第11章系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第11章

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

11.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求

11.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

11.3中心控制機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)11.4控制機(jī)的幾種結(jié)構(gòu)形式分析11.5中心控制機(jī)系統(tǒng)的可靠性

11.6區(qū)域機(jī)

本章學(xué)習(xí)目標(biāo)l

設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作和設(shè)計(jì)中的實(shí)施工作以及設(shè)計(jì)后的可靠性分析工作l

中心控制機(jī)的功能以及鐵路信號(hào)遙控系統(tǒng)中心控制機(jī)的地位、需要掌握的數(shù)據(jù)、操作系統(tǒng)l

鐵路信號(hào)遙控系統(tǒng)中心控制機(jī)的結(jié)構(gòu)分析，以及對(duì)于中心控制機(jī)系統(tǒng)可靠性分析l

了解區(qū)域機(jī)的功能、結(jié)構(gòu)，以及如何和中心控制機(jī)配合構(gòu)成完整的遙控遙信系統(tǒng)的l

對(duì)具體實(shí)例的分析，掌握區(qū)域機(jī)作為新的控制系統(tǒng)的重要組成部分，以及要能結(jié)合實(shí)際對(duì)區(qū)域機(jī)的功能予以擴(kuò)展返回本章首頁(yè)11.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求

11.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作

11.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求

返回本章首頁(yè)11.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作

1．對(duì)象的分布情況和對(duì)象的數(shù)量對(duì)象的分布可分為：集中型、分散型、集中分散型三類(lèi)。2．系統(tǒng)的安全可靠程度

3．信道的質(zhì)量4．可能提供的機(jī)型、器件5．系統(tǒng)的特殊要求

返回本節(jié)11.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是控制命令和表示信息的容量，同時(shí)選擇適當(dāng)?shù)男畔鬏斔俣?，不造成信息的積壓和丟失。歸納起來(lái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要完成選擇信息傳輸速度、信息發(fā)送方式，確定數(shù)據(jù)傳輸體制，以及同步方式、電碼結(jié)構(gòu)、差錯(cuò)控制方式、信道網(wǎng)絡(luò)、可靠性、語(yǔ)言選擇、接口等幾方面的任務(wù)。返回本節(jié)11.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)11.2.1系統(tǒng)信息發(fā)送方式

11.2.2系統(tǒng)容量與傳輸速度

11.2.3電碼結(jié)構(gòu)

11.2.4可靠性設(shè)計(jì)

返回本章首頁(yè)11.2.1系統(tǒng)信息發(fā)送方式

發(fā)送信息動(dòng)作方式基本上分為兩類(lèi)：隨時(shí)起動(dòng)式和周期循環(huán)掃描式。隨時(shí)起動(dòng)式只有當(dāng)需要發(fā)送信息時(shí)，設(shè)備才進(jìn)入工作狀態(tài)。因此這種方式傳送信息及時(shí)，傳送過(guò)程中延遲少，設(shè)備動(dòng)作次數(shù)也少。周期掃描式是設(shè)備本身自動(dòng)發(fā)送信息，一般調(diào)度集中、調(diào)度監(jiān)督各分機(jī)發(fā)送表示信息都采用這種方式。11.2.2系統(tǒng)容量與傳輸速度

1．信道研究信道要確立信道劃分、信道網(wǎng)絡(luò)形式和中繼方式。信道劃分主要有兩種制式，即時(shí)分制和頻分制。中繼的方式有兩種：直放式中繼器和再生式中繼器。直放式中繼器就是一個(gè)放大器，設(shè)備簡(jiǎn)單，但信號(hào)與噪聲是同倍數(shù)的放大，造成噪聲積累，影響解調(diào)的質(zhì)量，一般不采用。再生式中繼器，它把接收信號(hào)解調(diào)后，還原成基帶信號(hào)的原始形式，再重新調(diào)制，放大發(fā)送出去。這種方式噪聲不積累，但增加了系統(tǒng)的傳輸延遲，設(shè)備也相對(duì)復(fù)雜些。調(diào)度集中設(shè)備直接指揮行車(chē)，必須24小時(shí)連續(xù)工作，因此信道故障不能中斷信息的傳輸。但是，任何通信線路，都可能發(fā)生故障，為了提高系統(tǒng)可靠性，除了主信道以外，都設(shè)有備用信道。備用信道可以鋪設(shè)電纜；也可使用無(wú)線方式，每個(gè)分機(jī)裝設(shè)微波機(jī)；一般都用連接總機(jī)和最遠(yuǎn)分機(jī)的載波信道為迂回信道如圖11.1所示。圖11.1迂回信道示意圖2．調(diào)制—解調(diào)方式那么，如何選擇調(diào)制方式呢？在選擇調(diào)制方式時(shí)，大體上根據(jù)傳輸速度，響應(yīng)時(shí)間、傳輸時(shí)的誤碼率、經(jīng)濟(jì)成本這四個(gè)方面綜合考慮。首先要掌握信道的噪聲特性。其次對(duì)信道的衰耗特性和時(shí)延畸變的特性也要掌握。鐵路部門(mén)使用最多的是調(diào)頻制和調(diào)相制。這兩種制式在1200bit/s的信息傳輸速度時(shí)，抗干擾的能力是相似的，但是設(shè)備的成本相差較大。

