具有TRDP和MVB功能的输入输出模块设计

文章编号：１００８－７８４２（２０２０）０２－００１０－０４
具有犜犚犇犘和犕犞犅功能的输入输出模块设计
夏好广１，２，王立文１，２
，余　健２，张　明２
（１　中国铁道科学研究院集团有限公司　机车车辆研究所，北京１０００８１；
２　北京纵横机电科技有限公司，北京１０００９４
）摘　要　针对高速动车组列车控制网络对输入输出设备的要求，提出了一种具有ＴＲＤＰ和ＭＶＢ功能的输入输出模块设计方案。

该模块主要包含主控制板卡、ＭＶＢ板卡和多个输入输出板卡，其中主控板卡通过以太网接口可实现ＴＲＤＰ协议的数据传输，也可以通过并行总线访问ＭＶＢ板卡实现ＭＶＢ数据传输。

上述两种模式可通过软件配置实现切换。

主控制板卡通过串行总线对输入输出板卡进行管理。

通过试验验证，该模块方案可自动识别板卡类型及数目，便于准确地查找故障，输入输出通道数目具有很强的扩展性，ＭＶＢ和ＴＲＤＰ的控制方式灵活切换，ＴＲＤＰ通信质量满足现场要求。

关键词　列车控制网络；ＴＲＤＰ；输入输出模块；现场总线
中图分类号：Ｕ２６６．２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ
．ｉｓｓｎ．１００８－７８４２．２０２０．０２．０３ 现代化高速动车组普遍采用列车网络控制管理系
统对车辆进行检测、控制和诊断［１
］，作为动车组的神经中枢，
列车网络系统可以控制和管理列车的牵引、制动、车门及照明等各个子系统。

包括中央控制单元、中继器、人机交互界面及输入输出模块等多个设备。

其中输入输出模块数目最多，分布于每节车厢的电器柜内，主要完成网络系统与车辆侧非智能设备接口。

大量车辆内子系统的控制和信号采集都通过硬线汇总到每节车厢的电气柜，
然后通过输入输出模块完成与动车网络的相互通信，输入输出模块的性能直接关系到列车中央控制单元对各车辆单元设备状态的监控。

当前动车组主要采用基于ＴＣＮ的列车网络系统，车辆级通信采用ＭＶＢ总线。

随着通信技术的迅速发展，动车组对数据量传输的要求也不断提升，以太网通信技术逐渐成熟，基于以太网的车辆网络是未来一个重要技术。

以太网总线具有数据传输速率高、应用广泛、
组网灵活、集成度高、价格低廉、容易与信息系统集成［
２］等优点，最新发布的ＩＥＣ６１３７５ ２ ５已经规定了列车以太网通信协议规范。

ＴＲＤＰ（ＴｒａｉｎＲｅａｌ ｔｉｍｅＤａｔａＰｒｏ ｔｏｃｏｌ）协议，用于轨道交通实时以太网络，对于铁路用以太网，提高实时性、确保可靠性也是必不可少的条件。

使用ＴＲＤＰ协议即可满足这一要求。

为了满足ＴＣＮ和以太网两种模式，同时考虑到列车输入输出模块对输入输出通道数目的可变化需求，我
们采用标准３Ｕ尺寸的机箱式设计方案，主控器内移植ＴＲＤＰ协议，同时集成一款ＳＴＭ３２微控制器用于扩展
总线与ＭＶＢ板卡通信。

