摘 要：轨旁电子单元是应答器控制接口的关键设备，基于自主化硬件平台，对国外设备进行优化创新，采用二取二结构进行模块化设计，研发LKY-TH型轨旁电子单元。该设备周期性的从外部设备接收应答器传输报文，通过处理模块、监测模块、输出模块，按照接口“C”规范连续向有源应答器传输报文，实现向车载设备发送信息，同时集成电缆开、短路检测，和运行日志实时记录功能。目前，该设备已通过室内实验及白乌线综合测试，并取得了国际SIL4级安全认证。测试结果表明：该设备既能高效传输控车信息，可靠性及可维护性较国外轨旁电子单元也有明显提高。
关键词：轨旁电子单元；列车运行控制系统；可维护性强；模块化；自主化
近年来，随着列车运行速度的不断提高，仅依靠轨道电路将闭塞信息送至车载设备的方式在信息量方面已经不能满足列车安全高速行驶的要求。为了满足铁路发展的需要，铁路总公司出台了《CTCS技术规范总则》，要求从CTCS-1级到CTCS-4级都需要引入点式应答器传输系统，通过点式应答器传输系统向车载设备传输大量固定信息和可变信息[1]。轨旁电子单元是点式应答器传输系统的核心部分，其技术指标及设备稳定性对列车运行的安全性有重大的影响[2]。目前轨旁电子单元核心部件及技术仍被国外厂商垄断，不利于我国高铁信号技术的发展。在此背景下，北京全路通信信号研究设计院集团有限公司启动了轨旁电子单元自主化研发的项目课题，经过4年时间的研发、试验、优化升级，成功研发了完全自主化的LKY-TH型轨旁电子单元。不但摆脱了客运专线上对进口技术的依赖，同时功能更加的丰富，提高了设备的可用性和可维护性，适应更高要求的列车控制系统的技术需求。
1 轨旁电子单元
轨旁电子单元LEU(Lineside Electronic Unit)是应答器传输系统中地面设备的重要组成部分，可通过串行通信接口周期的从外部设备(列控中心、联锁)接收传输报文，或通过采集外部开关量接收外部设备的输入条件，选取已经储存在LEU内部与输入条件相对应的报文，按照接口“C”规定连续向有源应答器传输经过加密的报文[3−5]。
2 LKY-TH型LEU设备创新点
2.1 模块化设计
既有线在用LEU采用封闭化设计，设备故障时必须整机拆除，返厂检测维修。LKY-TH型LEU采用模块化设计，使设备功能模块化，以相对独立的板卡实现，且每个模块都为最小可更换单元，当设备出现故障的，可根据设备工作指示灯精确到故障模块，单独替换故障模块即可。
2.2 集成开/短路监测功能
目前主要采用ECI盒(电缆开短路检测盒)安装在LEU旁，来完成对长距离电缆开/短路的检测[6]。LKY-TH型LEU通过实时检测LEU“C”接口输出的电压、电流值，计算阻抗和相位变化，从而完成对电缆开/短路的检测，并实时显示电缆状态。集成了ECI盒的功能，减少了电务设备的数量，降低了点式应答器传输系统的成本。
2.3 实时监测、记录设备工作状态
LKY-TH型LEU可以对整个设备运行过程中关键的运行信息进行记录并存储，并可随时导出。除监测维护机外，自身也可完成设备监测，提高了设备安全性，同时为电务人员进行故障维修提供了便利。
2.4 可维护性高
设置了维护接口，可直接通过维护接口对LEU进行安全相关的配置操作，不需拆机即可进行，节省了维护时间，提高了设备维护效率。
2.5 丰富了通信接口
当LEU用于CBTC系统时，与联锁信息交互时需通过LEU适配器完成RS422接口与以太网接口的转换,才可进行通信[7]。LKY-TH型LEU除RS422接口外增设了以太网串口，可以直接与联锁进行数据交互，精简了传输系统的设备，提高了传输数据的安全性及可靠性，同时降低了系统设备的复杂度，降低了维护成本。
2.6 高安全性
目前国内主流采用冷备设计，主系发生故障时，需手动切换至备系[8]，会影响列车的运行效率。LKY-TH型LEU应用了热备冗余的技术，可实现两套设备的自动切换，提高了设备自动化程度及其安全性。
2.7 高可靠性
