王立文，閆迷軍

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，北京，100094）

專題研究

基于INTERBUS總線技術(shù)的輸入輸出工作站的實(shí)現(xiàn)

王立文1，2，閆迷軍2

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，北京，100094）

在分析了高速動(dòng)車組MVB網(wǎng)絡(luò)輸入輸出設(shè)備技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，依據(jù)INTERBUS總線技術(shù)基礎(chǔ)，介紹了輸入輸出工作站的硬件結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，介紹了輸入輸出工作站的軟件設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證。

INTERBUS總線；輸入輸出工作站；MVB通信

高速動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從系統(tǒng)集成的角度也稱為列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，它包含了網(wǎng)絡(luò)集成所必需的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：中央控制單元CCU、網(wǎng)絡(luò)輸入輸出設(shè)備、HMI顯示器、網(wǎng)絡(luò)中繼器和各個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能單元等。通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的載體，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車組的整車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成，為動(dòng)車組的集成控制提供技術(shù)保證。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是高速動(dòng)車組的神經(jīng)中樞，承擔(dān)著整個(gè)動(dòng)車組的控制、監(jiān)視、診斷與保護(hù)任務(wù)，負(fù)責(zé)完成列車的運(yùn)行控制、監(jiān)視、診斷功能，通過列車網(wǎng)絡(luò)控制和管理列車的牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、輔助供電、空調(diào)、行車安全設(shè)備、車門、照明等幾乎所有子系統(tǒng)，在列車運(yùn)行、維護(hù)中起著極其重要的作用，是高速動(dòng)車組的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的外部輸入輸出采集及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提供輸入狀態(tài)變量，并且輸出控制命令，以便驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的整車邏輯控制功能，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車組整車控制和監(jiān)視診斷的功能，沒有這些網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備，動(dòng)車組將無法實(shí)現(xiàn)整車控制，無法將動(dòng)車組中央控制單元與整車聯(lián)系在一起。由于其特殊重要的地位，所以這些網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備也成為各大鐵路機(jī)車和動(dòng)車組供貨商投入巨資研發(fā)和生產(chǎn)的重要產(chǎn)品。

國外，作為歐洲主要的整車集成商的西門子，在其集成的SIBAS32系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備有Compact PT100，CompactIO和KLIP IO這些輸入輸出設(shè)備。同樣的，在法國阿爾司通和加拿大的龐巴迪公司的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品系列中，也有輸入輸出設(shè)備的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)相同的集成功能。

國內(nèi)鐵路行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的產(chǎn)品廠家也推出相關(guān)產(chǎn)品，有傳統(tǒng)的集成在功能設(shè)備的輸入輸出板卡或接口，也有集成在一體化的輸入輸出設(shè)備。

1 INTERBUS總線

INTERBUS總線技術(shù)于1983年由菲尼克斯公司為主開發(fā)，并且于1987年推向市場，2000年成為IEC 61158的一部分?？偩€拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是環(huán)形裝，傳輸速率分為500 kbit／s和2 Mbit／s，傳輸物理標(biāo)準(zhǔn)是RS485，使用RS422物理標(biāo)準(zhǔn)則傳輸距離最大400 m（兩個(gè)遠(yuǎn)距離設(shè)備點(diǎn)對點(diǎn)連接方式）。最多連接設(shè)備512個(gè)（遠(yuǎn)距離設(shè)備最多數(shù)量是254個(gè)）。可以使用銅雙絞線、同軸線和光纖等不同物理介質(zhì)的線纜連接，并且環(huán)路系統(tǒng)中通信前進(jìn)和返回線可以在使用一個(gè)線纜實(shí)現(xiàn)。

