輸入輸出設(shè)備

列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱TCN）是集整車(chē)控制、監(jiān)測(cè)和故障診斷于一體的分布式列車(chē)控制系統(tǒng)。通常，基于TCN構(gòu)架列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括網(wǎng)關(guān)（GW）、列車(chē)控制單元（VCU）、遠(yuǎn)程輸入輸出模塊(RIOM)、中繼器（REP）等。RIOM是列車(chē)為VCU執(zhí)行信號(hào)采集，并輸出命令到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能模塊。

國(guó)外對(duì)RIOM的研究已經(jīng)取得諸多成果，如Siemens公司的SIBAS系統(tǒng)、Adtrantz公司的MICAS系統(tǒng)、ALSTOM公司的AGATE系統(tǒng)中，都包含RIOM或其他功能類(lèi)似的模塊單元。國(guó)內(nèi)對(duì)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的研究起步則較晚。

遠(yuǎn)程輸入設(shè)備功能分析

TCN網(wǎng)絡(luò)中的智能設(shè)備（如制動(dòng)控制單元）通過(guò)MVB接口直接接入列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)與VCU通信，而非智能設(shè)備需要通過(guò)RIOM與TCMS的系統(tǒng)接口，接入TCN網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行VCU信號(hào)采集命令和數(shù)據(jù)輸出命令。RIOM被分布在每節(jié)車(chē)輛中，通過(guò)數(shù)字信號(hào)量、模擬電壓/模擬電流環(huán)信號(hào)與輔助控制單元（ACU）、充電機(jī)、門(mén)控單元、空調(diào)控制單元等中壓系統(tǒng)以及部分牽引和制動(dòng)控制信號(hào)通信，完成列車(chē)非智能單元子系統(tǒng)的配置管理、狀態(tài)采集和故障診斷等任務(wù)。

遠(yuǎn)程輸入設(shè)備整體構(gòu)成

針對(duì)列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)非智能設(shè)備接入TCN網(wǎng)絡(luò)的需求，設(shè)計(jì)了包含電源單元、主控制單元、MVB通信單元、IO通信單元的通用RIOM設(shè)備，為列車(chē)非智能設(shè)備接入TCN網(wǎng)絡(luò)提供110V開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出、0~20mA電流環(huán)輸入/輸出型接口。

RIOM系統(tǒng)包括5個(gè)基本單元：CPU單元、MVB通信單元、DIO單元、AIO單元和電源單元。系統(tǒng)采用在航空航天、軍事工業(yè)等廣泛采用的高可靠性VME總線作為背板總線，實(shí)現(xiàn)高可靠性數(shù)據(jù)交換。各個(gè)子單元功能介紹如下：

1）CPU單元

CPU單元是RIOM的核心處理設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)VME總線數(shù)據(jù)傳輸主設(shè)備功能，并提供以太網(wǎng)、RS232等人機(jī)交互接口。

CPU單元主控制器采用基于PowerPC架構(gòu)的MPC8245處理器，最高主頻可達(dá)400MHz，并支持32位PCI總線（33MHz）。采用可編程邏輯器件FPGA設(shè)計(jì)PCIVME橋接電路，實(shí)現(xiàn)MPC8245處理器與VME總線的8/16位數(shù)據(jù)、16/24位地址訪問(wèn)模式，并配置為VME總線主設(shè)備，控制DTB周期的數(shù)據(jù)傳輸邏輯。

CPU單元搭載嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks。該系統(tǒng)本身的開(kāi)銷(xiāo)很小，采用精練而有效的進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程通信和中斷處理程序，在實(shí)時(shí)性和可靠性方面十分適合實(shí)時(shí)性要求極高的列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)。CPU單元通過(guò)地址映射的方式，將VME總線地址與片內(nèi)內(nèi)存地址一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)訪問(wèn)通信控制。

2）MVB通信單元

MVB通信單元是RIOM設(shè)備與列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)通信的接口，實(shí)現(xiàn)MVB數(shù)據(jù)到VME數(shù)據(jù)的信號(hào)和協(xié)議轉(zhuǎn)換。MVB通信單元采用2片F(xiàn)PGA作為核心控制單元，其中MVB_FPGA嵌入具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MVBC軟核，實(shí)現(xiàn)IEC61375-1中規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸和總線管理功能；VME_FPGA采用硬件描述語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)IEEE1014—1987標(biāo)準(zhǔn)中VME從設(shè)備的功能，并負(fù)責(zé)2片F(xiàn)PGA的數(shù)據(jù)通信。VME通信采用有限狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