数据处理模块硬件采用了二取二结构，采集模块采用“故障−安全”采集电路[9]，软件逻辑部分同样采用二取二架构，对每路应用输入信号采取正反逻辑采集处理，实现任务级二取二比较，提高设备的可靠性。
2.8 实时编码
接收外部设备主机单元发送的应答器用户信息时，可对应答器报文实时进行安全编码，有效的保证数据的完整性、真实性、时效性及可靠性。
3 系统硬件设计
3.1 系统的总体结构
LKY-TH型LEU主要由处理模块、输出模块、监测模块、采集模块、切换模块组成，结构如图1所示。各模块以母板为基础，通过隔离器件在内部进行电气连接，可在断电的情况下进行插拔替换，根据应用需求可选择不同的模块组合。
图1 系统结构图
Fig. 1 System structure diagram
目前既有线基本采用透明传输型LEU，下面基于透传型LEU对设备结构进行介绍。
3.2 处理模块
处理模块是整个设备的核心模块，该模块采用二取二的“故障−安全”硬件结构，从外部设备接收到的报文经过处理模块双CPU表决编码后下发给有源应答器，传输报文的安全性及可靠性和该模块直接相关，处理模块结构图如图2所示。
处理模块主要实现的功能：
1) 按照通信协议，获取外部设备发送的报文数据，进行编解码操作，判断报文数据的正确性及完整性。
2) 对处理的报文数据进行双CPU表决，表决通过后进行安全处理并发送至输出模块。
3) 对外部输入电源进行防护整理，为自身及其他模块提高工作电源。
4) 当配置采集模块时，周期性向采集模块发送动态采集命令；接收采集板回送的采集结果。
图2 处理模块结构图
Fig. 2 Processing module structure diagram
5) 完成设备的自检、温度控制，记录运行日志报告等，并把结果传送至监测模块。
二取二结构可以提高设备的可靠性，每路均由一个CPU和一个FPGA组成，两者通过EMIF总线及IO信号通信。CPU承担主要的安全处理、校验功能，FPGA主要完成数据分发与接口适配等功能。两路同时对数据进行处理后对比输出，有效预防了设备内部的数据处理故障。
3.2.1 安全CPU单元的设计
CPU选择TI公司的TMS570LS3137，此芯片以ARM的Cortex-R4F为核心，最大工作频率为220MHz，外接16MHz 晶体，芯片内部自带3Mbytes Flash，256KBSRAM，存储器支持硬件自检功能，双核心带有锁步功能，2个核心同步运行并且进行比较，保证处理器运行正确。
3.2.2 FPGA单元的设计
FPGA硬件相关电路主要包括EP4CE22，配置芯片EPCS16，晶振(27.095 MHz)，内部经过PLL后为FPGA逻辑工作提供时钟。FPGA使用AS的配置方式，使用EPCS作为存储配置信息的芯片，将EPCS的DATA0，DCLK，NCS，ASDO连接到CPU的SPI接口。
3.2.3 以太网接口的设计
LEU通信接口除了RS422接口之外，增设了双冗余的以太网接口，如图2所示，主处理单元的2个CPU通过CAN总线与外部进行连接，信号经过隔离器件和高速CAN收发器后，进入转换CPU，转换为RS-422数据包或CAN数据包与设备进行通信。
同时两冗余转换CPU都可以通过UART发送自身的工作信息，通过隔离芯片后连接到监测模块，完成对以太网接口通信数据的实时监测。
3.2.4 前面板接口设计
前面板主要包含LED灯和USB接口。LED灯指示设备运行状态，由CPU进行控制，同时在输出管脚上添加缓冲门，增强CPU管脚驱动电流的能力。USB接口用于对LEU设备进行维护，实现不拆机配置升级设备等功能。使用配置工具读写两系主机CPU的程序区与数据区，同时可以通过CPU烧写EPCS而更新FPGA的固件。(上位机配置工具见下文说明)
3.3 输出模块
输出模块主要由电源模块，C接口开短路检测电路，耦合信号输出模块电路，接口信号生成电路组成。
输出模块主要实现的功能：
1) 监测“C”接口自耦合变压器反射信号，实现开短路检测，完成ECI盒的功能。
2) 完成DBPL编码并送至变压器耦合输入端产生DBPL编码的监测信号。