INTERBUS總線技術(shù)特點(diǎn)：不需要網(wǎng)絡(luò)終端電阻，不需要設(shè)備地址設(shè)置，設(shè)備之間是點(diǎn)對點(diǎn)連接，不需要信號(hào)中繼，環(huán)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很容易擴(kuò)展。INTERBUS總線技術(shù)是面向IO數(shù)據(jù)傳輸，具有高效率的IO數(shù)據(jù)傳輸效率，如表1所示：表中使用不同通信協(xié)議，控制20個(gè)輸入設(shè)備和12個(gè)輸出設(shè)備的協(xié)議效率對比表，每個(gè)輸入設(shè)備8位數(shù)據(jù)，每個(gè)輸出設(shè)備8位數(shù)據(jù)。

INTERBUS總線是主從結(jié)構(gòu)通信方式，一個(gè)主站周期輪詢多個(gè)從站，主站是主控制器，從站是各個(gè)輸入輸出模塊。在周期輪詢時(shí)，主站也監(jiān)視各個(gè)從站的工作狀態(tài)，包括通信鏈路的斷路、短路和受干擾等，并且能夠初步定位故障所在的從站。

表1 不同通信協(xié)議的傳輸效率對比表

2 輸入輸出工作站硬件設(shè)計(jì)

2.1 輸入輸出工作站硬件設(shè)計(jì)需求

高速動(dòng)車組上，需要對各個(gè)電子執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并且檢測其狀態(tài)，例如升弓，合主斷等。在現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)應(yīng)用的動(dòng)車組上，這些開關(guān)信號(hào)主要是由輸入輸出工作站來實(shí)現(xiàn)采集和發(fā)布，該模塊是網(wǎng)絡(luò)輸入輸出設(shè)備之一，是為了實(shí)現(xiàn)將多個(gè)開關(guān)量信號(hào)集中采集和發(fā)布，通過車載通信網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的中央控制單元交互，為上層應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供這些開關(guān)量的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且執(zhí)行上層應(yīng)用發(fā)布的控制命令。

根據(jù)高速動(dòng)車組這些應(yīng)用需求和相關(guān)機(jī)械、電氣接口定義需求，該模塊主要的組成部分有：獨(dú)立電源部分，DC 110 V輸入模塊，DC 110 V輸出模塊，主CPU模塊和基座模塊。這幾部分組成了整體輸入輸出工作站，其中根據(jù)要求可以掛接多個(gè)DC 110 V輸入模塊（最多12個(gè)模塊）和多個(gè)DC 110 V輸出模塊（最多12個(gè)模塊）。該工作站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以為以后更多輸入輸出模塊的掛接提供擴(kuò)展。

2.2 輸入輸出工作站殼體設(shè)計(jì)

所有輸入輸出工作站殼體采用統(tǒng)一系列化設(shè)計(jì)風(fēng)格，滿足DIN35導(dǎo)軌安裝，不僅要滿足所有殼體強(qiáng)度要求，還要美觀實(shí)用。在考慮電磁兼容方面，主要的是CPU模塊是敏感的部件，采用了全金屬殼體實(shí)現(xiàn)屏蔽的效果。輸入輸出模塊由于功率小，采用塑料殼體設(shè)計(jì)，同時(shí)在電路板級(jí)采取電磁兼容的設(shè)計(jì)，防范電磁干擾。電源部分采用了塑料殼體，由于空間受限和應(yīng)用的要求，對于電源的額定功率最大限制在100 W之內(nèi)，這樣對于電源部分的設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)是在電磁兼容的方面。以下是輸入殼體、輸出殼體和總線模塊殼體設(shè)計(jì)效果圖，見圖1。圖2是CPU殼體設(shè)計(jì)效果圖。圖3是電源模塊殼體設(shè)計(jì)效果圖。

圖1 輸入、輸出和總線模塊殼體的設(shè)計(jì)效果圖

圖2 CPU殼體設(shè)計(jì)效果圖

圖3 電源模塊殼體設(shè)計(jì)效果圖

2.3 輸入輸出工作站電路設(shè)計(jì)

輸入輸出工作站主要由CPU模塊、DC 110V輸入模塊、DC 110 V輸出模塊、基座模塊和電源模塊組成。

學(xué)界對京劇歷史的研究一直頗為關(guān)注，著作與論文的精品佳作層出不窮。學(xué)者們對事物的歷史發(fā)展描述細(xì)致，但對理論的整合似乎總是有些欠缺，導(dǎo)致觀點(diǎn)總是在理論之前出現(xiàn)。