3．同步方式調(diào)度集中或調(diào)度監(jiān)督系統(tǒng)一般都采用啟止同步的方式，利用特殊碼組（如巴克碼）做一個(gè)電碼的開(kāi)始，收到此特殊碼組，就判斷為開(kāi)始進(jìn)入同步工作，即利用特殊碼組做為群同步信號(hào)。位同步依靠高穩(wěn)定度的晶體振蕩器來(lái)保證。特殊碼組選定以后，具體產(chǎn)生、發(fā)送的方式；接收、判別的方法都在選擇好系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以后，利用具體的技術(shù)方案（硬件電路或軟件判別）來(lái)實(shí)現(xiàn)。4．系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與選擇一般遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)都要考慮下面幾項(xiàng)內(nèi)容：（1）傳輸體制及傳輸網(wǎng)絡(luò)；（2）同步方式；（3）邏輯功能（編碼、譯碼、執(zhí)行）；（4）差錯(cuò)控制技術(shù)；（5）容錯(cuò)方案；（6）故障診斷、報(bào)警、顯示；（7）設(shè)計(jì)語(yǔ)言；（8）擴(kuò)展方式。返回本節(jié)11.2.3電碼結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)中一個(gè)非常重要的內(nèi)容就是研究電碼。也就是電碼結(jié)構(gòu)。什么是電碼呢？電碼就是按照一定規(guī)律組織起來(lái)，代表一定含義的一組脈沖信號(hào)。每一個(gè)脈沖稱(chēng)為電碼單元，簡(jiǎn)稱(chēng)碼元。幾個(gè)碼元組成一個(gè)碼組（碼字），而電碼就由幾個(gè)碼組來(lái)構(gòu)成。整個(gè)電碼代表一個(gè)完整信息內(nèi)容，而每個(gè)碼組分別表達(dá)了信息內(nèi)容的一部分。電碼結(jié)構(gòu)電碼結(jié)構(gòu)一般由如下四部分來(lái)組成：1．前導(dǎo)碼2．同步碼3．信息碼：（1）地址碼。（2）狀態(tài)碼。（3）信息內(nèi)容。（4）差錯(cuò)控制的監(jiān)督碼。返回本節(jié)11.2.4可靠性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)既可減少設(shè)備量，又能提高可靠性，是可靠性中既好又省的技術(shù)設(shè)計(jì)方案。簡(jiǎn)化系統(tǒng)和減少設(shè)備量主要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段來(lái)完成。具體說(shuō)來(lái)，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：１．開(kāi)發(fā)軟件功能減少硬設(shè)備

２．基本單元電路的簡(jiǎn)化組合設(shè)計(jì)３．壓縮電源品種和數(shù)量

返回本節(jié)11.3中心控制機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)11.3.1中心控制機(jī)的功能分析與流程

