列车自动运行系统的输出单元设计

李 旭，周 荣，沈俊远

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

列车自动运行(ATO)系统为在列车自动防护（ATP）系统的防护下，接管车辆的牵引和制动功能，实现车站自动发车、区间自动运行、站内自动停车、车门自动开门、车门/站台门联动控制等功能，ATO 硬件平台作为ATO 系统的安全计算机平台，实现逻辑处理、对外通信、输入采集、输出控制等功能。输出控制功能主要实现列车牵引和制动的输出控制、开关车门输出控制等功能。但是既有系统输出方式信号种类不全，不能满足某些型号的列车，且既有ATO 系统当主系输出单元故障时，系统完全切换到备系，包括未故障的逻辑单元、输入单元等也切换到备系，降低系统可靠性。

现有一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统，输出功能包括24 V 或110 V 数字量驱动信号、0 ～20 mA 模拟量互锁切换输出功能，缺少0 ～10 V 模拟电压输出功能、PWM 输出功能等。为克服现有输出方式信号种类不全的问题，设计一种应用于ATO 系统的输出单元，可提供数字量信号、电压模拟量信号、电流环信号以及PWM 信号，同时采用无倒切单元的双系热备切换方式，提升系统的可靠性。

2 ATO系统与输出单元结构

ATO 系统主要包括本系逻辑单元与对系逻辑单元，本系与对系的输出单元、输入单元、通信单元、接口单元以及电源单元、和记录单元。所有单元都连接至接口单元，接口单元包括2 路电源总线、互为冗余的2 路第一通信总线（CAN0 和CAN1）、板卡标识如图1 所示。

图1 ATO系统结构图Fig.1 ATO system structure diagram

本设计以本系逻辑单元、本系输出单元、对系逻辑单元以及对系输出单元互为交叉冗余为设计展开说明，但不仅限于逻辑单元与输出单元，其余各单元也适用。ATO 系统输出结构如图2 所示。

图2 ATO系统与输出结构图Fig.2 ATO system and output structure diagram

本系逻辑单元与对系逻辑单元通过2 路第一通信总线连接本系与对系的输出单元。本系逻辑单元与对系逻辑单元还用于分别控制本系输出单元与对系输出单元输出及回采，包括对数字量信号、电压模拟量信号、电流环模拟量信号、PWM 信号中一种或多种控制指令进行输出及回采，从而使本系逻辑单元与对系逻辑单元通过2 路互为冗余的第一通信总线实现对车辆系统的控制，并且能够根据不同型号的车辆对4 种信号输出进行任意组合。其中，数字量信号为24 V 或110 V 数字量信号；电压模拟量信号为0 ～10 V 电压模拟量信号；电流环模拟量信号为0 ～20 mA 电流环模拟量信号；PWM 信号占空比可调。

系统采用没有倒切（管理）单元或者没有功能类似倒切（管理）单元的双系热备切换方式，本系逻辑单元与对系逻辑单元通过互为冗余的第二通信总线进行通信，用于本系逻辑单元与对系逻辑单元进行主备系竞争，当本系逻辑单元或对系逻辑单元竞争为主系时，控制输出单元的输出与通信，并输出主系状态信号。

3 输出单元设计

本系输出单元与对系输出单元包括CPU 模块，与其相连接的数字量输出模块、模拟量输出模块以及PWM 输出模块。其中，数字量输出模块中包括MOSFET 开关模块，模拟量输出模块包括第二继电器控制模块，PWM 输出模块包括第三继电器控制模块。本系逻辑单元与对系逻辑单元通过互为冗余的2 路第一通信总线控制本系输出单元或对系输出单元对24/110 V 数字量信号、0 ～10 V 电压模拟量信号、0 ～20 mA 电流环模拟量信号以及PWM信号中的一种或多种控制指令的输出与回采。

本系输出单元与对系输出单元首先获取自身的板卡标识号，然后接收逻辑单元的通信数据，响应逻辑单元的控制指令，然后判断自身是否故障，若出现故障则切断数字量信号、模拟量信号以及PWM 信号输出，并切断MOSFET 开关模块，第二继电器控制模块，以及第三继电器控制模块的控制与输出。输出单元运行示意如图3 所示。

3.1 数字量输出模块设计

数字量输出模块由电源、隔离模块、MOSFET 开关模块、一个或多个固态继电器模块以及回采模块组成。本系数字量输出模块与对系数字量输出模块结构如图4所示。

CPU 模块通过I/O 控制线连接MOSFET 开关模块、一个或多个固态继电器模块以及回采模块，且CPU 模块与上述模块之间设置有隔离模块，用于实现CPU模块与其他模块电信号的隔离；电源模块通过MOSFET 开关模块与一个或多个固态继电器模块相连接，用于提供110/24 V 电源；一个或多个固态继电器模块均连接有回采模块。

