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VME总线助力高速铁路信号联锁系统

高速铁路信号系统是保证我国铁路提速线路和客运专线列车运行安全、提高列车运行效率的重要技术设备。它以有效可靠的技术手段对列车运行速度、追踪间隔距离进行实时监控和超速防护,同时能够减轻司机劳动强度、改善工作条件、提高旅客舒适度。我国铁路经过六次大面积提速调图以及高速铁路的开通推出了一系列重大技术创新成果。列车控制车载系统、地面设备、信号联锁系统都装配有我国自主研发的产品 。

其中大量信号系统使用了VMEbus 产品和实时操作系统开发平台。VMEbus开放式标准平台在铁路设备中的使用不仅减少了产品开发周期 ,还极大降低了设计成本,提高了国产设备的竞争力,保证了产品具有较长的产品生命周期。

1  VME总线

诞生于1981年的VME总线是一种通用的计算机总线,结合了Motorola公司Versa总线的电气标准和在欧洲建立的Eurocard标准的机械结构,是一种开放式架构。它定义了一个在紧密耦合硬件构架中可进行互连数据处理、数据存储和连接外围控制器件的系统。经过多年的改造升级,VME系统已经发展的非常完善,围绕其开发的产品遍及了工业控制、军用系统、航空航天、交通运输和医疗等领域。

1.1  VMEbus的特点

(1) VME的数据传输机制是异步的,有多个总线周期,地址宽度是16、24、32、40或64位,数据线路的宽度是8、16、24、32、64位,系统可以动态的选择它们。

(2) 由于它的数据传输方式为异步方式,因此只受制于信号交换协议,而不依赖于系统时钟;其数据传输速率为0~500Mb/s;还有VITA31支持利用背板传输以太网数据及VITA41规范利用背板传输串行RapidIO高速互连。

(3)支持多处理器工作模式,可以实现强大的运算性能。

(4)多个板卡能够方便的通过背板总线通信,提高传输速度和可靠性。

(5)1个19”标准上架机箱中最多可以提供21个板卡插槽(1个背板),可以通过VMEbus中继卡连接多个机箱。

(6)在恶劣环境下,如军事应用,可以使用传导冷却模块。

1.2  VMEbus结构

因为是两种标准的结合,那么VME系统也可以被看作是两个部分。一个部分是它的机械架构,此部分决定着VMEbus 系统背板、前置面板和嵌入板的尺寸大小;而另一部分则是功能构架,它定义了系统的运转流程。

1.2.1  VME的机械结构

VME机械架构中的主要部分为背板,是一个印刷电路板。它的大小有三种型号:3U(160mm ×100mm)、6U(160mm × 233mm)和9U(367 mm× 400mm)。根据VME64x标准,VME系统中有三种连接器,它们分别是P0/J0、P1/J1和 P2/J2,“P”和“J”分别代表了PLUG和JACK连接器。P1/J1和P2/J2连接器有96个管脚,排列成三排,每排32管脚;P0/J0连接器则有95个管脚。3U型背板只具有P1/J1或P2/J2连接器,而6U型背板则同时具有J1和J2连接器。

1.2.2  VME的功能结构

VME的功能架构可以说是由信号线、背板接口逻辑和功能模块所组成的。背板接口逻辑的性能是由背板上的一些特性所左右的,比如信号线阻抗、传播时间、终端数值等等,它和信号线是系统各部分之间的纽带。功能模块则是执行具体任务的电路集合。其中,主要的模块叫做主设备(master),其决定着数据传输的顺序;根据主设备数据传输情况而动作的模块叫做从设备(slave),负责监控数据传输目标地址的模块被称为定位监控设备。此外,还有发出中断请求和处理中断请求的模块,判定和处理其他模块请求的仲裁模块。当然,还少不了发出时钟信号的模块和监控系统电源工作情况的模块。

图1 VME PPC单板计算机

2  高速铁路信号联锁系统

对于铁路信号系统,最重要的是安全性。在信号联锁系统中VMEbus平台能够保障系统具有高可靠性和高可用性。

信号联锁系统主要用以下方式实现安全性:
(1)硬件冗余表决;
(2)软件冗余表决(具有相异性的不同版本软件比较)。

2.1 硬件冗余表决技术
 目前信号联锁系统普遍采用以下两种硬件冗余结构:  
 (1)结构核查方法。采用两台计算机分别按两种不同设计的程序工作,一台计算机按输入指令检查运行和安全情况,另一台计算机核查结果,采用不同的程序检查后确认不会产生危险情况,最后发出指令。
 (2)二乘二取二结构和三取二结构的硬件表决技术。

二乘二取二结构:联锁机采用两套共4个CPU构成二乘二取二容错系统。所谓二取二即在一套系统上集成双套CPU系统。双套系统严格同步。实时比较。只有双机运行一致时才对外输出或传输运算结果。“二乘”的作用为上述双机组合取用两组,可采用双机热备或并用方式。 双套中每一单套均包括双套CPU实时校核工作。每一单套中必须双机工作一致才能对外输出,实现全系统的高安全性;任一单套检出故障均可立即倒向备套系统工作,实现全系统的高可靠性。二乘二取二结构的核心部件是VMEbus CPU板,其结构如图2所示。

图2 二乘二取二系统结构图

在该系统上集成了完全相同的两套计算机系统VME PPC单板计算机,通过VMEbus实现双机校核的数据比较。所装软件包括系统软件和应用软件完全相同。该系统已通过了国内铁路有关机构的安全性认证。

(3)三取二结构:有三台相同的计算机,采用相同的程序,同时验算指令,如有两台的结果相同,才发出指令。只有当任何两套计算机同时发生相同故障,并产生同样输出信息时,表决器无法检测出错误,但这种情况概率很小。

图3 三取二系统结构图

2.2  软件冗余技术
软件冗余技术也就是采用具有相异性的不同版本软件比较,如使用不同的操作系统和应用软件。软件冗余有内部比较与外部比较两种方式。内部比较即两个处理机用不同的程序处理同一数据得到的结果进行比较。而外部比较则是第三方软件获得两个处理机的逻辑状态和数据,进行合理性表决判断。


图4 软件冗余系统结构图

3  VMEbus适合高速铁路信号系统

3.1 系统的开放性

VMEbus是一个开放的总线标准,全球现有几百家会员开发VMEbus产品。 用户也可以根据自身的特殊需求自主开发功能模块,极大实现自主知识产权。

3.2  互可操作性与互用性

互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通;而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。由于所有VMEbus产品供应商均按照统一的VME规范生产,所以不同厂家的设备可以任意组合、任意互换使用。

3.3  可升级性

VMEbus在发展过程中具有向下兼容性,保证在原有设备的基础上,增加一些新的模块就能方便地升级系统,原有的模块在高等级的系统中继续使用。

我们向用户提供丰富的各种工业总线产品,如VME,CPCI,ATCA等。我们为全球交通运输行业提供了各种解决方案,包括铁路信号联锁系统、车载控制系统等。我们正在和中国轨道交通行业的公司、研究所密切合作,提供开放、标准的VME总线产品和解决方案,促进我国高速铁路的信号系统开发。