联。
[0117]
各个模块均为智能模块，有独立的处理器，运行独立的软件。考虑模块部分功能类似，如平台软件、协议解析软件。将功能相同的软件提取出来，作为独立软件开发复用到各个模块中，基于公共软件在开发各个模块的特殊应用软件。因此软件划分安全计算机平台主机软件(2乘2取2软件)、通用协议软件、通信控制器软件、记录板软件、安全输入软件、安全输出软件、安全信号软件。非安全输入模块、非安全输出模块只有硬件执行机构，不包含逻辑处理器。
[0118]
如图10所示，主机模块110包括主机a系和主机b系；输入处理模块120包括输入处理a系和输入处理b系；输出处理模块130包括输出处理a系和输出处理b系；信号采集模块140包括安全信号a系和安全信号b系；通信控制器模块150包括通信控制器a和通信控制器b；驾驶控制模块160包括ato/amo主机a和ato/amo主机b；记录模块170为记录板。
[0119]
综上所述，本实用新型提供的一种车载信号控制系统，包括：主机模块，所述主机模块包括2乘2取2架构，所述2乘2取2架构与两条冗余总线通信连接；输入处理模块，所述输入处理模块包括第一组两系2取2架构，所述第一组两系2取2架构分别与所述两条冗余总线以及信号输入端通信连接；输出处理模块，所述输出处理模块包括第二组两系2取2架构，所述第二组两系2取2架构分别与所述两条冗余总线以及安全输出驱动板通信连接；信号采集模块，所述信号采集模块包括2取2架构，所述2取2架构分别与所述两条冗余总线以及信号采集设备通信连接。
[0120]
本实用新型提供的车载信号控制系统，包括：主机模块、输入处理模块、输出处理模块以及信号采集模块，各个模块均与两条冗余总线通信连接。基于模块化的功能设计，可根据需求灵活配置，具有高度的可扩展性，支持多种外设，适用于轨道交通多种应用场景。主机模块作为核心架构，采用2乘2取2架构，不会出现因系统部件故障单点失效的情况。因此，本实用新型提供的车载信号控制系统，可以以提高车载信号控制系统的模块化程度，提高设备可靠性以及设备维护效率。
[0121]
进一步，本实用新型提供的车载信号控制系统具有高安全性：系统的安全等级满足sil4级，充分保障人身安全及设备的运行安全。本实用新型提供的车载信号控制系统还具有易维护性：运行数据可视化，设备维护简单，基本不影响设备的运营时间，软件具备在线升级功能。
[0122]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0123]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可
借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0124]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。