轨道交通安全计算机的研究与设计

 

摘 要：轨道交通信号系统的安全性直接影响到列车能否安全可靠并且高效地运行，为保证信号系统的安全性，必须对信号设备的安全计算机进行专门的选型与设计。对轨道交通系统中基于PowerQUICC处理器的信号设备安全计算机进行深入研究，在此基础上，在软硬件方面，设计与实现基于PowerQUICCII的多模安全计算机原理样机，并进行功能性测试，为进一步开展信号设备安全计算机的研究奠定基础。

关键词：安全计算机；PowerPC；铁路信号；轨道交通

 

      在目前的工业控制计算机系统中，大多数都具备较高的可靠性。但是，由于通用电子元器件本身不具备故障状态的不对称性，则由其构成的电子计算机也不具有故障状态的不对称性，即不具备故障—安全特性。因此对于轨道交通运行控制领域，一旦计算机系统不能正常工作，有可能向被控设备输出危险的控制信号，从而造成重大的人员伤亡和财产损失。轨道交通信号设备要求的是一种高可靠性、高安全性的故障—安全计算机控制系统。

1 安全计算机的体系结构

      常见的安全计算机系统结构冗余方式，如双机热备、三取二表决、二取二表决、二取二乘二等，它们的安全性和可靠性指标已有很多文献从理论上进行了论证，并且已经应用在多种轨道交通信号设备上，如车站计算机联锁系统和列车自动运行系统等。目前，采用双机热备形式的安全计算机应用比较广泛，在双机热备的技术基础上可以构建二取二乘二的结构，而两者相比，后者明显具有更高的安全性和可靠性。

      如图 1 所示，二取二乘二系统分为相互独立的A 、B 两个运算系，每系内均有两个关系对等的主处理单元，每个主处理单元均能同时接收接口层的输入信息。在信息处理与计算过程中，同一运算系内的两个主处理单元通过诊断机制进行同步校验，所有信息校验无误后软件方可输出动态码型的控制信号给本系内的二取二表决模块，表决一致才能够输出有效的控制信号。两个运算系分别独立地完成相同的任务，而由专门的主备切换单元判断两系的运行状态是否正常，执行主备切换操作，并将主运算系的控制信号输出给被控设备。

2 安全计算机设计

      在这样的多重冗余结构中，各单元间的通信接口需求较为复杂，通信任务较为繁重。同时，安全计算机软件除了要完成正常功能任务，还要进行容错与避错处理。因此，选用PowerPC 处理器为核心，设计主处理单元以实现上述结构。

      PowerPC 是IBM、Freescale（原Motorola半导体部）联合研制的一种高性能超标量精简指令集微处理器（RISC）体系结构。Freescale的Power　QUICC处理器集成PowerPC 内核和称之为通信处理器模块（CPM）的多协议加速引擎，提供了更高的性能和集成度。Power　QUICC处理器目前在中高端通信市场占据着领导地位，它具有集成度高、运算速度快、功耗较低、抗干扰能力强、性能稳定可靠、通信与网络协议处理能力强大以及产品线完整等优点，适合应用于复杂系统的安全计算机。

      Power　QUICC　II（PQII）是该系列的第2代产品，由PQII 设计的单个主处理单元系统如图2 所示。

      其中，PQII的高速64　bit外部总线60x　Bus上连接了大容量的 S D R A M 内存和 F L A S H ，并且利用CPLD 扩展出了 CAN 总线接口逻辑和安全I/O 总线接口逻辑。必要时，60x 总线还能够连接其他PQII 处理器以扩展利用更多的通信接口。此外，我们还利用PQII 内部的PCI 桥预留了外部 PCI 总线接口，以用于未来的功能扩展。在 C P M 上连接了

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