1、JT1-CZ2000型 主体化机车信号车载系统技术报告,2019/1/10,2,技术报告内容：,1 设备构成 2 主机 3 双路接收线圈 4 带电源接线盒 5 机车信号显示器 6 记录器 7 测试系统的设计 8 系统安全性分析 9 系统可靠性分析 10 结论,2019/1/10,3,1.设备构成,图1-1 JT1-CZ2000主体化机车信号车载系统构成框图,2019/1/10,4,2.主机,2.1 硬件结构 2.2 二取二工作原理 2.3 双套热备工作原理 2.4 信号接收处理原理,2019/1/10,5,2.1硬件结构,四个插槽 与JT1-B(SJ-94)安装使用兼容 可选用单套、双套 满足
2、电磁兼容标准要求,2019/1/10,6,图2-1主机机箱结构,2019/1/10,7,图2-2 接收主机结构原理框图,2019/1/10,8,2.2二取二工作原理,两路独立接收译码通道 同一接收线圈绕组 独立隔离放大器，独立A/D转换 独立接收译码处理与输出 两个CPU独立输出控制 译码结果比较 并口输出控制 串行口输出控制,2019/1/10,9,图2-3 主机板二取二结构框图,2019/1/10,10,并口输出控制,CPU1、CPU2接收前级译码并比较 CPU1控制电路采用原来JT1-A/B电路 控制点灯输出，光电开关 进行反馈检查 CPU2新增安全控制电路 控制大电流继电器，可关断点灯
3、电源 控制动态控制安全点灯电源 进行反馈检查 任何环节出问题，进入复位自检重启动,2019/1/10,11,串口输出控制,采用CAN总线方式输出 接收设备对主机板上两路输出比较来保证安全,2019/1/10,12,串口输出控制,采用RS485总线方式 一出一入两路RS485，可全双工，或反馈检测 目前对LKJ-2000计划采用反馈检测方式,2019/1/10,13,电路板形式,采用小插板结构 维修更容易 升级更容易,2019/1/10,14,2.3双套热备工作原理,采用原来JT1-B切换电路 在主机故障时切换到备机 采用动态信息交换 断线检测功能 不掉码切换：当主机检测到断线后约2秒时切换到备
4、机 前级故障，且断线监测失效，主机掉码后，小于7秒切换到备机(JL：7,YP/UM：4),2019/1/10,15,2.4信号接收处理原理,32位浮点运算DSP 移频、UM71、交流计数、UM2000平行接收 译码输出次序 开机/无码时：UM71、移频、交流计数、UM2000 有输出后，保持原来制式输出,2019/1/10,16,2.4信号接收处理原理,译码方式 YP：频域处理，应变时间 2S, 信干比优于1：3 UM71：时域辅以频域，应变时间 2S，其它不变 交流计数：程序移植并优化，抗干扰能力提高 UM2000：参照TVM430指标进行接收 最小短路电流400mA 应变时间 无码到有码/
5、载频切换小于2.6秒，载频不变小于4.1秒 未检测到载频2.6秒或未正确接收信息4.7秒，转无码,2019/1/10,17,3.双路接收线圈,提高系统可靠性 保持原接收线圈的电气参数、安装位置不变 与TB/T2859-1997规定的电路接收线圈相同，误差改为不大于7.5%(参见资料三【技术条件】) 考虑一路线圈断路、短路影响 一路线圈断路后，另一路接收幅度变化不超过15% 实现车载系统的闭环自动测试 利用便携式测试仪，向一组线圈发送，从另外一组线圈感应，自动测试整个机车信号车载系统的功能,2019/1/10,18,4.机车信号带电源接线盒,接线盒功能 实现系统各设备的配线连接 含有两个安全电源
