基于數(shù)字信號(hào)處理器的車載接口設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)證＊

張 健 王志駿 馬 妍

（上海自動(dòng)化儀表股份有限公司，200233，上海∥第一作者，高級(jí)工程師）

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)當(dāng)前還是依賴進(jìn)口［1］。針對(duì)信號(hào)產(chǎn)品嚴(yán)重依靠進(jìn)口技術(shù)，國(guó)產(chǎn)信號(hào)設(shè)備嚴(yán)重匱乏的現(xiàn)狀，本文提供一種車載接口設(shè)備的原理性樣機(jī)及其數(shù)據(jù)采集處理方法的設(shè)計(jì)和實(shí)證，旨在能與列車、軌旁信號(hào)設(shè)備進(jìn)行接口，獲取列車狀態(tài)信息和位置信息，為車載ATC（列車自動(dòng)控制）系統(tǒng)提供必要的輸入；同時(shí)接收車載ATC主控單元的指令信息，發(fā)送到列車線，控制列車的運(yùn)行［2］。

1 車載設(shè)備功能概要

基于通信的列車控制（CBTC）的特點(diǎn)，是用無(wú)線通信媒體來(lái)實(shí)現(xiàn)列車和地面的雙向通信，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制。CBTC系統(tǒng)由車載設(shè)備、軌旁設(shè)備和控制中心設(shè)備等組成。

車載設(shè)備由車載控制器、車載無(wú)線單元、應(yīng)答查詢器、速度傳感器、加速度計(jì)、接近傳感器、司機(jī)操作顯示器等部件組成。

車載控制器由車載主控制單元和車載接口設(shè)備組成，負(fù)責(zé)完成車載ATP（列車自動(dòng)保護(hù)）和ATO（列車自動(dòng)運(yùn)行）功能。車載控制器不斷地與列車控制中心進(jìn)行通信，在ATP保護(hù)下進(jìn)行牽引、制動(dòng)及車門控制；并對(duì)超速、目標(biāo)點(diǎn)冒進(jìn)、車門狀態(tài)等進(jìn)行安全監(jiān)督，以確保列車在允許的包絡(luò)線內(nèi)運(yùn)行；當(dāng)無(wú)法繼續(xù)安全運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)實(shí)施緊急制動(dòng)。其中，車載接口設(shè)備主要完成車載主控制單元與車載外圍部件（查詢應(yīng)答器、速度傳感器、加速度計(jì)、接近傳感器）及列車線之間的接口功能，負(fù)責(zé)采集外圍部件和列車線的輸入信息并傳送給主控制單元；同時(shí)接收和表決主控制單元輸出的控制命令，控制列車輸出線，達(dá)到控制列車的目的。

車載接口設(shè)備在車載設(shè)備中的位置如圖1所示。

2 車載接口設(shè)備結(jié)構(gòu)

車載接口設(shè)備由外部電源接口板、車輛輸入接口板、車輛輸出接口板、傳感器接口板、列車牽引控制板、內(nèi)部輸入輸出板、故障安全板、程序監(jiān)視和電源板、外部處理器板和車載接口設(shè)備背板共10種單元板組成。車載接口設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，車載接口設(shè)備由3塊外圍處理器板、3塊程序運(yùn)行監(jiān)視和電源板、9塊內(nèi)部輸入輸出板、1塊故障安全板、2塊列車牽引控制板、3塊車輛輸入接口板、3塊車輛輸出接口板、1塊傳感器接口板、1塊外部電源接口板和1塊外圍接口單元背板等部分組成。

圖1 車載接口設(shè)備在車載設(shè)備中的位置

圖2 車載接口設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

3 車載接口設(shè)備工作原理

3.1 車載接口設(shè)備工作原理概述

外圍處理器板與主控制單元通過(guò)CAN（控制器局域網(wǎng)）總線建立通信。外圍處理器板接收主控制單元發(fā)出的各種控制命令，包括I/O（輸入/輸出）輸出狀態(tài)信息、列車牽引控制命令等。I/O輸出狀態(tài)信息分三路發(fā)送給冗余配置的內(nèi)部輸入輸出板，再傳送到車輛輸出接口板執(zhí)行。列車牽引控制命令通過(guò)列車牽引控制板，將4～20mA的牽引控制信號(hào)發(fā)送給列車牽引電流檢測(cè)裝置。

