轨道交通核心系统统型控制平台及方法

1. 论文正文

1.1 绪论

结合轨道交通领域核心控制系统产品现状，随着牵引、网络和制动等传统业务以及光伏、工业变频和智能运维等新兴业务的发展，既有平台间电路种类繁多且不统型、故障率高等问题愈发凸显。因此迫切需要紧跟行业内控制技术的发展趋势，设计一款可多系统多功能融合，非功能安全、功能安全灵活配置的统型控制平台。

1.2 设计方案

统型控制平台的主要功能分为供电单元、主控与网络单元、非安全I/O 单元、安全I/O 单元和功率单元。

（1）供电单元主要分为系统供电、功率模块供电以及传感器供电。主要实现外部车辆蓄电池电源输入，DC12V 系统供电输出、DC15V 功率模块供电输出与DC24V 传感器供电输出。其中各电源轨均支持冗余供电方式，大大提高系统的可用性。

（2）主控与网络单元分为主处理单元、健康管理单元、交换单元、通信单元和存储单元。主处理单元对外具备以太网通信功能、指示灯显示功能及调试打印功能。对内通过背板以太网通信接口、PCIE 接口、SATA 接口实现对通信单元、健康管理单元、通信单元及存储单元的通信。主处理单元可以对逻辑任务实现周期性调度和故障诊断、对多逻辑任务和故障诊断按照不同的任务周期进行调度、具有逻辑时序监测功能、可对初始化状态异常做出诊断并在发生异常时进入安全态、具备指示灯显示功能；健康管理单元具备健康管理健康管理功能，实现控制系统诊断相关的大数据量运算及故障智能诊断与分析，对外具备以太网通信功能用于运算数据与故障数据维护与上传，对内通过背板以太网通信、PCIE 通信实现原始数据的获取与采集；通信单元对外设计 SMA 接口用于搭载 4G/5G、WIFI/BLE、GPS/BEIDOU 等无线通信模块实现无线通信功能，对内通过以太网通信与主处理器单元、交换单元等进行通信；同时对外具有以太网通信功能，支持 TCP/IP、TSN、TRDP，对内通过背板以太网接口、PCIE接口实现与主处理单元、健康管理单元等单元的高速通信，通过背板 SPI、CANFD 接口实现与安全 I/O 单元或非安全 I/O 单元进行故障记录数据、输入输出控制数据通信。通信单元主要实现 4G/5G、WIFI/BLE、GPS/BEIDOU 等无线通信的数据转换以及通过 TCPIP/TRDP/TSN 等以太网通信、CAN 通信和 CANFD通信等，实现功能安全域与非功能安全域数据的传输、系统内外通信接口的转换；存储单元通过背板PCIE 或SATA 接口实现主处理器单元的过程数据与故障记录数据的大数据量存储。

（3）非安全 I/O 单元

I/O 单元包括数字量输入单元、数字量输出单元和温度采集单元组成。数字量输入单元采用 FPGA 作为主处理器，可采集 DC110V 数字量输入信号，通过CAN 总线与通信单元进行数据交互，同时预留高速背板总线，可实现快速信号传输功能；数字量输出单元采用 FPGA 作为主处理器，可实现干节点输出功能，通过CAN 总线与通信单元进行数据交互，同时预留高速背板总线，可实现快速安全导向功能；模拟量输入输出单元采用 FPGA 作为主处理器，可实现外部电压电流等模拟量信号的采集功能，并通过CAN 总线与通信单元进行数据交互。

（4）安全 I/O 单元

安全 I/O 单元包括安全主机单元、安全输入单元和安全输出单元，实现SIL4 级别功能安全需求。安全主控单元是一款 SIL4 等级的控制运算单元，实现 SIL4 级逻辑运行以及安全输入单元 / 输出单元的调度控制，单元采用 2 取 2的安全架构，单元包含双通道 MCU 和 FPGA，双通道进行任务级同步表决，并设计完备的故障诊断和安全导向措施，具备CANFD 通信接口与安全I/O 单元进行通信；安全输入单元作为安全域的安全开关量采集单元，运行2 取2 平台软件，具有电源转换功能、温度检测功能、电压检测功能、地址检测功能、CANFD 通信功能、同步比较检测功能、安全开关量输入功能、看门狗功能、MCU 逻辑处理功能；安全输出单元作为安全域的安全开关量输出单元，实现电源隔离转换功能、温度检测功能、电压检测功能、地址检测功能、CANFD 通信功能、同步与比较功能、安全开关量输出功能、看门狗功能以及安全电源功能，同时通过MCU 实现数据通信、逻辑处理等功能。

（5）独立功率单元

独立功率单元主要由算法处理单元、外部通信单元、快速模拟量输入单元和 PWM 输出单元组成，采用多核异构芯片 MPSOC 作为功率单元单元主处理单位的核心处理器件，并集成高速 DDR4 动态存储芯片扩充系统运行内存，配备EMMC、FLASH 等固态存储芯片作为系统程序或掉电不丢失数据存储。其中，PL 侧实现既有控制器架构的 FPGA 功能，负责外部模拟量信号采集、旋变信号采集、温度采集、背板高速总线控制等；PS 侧 ARM 核实现逻辑信号判断、网络接口驱动、故障记录存储等；同时 PS 侧 DSP 核实现电机驱动算法、PWM 控制等功能。

2 结束语

本文提到统型控制平台及方法，可实现不同系统控制平台的灵活配置，降低了产品设计开发难度，提升了产品的复用性，同时具有集成度高、实时性高、可靠性高、体积小、功耗低、成本低等优点，为轨道交通行业各控制系统设计

提供高效解决方案。

参考文献

[1] 杜斐 , 何嘉文 , 王宣明 , 等 . 一种多核处理器芯片设计与实现关键技术研究 [J]. 计算机技术与发展 ,2021,31(06):65-69.

[2] 王古森 . 辅助逆变器控制单元硬件系统设计 [J]. 石河子科技 ,2021,(03):25-26.

[3] 谭富民 , 刘莉娜 , 罗云飞 . 基于牵引控制单元功能安全模块设计 [J]. 科技创新导报 ,2021,18(12):76-78.

[4] 章阳 . 动车组制动系统 PHM 方案研究 [J]. 铁道机车车辆 ,2020,40(05):19-22.

[5] 唐海 . 浅谈市域动车组主辅一体式牵引变流器的应用 [J]. 中国设备工程 ,2017,(11):156-157.

[6] 李华 , 荣智林 , 忻力 , 等 . 城际动车组主辅一体变流器的开发 [J]. 机车电传动 ,2015,(06):15-17+21.