3) 通过变压耦合叠加DBPL编码和正弦波信号生成符合“C”接口传输信号，向有源应答器 发送。
3.3.1 “C”接口开短路检测
输出模块通过检测变压器初级“C1”信号幅值的变化给出“C”接口信号的开、短路指示信号，在“C”接口输出端阻抗小于35 ohm时，判定为输出短路，阻抗大于270 ohm时判定为输出开路，实现电路如图3所示。
图3 “C”接口开、短路指示电路
Fig. 3 “C” interface open and short circuit
3.3.2 DBPL编码
输出模块采用JK触发器来实现DBPL硬件编码，采用差分双向电平码的编码方式[7]。实现电路如图4所示。
3.3.3 8 820 Hz正弦波推挽硬件设计
通过计数移位寄存器将5 V TTL的8 820 Hz的方波转换为0~5 V的正弦波，并采用±5 V轨对轨运放将0~5 V的8 820 Hz正弦波转换为−5 V~+5 V的正弦波，通过推挽放大电路实现输出电流不小于200 mA。采用变压耦合的方式叠加DBPL编码和正弦波信号生成符合“C”接口规范的信号，向有源应答器发送。正弦波推挽电路如图5所示。
3.4 监测模块
监测模块由ARM 处理单元和FPGA 处理单元构成，其中ARM单元负责数据的处理、存储和转载；FPGA单元主要接收其他模块的接口数据及模块运行信息。监测模块为非安全模块，该模块故障不影响LEU其它模块的安全功能。
监测模块主要实现的功能：
1) 记录设备运行的数据。
2) 记录“C”接口传输电缆开短路情况，并向监测维护机报警。
3) 维护本地时钟，为各项数据提供时钟基准。
4) 提供参数配置及记录数据的导出功能。
图4 DBPL硬件编码电路
Fig. 4 DBPL hardware coding circuit
图5 8 820正弦波推挽电路
Fig. 5 8 820 Hz sine wave push-pull circuit
3.5 切换模块
LEU可通过切换模块设置成热备冗余工作模式，根据双系处理模块送来的2路5 V DC的TTL电平来确认CPU健康状态，当双系处理模块均无故障时，切换模块通过母板优先将主系LEU的“C”接口信号输出；当主系切换到备系后，即使主系恢复，母板也将一直保持备系的“C”接口信号输出，除非备系故障。热备冗余不但提高了设备的安全性，也减少了人工操作的麻烦。
4 系统软件设计
4.1 主处理程序的设计
本设备处理程序是基于Code Composer Studio平台进行设计开发的。该软件是针对TI的TMS570系列芯片，尤其是Cortex-R4F内核处理器的最佳开发工具。
采用面向过程的设计方法，使用顶层模块结构，对软件进行自顶向下的设计。主程序启动时获取处理器标识信息，完成校验。根据工作模式命令函数，选择周期性采集动态命令选择对应下发报文；或对外部设备传输报文直接进行编解码处理，处理完成后对下发数据进行时钟管理、任务同步管理等，然后对输出请求做出响应，根据本地时间戳、输出通道号，对待输出的报文进行加扰处理后发送。设备运行过程中对传输电缆进行实时的开短路检测，如发生故障则向应答器下发默认报文，如正常则下发编码报文。处理流程如图6所示。
图6 主程序处理流程
Fig. 6 Main procedure processing flow
4.2 通信协议的应用
LEU与外部设备之间的点对点通信属于封闭式数据传输，故将RSSP-I铁路信号安全通信协议用于LEU与外部设备的通信中。
RSSP-I协议在通信交互使用的数据帧分为3种类型，分别为实时安全数据RSD，时序校正请求SSE和时序校正答复SSR[11]。LEU实时检测从外部设备发来的RSD时序性，若有时序错误，就触发时序校正机制，且仅在时序校正恢复时才接收RSD。由于篇幅有限，本文仅以RSD安全数据包为例进行报文校验的简单说明。RSD数据帧定义如表1所示。
表1 RSD数据帧定义
Table 1 RSD data frame definition