6、模块 满足电磁兼容标准,2019/1/10,19,4.机车信号带电源接线盒,新电源模块的技术改进 效率 输出功率富裕量 过压、过流保护，延时输出 输入与输出完全隔离 减少使用可靠性较低的器件,2019/1/10,20,5.机车信号显示器,传统灯丝灯泡显示器的缺点 功耗大 5W60V灯泡，实测点灯输出165mA 现场灯泡使用不规范 5W、6W、8W都有，质量参差不齐 可靠性低 灯泡高速条件下分析容易断丝 显示信息种类少,2019/1/10,21,5.1 双面8色灯LED机车信号显示器,专门为机车信号设计的LED信号灯 可靠性高 功耗低 实测点灯输出最大52mA，最小47mA(与颜色有关) 高速条
7、件下无断丝问题,2019/1/10,22,5.2 双面点阵式机车信号显示器,字符或图形方式显示 816点阵 点灯线取电源 双CPU比较的安全设计 使用与原来显示器兼容 功耗比灯丝灯泡稍小 实测点灯输出最大152mA，最小81mA(与颜色有关),2019/1/10,23,电路技术原理,硬件电路框图,2019/1/10,24,6. 机车信号记录器,另外单独介绍,2019/1/10,25,7. 机车信号测试系统设计,系统日益复杂，对测试提出了高要求 出厂检测、日常使用维护、故障后维修 JT1-CZ2000研发同时考虑了测试系统设计,2019/1/10,26,7.1 系统测试,系统测试，主要用于现场日
8、常使用维护，也可用于出厂测试 专门的便携式机车信号系统测试仪BT-01/X型 利用接线盒110V电源 通过控制I、II端选取，利用双线圈一发一收，控制选取主机接收，读取点灯输出、串口输出自动检测整个车载系统功能,2019/1/10,27,7.2 主机测试,测试主机的各项性能，主要用于主机设备的生产测试、使用中地面维护测试 专门的主机测试台BT-01T/2000型 模拟车上使用环境 向主机提供电源(主路及受控路) 两路接收线圈感应信号 TAX2箱发送信号 测试主机性能 上电自检时间、灵敏度指标、应变时间、双套工作状态、并口输出、串口输出、记录板功能等。,2019/1/10,28,7.3 其它测试
9、设备,环线测试设备TJF-03A型、TJF-03B型 用于日常机车出入库检查 采用数字频率合成技术，精度高 采用多通道独立电源，提高了信号输出功率及可靠性,2019/1/10,29,7.3 其它测试设备,便携式信号发码器 TX98-3A通用试机车信号发码器 体积小、功能全 可直接作用于机车接收线圈而不再需布环线 设备安装、测试、检修时使用,2019/1/10,30,8. 系统安全性分析,接收主机的安全性 并行接口的安全性 串行接口的安全性 软件的安全性 设备软件的安全性要求 设备软件安全性分析,2019/1/10,31,8.1 接收主机的安全性,二取二的安全结构 两路独立的信号接收处理 每路A
10、/D动态控制DSP进行工作，DSP同时监测A/D频率 DSP不断对程序EPROM和数据RAM进行测试 两路独立的输出控制 译码结果比较 两路关断控制和一路安全动态控制受控电源 输出反馈检测(继电器接点、灯位电平输出等) 控制CPU各自独立的动态监督单元 开机自检时，监测DSP输出数据的频率 工作中互相监测控制CPU输出数据的频率,2019/1/10,32,8.2 并行接口的安全性,点灯电源的安全性 两路关断控制和一路安全动态控制受控电源 输出的安全性 控制CPU两路反馈检查 所有输出电路故障，可以全部实时检测 所有混线故障(无断线)，可以全部实时检测,2019/1/10,33,8.2 并行接口
11、的安全性,所有断线故障 主机板反馈无法发现，需下一级设备确认 点灯信号是关键信号，断线变成灭灯，是安全的 速度等级是关键信号，断线等级降低，是安全的 制式信号、绝缘节信号，部分选择使用，不保证 断线且混线故障 混线在主机一侧，通过反馈可发现，是安全的,2019/1/10,34,8.2 并行接口的安全性,断线且混线故障 混线在输出一侧线上，情况较复杂 点灯信号 相当于8中取1码方式，断线混线会产生2路灯线都有信号，后级设备或人可立即发现并确认为无效 速度等级信号SD2，SD3 大多情况SD2与SD3是10或01，断线混线会出现11，后级设备可立即发现,2019/1/10,35,8.2 并行接口的