車載接口設(shè)備通過(guò)硬線與外圍傳感器設(shè)備連接。外圍處理器板接收外圍傳感器設(shè)備的各種狀態(tài)信息，包括I/O輸入狀態(tài)信息、速度、加速度、接近信息、列車識(shí)別號(hào)（VID）、板卡在位檢測(cè)信息及車載接口設(shè)備告警信息。I/O輸入狀態(tài)信息通過(guò)車輛輸入接口板，分三路發(fā)送給冗余配置的內(nèi)部輸入輸出板，再傳送到外圍處理器板；速度、加速度、接近信息、列車識(shí)別號(hào)等通過(guò)傳感器接口板傳送到三塊外圍處理器板。車載接口設(shè)備與維護(hù)診斷終端（兼作TI（德州儀器公司）仿真器）通過(guò)串行RS 232讀取信標(biāo)信息，由外圍處理器板將狀態(tài)信息傳送給主控制單元。車載接口設(shè)備框圖如圖3所示。

圖3 車載接口設(shè)備框圖

3.2 車載接口設(shè)備主控制器工作原理

3.2.1 基本功能概述

車載接口設(shè)備的外圍處理器板是整個(gè)處理單元的核心，用于和主控制單元之間的通信。外圍處理器板負(fù)責(zé)接收傳感器和列車接口線的狀態(tài)信息，通過(guò)CAN總線發(fā)送給主控制單元；同時(shí)接收主控制單元發(fā)出的控制信息，傳送到車輛輸出接口板執(zhí)行；另外還提供1個(gè)RS 232診斷端口和2個(gè)高速可配置的串行通信端口（用于異步或同步通信）。其基本功能包括：ID號(hào)讀取，輸出生命周期信號(hào)，接收接近傳感器信號(hào)，接收處理加速度計(jì)信號(hào)，接收處理速度傳感器信號(hào)，檢查各板卡是否在位，控制列車牽引控制板信號(hào)輸出及使能信號(hào)，提供3個(gè)串行口、1個(gè)CAN總線接口、1條16位的數(shù)據(jù)總線，電源電壓檢測(cè)，生命周期信號(hào)指示燈，工作指示燈，看門狗，校時(shí)，事件存儲(chǔ)，牽引電流標(biāo)定，自檢信號(hào)控制等。

3.2.2 CPU 選型

外圍處理器板的CPU采用了DSP2407芯片。TMS320LF2407是美國(guó)TI專為電機(jī)控制（DMC）應(yīng)用而推出的一種低價(jià)格、高性能的16位定點(diǎn)運(yùn)算DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）。該器件集高性能的DSP內(nèi)核和豐富的微控制器外設(shè)功能于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一種理想的解決方案。

TMS320C2407上有2個(gè)事件管理器，分別為EVA和EVB。每個(gè)事件管理器模塊包括2個(gè)通用定時(shí)器（GP）、3個(gè)比較單元、3個(gè)捕捉單元及2個(gè)正交編碼脈沖輸入電路（QEP）。

正交編碼脈沖電路可連接光電編碼器，獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置、方向和速度等信息。QEP可對(duì)CAP1/QEP1和 CAP2/QEP2（EVA 模塊）、CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（EVB模塊）引腳上的正交編碼輸入脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)。

正交編碼脈沖包括2個(gè)脈沖序列，是頻率變化的正交（相差1/4周期，即90°）脈沖序列。當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上的光學(xué)編碼器產(chǎn)生正交編碼脈沖時(shí)，通過(guò)檢測(cè)2個(gè)脈沖序列的先后，就可測(cè)出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。角位置和速度可通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)和脈沖的頻率測(cè)出。QEP的方向檢測(cè)邏輯通過(guò)測(cè)定2個(gè)脈沖序列的相位，產(chǎn)生一個(gè)方向信號(hào)作為通用定時(shí)器2或4的方向輸入。

測(cè)速是車載接口設(shè)備的重要任務(wù)之一。車載設(shè)備速度傳感器的輸入信號(hào)是相位差為90°的脈沖序列，因此選擇TMS320C2407芯片能準(zhǔn)確高效地測(cè)量列車速度。

3.2.3 CPU 接口設(shè)計(jì)

外圍處理器板軟件基于TMS320LF2407的DSP芯片設(shè)計(jì)，按照需求來(lái)控制CPU各個(gè)外設(shè)和接口，實(shí)現(xiàn)功能。設(shè)計(jì)內(nèi)容所涉及的CPU接口如圖4。

3.2.4 軟件邏輯

按照外圍處理器板的軟件任務(wù)實(shí)現(xiàn)方式，將軟件分為輸入、輸出、總線、通信、事件存儲(chǔ)等模塊。模塊組成及邏輯結(jié)構(gòu)如圖5。

