嵌入式计算机联锁控制系统

摘 要：嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统.本文主要是对嵌入式计算机联锁控制系统的相关内容进行了分析.

关 键 词：嵌入式系统；计算机技术；联锁控制

嵌入式系统是以应用为中心,它一般由嵌入式微处理器、硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成,它可以用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能.嵌入式系统一般都是指非PC系统,它包括硬件和软件两部分.硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等.软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程.有时设计人员把这两种软件组合在一起.应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用.根据计算机联锁系统的性能特点,提出了基于ARM嵌入式的信号计算机联锁控制系统结构.确保系统可靠性和安全性的实现；利用Linux的实时多任务处理能力,提供系统在分布式环境下实时通信能力；保证系统具有良好的可扩展性.

1ARM嵌入式的主要特性

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器.嵌入式微处理器具备以下特点：第一,可以.对实时多任务具有很强的支持能力,可以使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度.第二,可以具有功能很强的存储区保护功能.可以避免软件模块之间出现错误.第三,可以扩展处理器结构,能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器.第四,可以使入式微处理器必须功耗很低,尤其是对于便携式的无线及移动的计算和通信设备更是如此.

2嵌入式的总体设计方案

2.1嵌入式系统的结构设计

嵌入式的系统组成有机部分,其中包括用户操作层的显控机、联锁关系运算的联锁主机和备用主机为主的设备,还有需要匹配的设备,如记录系统运行状况的维修机、各种执行机等.嵌入式系统在结构上具有模块化、层次化等特点.它的模块化主要是指显控微机模块、联锁微机模块、通信模块、PLC和执行模块等；它的层次化是指系统具有显示控制、联锁运算、通信、驱动及执行等5个不同的物理层次.这种结构的优点在于可根据不同控制系统规模的大小、作业需求的不同,可以在不改变联锁软件的基础上,通过修改规模的静态数据来增设相应硬件模块,这样就可以满足系统的扩容要求,又能够具有很好的经济性与实用性.第一,可以利用键盘、鼠标等操作输入,在图形显示器上显示信息.在系统规模较大时,可设置操作命令采集机进行输入,并转换成约定格式传送给联锁机；第二,由于联锁机是系统的核心部分,承担着操作输入的判别、联锁信号的调理及分析、逻辑运算、控制命令生成、故障诊断等任务,其可靠性、安全性有较大影响.系统中设置一主一备2台联锁机,可实施人工切换；第三,由于通信模块的任务较多,当实现现场监控设备,当表示信息与PLC输出的驱动信号的安全逻辑发生转换,使PLC的输入、输出信息均产生故障-安全性能；同时,可以用专用电路规范监控设备的测控过程,包括表示信息采集机制与设备驱动流程；第四,由于驱动层由PLC组成,它承担着采集表示信息并负责将联锁机的操作命令,同时立即转化为故障-安全控制信号的任务.

2.2系统可靠性及故障――安全设计

目前,国内外进行高可靠系统的容错设计手段,采用的方式是三模静态冗余方案,也有采用二模动态冗余方案的设计者.由于它们都是采用了故障检测技术与软件冗余资源.由于这2种方案有一个共同的特点,它们都对硬件故障具有较强的屏蔽与纠错能力,不足之处是实现这些方案具有一定的难度.

在信号指挥领域,由于它关系到的安全问题是首要的目标,在安全和效率之间相比,安全是超过效率的重要因素,因此,在信号指挥系统,相应对计算机的联锁系统来讲,对可靠性与安全性的要求标准一定要很高.在设计过程中,选择的方式有2种.第一,是强化系统的可靠性设计,由于可靠性理论包含了系统故障的屏蔽效应,可以利用高的可靠性来换取系统的低故障率,这样就可以隐含对安全性的提升.第二,是在保证可靠性要求基础上,实现计算机联锁系统可靠性与安全性.实质上是只考虑少量的效率问题,这样就可以降低成本,来换取系统的高安全性的需要,这样虽然在效率方面有所损失,但可以保证信号对联锁系统性能要求.因此,这种设计理念也常被采用.

2.2.1模块化、标准化与应用性.模块化设计主要体现在联锁机、PLC及安全信号结合电路的主要设备或部件上；标准化设计主要体现在联锁软件与结合电路上.联锁软件可以适应不同站场规模、不同作业要求；结合电路则可针对室外设备的不同类型具有通用性与兼容性.

2.2.2系统故障诊断与安全导向.采用单模二级复核式容错结构的一个重要实现基础,就是系统必须具有强大的故障诊断功能,这样才能保证安全导向与快速维修响应速度.联锁控制系统的硬件故障通常表现在控制主机、PLC与结合电路模块、工作电源等设备上；软件故障表现为程序跑飞、技术条件错误、通信异常等.这些故障的表现方式及造成的结果虽不同,应当应采取相应的处理方式.联锁控制系统故障可分为逻辑层、数据层及系统层等,可针对不同的故障,采取不同的诊断方法和措施,使系统导向安全.

2.2.3系统的算法冗余.联锁系统出现故障,是由于产生不正确的输出控制命令,使联锁或PLC复核软件出错,一方面可能是由各自的CPU或所使用的指令引发的,但更多的是被转化为程序的任务、技术条件的错误.因此,如何识别技术条件的错误,也就能预防错误运算结果的输出.

随着我国铁路不断提速和运输效率的提高,对计算机联锁控制的安全性及控制水平的要求提高.把ARM技术应用于计算机联锁系统,能够增强系统的可靠性和稳定性,具有一定的应用价值.