夏好廣， 王立文， 余 健， 張 明

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

現(xiàn)代化高速動(dòng)車組普遍采用列車網(wǎng)絡(luò)控制管理系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行檢測(cè)、控制和診斷[1]，作為動(dòng)車組的神經(jīng)中樞,列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以控制和管理列車的牽引、制動(dòng)、車門及照明等各個(gè)子系統(tǒng)。包括中央控制單元、中繼器、人機(jī)交互界面及輸入輸出模塊等多個(gè)設(shè)備。其中輸入輸出模塊數(shù)目最多，分布于每節(jié)車廂的電器柜內(nèi)，主要完成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與車輛側(cè)非智能設(shè)備接口。大量車輛內(nèi)子系統(tǒng)的控制和信號(hào)采集都通過(guò)硬線匯總到每節(jié)車廂的電氣柜，然后通過(guò)輸入輸出模塊完成與動(dòng)車網(wǎng)絡(luò)的相互通信，輸入輸出模塊的性能直接關(guān)系到列車中央控制單元對(duì)各車輛單元設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控。

當(dāng)前動(dòng)車組主要采用基于TCN的列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，車輛級(jí)通信采用MVB總線。隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，動(dòng)車組對(duì)數(shù)據(jù)量傳輸?shù)囊笠膊粩嗵嵘蕴W(wǎng)通信技術(shù)逐漸成熟，基于以太網(wǎng)的車輛網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)一個(gè)重要技術(shù)。以太網(wǎng)總線具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、應(yīng)用廣泛、組網(wǎng)靈活、集成度高、價(jià)格低廉、容易與信息系統(tǒng)集成[2]等優(yōu)點(diǎn)，最新發(fā)布的IEC 61375-2-5已經(jīng)規(guī)定了列車以太網(wǎng)通信協(xié)議規(guī)范。TRDP(Train Real-time Data Protocol)協(xié)議,用于軌道交通實(shí)時(shí)以太網(wǎng)絡(luò),對(duì)于鐵路用以太網(wǎng)，提高實(shí)時(shí)性、確?？煽啃砸彩潜夭豢缮俚臈l件。使用TRDP協(xié)議即可滿足這一要求。

為了滿足TCN和以太網(wǎng)兩種模式，同時(shí)考慮到列車輸入輸出模塊對(duì)輸入輸出通道數(shù)目的可變化需求，我們采用標(biāo)準(zhǔn)3U尺寸的機(jī)箱式設(shè)計(jì)方案，主控器內(nèi)移植TRDP協(xié)議，同時(shí)集成一款STM32微控制器用于擴(kuò)展總線與MVB板卡通信。設(shè)計(jì)INTERBUS總線的輸入輸出板卡實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的輸入輸出功能。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

輸入輸出模塊分布于每節(jié)車廂的電氣柜內(nèi)，向上通過(guò)MVB[3-4]或TRDP與列車網(wǎng)絡(luò)接口，向下主要是采集和控制110 V繼電器開關(guān)狀態(tài)。系統(tǒng)方案如圖1，主控制板卡(CPU板卡)含INTERBUS主站，數(shù)字輸入輸出板卡各自包含一個(gè)INTERBUS從站芯片用于接收主芯片指令和反饋數(shù)據(jù)。主控制板卡內(nèi)集成兩片處理器芯片，處理器1采用imax6處理器運(yùn)行qnx實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議控制。處理器2采用STM32F427控制器通過(guò)INTERBUS主站芯片與輸入輸出板卡通信,通過(guò)總線進(jìn)行MVB的控制。MVB板卡采用既有產(chǎn)品。

圖1 輸入輸出模塊系統(tǒng)示意圖

2 主控制板卡設(shè)計(jì)

主控制板卡采用雙CPU芯片設(shè)計(jì)，處理器1(CPU1)采用cotex-A9處理器運(yùn)行qnx實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用于TRDP通信功能，它自帶的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器接到外部,為了實(shí)現(xiàn)雙路網(wǎng)絡(luò)接口,另外一路網(wǎng)絡(luò)接口使用PCIe高速接口通過(guò)協(xié)議芯片82574擴(kuò)展。為了便于故障記錄或變量配置的存儲(chǔ)。通過(guò)自帶的EIM總線連接到NVRAM存儲(chǔ)芯片。