3）DIO/AIO單元

DIO單元包括DI和DO兩類(lèi)通信板，AIO單元包括AI和AO兩類(lèi)通信板，主要負(fù)責(zé)RIOM與非智能設(shè)備的數(shù)字量、模擬量通信，如門(mén)隔離信號(hào)、充電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)、司機(jī)手柄信號(hào)以及列車(chē)網(wǎng)絡(luò)信息采集的各類(lèi)傳感器信息等的通信。

IO單元均采用FPGA作為核心控制單元，完成數(shù)字量、模擬量信號(hào)與VME總線的數(shù)據(jù)通信任務(wù)。片內(nèi)拓展64字節(jié)的RAM作為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和其他控制參數(shù)的存儲(chǔ)空間。CPU單元可以根據(jù)板卡硬件地址配合地址偏移對(duì)IO內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行讀取。

4）電源單元

電源單元負(fù)責(zé)給整個(gè)RIOM系統(tǒng)進(jìn)行供電。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE1014—1987，設(shè)計(jì)5V、±12V規(guī)格的電源。電源單元設(shè)計(jì)有浪涌保護(hù)、諧波控制及過(guò)流保護(hù)電路。

遠(yuǎn)程輸入設(shè)備關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)

1VME總線接口設(shè)計(jì)

VME總線是廣泛應(yīng)用于交通控制系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)、交通交換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線。VME總線具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在高性能背板總線應(yīng)用中已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。但是VME總線接口芯片由Cypress，Motorola等幾家公司壟斷，其主要產(chǎn)品只支持某些系列的控制器，通用性和靈活性都受到了很大的限制。

RIOM設(shè)備中每一塊電路板的VME總線接口都由一塊FPGA實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用一主多從A16：D16的通信模式。通信模式，CPU板的VME接口配置為VME總線主設(shè)備，其余各功能板配置為VME總線從設(shè)備。為保證VME總線工作邏輯的可靠性及實(shí)時(shí)性，VME總線接口邏輯設(shè)計(jì)完全采用硬件描述語(yǔ)言（VerilogHDL）通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。

2開(kāi)關(guān)量通信設(shè)計(jì)分析

圖3所示為開(kāi)關(guān)量通信通道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。在開(kāi)關(guān)量通信模塊中，一類(lèi)為輸入端口，用于只需要采集輸入狀態(tài)的數(shù)字量信號(hào)；另一類(lèi)為可以通過(guò)處理器對(duì)端口方向進(jìn)行配置的雙向輸出端口，既可以用于輸入也可以用于輸出；用作輸出時(shí)，輸入寄存器可以配置為輸出信號(hào)的監(jiān)測(cè)回路。

雙向輸出通道默輸出低電平。當(dāng)端口配置為輸入端口，輸出狀態(tài)為高阻態(tài)。當(dāng)端口配置為輸出端時(shí)，輸出寄存器置1，輸出控制繼電器置為高，雙向端口輸出電平與參考端電平一致。當(dāng)端口用作輸出時(shí)，系統(tǒng)可以配置對(duì)應(yīng)通道的輸入寄存器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采集，在本地或CPU單元進(jìn)行處理。本地處理時(shí)，如果輸出寄存器和輸入寄存器數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)間后采集，比較結(jié)果仍然出現(xiàn)故障，則板卡向CPU單元發(fā)送故障信息，進(jìn)行報(bào)警。每個(gè)輸入通道經(jīng)過(guò)電阻分壓、光耦隔離、RC濾波和施密特觸發(fā)器整形，由FPGA采集存入內(nèi)部寄存器中。輸出通道設(shè)計(jì)為繼電器輸出模式。根據(jù)CPU單元控制指令，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行光耦隔離和電流驅(qū)動(dòng)之后，控制輸出控制繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作。

3模擬量通信設(shè)計(jì)分析

列車(chē)電磁環(huán)境復(fù)雜，且各類(lèi)傳感器分布分散，距離處理器較遠(yuǎn)，采用電壓進(jìn)行模擬量信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸會(huì)不可避免地產(chǎn)生衰減和噪聲，給信號(hào)處理帶來(lái)了很大難度。采用電流環(huán)通信，相當(dāng)于對(duì)傳輸線增加了負(fù)反饋，抗干擾性能更加優(yōu)越。如圖4所示為RIOM模擬量信號(hào)輸入采集結(jié)構(gòu)圖。

由輸入輸出設(shè)備用通信線路連接起來(lái)的安裝在不同場(chǎng)所的可以并行協(xié)同工作的計(jì)算機(jī)所組成的網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)字測(cè)圖(Digital Surveying and Mapping，縮寫(xiě)DSM)系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)及其軟件為核心在外接輸入輸出設(shè)備的支持下，對(duì)地形空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、輸入、成圖、繪圖、輸出、管理的測(cè)繪系統(tǒng)。