CPU模塊作為主要的執(zhí)行部分，是輸入輸出站的核心部件。包括CPU電路、MVB通信電路和INTERBUS通信電路。CPU電路采用的是freescale公司的16位單片機(jī)MC9S12XD512，通過PC104總線接口與MVB通信模塊接口，CPU采用16 MHz的晶振；CPU通過串口通信與INTERBUS主站芯片接口。通過軟件實(shí)現(xiàn)對下進(jìn)行輸入輸出模塊的INTERBUS通信，對上通過MVB與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的中央控制單元通信。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 CPU模塊的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

輸入模塊主要的功能是將DC 110 V輸入的開關(guān)量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字量，通過INTERBUS從芯片將開關(guān)量發(fā)送出去。該模塊由兩塊電路板卡實(shí)現(xiàn)16個(gè)通道的開關(guān)量輸入。其中一塊板卡包含INTERBUS總線技術(shù)和8路開關(guān)量通道，另一塊板卡僅僅包含8路開關(guān)量通道。兩個(gè)板卡之間通過扁平電纜線實(shí)現(xiàn)開關(guān)信號(hào)數(shù)字化量的匯總，實(shí)現(xiàn)INTERBUS芯片對于16路數(shù)字信號(hào)的收集及發(fā)送。因此對于輸入模塊主要的硬件電路包含兩個(gè)大部分，一個(gè)是高電壓DC 110 V開關(guān)量的采集電路，將該開關(guān)量轉(zhuǎn)換為DC 5 V信號(hào)，通過光耦隔離，將DC 5 V信號(hào)和DC 110 V開關(guān)信號(hào)隔離，實(shí)現(xiàn)對電磁兼容的設(shè)計(jì)，保護(hù)了后級(jí)電路；另一個(gè)是以INTERBUS總監(jiān)技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字通信電路，通過INTERBUS總線從芯片，建立了數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對于16路數(shù)字信號(hào)的采集，并且可以通過INTERBUS總線通信線路實(shí)現(xiàn)與CPU模塊的INTERBUS主芯片的數(shù)據(jù)通信。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

輸出模塊主要的功能是將數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出DC 110 V開關(guān)量，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該數(shù)字控制信號(hào)也是通過INTERBUS總線由主芯片發(fā)布給從芯片的，然后再通過輸出級(jí)輸出DC 110 V開關(guān)量。該模塊由兩塊電路板卡實(shí)現(xiàn)8個(gè)通道的開關(guān)量輸出。其中一塊板卡包含INTERBUS總線技術(shù)和4路開關(guān)量通道，另一塊板卡僅僅包含4路開關(guān)量通道。兩個(gè)板卡之間通過扁平電纜線實(shí)現(xiàn)開關(guān)信號(hào)數(shù)字化量的匯總，實(shí)現(xiàn)INTERBUS芯片對于16路數(shù)字信號(hào)的收集及發(fā)送。

圖5 輸入模塊的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

因此對于輸出模塊主要的硬件電路（見圖6）包含兩個(gè)大部分，一個(gè)是高電壓DC 110 V開關(guān)量的驅(qū)動(dòng)電路，該電路將DC 5 V信號(hào)通過光耦隔離，轉(zhuǎn)換為DC 110 V輸出的開關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對電磁兼容的設(shè)計(jì)，保護(hù)了后級(jí)電路對前級(jí)電路影響，同時(shí)在后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，每個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)通道提供了一路反饋信號(hào)，這個(gè)反饋信號(hào)也通過光耦轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對輸出驅(qū)動(dòng)通道的監(jiān)測；另一個(gè)是以INTERBUS總監(jiān)技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字通信電路，通過INTERBUS總線從芯片，建立了數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對于8路輸入狀態(tài)數(shù)字信號(hào)的采集和輸出8路數(shù)字控制命令，并且可以通過INTERBUS總線通信線路實(shí)現(xiàn)與CPU模塊的INTERBUS主芯片的數(shù)據(jù)通信。