图3 输出单元运行示意图Fig.3 Schematic diagram of output unit operation

图4 本系数字量输出模块与对系数字量输出模块结构图Fig.4 Structure diagram of digital signal output module of this system and the other system

固态继电器模块接收CPU 模块的I/O控制指令，当有输出时固态继电器模块闭合，且当MOSFET 开关模块提供电源时，固态继电器模块输出数字量，如果接入电源为110 V 输出数字量信号为110 V，如果接入电源为24 V，输出数字量信号为24 V；回采模块用于采集固态继电器模块输出情况，当有输出时，回采模块进行输出量回采，CPU 模块读取回采模块采集量，当输出和回采比较不一致时，输出单元上报主系逻辑单元，并记录故障数据，由逻辑单元进行逻辑控制。

本系数字量信号输出与对系数字量信号输出相互独立，互为冗余关系，主备系通过控制MOSFET开关决定是否输出数字量，即主系输出单元的CPU模块驱动MOSFET 开关模块闭合，提供110/24 V电源给固态继电器模块；备系MOSFET 开关模块为断开状态，无数字量输出。

3.2 模拟量输出模块设计

模拟量输出模块由隔离模块、DAC 模块、ADC 模块以及继电器控制模块组成，本系模拟量输出模块和对系模拟量输出模块结构如图5 所示。

图5 本系模拟量输出模块和对系模拟量输出模块结构图Fig.5 Structure diagram of analog signal output module of this system and the other system

CPU 模块通过I/O 控制线连接继电器控制模块，CPU 模块还通过SPI 通信总线分别与DAC 模块的输入端、ADC 模块的输出端连接，且CPU模块与DAC 模块、ADC 模块之间设有隔离模块，DAC 模块的输出端、ADC 模块的输入端与继电器控制模块相连接。其中，隔离模块实现CPU 模块与DAC、ADC 模块SPI 信号隔离功能；DAC 模块通过SPI 通信总线接收CPU 模块配置数据及控制指令，输出0 ～10 V 范围电压模拟量与0 ～20 mA 范围电流环模拟量；继电器控制模块接收CPU 模块的I/O 控制指令，对电压模拟量、电流环模拟量输出进行卡控。ADC 模块主要功能为对电压模拟量、电流环模拟量的输出进行回采，CPU 模块通过SPI 通信总线读取回采值，当输出和回采比较不一致时，输出单元上报逻辑单元，并记录故障数据，由逻辑单元进行逻辑控制。

本系输出单元的模拟量输出与对系输出单元的模拟量输出相互独立，互为冗余关系，主备系通过继电器控制模块决定是否输出电压模拟量、电流环模拟量，即作为主系输出单元的CPU 模块驱动继电器控制模块闭合，输出电压模拟量、电流环模拟量，当输出单元作为备系时继电器控制模块断开，无电压模拟量、电流环模拟量输出。

3.3 PWM输出模块设计

PWM 输出模块由隔离模块、驱动电路、回采电路以及继电器控制模块组成，本系PWM 输出模块和对系PWM 输出模块结构如图6 所示。

图6 本系PWM输出模块和对系PWM输出模块结构图Fig.6 Structure diagram of PWM output module of this system and the other system

CPU 模块通过I/O 控制线连接继电器控制模块，CPU 模块分别与驱动电路的输入端、回采电路的输出端连接，且CPU 模块与驱动电路、回采电路之间设有隔离模块，DAC 模块的输出端、ADC 模块的输入端与继电器控制模块相连接。其中，隔离模块实现CPU 模块与驱动模块PWM 信号隔离功能；驱动电路对PWM 信号进行放大，输出24 V、频率可调、占空比可调的PWM 信号；继电器控制模块接收CPU 模块的I/O 控制指令，对PWM 信号输出进行卡控。回采模块主要功能为对PWM 的输出进行回采，CPU 模块采集PWM 的频率及占空比，当输出和回采比较不一致时，输出单元上报逻辑单元，并记录故障数据，由逻辑单元进行逻辑控制。

本系输出单元的PWM 输出与对系输出单元的PWM 输出相互独立，互为冗余关系，主备系通过继电器控制模块决定是否输出PWM 信号，即作为主系的输出单元的CPU 模块驱动继电器控制模块闭合，输出PWM 信号，当输出单元作为备系时继电器控制模块断开，无PWM 信号输出。

4 结束语

针对现有ATO 系统输出方式信号种类不全的问题，研究设计一种应用于列车自动运行系统的输出单元，可提供24 V 或110 V 数字量信号、0 ～10 V 电压模拟量信号、0 ～20 mA 电流环模拟量信号和PWM 信号输出。系统可根据实际使用需要，进行一种或多种输出方式组合，有效提高系统的可用性和可靠性。