11.3.2鐵路信號(hào)遙控系統(tǒng)中心控制機(jī)分析

返回本章首頁(yè)11.3.1中心控制機(jī)的功能分析與流程

中心控制機(jī)應(yīng)當(dāng)完成兩種系統(tǒng)操作：（1）控制的管理系統(tǒng)。

（2）執(zhí)行的控制系統(tǒng)。

中心控制機(jī)需具有如下的功能：1）情況的測(cè)定；

2）進(jìn)行決策；

3）發(fā)布命令；

4）命令執(zhí)行情況的記錄。

返回本節(jié)11.3.2鐵路信號(hào)遙控系統(tǒng)中心控制機(jī)分析

圖11.2鐵路信號(hào)遙控系統(tǒng)1．控制輸入

通常所講的控制輸入是允許操作人員對(duì)中心控制機(jī)輸入其對(duì)遠(yuǎn)端站的控制命令。實(shí)際這種控制首先取決于正確的輸入，因此當(dāng)輸入操作后，應(yīng)對(duì)操作人員復(fù)現(xiàn)其操作以便觀察確認(rèn)。這就是說(shuō)伴隨輸入應(yīng)給予顯示。當(dāng)確認(rèn)自身操作和輸入處理確為操作人員意圖并且切實(shí)可行時(shí)，應(yīng)能輸入一個(gè)特定的“執(zhí)行發(fā)送”操作，“執(zhí)行發(fā)送”的功能是把控制要求送往分機(jī)。目前配合計(jì)算機(jī)化的中心控制機(jī)，其輸入控制方式可以有兩種選擇：（1）鍵盤(pán)操作。.（2）觸摸式CRT上的操作。2．顯示

（1）表示盤(pán)。

（2）彩色CRT顯示。

（3）視頻投影儀。(光閥式（LightValves）投影儀。CRT投影儀（3管、3鏡頭式）。CRT投影儀（3管、一個(gè)鏡頭）。)3．邏輯檢查

對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)講，要形成一個(gè)控制命令需要有一定的條件。這些條件根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)要求，可能是部分被控對(duì)象的狀態(tài)變化必須是以另個(gè)或另部分被控對(duì)象的固定狀態(tài)為前提，也可能一些被控對(duì)象的某些狀態(tài)是互相制約的。所有這些需根據(jù)系統(tǒng)中對(duì)各項(xiàng)不同的命令要求來(lái)確定，然后實(shí)現(xiàn)必要的邏輯檢查。邏輯檢查的實(shí)現(xiàn)可以借助于主程序，但它一定以某些存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表作為基礎(chǔ)，并且需要一定的支撐程序予以協(xié)調(diào)工作，才能完成整個(gè)技術(shù)要求。

４．信息重編任務(wù)

實(shí)際上信息重編任務(wù)就是為完成該項(xiàng)功能而設(shè)，它是中心控制機(jī)與通信系統(tǒng)聯(lián)系的中間環(huán)節(jié)之一。當(dāng)要把原始的控制由總機(jī)傳遞到分機(jī)之前，具體控制意圖經(jīng)過(guò)邏輯檢查之后首先送到信息重編任務(wù)。信息重編任務(wù)將其翻譯成實(shí)際待傳控制信息格式，然后送給通信對(duì)話任務(wù)。另外，來(lái)自分機(jī)的表示信息是經(jīng)由通信對(duì)話任務(wù)送往信息重編任務(wù)，信息重編任務(wù)首先首先將其存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)一組表示信息接收完畢后，則信息重編任務(wù)進(jìn)行相對(duì)控制信息所作的相反的翻譯工作，即把表示信息的表示意圖譯解出來(lái)并驅(qū)動(dòng)中心控制機(jī)中相應(yīng)的任務(wù)，完成狀態(tài)表示顯示與記錄。５．通信對(duì)話任務(wù)

這個(gè)任務(wù)實(shí)際是中心控制機(jī)與通信設(shè)備的接口設(shè)備，雖然前述邏輯檢查任務(wù)是滿(mǎn)足技術(shù)要求的核心，但遙控系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的最關(guān)鍵的不同是其信息要按照一定的規(guī)則進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。因此通信對(duì)話任務(wù)的處理內(nèi)容，第一步按照規(guī)則中要傳遞的信息格式組織好待傳內(nèi)容；然后進(jìn)行信息傳輸?shù)母袷交?，按照?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)流的情況進(jìn)行并／串變換（接收時(shí)為串／并變換）以及通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的物理接口（包括機(jī)械、電氣與信號(hào)傳遞順序的規(guī)定）按規(guī)程進(jìn)行傳輸。返回本節(jié)11.4控制機(jī)的幾種結(jié)構(gòu)形式分析11.4.1以單一計(jì)算機(jī)或微型機(jī)作為中心控制機(jī)的結(jié)構(gòu)與任務(wù)劃分

11.4.2多微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的中心控制機(jī)

