遠(yuǎn)程輸入設(shè)備

為實現(xiàn)控制距離遠(yuǎn)，精度高，必須提高遠(yuǎn)程設(shè)備信息的精度，因存在多個系統(tǒng)之間的通信問題，有時采用人工方式鍵入遠(yuǎn)程指示信息，在數(shù)據(jù)量大的情況下，導(dǎo)致信息鍵入失誤率上升。為提高鍵入遠(yuǎn)程設(shè)備信息的精度，研究實現(xiàn)了基于ARM的遠(yuǎn)程設(shè)備信息的自動輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，遠(yuǎn)程設(shè)備信息通過RS485協(xié)議方式傳榆至本系統(tǒng)，系統(tǒng)解析信息協(xié)議、分析數(shù)據(jù)，并將得到的鍵盤鼠標(biāo)數(shù)據(jù)以PS2鍵盤協(xié)議和串口鼠標(biāo)協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給控制系統(tǒng)。在實際演練中，遠(yuǎn)程設(shè)備信息自動輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提高了信息的鍵入精度，為控制自動化提高了效率。

遠(yuǎn)程輸入設(shè)備系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)實時接收鍵盤、鼠標(biāo)命令，向計算機(jī)主機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)鍵盤、鼠標(biāo)正常信息輸入；在外部設(shè)備的控制下自動完成鍵盤、鼠標(biāo)信息傳輸通道切換，并接收外部設(shè)備發(fā)送的指示信息，模擬生成計算機(jī)主機(jī)可以接收的信息并按照設(shè)計的時序發(fā)送至計算機(jī)主機(jī)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備信息中各項參數(shù)的模擬鍵人；實現(xiàn)參數(shù)鍵入后，及時將控制權(quán)交還給鍵盤、鼠標(biāo)，恢復(fù)正常操控功能。

遠(yuǎn)程輸入設(shè)備總體框架

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

遠(yuǎn)程設(shè)備信息自動輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作流程如下：

第一步，在未收到遠(yuǎn)程設(shè)備信息時，模擬器對鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行實時轉(zhuǎn)發(fā)，完成鍵盤、鼠標(biāo)命令信息輸入；

第二步，在需要輸入遠(yuǎn)程設(shè)備信息時，首先進(jìn)入需要輸入遠(yuǎn)程設(shè)備信息的頁面，在遠(yuǎn)程設(shè)備信息處理設(shè)備上輸入需要發(fā)送的遠(yuǎn)程設(shè)備信息批號，并確認(rèn)發(fā)送；

第三步，遠(yuǎn)程設(shè)備信息處理設(shè)備將遠(yuǎn)程設(shè)備信息的內(nèi)容和需要輸入的位置信息按照規(guī)定的接口協(xié)議發(fā)送給模擬器；

第四步，模擬器在收到遠(yuǎn)程設(shè)備的信息后，自動進(jìn)行鍵盤、鼠標(biāo)信息傳輸通道切換，屏蔽原有鍵盤、鼠標(biāo)傳輸通道，接通模擬鍵盤、鼠標(biāo)通道；

第五步，模擬器首先控制鼠標(biāo)指針移到屏幕左上角位置(0，0)像素點上，然后調(diào)用鼠標(biāo)最優(yōu)移動算法將鼠標(biāo)指針移動到指定位置像素區(qū)域，并模擬單擊指令，選中需要輸入的數(shù)據(jù)；

第六步，模擬器將接收到遠(yuǎn)程設(shè)備信息的鍵盤碼轉(zhuǎn)換成符合專用鍵盤格式的掃描碼數(shù)據(jù)，完成遠(yuǎn)程設(shè)備信息的自動鍵入；

第七步，數(shù)據(jù)輸入完成后，模擬器控制將鍵盤、鼠標(biāo)信息傳輸通道切換回原來狀態(tài)，恢復(fù)鍵盤、鼠標(biāo)正常操控功能。

遠(yuǎn)程輸入設(shè)備系統(tǒng)的硬件設(shè)計

遠(yuǎn)程設(shè)備信息自動輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可采用成熟的接口電路技術(shù)，以ARM為主控芯片，結(jié)合串口控制芯片、DC、DC電源轉(zhuǎn)換模塊、繼電器芯片等一些專用接口芯片和外圍電路實現(xiàn)。遠(yuǎn)程設(shè)備信息自動輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)邏輯原理圖如圖2所示。

在鍵盤、鼠標(biāo)模擬器中，ARM作為主控芯片完成遠(yuǎn)程設(shè)備信息的接收和發(fā)送應(yīng)答，實現(xiàn)鍵盤、鼠標(biāo)輸人的切換，并把遠(yuǎn)程設(shè)備信息模擬轉(zhuǎn)發(fā)給本地計算機(jī)。