图7 数据包校验流程
Fig. 7 Packet verification process
当LEU收到外部设备发送的报文时，对RSD包进行有效性验证，通过后进行安全编解码校验，处理流程如图7所示。安全校验通过数据帧中的CRCM_X与CRC16对数据进行解析从而保证数据的安全，具体编解码的安全防护算法见文献[12]。
4.3 上位机软件的设计
上文提到可以使用上位机配置工具通过处理模块的前置USB，对设备进行配置更改，软件升级等操作来提高设备的可维护性。
上位机配置工具基于Microsoft Visual Studio 2013，使用C#的开发环境进行开发，采用面向对象的方法进行设计，配置工具的工作流程如图8所示。
配置工具的功能是根据输入文件，自动化生成配置文件并写入LEU设备。上位机配置工具的运行界面如图9所示。
选择配置文件和brf文件路径后，点击“报文表生成”，报文表生成完毕后，右侧日志栏会显示“LEU配置数据生成完成”，然后选择已经生成的配置数据路径，点击写入配置即可更新LEU中的配置信息。
图8 配置工具烧写文件流程
Fig. 8 Configuration tool programming file flow
图9 配置工具软件界面
Fig. 9 Configuration tool software interface
当更新设备处理软件时，先通过CCS生成HEX文件，然后在程序烧写框下选择HEX文件的路径，点击更新程序，程序更新完毕后，右侧日志栏显示“LEU程序更新完成”。
5 设备测试及应用情况
5.1 测试情况
为了验证LKY-TH型LEU的可用性，在实验室进行了为期一年的半实物仿真测试，同时在白乌线进行了列控系统的整体调试，并通过了国际SIL4级安全认证。下面举例说明几个安全相关功能的测试结果。
图10 默认报文输出波形图
Fig. 10 Default message output waveform
5.1.1 默认报文的发送
当设备两冗余通道，通信中断超过给定时间时，处理软件选择发送默认报文[13]。由示波器可以看到从通信中断到输出默认报文时间为1.95 s，处理速度快于国际标准，如图10所示，同时处理模块ERR灯输出报警信息。
5.1.2 切换报文后及时发送
通过接口“S”收到正确有效的数据后，处理软件在550 ms时间内，应开始发送与接收数据相对应的报文。由示波器可以看出，外部进行报文数据切换之后LEU输出新报文的时间为45.643 ms。如图11所示。
图11 报文切换波形图
Fig. 11 Message switching waveform
5.1.3 与外部设备的正常通信
使用模拟TCC软件，每5 s切换一次报文，通过双通道持续向LEU发送数据，经LEU处理后发送给有源应答器。借助CanTest工具监测LEU通信的情况，如图12所示。
图12 通信数据实时监测情况
Fig. 12 Real-time monitoring of communication data
由图12可以看出LEU双通道可以实时接收外部设备的数据并及时下发。
5.1.4 白乌线综合测试情况
LKY-TH型LEU在白乌线进行了全线综合调试，运行一年内未出现设备异常。
5.2 应用情况
LKY-TH型LEU已经应用于长春北湖环线的CBTC系统中，北湖环线已于2018年10月30日正式载客运行；同时，该设备在客运专线方面已经应用于长春西及沈阳南动车所。
图13 现场设备图
Fig. 13 Field device diagram
6 结论
1) 随着我国铁路事业的飞速发展，北京全路通信信号研究设计院集团有限公司在国家的大力支持下，成功研发了LKY-TH型LEU，该设备具有完全自主知识产权，摆脱了相关设备长期受制于人的局面。
2) 该设备在可靠性及安全性上得到了较大的提高，当设备发生故障时，可根据监测日志精确到故障点，替换故障模块即可，为故障排除节约了时间，同时降低了维护成本，提高了电务人员的工作效率。
