粟 昆，王 奇，代 飛

（株洲中車時代電氣股份有限公司， 湖南 株洲 412001）

0 引言

軌道交通安全計算機平臺是進行各類軌道交通產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)。對安全計算機平臺中各個板卡的工作狀態(tài)進行實時精準監(jiān)控，有利于安全計算機平臺的可靠穩(wěn)定運行，也是軌道交通產(chǎn)品走向智能化、網(wǎng)絡化必不可少的一個環(huán)節(jié)[1-2]?，F(xiàn)有軌道交通安全計算機平臺各個板卡的監(jiān)控模塊是通過在主處理器中附加程序、在外圍使用看門狗電路并采用軟硬件結(jié)合的方式進行的[3-4]。這種方式消耗主處理器的資源，安全功能和非安全功能分割不明顯，需要針對各個處理器進行定制開發(fā)，無法進行模塊化開發(fā)，監(jiān)控和記錄的信息不全面，通用性很低[5]。

為解決現(xiàn)有電路監(jiān)控方式存在的通用性差、監(jiān)控信息不全面和處理器資源消耗大等問題，本文提出了一種軌道交通安全計算機平臺通用維護模塊的設(shè)計思路。該模塊由電源電路、GD32最小系統(tǒng)電路、電壓采集電路、復位和同步信號采集電路、以太網(wǎng)通信電路組成,具有體積小、通用性強、核心器件能國產(chǎn)化替代的優(yōu)點，為軌道交通領(lǐng)域多種板卡的監(jiān)控單元設(shè)計提供了模塊化解決方案。

1 通用維護網(wǎng)絡架構(gòu)設(shè)計

為監(jiān)控整個安全計算機平臺系統(tǒng)，需要將系統(tǒng)中所有的通用維護模塊有序地組織起來，形成通用維護網(wǎng)絡。通用維護網(wǎng)絡的架構(gòu)如圖1所示。通用維護模塊監(jiān)控安全計算機平臺板卡的復位信號和工作電壓，并通過以太網(wǎng)收集各個板卡的狀態(tài)信息；完成運算和處理后，將處理結(jié)果進行存儲并轉(zhuǎn)發(fā)至維護網(wǎng)絡中的系統(tǒng)交換機。用戶可通過接入到系統(tǒng)交換機的計算機終端查看平臺各個板卡狀況，也可以通過該終端對整個安全計算機平臺進行程序更新、配置更新等日常維護工作。為確保系統(tǒng)運行過程中時間的同步，安全計算機平臺會給各個模塊提供統(tǒng)一的時鐘信號，各模塊參考該時鐘進行時間同步。

圖1 通用維護網(wǎng)絡架構(gòu)Fig. 1 Architecture of general maintenance network

通用維護模塊的設(shè)計從硬件和軟件兩個層面進行，且維護模塊完全獨立于板卡中其他工作模塊而存在，從而規(guī)避維護模塊本身對安全計算機平臺正常運行產(chǎn)生的影響。通用維護模塊的硬件采用獨立的控制器，模塊的一切指令均由該控制器執(zhí)行，所以在系統(tǒng)維護過程中不會占用主CPU的資源；并通過單向隔離通道，使得主CPU的復位信號和工作電壓信號只能從各個板卡單向傳遞至通用維護模塊。此外，通用維護模塊和板卡主CPU的供電系統(tǒng)采用完全隔離的兩路電源，進一步保證了模塊的獨立性和維護過程的安全性。通用維護模塊的軟件使用完全獨立的環(huán)境進行開發(fā)，模塊和板卡主CPU之間的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡與系統(tǒng)正常工作的網(wǎng)絡采用完全獨立的兩個局域網(wǎng)網(wǎng)段，且相互之間的通信采用專用的通信協(xié)議，以確保模塊始終處于被動接收信息的模式，不會向主CPU發(fā)出任何控制指令。

2 通用維護模塊硬件電路設(shè)計

通用維護模塊由電源電路、GD32最小系統(tǒng)電路、電壓采集電路、復位和同步信號采集電路、以太網(wǎng)通信電路構(gòu)成（圖2）。為保證模塊的抗干擾能力，對維護模塊和板卡其他電路模塊進行隔離設(shè)計[6]，以確保維護模塊和板卡其他電路模塊相互獨立。這樣，即使維護模塊自身發(fā)生故障，也不會影響板卡其他模塊的正常工作。

圖2 通用維護模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig. 2 Schematic diagram of the general maintenance module