為了實(shí)現(xiàn)功能的獨(dú)立化，我們將TRDP部分的功能單獨(dú)運(yùn)行在qnx系統(tǒng)，而MVB通信部分和控制仲裁部分則采用另外一個(gè)處理器(CPU2)實(shí)現(xiàn)。由于輸入輸出模塊的MVB數(shù)據(jù)量并不多，我們采用普通的微控制器STM32F427實(shí)現(xiàn)。STM32F427芯片自帶的FSMC接口，它可根據(jù)需要設(shè)置不同類型的存儲(chǔ)器設(shè)備訪問(wèn)模式,采用FSMC接口與MVB通信。通過(guò)串口控制器與INTERBUS主站芯片連接構(gòu)成INTERBUS總線，由于INTERBUS采用RS485標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以在接入背板之前要通過(guò)緩沖器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。背板統(tǒng)一用5 V電平標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)入背板之前要通過(guò)總線緩沖器進(jìn)行電平隔離轉(zhuǎn)換。2個(gè)CPU芯片之間為了信息透?jìng)?，設(shè)計(jì)了SPI和兩個(gè)硬線IO信號(hào)連接，不僅可以互傳數(shù)據(jù)還可以起到互相監(jiān)控的作用。外圍電路則主要包含滿足系統(tǒng)運(yùn)行所需要的基本硬件條件，主要包括晶振、電源、復(fù)位電路，見圖2。

圖2 主控制板卡功能構(gòu)成

3 INTERBUS從板卡設(shè)計(jì)

我們將輸入和輸出功能分別用獨(dú)立的板卡實(shí)現(xiàn)，以便于維護(hù)和管理。INTERBUS總線是國(guó)際通用總線之一，采用RS485傳輸[4-5]，抗共模干擾能力強(qiáng)。通過(guò)采用物理環(huán)形網(wǎng)絡(luò)和移位寄存器的方法，總線系統(tǒng)不必進(jìn)行設(shè)置地址和按址傳輸?shù)姆椒ǎ?INTERBUS的設(shè)備可以簡(jiǎn)單地安裝，迅速地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

3.1 數(shù)字輸出板卡

數(shù)字輸出板卡框圖如圖3所示，主要完成由模塊內(nèi)部的5 V轉(zhuǎn)換到外部車輛側(cè)直流110 V用于驅(qū)動(dòng)繼電器開關(guān)，內(nèi)部的5 V數(shù)字量由 INTERBUS 主站通過(guò)背板總線傳送過(guò)來(lái)，然后經(jīng)過(guò)此板卡INTERBUS從站芯片的多功能引腳輸出，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制外部狀態(tài)，為了在線查看輸出狀態(tài)，每一路都分別設(shè)計(jì)反饋輸入，用于診斷板卡工作狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)電路和反饋通路都采用光藕進(jìn)行有效的隔離。此板卡一共有8路輸出，對(duì)應(yīng)內(nèi)部8路反饋。該芯片的多功能引腳(MFP)工作方式為8路輸入8路輸出。主站在輪詢的過(guò)程中控制指令和反饋狀態(tài)在可一次完整的循環(huán)中完成。

圖3 數(shù)字輸出板卡框圖

3.2 數(shù)字輸入板卡

數(shù)字輸入板卡主要完成外部車輛側(cè)直流110 V轉(zhuǎn)5 V數(shù)字量，然后經(jīng)過(guò)INTERBUS從站芯片由機(jī)箱背板總線傳送給主控制板卡。每塊輸入板卡設(shè)計(jì)包含16路開關(guān)輸入，每一路采集電路相同。110 V經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路后通過(guò)光藕進(jìn)行隔離。INTERBUS 從站芯片采用SUPI3，該芯片的多功能引腳(MFP)可以配置成多種模式，因本設(shè)計(jì)需要16位數(shù)字輸入，可以直接設(shè)置從芯片工作方式為16位數(shù)字輸入。工作方式采用硬線引腳配置，當(dāng)配置為數(shù)字輸入的時(shí)候，MFP引腳的值可以直接被從芯片記錄到內(nèi)部寄存器。主站在輪詢的過(guò)程中得到此輸入狀態(tài)。

4 軟件設(shè)計(jì)

輸入輸出模塊軟件部分如圖4所示,主要是主控制板卡的軟件設(shè)計(jì)，主控板卡軟件主要完成功能概括為(1)TRDP模塊,負(fù)責(zé)初始化及數(shù)據(jù)通訊；(2)SPI模塊,負(fù)責(zé)2個(gè)CPU之間數(shù)據(jù)傳輸；(3)MVB模塊,負(fù)責(zé)MVB的初始化及數(shù)據(jù)通訊；(4)INTERBUS模塊,負(fù)責(zé)系統(tǒng)的IO初始化及數(shù)據(jù)通訊。(5)仲裁模塊,負(fù)責(zé)模式控制及診斷工作。