返回本章首頁(yè)11.4.1以單一計(jì)算機(jī)或微型機(jī)作為中心控制機(jī)的結(jié)構(gòu)與任務(wù)劃分

采用單一計(jì)算機(jī)或微型機(jī)作為中心控制機(jī)時(shí)的硬件結(jié)構(gòu)舉例：如圖11.3所示這種結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)特點(diǎn)，必須予以注意。其一是，它所采用的計(jì)算機(jī)或微機(jī)，不但需要具有足夠的存儲(chǔ)容量，而且需要具有足夠快的處理速度，以便與作為外設(shè)的控制輸入設(shè)備、輸出顯示設(shè)備、通信設(shè)備、硬拷貝設(shè)備（繪圖儀、打印機(jī)）銜接。很顯然，作為中心控制機(jī)的設(shè)計(jì)，該部分接口設(shè)計(jì)將成為重要部分之一。其二，由于中心控制機(jī)是以通用計(jì)算機(jī)或微機(jī)完成專(zhuān)用機(jī)的功能，因此中心控制機(jī)的多個(gè)任務(wù)的調(diào)用問(wèn)題，除了取決于操作系統(tǒng)中的多任務(wù)調(diào)度程序外，還需按照專(zhuān)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流要求進(jìn)行。

圖11.3單機(jī)為中心控制機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)圖圖11.4任務(wù)調(diào)用程序的執(zhí)行返回本節(jié)11.4.2多微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的中心控制機(jī)

如圖11.5所示，它用控制器直接控制處理器與總線的溝通，處理器可借助總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與交換。設(shè)計(jì)思路清晰，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較為容易。圖11.5單總線結(jié)構(gòu)多微處理系統(tǒng)2．多端口存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)在微處理器up不是很多時(shí)，可以用多端口存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)up共享存儲(chǔ)器。從而實(shí)現(xiàn)up間的通訊。其中多端口負(fù)責(zé)解決訪問(wèn)之間的沖突，其簡(jiǎn)單示意如圖11.6所示。圖11.6多端口存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的多微處理系統(tǒng)3．多微處理器結(jié)構(gòu)中心控制機(jī)舉例目前鐵路信號(hào)遙控系統(tǒng)中，采用了多種多微處理器結(jié)構(gòu)形式，并綜合了多種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行了各種類(lèi)型設(shè)計(jì)。目前國(guó)際國(guó)內(nèi)均有這方面的設(shè)計(jì)實(shí)例。圖11.7為微處理器結(jié)構(gòu)中心控制機(jī)實(shí)例之一。圖11.7多微處理器結(jié)構(gòu)中心控制機(jī)實(shí)例之一圖11.8給出了實(shí)例之二，它的主要設(shè)計(jì)思路是對(duì)控制、表示、顯示、電碼通信各設(shè)一單獨(dú)的微處理器。它們之間采用串聯(lián)式并行或串行數(shù)據(jù)傳輸與聯(lián)系。各處理器的共享數(shù)據(jù)存在于上位機(jī)及其外存儲(chǔ)器內(nèi)。圖11.8多微處理器結(jié)構(gòu)中心控制機(jī)實(shí)例之一圖11.9，實(shí)例之三，明確地劃分了控制機(jī)與表示機(jī)兩個(gè)微處理器，它們之間進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸。共享數(shù)據(jù)存于控制機(jī)的CRAM內(nèi)?？刂茩C(jī)對(duì)操縱臺(tái)及按鈕燈及表示機(jī)對(duì)表示盤(pán)的驅(qū)動(dòng)與聯(lián)系，分別設(shè)置專(zhuān)門(mén)的接口單元。控制機(jī)和表示機(jī)均單設(shè)自動(dòng)切換與手動(dòng)切換的備機(jī)。返回本節(jié)圖11.9多微處理器結(jié)構(gòu)中心控制機(jī)實(shí)例之二11.5中心控制機(jī)系統(tǒng)的可靠性11.5.1概述

11.5.2中心控制機(jī)的主、備機(jī)轉(zhuǎn)換舉例

返回本章首頁(yè)11.5.1概述

作為計(jì)算機(jī)化或微機(jī)化的中心控制機(jī)來(lái)講，提高可靠性的方法可從器件的可靠性技術(shù)；可靠元器件的研制；改善系統(tǒng)的使用環(huán)境條件等幾個(gè)方面著手：（1）提高系統(tǒng)可靠度的技術(shù)。