圖6 輸出模塊的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

基座模塊主要提供CPU模塊和輸入輸出模塊之間的通信鏈路，并且將CPU輸出的＋24 V電源轉(zhuǎn)換為＋5 V電源，為輸入輸出模塊提供＋5 V電源。

電源模塊將外部直流＋110 V電源轉(zhuǎn)換為＋24 V電源提供給CPU模塊。

輸入輸出工作站總體結(jié)構(gòu)圖7如所示。

圖7 輸入輸出工作站的總體硬件結(jié)構(gòu)框圖

輸入輸出工作站的通信信息流如圖8所示。

圖8 輸入輸出工作站的通信信息流

從圖7、圖8中，可見INTERBUS主站通過從站的位置可以識(shí)別從站，不需要在每個(gè)從站設(shè)置從站的地址，并且在初始化階段，主站就會(huì)確定從站的數(shù)量和從站的輸入或輸出、數(shù)字量或者模擬量的設(shè)備屬性，相對于CAN總線，這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，只要是同屬性的設(shè)備就可以任意互換。

3 輸入輸出工作站軟件設(shè)計(jì)

輸入輸出站采用模塊式設(shè)計(jì)，包括輸入模塊和輸出模塊。一個(gè)輸出模塊包含8路輸出信號(hào)和8路輸入反饋信號(hào)，一個(gè)輸入模塊包含16路輸入信號(hào)。輸入模塊和輸出模塊數(shù)量可以任意組合，總模塊數(shù)最多不能超過16個(gè)。如果需要還可以擴(kuò)展。輸入輸出站主要功能是控制輸出信號(hào)和反饋輸入信號(hào)。它上層提供MVB總線接口，支持接入MVB網(wǎng)絡(luò)，接受和發(fā)送MVB數(shù)據(jù)。底層使用INTERBUS總線，控制輸入輸出信號(hào)。軟件結(jié)構(gòu)流程圖9所示。

輸入輸出站能夠自我檢測各個(gè)模塊的狀態(tài)，能夠自我診斷模塊的故障。具有如下故障診斷和指示：（1）MVB通信的NSDB錯(cuò)誤；（2）移位寄存器錯(cuò)誤，初始化INTERBUS不成功；（3）組件錯(cuò)誤，INTERBUS初始化得到的模塊個(gè)數(shù)和NSDB不符，INTERBUS讀寫操作返回不成功。（4）一般故障，從MVB讀取數(shù)據(jù)失敗。（5）MVB故障指示燈，初始化為亮，MVB配置結(jié)果成功和失敗都亮，從MVB讀數(shù)據(jù)成功后滅，失敗亮，向MVB寫數(shù)據(jù)成功后滅，失敗亮。（6）I／O故障指示燈，初始化為亮，INTERBUS初始化成功后滅，INTERBUS讀寫數(shù)成功后滅，失敗亮。

圖9 輸入輸出工作站軟件流程框圖

4 輸入輸出工作站測試

在輸入輸出工作站研發(fā)后進(jìn)行了性能對比試驗(yàn)，測試方法是：在輸入輸出工作站第一個(gè)輸入模塊第一輸入通道發(fā)送脈沖，頻率1 Hz，占空比30%，并接示波器。在輸入輸出工作站的第一個(gè)輸出模塊的第一個(gè)輸出通道處接入示波器，檢查輸出脈沖信號(hào)。信號(hào)傳遞過程是：脈沖信號(hào)被輸入輸出工作站的輸入模塊采集，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過MVB發(fā)送給主控單元，主控單元收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)立刻發(fā)回給輸入輸出工作站，輸入輸出工作站再輸出模塊輸出開關(guān)信號(hào)。在6個(gè)輸入模塊（每個(gè)模塊16個(gè)輸入通道）和6個(gè)輸出模塊（每個(gè)模塊8個(gè)輸出通道和8個(gè)輸出通道的狀態(tài)輸入）的配置下，測量輸入脈沖信號(hào)上升沿和輸出開關(guān)信號(hào)下降沿之間的延遲。如圖10所示。

