摘 要：信号设备必须安全性和可靠性非常高，嵌入式计算机连锁制约系统能够满足信号设备的要求。本文主要分为三个部分，第一部分，简单介绍了嵌入式系统的功能、组成和特性；第二部分，详细分析了制约器的软件体系，具体包括Petri网原理，连锁软件建模，仿真测试连锁模型；研究了控器的安全性和可靠性，研究表明，该制约器达到了信号设备安全性、可靠性的相关要求。第三部分，概述嵌入式计算机连锁制约系统的作用和影响。
关键词：嵌入式；计算机；信号；连锁制约
中图分类号：TP368.1
嵌入式信号连锁是一种新型的连锁制约技术，目前基本替代了之前的继电器信号系统。目前的计算机连锁系统的状况为：如果把连锁运算程序与别的系统同时安装计算机当中，那么将连锁运算程序一定是在下位机的位置。现行的计算机连锁系统的理由是成本较高、可靠性和安全性不高、连锁运算机构负担过重。为了能够让计算机的连锁系统功能和连锁运算功能同步实施，下文将嵌入式的技术手段，根据专业性的理论对目标功能进行了相关的设计。
1 嵌入式系统
1.1 关于嵌入式系统功能和组成
嵌入式系统的功能是实现对其它设备的制约、监视或管理等。计算机技术是嵌入式系统的基础，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等等几个方面的参数需要特别精确。嵌入式系统在通常情况下是由四个部分构成的，第一部分是嵌入式微CPU，第二部分是相关的硬件设备，第三部分是嵌入式操作系统，第四部分是客户端，也就是用户的应用程序，在这四个部分中嵌入式微CPU是嵌入式系统的中心部分。嵌入式系统的硬件主要包括微处理器、存储器、相关的外设器件、输出端口和输入端口以及图形制约器；嵌入式系统的软件是由操作系统软件与应用程序编程两个部分组成。其中应用程序的主要使命是对系统的运转进行制约；而操作系统的使命则是对应用程序编程与硬件的交互作用进行监视和制约。
1.2 关于嵌入式的主要特性
具有很强的支持能力，能实时支持多项任务；能极限缩短内部的代码和实时内核心的执行时间；能有效保护存储区；能避开软件模块间的错误；能扩展处理器结构，极速开展需要的高性能嵌入式微处理器；能使嵌入式微处理器功耗降到最低。
2 嵌入式的总体设计方案
2.1 关于硬件体系
这里以铁路信号设备为例，对于道岔总数为25组及其以下的车站，用四个连锁制约器，构成计算机连锁系统连锁运送机构。在该结构中，采用局域网LAN，来完成系统中监控机、维修机和连锁机之间的通信；连锁制约机构采用双机热备的结构形式；监控机采用热备方对于道岔数大于25组的车站，采用增加连锁制约机构数和监控软件功能。
2.2 关于软件体系
2.2.1 关于软件层次结构
软件系统分为操作系统层、驱动层、中间层和应用层四个层次。其中关于中间层主要工作是进行系统的初始化工作和驱动有关的硬件设备，大体上的工作顺序是从下至上，先从硬件着手，再向软件方向进军。详细的工作顺序如下所述，第一步是片级的初始化，然后是板级的初始化，最后是系统级初始化，经历三个步骤之后完成了所有的初始化工作。关于操作系统层的执行工作是进行与操作系统移植工作相关的内容，以及其系统内核中的嵌入工作。在系统中其扩展层的执行工作主要是给当前应用的操作系统增添一些本来没有的相关功能。在系统中关于应用层的执行工作主要是顺利执行系统功能以达到相关的制约器的指标。
2.2.2 嵌入式实时操作系统
嵌入式实时操作系统具有以下特征：可裁剪，可移植；内核小，效率高，实时性好，上下文切换速度快；开放源代码，支持所以处理器芯片；内存要求低；基于优先级的多任务抢占式调度策略。如此高效运转的嵌入式实时操作系统（OS），可以让连锁制约器工作的环境有所拓展而去执行更多的任务。
2.2.3 关于连锁软件模型化