12、安全性,断线且混线故障 如果考虑SD1有断线故障同时又与高电平信号线相混的极端情况出现，则输出会升级，如下表 因此对于后级设备可以采用串行接口传输速度等级信息来解决速度等级、绝缘节、制式信息的严格安全问题。,2019/1/10,36,8.2 并行接口的安全性,2019/1/10,37,8.3 串行口的安全性,串口安全性： 信息源的安全性 容易有问题 传输通道的安全性 多种校验解决，问题一般不大,2019/1/10,38,8.3 串行口的安全性,信息源的安全性 CAN总线传输 主机板上A、B两路，地址不同，信息一致，后级设备接收比较，可保证安全 RS485总线传输 主机板上A发、B收反馈检测，如
13、果不一致B复位(并造成A也复位)，后级设备同时检测并口，并接收串口，可保证安全 或A发、B发，后级设备接收比较，可保证安全,2019/1/10,39,8.3 串行口的安全性,传输通道的安全性 CAN总线传输 非破坏性帧仲裁结构，CRC校验方式 RS485总线传输 多机RS485通信信息帧结构，累加和及CRC两种校验方式,2019/1/10,40,8.4 软件的安全性,8.4.1 设备软件安全性要求 IEC61508: Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems
14、 EN50128: Railway Applications: Software for Railway Control and Protection Systems EN50129: Railway Applications: Safety related electronic systems for signalling,2019/1/10,41,8.4.1 设备软件安全性要求,需求和详细设计阶段 需求分析 JT1-A/B为基础 新功能要求 安全要求 结构化设计 小的可管理的模块 系统的程序结构，描述信息传递行为 标准设计方法 不使用或限制使用某些语言结构 减少中断的使用 尽可能使用JT1
15、-A/B中的软件模块或部件,2019/1/10,42,8.4.1 设备软件安全性要求,结构设计阶段 设计程序的自检功能 程序出错后现场数据的保留功能 程序出错后不考虑恢复,2019/1/10,43,8.4.1 设备软件安全性要求,开发工具和编程语言阶段 使用C语言与汇编语言 不使用其中容易出问题的语言结构 使用TI公司经过验证的CCS开发软件包 发给现场的程序被存档，以便于维护支持,2019/1/10,44,8.4.1 设备软件安全性要求,验证与更改阶段 测试所有的可能的分支组合 充分利用已有的、自己开发的测试工具 测试极限参数情况的响应 检测程序控制流，是否简单合理 对程序响应时间进行限制检
16、测,2019/1/10,45,8.4 软件的安全性,8.4.2 设备软件安全性分析 信号接收处理程序 信号接收处理程序测试 输出控制程序 控制程序的测试,2019/1/10,46,8.4.2 设备软件安全性分析,信号接收处理程序在设计方面 程序结构上 主程序为无条件顺序执行结构 主程序对程序及数据存储器自检测 主程序对流程时间进行检测 子程序对存储单元进行越界检查 程序出问题处理上 直接进入死循环，不再尝试功能恢复,2019/1/10,47,8.4.2 设备软件安全性分析,信号接收处理程序测试 高级语言，主要进行功能测试 初期：(软件) 利用通机测试台进行测试 记录设备记录问题回放，分析、改进