（2）提高信息的可靠性。

返回本節(jié)11.5.2中心控制機(jī)的主、備機(jī)轉(zhuǎn)換舉例

1．中心控制機(jī)的主、備機(jī)連接方案主、備機(jī)硬件連接方案如圖11.10所示。其中系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)視模塊（SSM），從硬件上來(lái)講，是一個(gè)單一的設(shè)備。

圖11.10主備、機(jī)的硬件連接為了便于對(duì)計(jì)算機(jī)間鏈接任務(wù)（ICL）在系統(tǒng)中的位置進(jìn)一步了解，給出了軟件功能結(jié)構(gòu)圖。如圖11.11所示。圖11.11帶任務(wù)的系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖2．以ICL任務(wù)實(shí)現(xiàn)總線信息復(fù)制方案的設(shè)計(jì)思路（1）ICL做為一個(gè)任務(wù)，在軟件總線中同樣被分配一個(gè)固定的區(qū)域，為了主、備機(jī)聯(lián)系方便，設(shè)有輸入緩沖區(qū)及輸出緩沖區(qū)，為了有可能集中復(fù)制多個(gè)任務(wù)的總線信息塊，存儲(chǔ)區(qū)可設(shè)計(jì)成容量較大的（先入先出）的循環(huán)隊(duì)列存儲(chǔ)方式。

（2）一般情況下，根據(jù)系統(tǒng)的工作情況，可確定主機(jī)每隔一定的時(shí)間，對(duì)其ICL軟件總線的輸出緩存區(qū)域掃描一次，將其中所復(fù)制的內(nèi)容集中調(diào)往主機(jī)的發(fā)送緩沖器。

（3）備機(jī)接收緩沖器的內(nèi)容以數(shù)據(jù)塊形式送往備機(jī)軟件總線中ICL的輸入緩沖區(qū)，然后即可清除接收緩沖器內(nèi)容，等待下一周期由主機(jī)傳來(lái)的復(fù)制信息。軟件總線中ICL的輸入緩沖區(qū)內(nèi)容可保留到下次復(fù)制內(nèi)容的到來(lái)，然后刷新。在保留期間內(nèi)，如果主機(jī)轉(zhuǎn)換為備機(jī)工作，備機(jī)則首先按序取出軟件總線中輸入緩沖區(qū)的信息塊，并根據(jù)信息塊內(nèi)容中的任務(wù)標(biāo)志，送給相應(yīng)的任務(wù)，由其進(jìn)行處理。ICL任務(wù)的程序流程如圖11.12所示。返回本節(jié)圖11.12主備機(jī)ICL任務(wù)數(shù)據(jù)流程示意11.6區(qū)域機(jī)11.6.1區(qū)域機(jī)在系統(tǒng)中的功能

11.6.2區(qū)域機(jī)的結(jié)構(gòu)

11.6.3區(qū)域機(jī)功能的擴(kuò)展

返回本章首頁(yè)11.6.1區(qū)域機(jī)在系統(tǒng)中的功能

（1）接收中心控制機(jī)發(fā)送的同步信號(hào)，建立并監(jiān)督區(qū)域機(jī)對(duì)中心控制機(jī)的同步系統(tǒng)；（2）接收中心控制機(jī)發(fā)送的各種控制命令、呼叫命令，完成電碼的差錯(cuò)控制校驗(yàn)任務(wù)，形成具體的執(zhí)行命令，直接控制對(duì)象；（3）發(fā)送自身的同步信號(hào)，強(qiáng)迫中心控制機(jī)建立表示系統(tǒng)的同步關(guān)系；（4）采集被控制對(duì)象（表示對(duì)象）的狀態(tài)，完成一定的處理任務(wù)，如判斷狀態(tài)是否發(fā)生變化；（5）完成表示電站的編制和發(fā)送任務(wù)；

（6）接收車(chē)站值班人員的各種命令（鍵盤(pán)輸入）和始發(fā)列車(chē)車(chē)次號(hào)的輸入；（7）完成系統(tǒng)中的中繼器或匯接器的任務(wù)；（8）列車(chē)運(yùn)行情況的打印等；（9）區(qū)間各通過(guò)信號(hào)機(jī)狀態(tài)信息（小循環(huán)系統(tǒng)）的接收與處理；（10）紅外線熱軸檢測(cè)系統(tǒng)的信息輸入。返回本節(jié)11.6.2