系統(tǒng)在不通電的情況下，鍵盤輸人和模擬鍵盤輸出直接連通，當(dāng)外部設(shè)備輸入信息后，切換繼電器輸出引腳，實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備信息解析并按照PS/2協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給本地計算機(jī)。信息發(fā)送完畢后，切換繼電器，恢復(fù)鍵盤輸入和模擬鍵盤輸出直接連通狀態(tài)。鍵盤輸入和模擬鍵盤輸出同時通過繼電器切換和ARM芯片連接，實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。

系統(tǒng)在不通電的情況下，鼠標(biāo)輸入和模擬鼠標(biāo)輸出直接連通。當(dāng)外部設(shè)備輸入信息后，切換繼電器輸出引腳，實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備信息處理轉(zhuǎn)發(fā)給本地計算機(jī)。信息發(fā)送完畢后，切換繼電器，恢復(fù)鼠標(biāo)輸入和模擬鼠標(biāo)輸出直接連通狀態(tài)。

遠(yuǎn)程輸入設(shè)備硬件設(shè)計

基于Modbus_RTU（Modicon公司開發(fā)的一種通信協(xié)議）的遠(yuǎn)程輸入輸出接口的硬件電路框圖如圖5所示。硬件電路主要包括處理器（單片機(jī)）、輸入輸出隔離器件和RS485收發(fā)器三個部分。

單片機(jī)是輸入輸出接口設(shè)備的核心，其接收來自總線的數(shù)據(jù)命令，根據(jù)命令的形式，控制相應(yīng)的端口輸出或?qū)⒉杉降亩丝谛畔⑦M(jìn)行回復(fù)。單片機(jī)的電路部分又可以分為電源、晶振、看門狗三個部分，電源是數(shù)字電路工作的必須部分，通常單片機(jī)的電源是一個降壓穩(wěn)壓電路，通用單片機(jī)的工作電壓一般為3.3V或5V，而普通開關(guān)電源或AC-DC模塊的輸出電壓一般為12V或24V，所以需要降壓。為了保證單片機(jī)工作的穩(wěn)定，需要在降壓器件的輸出側(cè)加穩(wěn)壓二極管和電容，以保證電壓的穩(wěn)定和降低紋波。晶振為單片機(jī)工作提供時基，晶振分為內(nèi)部晶振和外部晶振兩種，外部晶振具有更好的精度和穩(wěn)定性。單片機(jī)工作在工業(yè)環(huán)境中，容易受到各種干擾，會導(dǎo)致控制程序出現(xiàn)異常，看門狗電路可以將出現(xiàn)異常的程序及時拉回到正常狀態(tài)，防止出現(xiàn)事故?？撮T狗的原理是定時接收單片機(jī)發(fā)出的周期信號，當(dāng)一定時間內(nèi)沒有收到周期信號后，將單片機(jī)熱復(fù)位，讓程序重新運行，而這個過程單片機(jī)的RAM不會發(fā)生改變，保證控制功能可以繼續(xù)。

在工業(yè)控制環(huán)境中，各種干擾會沖擊傳輸線路，這就需要對單片機(jī)的端口進(jìn)行隔離，將干擾阻擋在隔離器件之外，首先保證單片機(jī)的安全。常用的隔離器件有光耦和磁耦，光耦傳輸速率相對較低，可以在輸入輸出端口隔離中使用，磁耦的傳輸速率相對較高，可以在通信隔離中使用。

遠(yuǎn)程輸入設(shè)備軟件設(shè)計

軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。

初始化部分主要完成單片機(jī)的初始配置，包括晶振的設(shè)置、定時器的設(shè)置、Modbus_RTU協(xié)議棧的設(shè)置和端口的輸入輸出設(shè)置。采集端口信息部分完成對單片機(jī)輸入端口的電平采集，端口的電平狀態(tài)需要進(jìn)行濾波，防止?fàn)顟B(tài)出現(xiàn)頻繁跳動，濾波采用平均濾波法，即在一定時間內(nèi)采集數(shù)次端口的電平，數(shù)次電平一致，則認(rèn)為電平已穩(wěn)定，將穩(wěn)定的電平值定期存儲在Modbus_RTU寄存器中，以備Modbus主站讀取。Modbus數(shù)據(jù)處理部分采用中斷的形式，當(dāng)總線上收到來自主站的命令時，觸發(fā)一次中斷，置中斷標(biāo)識。在中斷處理程序中，首先判斷收到的命令是讀命令還是寫命令，如果是讀命令，則根據(jù)Modbus_RTU協(xié)議規(guī)則，把主站想要讀取的寄存器的值回復(fù)給主站，如果是寫命令，則改變相應(yīng)的寄存器的值，進(jìn)而根據(jù)內(nèi)部寄存器與外部端口的映射關(guān)系，將相應(yīng)的單片機(jī)端口置位。

整個軟件設(shè)計實現(xiàn)了主站對遠(yuǎn)程輸入輸出接口設(shè)備的輸入口信息的采集和主站對遠(yuǎn)程輸入輸出接口設(shè)備的輸出口的控制，主站具有總線控制權(quán)，可以隨時采集端口信息和控制端口輸出。