經(jīng)過大量的測試統(tǒng)計(jì)，在相同輸入通道和輸出通道數(shù)目的比較下，本產(chǎn)品的輸入輸出信號(hào)延遲測試應(yīng)該在200～300 ms的范圍，國際上同類產(chǎn)品在相同的測試條件下輸入輸出延遲測試在200～270 ms的范圍，這樣的測試是輸入信號(hào)采集時(shí)間、MVB上行通信時(shí)間、MVB下行通信時(shí)間和輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)間。另外除了進(jìn)行不同產(chǎn)品的對比試驗(yàn)外，還進(jìn)行了INTERBUS通信時(shí)間的測試和MVB周期時(shí)間的測試，在6個(gè)輸入模塊（每個(gè)模塊16個(gè)輸入通道）和6個(gè)輸出模塊（每個(gè)模塊8個(gè)輸出通道和8個(gè)輸出通道的狀態(tài)輸入）的配置下，輸入輸出工作站INTERBUS通信時(shí)間在6.7 ms。MVB周期時(shí)間在23 ms內(nèi)。

圖10 輸入輸出工作站輸入與輸出延遲性能測試

輸入輸出工作站在半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)整體性能測試，測試結(jié)果滿足動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)集成功能要求，與中央控制單元的網(wǎng)絡(luò)交互功能正常。該產(chǎn)品進(jìn)一步按照GB／T 25119標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了電磁兼容、環(huán)境試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。

輸入輸出工作站已經(jīng)在CJ2城際車上全列安裝，目前已經(jīng)在實(shí)際運(yùn)行線路上進(jìn)行考核運(yùn)行。同時(shí)在既有高速動(dòng)車組上進(jìn)行了運(yùn)用考核試驗(yàn)，已經(jīng)圓滿完成30萬km的試驗(yàn)驗(yàn)證。

5 總 結(jié)

輸入輸出工作站作為動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的輸入輸出設(shè)備，在同類產(chǎn)品中應(yīng)該具有獨(dú)特的性能。既有的輸入輸出設(shè)備中有的采用CAN總線集成輸入輸出模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)輸入輸出設(shè)備的功能，也有采用獨(dú)立模塊固定的輸入輸出端口數(shù)目。這兩種設(shè)備的缺點(diǎn)是：CAN總線集成的輸入輸出設(shè)備中具有固定設(shè)置的地址，在集成中必須事先設(shè)置完成，不屬于靈活配置的方案；另一類設(shè)備輸入輸出端口數(shù)目固定，不易靈活擴(kuò)展，滿足不同應(yīng)用需求。本產(chǎn)品基于在INTERBUS總線技術(shù)克服了這兩個(gè)缺陷，具有靈活擴(kuò)展，不需要事先固定配置設(shè)備地址。模塊完全可以靈活拆卸，現(xiàn)場維修直接可以板卡替換，便于維修維護(hù)。

［1］ User manual IBS SUPI 3 UM E，PHOENIX CONTACT.

［2］ GB／T 25119－2010軌道交通 機(jī)車車輛電子裝置［S］.

［3］ IEC 61375-1.Electric Railway Equipmwent-Train Bus Part-1 Train Communication Network［S］.

［4］ 孫同景.Freescale 9S12十六位單片機(jī)原理及嵌入式開發(fā)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

Realization of Input and Output Workstation Based on INTERBUS Field Bus Technology

WANG Liwen1，YAN Mijun2
（1 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co.，Beijing 100094，China）

This paper analyzes the technology application of MVB network＇s input and output devices for CRH3EMU，introduces in detail the hardware structure and design implementation of input and output workstation based on INTERBUS field bus technology，and also introduces the software design and performance verification of input and output workstation.

INTERBUS field bus；input and output workstation；MVB

U285.5

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.03

1008－7842（2016）06－0009－05

1—）男，副研究員（

2016－07－07）