2.1 電源電路設(shè)計

板級電源設(shè)計一般有DC-DC轉(zhuǎn)換器和低壓差線性穩(wěn)壓（low dropout regulator, LDO）芯片兩種方案。DC-DC轉(zhuǎn)換器體積小、效率高、發(fā)熱量小，但是輸出紋波較大，適用于負載電流較大的場合。LDO內(nèi)部的晶體管工作在線性放大狀態(tài)，其效率較低、發(fā)熱量較大，但是LDO的輸出更穩(wěn)定、電源紋波更小[7]。本設(shè)計使用的輸入電壓為5 V，模塊的工作電壓為3.3 V，工作電流在200 mA以下。為了提升整個模塊電源的穩(wěn)定性，有效降低紋波電壓，選擇TI公司的LDO芯片TPS76801為核心進行電源模塊設(shè)計，其典型電路如圖3所示[8]，輸出電壓計算見式(1)，式中1.1834為芯片手冊給出的輸出電壓基準值。

圖3 通用維護模塊電源電路Fig. 3 Power circuit of the general maintenance module

2.2 GD32系列最小系統(tǒng)電路

考慮到國產(chǎn)化設(shè)計需求，本設(shè)計選用國產(chǎn)的GD32F450ZIT6型芯片作為核心控制器。GD32F450ZIT6型芯片具有豐富的片內(nèi)資源，其內(nèi)部集成了32位ARM Cortex-M4內(nèi)核，工作主頻高達200 MHz，片內(nèi)具有2 MB FLASH和512 KB SRAM，且具備片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器、以太網(wǎng)控制器和中斷控制器等多種外設(shè)[9]。GD32F450ZIT6芯片較高的集成度，在滿足維護模塊功能需求的同時，能有效降低最小系統(tǒng)的設(shè)計難度。GD32最小系統(tǒng)的原理如圖4所示。時鐘電路采用25 MHz的有源晶振，給GD32系統(tǒng)提供工作時鐘。復位電路采用TPS3306芯片搭建，該芯片不但能夠監(jiān)控板內(nèi)的5 V和3.3 V電源電壓，而且還具備看門狗功能。主控芯片需要每隔800 ms進行喂狗操作[10]，否則GD32系統(tǒng)將會復位，這種設(shè)計能有效地防止因軟件跑飛和程序卡死而帶來的系統(tǒng)癱瘓。為存儲維護模塊在工作過程中的重要數(shù)據(jù)，GD32系統(tǒng)設(shè)計有外接的FLASH芯片電路。該FLASH電路采用串行SPI接口與GD32芯片通信；JTAG接口用于模塊制造過程中的邊界掃描測試；RS232接口則是為了便于對整個GD32系統(tǒng)進行后期維護。為了便于對維護模塊的硬件版本進行管理，在GD32最小系統(tǒng)中設(shè)計了電阻陣列，組成二進制代碼，用于代表不同的硬件版本號，系統(tǒng)上電后，通過IO口讀取硬件版本號代碼，從而識別硬件版本。

圖4 GD32 系列微控制器最小系統(tǒng)Fig. 4 Minimum system of GD32 series microcontroller

2.3 電壓采集電路

電壓采集電路如圖5所示。外部電壓信號（板卡主處理器供電電壓）經(jīng)過電阻分壓和隔離放大器隔離之后，接至GD32控制器的AD轉(zhuǎn)換器采集引腳。隔離放大器選用TI公司的AMC1311B芯片。該芯片前端為高阻抗輸入，最高可承受2 V輸入電壓，電壓放大增益為1，二次側(cè)采用差分輸出方式[11]。選用該芯片的另一個重要原因是該芯片可用國產(chǎn)化芯片替代，替代型號為NSI1311B。因為放大器的最高輸入電壓為2 V，所以在實際電路中，應合理地選擇R3和R4的電阻值，使得分壓電路將3.3 V電壓衰減到2 V范圍內(nèi)，且必須考慮電壓波動問題。為此，設(shè)計了電容濾波電路，二次側(cè)電壓經(jīng)RC濾波后再輸入到CPU的AD引腳。由于GD32控制器的AD輸入為單端形式，而AMC1311B的輸出為差分形式，因此本設(shè)計將二次側(cè)的兩個電壓端分別接到CPU的兩個AD采集通道，CPU采集兩個電壓端的電壓值后進行減法運算，以得到前端輸入的電壓值。

圖5 通用維護模塊電壓采集電路Fig. 5 Voltage acquisition circuit of the general maintenance module

2.4 復位和同步信號采集電路

板卡的復位信號和同步信號使用GD32控制器內(nèi)部自帶的定時器通道采集，外部信號經(jīng)過電容器隔離之后，接到控制器的定時器引腳。根據(jù)設(shè)計要求，模塊內(nèi)部信號與板卡上的信號需進行物理隔離，因此這一部分電路設(shè)計的重點在于隔離方案的選取。目前主流的隔離方案有光電耦合器隔離、磁隔離和電容器隔離3種。光電耦合器隔離的失效率和功耗較高，在復雜環(huán)境中發(fā)光源易受污染且成本較高；磁隔離的對外輻射較大，抗電磁干擾能力較弱。因此，本設(shè)計選用電容器隔離的方案。本設(shè)計選用TI的ISO7720芯片，該芯片工作電壓范圍寬，工作帶寬高且EMC性能優(yōu)異，其外圍電路簡單，只需對電源引腳進行濾波即可[12]，可用國產(chǎn)的NSI7720型芯片完全替代。復位信號和同步信號的采集原理如圖6所示。