17、 中期：(软件、硬件) 现场测试、高低温测试、电磁兼容测试 记录设备记录问题回放，分析、改进 后期：(系统) 测试组，专门开发的VXI自动测试，测试结果见资料四 记录设备记录问题回放，分析、改进,2019/1/10,48,8.4.2 设备软件安全性分析,输出控制程序 程序分成两个状态 开机部分：实现自检，建立通信，互测频率，测试输出控制部分电路 正常工作部分：所有程序在定时中断中进行 程序特点：顺序过程，出错则复位重启,2019/1/10,49,8.4.2 设备软件安全性分析,输出控制程序测试 程序经过严格测试 程序为汇编语言编写，代码只有8K，数据只有256字节，为顺序执行代码，所有程序分支
18、都被测试 进行现场试验、高低温试验、电磁兼容试验，出现问题后导向安全 研制人员对电路板上所有器件进行了单故障分析和测试，结果见资料四,2019/1/10,50,9. 系统可靠性分析,JT1-A/B经过长时间、大量应用的考验，可靠性能够满足实际使用需要 可靠性常规理论计算有局限性 计算结果偏大，前提是设计没有任何问题 从JT1-A/B使用看，影响可靠性主要因素 恶劣环境：温度、振动、电磁 电路设计合理性：输入、输出电路 采用与JT1-A/B对比分析的方法,2019/1/10,51,9.1 提高可靠性的改进措施,可靠性设计着眼点不同 JT1-A/B主要考虑接收主机可靠性，而JT1-CZ2000着眼
19、于提高车载设备系统可靠性,2019/1/10,52,9.1 提高可靠性的改进措施,根据经验采取措施，解决薄弱环节 采用双路接收线圈，整个系统前级输入电路为双路 改变电源电路的设计，增加防护电磁干扰的器件 电源为双路110V到50V的DC/DC变换器 采用LED显示器，显示有冗余，功耗低，不易断丝 改进信号输入电路，采用隔离放大器，减少漂移 采用先进器件，提高集成度，降低功耗 全面改善电磁兼容，并通过电磁兼容测试。,2019/1/10,53,9.2 与JT1-A/B相比的可靠性分析,CPU的规模和数量增加，对可靠性影响不大 JT1-A/B使用经验上看，与输入输出无关的集成电路故障率与系统故障率相
20、比很低 原来容易出现问题的环节得到很好改进，使可靠性有较大提高 新系统现场不同环境下近一年的试验表明系统的可靠性得到较好的提高,2019/1/10,54,10. 结论,JT1-CZ2000型主体化机车信号车载系统设备采用了完善的系统容错、冗余设计方案，在技术上采用多项措施，满足铁路信号故障-安全原则；在利用JT1-A/B型通用式机车信号的成熟技术基础上，采用多项先进技术，系统化的设计，具有较高的可靠性、可用性、可维护性。JT1-CZ2000型主体化机车信号车载系统已具备作为主体化机车信号应用的条件。,2019/1/10,55,10.结论(续),JT1-CZ2000型主体化机车信号具有如下主要技
21、术特点： 采用“二取二”的容错安全结构，提高设备的安全性； 采用32位浮点高速DSP运算，频域处理和时域处理相结合技术，提高接收设备可靠工作的干信比；各制式信号并行接收处理，提高了信息接收速度； 已具备UM2000数字编码信息的功能，对将来既有线UM-71系列轨道电路向数字化升级时可提供方便条件；,2019/1/10,56,10.结论(续),采用主机内双套热备、双套电源、双路接收线圈接收等冗余技术，提高了系统设计的可靠性； 采用JT1-A、B机车信号中的成熟电路，更改了容易发生故障的电路设计，提高了系统工作的可靠性； 配套研制了点阵式LED显示器，或者配套使用LED8色灯显示器，可靠性高，功耗低； 充分改进电源系统，采用带有动态控制点灯电源的故障安全电源，进一步提高系统的安全性； 具有与主机一体化机车信号记录器，记录器采用CF卡，转储方便，可记录接收线圈的信号波形，数据记录及分析功能为故障查找及维护管理创造了良好条件；,2019/1/10,57,10.结论(续),在传统的并行输出基础上，预留了串行输出，可支持大信息量及双向传输 可用车上便携式机车信号测试仪对机车信号主机设备进行自动闭环测试； 系统符合电磁兼容有关标准要求。,2019/1/10,58,谢谢！,