在嵌入式双冗余连锁系统中应用到软件有上位机software和连锁机software以及维修机software等。在以上的几款软件当中，连锁机software的功能是进行连锁制约活动，它就是系统中软件中的中心部分，所以要对其结构进行深入的研究。
Petri网是形式化策略之一，对复杂系统进行建模非常适用，能精确系统定义，分析系统的重要特性。连锁软件中的逻辑运算特别复杂，主要任务是对连锁逻辑进行建模，运用Petfi网能保证连锁逻辑定义精确。
连锁程序，主要是判定上位机发送过来的操作命令，根据现场信号设备的实时状态，处理合法命令，判定并处理站场中各个信号设备是否有故障。“命令处理”过程通过对上位机传送过来的操作命令进行合法性判定并调用相应的操作函数进行处理来实现。
“进路处理”的处理对象是进路命令及其程密切相关的命令。对系统中多条进路过程按并行方式来处理。
2.2.4 任务划分
应用软件的功能是通讯和连锁，驱动程序的功能是完成设备初始化操作，操作系统的功能是完成任务的调度和管理。
应用软件部分依据任务和作用划分，为与通讯任务、现场设备驱动任务、连锁任务、进路任务、电源监测监控任务、DoubleRAM任务、Watchdog任务和存储器管理任务。
其中连锁任务完成连锁运算，按照连锁运算规则，对相关模块采用集中调度方式完成连锁运算。相关模块有接收操作命令输入模块、现场状态输入模块、操作命令执行模块、进路处理模块、制约命令输出模块和表示输出模块。
2.2.5 测试和仿真
测试时，用强制变量法和观察法对低层模块进行调试；用上位机和连锁机相结合的策略，对上层、中间层模块进行调试。
2.2.6 系统可靠性和安全性的设计
在相关的制约器中，关于结构多数会应用比较型的冗余结构，假如这二个处理器的处理结果有差异，计算机能够在显示结果的同时如果计算机检测到导致结果出现差错的失效单元，就会进行相关的切换动作；如果检测不到相关的失效单元，计算机的相关系统就会自动输出关闭提示信息。
在计算机系统中通常情况下只有四个状态：第一种状态是二个单元都处于正常状态，第二种状态是系统处于降级工作的状态，第三种状态是系统出现故障的状态，最后一种是系统处于危险状态之中。利用马尔可夫模型进行分析可得出一下结论：在嵌入式双冗余系统中，它的运转准确度比较高，通常情况下可以达到99.99%，系统中大约每隔4.17×106才会出现一次运转事故；这种系统的安全度非常高，可以达到99.9973%，系统大约每隔1.111×1011才会出现一次危险事故；这两项的相关参数都符合计算机领域中的相关的可靠性和安全性的技术要求。
3 结束语
计算机连锁制约技术在各行行业应用广泛，我国各项产业快速发展，对计算机连锁制约技术的安全性及制约水平也必须提高以保证系统稳定运转。信息技术的革新使得嵌入式计算机连锁在各个方面广泛应用，硬件和软件配置，满足相关行业的需要。减少了劳动工作人员的工作强度，提高了产业的生产的安全性，保证了设施和人员安全，保障了经济效益。近几年来，我国经济发展态势非常好，“既要迎进来，又要走出去”的思想方针也需要我们的制约系统与国际接轨。嵌入式计算机连锁制约在国民经济发展中有重要作用，所以，我们必须与时俱进，加大研究力度，研究出符合国民生产需要的嵌入式计算机连锁制约系统。
参考文献：
[1]熊飞.全电子计算机连锁系统信息传输网络的设计[J].铁路计算机应用，2012（10）.
[2]旷文珍.铁路车站分布式计算机连锁系统[J].中国铁道科学，2012（05）.
作者单位：吉林建筑大学计算机科学与工程学院，长春 130033
有关于剖析嵌入式计算机连锁制约系统
更新时间：2024-01-07
作者：用户投稿
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