TRDP部分我們通過(guò)移植TRDP行業(yè)團(tuán)體TCNopen的開源代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用組播地址進(jìn)行發(fā)送和接收。該部分模塊在CPU1中以獨(dú)立線程運(yùn)行。SPI模塊在CPU1中，以獨(dú)立線程運(yùn)行，負(fù)責(zé)將TRDP模塊收到的數(shù)據(jù)處理后最終發(fā)送給CPU2，同時(shí)將CPU2要返回的車輛測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)TRDP模塊發(fā)出。MVB模塊在CPU2中運(yùn)行。INTERBUS協(xié)議芯片內(nèi)部封裝了完善的通訊協(xié)議，微控制器通過(guò)串口發(fā)送操作指令。對(duì)輸入輸出板卡進(jìn)行初始化包括波特率設(shè)置、板ID號(hào)解析，初始化完成后將數(shù)據(jù)段發(fā)送出去。指令發(fā)送后進(jìn)行CRC校驗(yàn)以確保數(shù)據(jù)被完整的傳輸。診斷模塊位于CPU2,負(fù)責(zé)匯總IO信息以及來(lái)自TRDP和MVB的信息，可以通過(guò)讀取配置信息來(lái)決定最終的IO控制權(quán)由TRDP還是MVB控制。

圖4 主控卡軟件模塊

圖5-1為主控卡CPU1的軟件邏輯，系統(tǒng)啟動(dòng)后執(zhí)行參數(shù)配置，分別創(chuàng)建TRDP和SPI獨(dú)立線程，初始化及收發(fā)錯(cuò)誤將直接通過(guò)設(shè)置診斷位來(lái)標(biāo)志。TRDP的接收的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)SPI下發(fā)到CPU2，同時(shí)CPU2也通過(guò)SPI反饋數(shù)據(jù)最終通過(guò)TRDP發(fā)出。

圖5-1 主控卡CPU1邏輯

圖5-2為主控卡CPU2的軟件邏輯。程序開始先進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作,包括GPIO、時(shí)鐘定時(shí)器等工作，然后進(jìn)行MVB配置，配置成功與否會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部標(biāo)識(shí)位。INTERBUS初始化階段主要完成INTERBUS屬性配置。SPI數(shù)據(jù)到來(lái)后進(jìn)行SPI的數(shù)據(jù)和MVB的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，根據(jù)協(xié)議要求的控制模式選擇生效指令，最后通過(guò)INTERBUS讀寫操作對(duì)I/O進(jìn)行控制操作。在I/O操作完成后會(huì)得到輸入卡采集的數(shù)據(jù)，同樣根據(jù)協(xié)議要求對(duì)數(shù)據(jù)buffer進(jìn)行處理后更新到MVB的發(fā)送區(qū)和SPI的發(fā)送區(qū)。整個(gè)邏輯過(guò)程中主要的讀寫操作必須根據(jù)反饋情況設(shè)置標(biāo)志位，代表專有的故障類型，便于故障定位。

圖5-2 主控卡CPU2邏輯

5 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證整個(gè)方案的功能，搭建了測(cè)試系統(tǒng)，輸入輸出模塊采用了10塊輸入板卡5塊輸出板卡。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間主要是軟件流程內(nèi)部的操作和主動(dòng)延時(shí)。軟件每次執(zhí)行一次改變一次輸出狀態(tài)，用示波器觀察輸出變化，如圖6所示系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為10 ms。圖7-1為通過(guò)wireshark抓包工具采集以太網(wǎng)控制模式下TRDP數(shù)據(jù)。TRDP通信的數(shù)據(jù)總線使用率較均勻，沒(méi)有響應(yīng)超時(shí)的數(shù)據(jù)。將抓取的數(shù)據(jù)包時(shí)間間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖7-2所示，設(shè)定周期30 ms，2 min內(nèi)時(shí)間抖動(dòng)最大8 ms，滿足車輛要求。

圖6 輸入輸出模塊響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

圖7-1 TRDP數(shù)據(jù)超時(shí)統(tǒng)計(jì)

圖7-2 TRDP數(shù)據(jù)抖動(dòng)統(tǒng)計(jì)