设计ＩＮＴＥＲＢＵＳ总线的输入输出板卡实现可扩展的输入输出功能。

１　系统方案设计
输入输出模块分布于每节车厢的电气柜内，向上通
过ＭＶＢ［３ ４］
或ＴＲＤＰ与列车网络接口，
向下主要是采集和控制１１０Ｖ继电器开关状态。

系统方案如图１，主控制板卡（ＣＰＵ板卡）含ＩＮＴＥＲＢＵＳ主站，数字输入输出板卡各自包含一个ＩＮＴＥＲＢＵＳ从站芯片用于接收主芯片指令和反馈数据。

主控制板卡内集成两片处理器芯片，处理器１采用ｉｍａｘ６处理器运行ｑｎｘ实时操作系统，主要实现以太网协议控制。

处理器２采用ＳＴＭ３２Ｆ４２７控制器通过ＩＮＴＥＲＢＵＳ主站芯片与输入输出板卡通信，通过总线进行ＭＶＢ的控制。

ＭＶＢ板卡采用既有产品。

图１　输入输出模块系统示意图
中国铁道科学研究院集团有限公司科研开发基金项目（２０１８ＹＪ０１７）夏好广（１９８７—）男，助理研究员（收稿日期：２０１９－０３－０３
）第４０卷第２期２０２０年４月 铁道机车车辆ＲＡＩＬＷＡＹＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥ＆ＣＡＲ Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．２
Ｆｅｂ． ２
０２０
２　主控制板卡设计
主控制板卡采用双ＣＰＵ芯片设计，处理器１
（ＣＰＵ
１
）采用ｃｏｔｅｘ Ａ９处理器运行ｑｎｘ实时操作系统，用于ＴＲＤＰ通信功能，它自带的网络通过网络变压器接到外部，为了实现双路网络接口，另外一路网络接口使用ＰＣＩｅ高速接口通过协议芯片８２５７４扩展。

为了便于故障记录或变量配置的存储。

通过自带的ＥＩＭ总线连接到ＮＶＲＡＭ存储芯片。

为了实现功能的独立化，我们将ＴＲＤＰ部分的功能单独运行在ｑｎｘ系统，而ＭＶＢ通信部分和控制仲裁
部分则采用另外一个处理器（ＣＰＵ
２
）实现。

由于输入输出模块的ＭＶＢ数据量并不多，我们采用普通的微控制器ＳＴＭ３２Ｆ４２７实现。

ＳＴＭ３２Ｆ４２７芯片自带的ＦＳＭＣ接口，它可根据需要设置不同类型的存储器设备访问模式，采用ＦＳＭＣ接口与ＭＶＢ通信。

通过串口控制器与ＩＮＴＥＲＢＵＳ主站芯片连接构成ＩＮＴＥＲＢＵＳ总线，由于ＩＮＴＥＲＢＵＳ采用ＲＳ４８５标准进行数据传输，所以在接入背板之前要通过缓冲器进行转换。

背板统一用５Ｖ电平标准，进入背板之前要通过总线缓冲器进行电平隔离转换。

２个ＣＰＵ芯片之间为了信息透传，设计了ＳＰＩ和两个硬线ＩＯ信号连接，不仅可以互传数据还可以起到互相监控的作用。

外围电路则主要包含满足系统运行所需要的基本硬件条件，主要包括晶振、电源、复位电路，见图２。

图２　主控制板卡功能构成
３　犐犖犜犈犚犅犝犛从板卡设计
我们将输入和输出功能分别用独立的板卡实现，以便于维护和管理。

ＩＮＴＥＲＢＵＳ总线是国际通用总线之一，采用ＲＳ４８５传输［４ ５］，抗共模干扰能力强。

通过采用物理环形网络和移位寄存器的方法，总线系统不必进行设置地址和按址传输的方法，ＩＮＴＥＲＢＵＳ的设备可以简单地安装，迅速地进行现场调试。

３．１　数字输出板卡
数字输出板卡框图如图３所示，主要完成由模块内部的５Ｖ转换到外部车辆侧直流１１０Ｖ用于驱动继电器开关，内部的５Ｖ数字量由ＩＮＴＥＲＢＵＳ主站通过背板总线传送过来，然后经过此板卡ＩＮＴＥＲＢＵＳ从站芯片的多功能引脚输出，经过驱动电路控制外部状态，为了在线查看输出状态，每一路都分别设计反馈输入，用于诊断板卡工作状态。

驱动电路和反馈通路都采用光藕进行有效的隔离。

此板卡一共有８路输出，对应内部８路反馈。

该芯片的多功能引脚（ＭＦＰ）工作方式为８路输入８路输出。

主站在轮询的过程中控制指令和反馈状态在可一次完整的循环中完成。

图３　数字输出板卡框图
３．２　数字输入板卡
数字输入板卡主要完成外部车辆侧直流１１０Ｖ转５Ｖ数字量，然后经过ＩＮＴＥＲＢＵＳ从站芯片由机箱背板总线传送给主控制板卡。