遠(yuǎn)程輸入設(shè)備使遠(yuǎn)離計算機(jī)的用戶能對遠(yuǎn)處的計算機(jī)進(jìn)行批量輸入作業(yè)。這種設(shè)備的最簡單的結(jié)構(gòu)由一臺打印機(jī)、一臺卡片閱讀機(jī)及其通信控制處理機(jī)組成。由于通信線路中的信息是以串行方式傳輸?shù)模O(shè)備中的通信控制處理機(jī)需要將輸入到計算機(jī)的信息由并行轉(zhuǎn)變?yōu)榇卸腿胪ㄐ啪€路，并將通信線路中送來的信息由串行變?yōu)椴⑿泻筝敵?；此外還需要按規(guī)定的通信規(guī)程對信息的傳輸和糾錯等處理工作進(jìn)行監(jiān)控。

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

國外對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或其他功能類似的模塊單元。國內(nèi)對列車網(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（如制動控制單元）通過MVB接口直接接入列車控制網(wǎng)絡(luò)與VCU通信，而非智能設(shè)備需要通過RIOM與TCMS的系統(tǒng)接口，接入TCN網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行VCU信號采集命令和數(shù)據(jù)輸出命令。RIOM被分布在每節(jié)車輛中，通過數(shù)字信號量、模擬電壓/模擬電流環(huán)信號與輔助控制單元（ACU）、充電機(jī)、門控單元、空調(diào)控制單元等中壓系統(tǒng)以及部分牽引和制動控制信號通信，完成列車非智能單元子系統(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

針對列車控制網(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，為列車非智能設(shè)備接入TCN網(wǎng)絡(luò)提供110V開關(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，實現(xiàn)高可靠性數(shù)據(jù)交換。各個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PCIVME橋接電路，實現(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單元搭載嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks。該系統(tǒng)本身的開銷很小，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，在實時性和可靠性方面十分適合實時性要求極高的列車控制網(wǎng)絡(luò)。CPU單元通過地址映射的方式，將VME總線地址與片內(nèi)內(nèi)存地址一一對應(yīng)，實現(xiàn)上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)訪問通信控制。

2）MVB通信單元

MVB通信單元是RIOM設(shè)備與列車控制網(wǎng)絡(luò)通信的接口，實現(xiàn)MVB數(shù)據(jù)到VME數(shù)據(jù)的信號和協(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嵌入具有自主知識產(chǎn)權(quán)的MVBC軟核，實現(xiàn)IEC61375-1中規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸和總線管理功能；VME_FPGA采用硬件描述語言，實現(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兩類通信板，AIO單元包括AI和AO兩類通信板，主要負(fù)責(zé)RIOM與非智能設(shè)備的數(shù)字量、模擬量通信，如門隔離信號、充電機(jī)啟動信號、司機(jī)手柄信號以及列車網(wǎng)絡(luò)信息采集的各類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)儲存和其他控制參數(shù)的存儲空間。CPU單元可以根據(jù)板卡硬件地址配合地址偏移對IO內(nèi)部存儲器進(jìn)行讀取。

4）電源單元

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

遠(yuǎn)程輸入設(shè)備關(guān)鍵功能實現(xiàn)

1VME總線接口設(shè)計

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)等各個領(lǐng)域的工業(yè)現(xiàn)場總線。VME總線具有可靠性高、實時性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，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時性，VME總線接口邏輯設(shè)計完全采用硬件描述語言（VerilogHDL）通過有限狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)。

2開關(guān)量通信設(shè)計分析

圖3所示為開關(guān)量通信通道設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖。在開關(guān)量通信模塊中，一類為輸入端口，用于只需要采集輸入狀態(tài)的數(shù)字量信號；另一類為可以通過處理器對端口方向進(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，輸入寄存器可以配置為輸出信號的監(jiān)測回路。

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，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，系統(tǒng)可以配置對應(yīng)通道的輸入寄存器對輸出信號進(jìn)行采集，在本地或CPU單元進(jìn)行處理。本地處理時，如果輸出寄存器和輸入寄存器數(shù)據(jù)經(jīng)過設(shè)定時間后采集，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)行報警。每個輸入通道經(jīng)過電阻分壓、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)計為繼電器輸出模式。根據(jù)CPU單元控制指令，通過對信號進(jìn)行光耦隔離和電流驅(qū)動之后，控制輸出控制繼電器觸點動作。

3模擬量通信設(shè)計分析

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

數(shù)碼錄音筆要完成錄音，輸入設(shè)備是必不可少的。輸入設(shè)備即數(shù)碼錄音筆接受外部可辨別聲音的設(shè)備。如內(nèi)置麥克風(fēng)、外接麥克風(fēng)、與電話聽筒的連線等等。

麥克風(fēng)又分為：指向性麥克風(fēng)、單向麥克風(fēng)、廣角麥克風(fēng)。