圖6 復位和同步信號采集原理Fig. 6 Schematic diagram of reset and synchronization signal acquisition

2.5 以太網(wǎng)通信電路

通用維護模塊提供一路隔離的100 Mb/s以太網(wǎng)通信接口，其電路原理框圖如圖7所示。GD32F450ZIT6內(nèi)部集成了一路以太網(wǎng)控制器，并支持IEEE802.3有線以太網(wǎng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層系列標準，能通過MII接口訪問外部物理層芯片。本文選用的物理層芯片為KSZ8081MLXIA型以太網(wǎng)收發(fā)器[13]，其可用國產(chǎn)YT8512型芯片替代。KSZ8081MLXIA使用MII接口和GD32控制器進行數(shù)據(jù)交換，其外圍需要電源濾波電路、晶振電路和配置電路。電源濾波電路用于濾除外部電源干擾，確保KSZ8081MLXIA穩(wěn)定工作。晶振電路采用有源晶振，給KSZ8081MLXIA芯片提供25 MHz高精度時鐘信號。配置電路用于物理層芯片上電時的初始化配置和物理層芯片地址的設(shè)置。為降低成本，進一步減小維護模塊的體積，最終的以太網(wǎng)差分信號經(jīng)電容器隔離后輸出。

圖7 通用維護模塊的以太網(wǎng)接口電路Fig. 7 Ethernet interface circuit of the general maintenance module

3 通用維護模塊軟件流程設(shè)計

通用維護模塊的軟件流程如圖8所示。模塊上電之后先進行自身的初始化工作，包括GD32各個外設(shè)寄存器的初始化、中斷子程序的優(yōu)先級配置、內(nèi)存自檢以及FLASH自檢等。初始化工作完成后，將進行4個中斷子程序的處理，分別為：電壓采集處理子程序、復位信號處理子程序、同步信號處理子程序和主CPU數(shù)據(jù)接收子程序。之后，主程序?qū)⑻崛?個中斷子程序處理結(jié)果中的特定信息，將這部分信息存儲在通用維護模塊的FLASH中。最后，主程序按特定的協(xié)議將中斷程序處理結(jié)果打包，并通過以太網(wǎng)接口發(fā)送至系統(tǒng)的維護網(wǎng)絡。該軟件對維護模塊采集的數(shù)據(jù)進行了分類和預處理，只將處理的結(jié)果發(fā)送至維護網(wǎng)絡，減少了維護網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸量，節(jié)省了傳輸帶寬，降低了維護網(wǎng)絡計算機終端監(jiān)控程序的設(shè)計復雜度。

圖8 通用維護模塊軟件流程Fig. 8 Block diagram of the general maintenance module software

4 設(shè)計實現(xiàn)

基于上述各個電路功能模塊的設(shè)計即可構(gòu)建軌道交通安全計算機平臺通用維護模塊。圖9為所設(shè)計的通用維護模塊實物，模塊中的信號通過連接器和安全計算機平臺各個插件進行交互。由于通用維護模塊相對獨立，在實際應用中，一旦發(fā)現(xiàn)維護模塊故障，便可以迅速進行更換，極大地提高了整個系統(tǒng)的可維護性。

圖9 通用維護模塊實物Fig. 9 Practical general maintenance module

該通用維護模塊應用于安全計算機平臺插件的實驗室測試結(jié)果如圖10所示。從圖中程序運行的結(jié)果可知，該模塊能完成既定功能，將板卡的各類狀態(tài)信息及時傳送至維護網(wǎng)絡，為整個系統(tǒng)的維護提供了可靠的數(shù)據(jù)來源。

圖10 應用效果圖Fig. 10 Application rendering

5 結(jié)語

基于國產(chǎn)處理器研制的軌道交通安全計算機平臺通用維護模塊具有體積小、通用性強的特點，同時兼顧了完全國產(chǎn)化設(shè)計要求。目前該模塊已被廣泛應用于軌道交通牽引系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)和信號系統(tǒng)的多種單板設(shè)計中，極大地降低了單板監(jiān)控功能的設(shè)計難度，對推動軌道交通通用安全計算機平臺維護系統(tǒng)網(wǎng)絡化進程具有重要意義。但本設(shè)計目前是收集安全計算機平臺的板卡信息并整理后上傳維護終端，并沒利用這些信息進行故障診斷。未來可研究如何利用這些信息讓維護模塊對各個板卡進行智能診斷。