每块输入板卡设计包含１６路开关输入，每一路采集电路相同。

１１０Ｖ经过电压转换电路后通过光藕进行隔离。

ＩＮＴＥＲＢＵＳ从站芯片采用ＳＵＰＩ３，该芯片的多功能引脚（ＭＦＰ）可以配置成多种模式，因本设计需要１６位数字输入，可以直接设置从芯片工作方式为１６位数字输入。

工作方式采用硬线引脚配置，当配置为数字输入的时候，ＭＦＰ引脚的值可以直接被从芯片记录到内部寄存器。

主站在轮询的过程中得到此输入状态。

４　软件设计
输入输出模块软件部分如图４所示，主要是主控制板卡的软件设计，主控板卡软件主要完成功能概括为（１）ＴＲＤＰ模块，负责初始化及数据通讯；（２）ＳＰＩ模块，负责２个ＣＰＵ之间数据传输；（３）ＭＶＢ模块，负责ＭＶＢ的初始化及数据通讯；（４）ＩＮＴＥＲＢＵＳ模块，负责系统的ＩＯ初始化及数据通讯。

（５）仲裁模块，负责模式控制及诊断工作。

ＴＲＤＰ部分我们通过移植ＴＲＤＰ行业团体ＴＣ Ｎｏｐｅｎ的开源代码来实现。

采用组播地址进行发送和接收。

该部分模块在ＣＰＵ
１
中以独立线程运行。

ＳＰＩ
模块在ＣＰＵ
１
中，以独立线程运行，负责将ＴＲＤＰ模块
１
１
　第２期 具有ＴＲＤＰ和ＭＶＢ功能的输入输出模块设计
收到的数据处理后最终发送给ＣＰＵ
２，同时将ＣＰＵ
２
要
返回的车辆测数据通过ＴＲＤＰ模块发出。

ＭＶＢ模块在ＣＰＵ
２
中运行。

ＩＮＴＥＲＢＵＳ协议芯片内部封装了完善的通讯协议，微控制器通过串口发送操作指令。

对输入输出板卡进行初始化包括波特率设置、板ＩＤ号解析，初始化完成后将数据段发送出去。

指令发送后进行ＣＲＣ校验以确保数据被完整的传输。

诊断模块位于ＣＰＵ２，负责汇总ＩＯ信息以及来自ＴＲＤＰ和ＭＶＢ的信息，可以通过读取配置信息来决定最终的ＩＯ控制权由ＴＲＤＰ还是ＭＶＢ控制。

图４　主控卡软件模块
图５ １为主控卡ＣＰＵ１的软件逻辑，系统启动后执行参数配置，分别创建ＴＲＤＰ和ＳＰＩ独立线程，初始化及收发错误将直接通过设置诊断位来标志。

ＴＲＤＰ的
接收的数据会通过ＳＰＩ下发到ＣＰＵ
２，同时ＣＰＵ
２
也通
过ＳＰＩ反馈数据最终通过ＴＲＤＰ发出。

图５ １　主控卡犆犘犝
１
逻辑
图５ ２为主控卡ＣＰＵ２的软件逻辑。

程序开始先进行系统初始化工作，包括ＧＰＩＯ、时钟定时器等工作，然后进行ＭＶＢ配置，配置成功与否会产生内部标识位。

ＩＮＴＥＲＢＵＳ初始化阶段主要完成ＩＮＴＥＲＢＵＳ属性配置。

ＳＰＩ数据到来后进行ＳＰＩ的数据和ＭＶＢ的数据进行汇总，根据协议要求的控制模式选择生效指令，最后通过ＩＮＴＥＲＢＵＳ读写操作对Ｉ／Ｏ进行控制操作。

在Ｉ／Ｏ操作完成后会得到输入卡采集的数据，同样根据协议要求对数据ｂｕｆｆｅｒ进行处理后更新到ＭＶＢ的发送区和ＳＰＩ的发送区。

整个逻辑过程中主要的读写操作必须根据反馈情况设置标志位，代表专有的故障类型，便于故障定位。

图５ ２　主控卡犆犘犝
２
逻辑
５　系统测试
为了验证整个方案的功能，搭建了测试系统，输入输出模块采用了１０块输入板卡５块输出板卡。

系统响应时间主要是软件流程内部的操作和主动延时。

软件每次执行一次改变一次输出状态，用示波器观察输出变化，如图６所示系统响应时间约为１０ｍｓ。

图７ １
为通
图６　输入输出模块响应时间测试
２
１
铁道机车车辆 第４０卷　
图７ １　犜犚犇犘数据超时统计
过ｗｉｒｅｓｈａｒｋ抓包工具采集以太网控制模式下ＴＲＤＰ
数据。

ＴＲＤＰ通信的数据总线使用率较均匀，没有响应超时的数据。

将抓取的数据包时间间隔进行统计，结果如图７－２所示，设定周期３０ｍｓ，２ｍｉｎ内时间抖动最大８ｍｓ
，满足车辆要求。

图７ ２　犜犚犇犘数据抖动统计
参考文献
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犐狀狆狌狋／犗狌狋狆狌狋犕狅犱狌犾犲犇犲狊犻犵
狀狑犻狋犺犉狌狀犮狋犻狅狀狊狅犳犜犚犇犘犪狀犱犕犞犅犡犐犃犎犪狅犵狌犪狀犵１，
２，犠犃犖犌犔犻狑犲狀１，
２，犢犝犑犻犪狀２，犣犎犃犖犌犕犻狀犵
２
（１　ＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅａｎｄＣａｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＲａｉｌｗａｙＳｃｉｅｎｃｅｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１
０００８１，Ｃｈｉｎａ；２　ＢｅｉｊｉｎｇＺｏｎｇｈｅｎｇＥｌｅｃｔｒｏ ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１
０００９４，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄＥＭＵｆｏｒｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔｄｅｖｉｃｅｉｎｔｒａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔｍｏｄｕｌｅｄｅｓｉｇｎｈａｓｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｉｓｍｏｄｕｌｅｍａｉｎｌｙｃｏｎｔａｉｎｓａｍａｓｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｂｏａｒｄ，ＭＶＢｂｏａｒｄａｎｄｍｕｌｔｉｐｌｅｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔｂｏａｒｄｓ．ＴｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＴＲＤＰｃａｎｂｅａｃｈｉｅｖｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｅｔｈｅｒｎｅｔｉｎｔｈｅｍａｓｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｂｏａｒｄｗｈｉｃｈｃａｎａｌｓｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＭＶＢｄａｔａｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｂｙａｃｃｅｓｓｉｎｇＭＶＢｂｏａｒｄｕｓｉｎｇｔｈｅｐａｒａｌｌｅｌｂｕｓ．Ｔｈｅｔｗｏｍｏｄｅｓｃａｎｂｅｓｗｉｔｃｈｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔｂｏａｒｄｓｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｔｈｅｍａｓｔｅｒｂｏａｒｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｅｒｉａｌｂｕｓ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎ ｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｉｓｍｏｄｕｌｅｃａｎｒｅｃｏｇｎｉｚｅｔｈｅｔｙｐｅａｎｄｎｕｍｂｅｒｏｆｔｈｅｂｏａｒｄａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙｆｉｎｄｔｈｅｈｉｔｃｈ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔｃｈａｎｎｅｌｓｈａｓｂｅｔｔｅｒｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ．ＴｈｅＭＶＢａｎｄＴＲＤＰｍｏｄｅｓｃａｎｂｅｓｗｉｔｃｈｅｄｆｌｅｘｉｂｌｙａｎｄｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｑｕａｌｉｔｙｏｆＴＲＤＰｓａｔｉｓｆｉｅｓｔｈｅｆｉｅｌｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．犓犲狔狑
狅狉犱狊：ＴＣＮ；ＴＲＤＰ；ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔｍｏｄｕｌｅ；ｆｉｅｌｄｂｕｓ３
１　第２期 具有ＴＲＤＰ和ＭＶＢ功能的输入输出模块设计 。