輸入模塊：接受模擬量信號(hào)、數(shù)字量信號(hào)、脈沖信號(hào)和ID號(hào)的信息，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到采集數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

輸出模塊：輸出數(shù)字量信號(hào)、生命周期信號(hào)、看門狗警報(bào)和指示燈的點(diǎn)滅信息。輸出模塊的數(shù)據(jù)從通信模塊讀取。

總線模塊：總線操作內(nèi)容包括DI、D0、A0及18塊板中的5～17號(hào)在位信號(hào)。其中輸入采用掃描方式（總線讀）；輸出則根據(jù)主控制單元命令，在收到相關(guān)輸出命令后立即開(kāi)始進(jìn)行輸出（總線寫）。

圖4 CPU接口圖

圖5 軟件模塊和邏輯結(jié)構(gòu)

事件存儲(chǔ)：建立事件結(jié)構(gòu)體，將采集數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至flash，作為設(shè)備診斷維護(hù)時(shí)分析的日志。

3.2.5 軟件結(jié)構(gòu)和流程

軟件采用前后臺(tái)結(jié)構(gòu)。總體結(jié)構(gòu)可分成三大模塊。

（1）初始化模塊：包括CPU時(shí)鐘、外設(shè)初始化；讀取系統(tǒng)相關(guān)信息，如ID號(hào)、18塊板在位信號(hào)、本板地址信息（讀5個(gè)IO口）。

（2）中斷（前臺(tái)）：脈沖信號(hào)采用中斷方式，建立捕獲中斷；通信模塊的接收采用中斷方式。建立一個(gè)時(shí)間片中斷，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，同時(shí)為掃描輸入模塊的狀態(tài)起定時(shí)作用。

（3）主循環(huán)（后臺(tái)）：模擬量信號(hào)、數(shù)字量信號(hào)、ID號(hào)、18塊板在位信號(hào)、48路輸入采用定時(shí)掃描方式，由時(shí)間片中斷定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到后置相關(guān)標(biāo)志。一次速度采樣完畢，會(huì)將相關(guān)標(biāo)志位置位，主循環(huán)根據(jù)此標(biāo)志位計(jì)算得到新的速度信息。CAN口、串口收到1包完整的數(shù)據(jù)后置相關(guān)的標(biāo)志位，主循環(huán)開(kāi)始響應(yīng)收到的數(shù)據(jù)包。

4 車載接口設(shè)備的測(cè)試實(shí)證

4.1 通信原理

車載外圍接口單元測(cè)試平臺(tái)包含1套仿真三取二主控制單元，1套維護(hù)診斷終端，1套48路仿真I/O輸入裝置，1套48路仿真I/O輸出裝置，1個(gè)VID，1套加速度信號(hào)發(fā)生裝置（產(chǎn)生3個(gè)加速度信號(hào)），1套速度信號(hào)發(fā)生裝置（產(chǎn)生2個(gè)速度信號(hào)），1套接近信號(hào)發(fā)生裝置（產(chǎn)生1個(gè)接近信號(hào)），1套牽引電流檢測(cè)裝置（檢測(cè)4～20mA電流信號(hào)），以及相應(yīng)的線纜套件。車載外圍接口單元測(cè)試平臺(tái)通信原理框圖如圖6所示。

· 車載外圍接口單元與外圍傳感器仿真設(shè)備通過(guò)硬線連接。

搶抓新機(jī)遇實(shí)施光伏項(xiàng)目。光伏補(bǔ)貼窗口期機(jī)遇稍縱即逝，我們專門成立指揮部，明確專門工作班子，加快推進(jìn)光伏扶貧工程，奮力打造全省“陽(yáng)光扶貧”標(biāo)桿。全縣所有光伏資源做到最大程度挖掘，能利用的全部利用，目前，全縣已建成45兆瓦光伏電站，實(shí)現(xiàn)光伏扶貧項(xiàng)目鎮(zhèn)鎮(zhèn)全覆蓋，光伏電站收入成為村級(jí)集體增收的重要來(lái)源。

· 車載外圍接口單元與I/O輸入輸出裝置通過(guò)硬線連接，可接收I/O輸入狀態(tài)，并控制I/O輸出狀態(tài)。

· 車載外圍接口單元與仿真三取二主控制單元通過(guò)CAN總線建立通信。可接收仿真三取二主控制單元發(fā)出的各種控制命令，向仿真三取二主控制單元發(fā)送VID、I/O狀態(tài)信息、板卡在位檢測(cè)信息、速度、加速度、接近信息、信標(biāo)信息、牽引輸出狀態(tài)，以及車載外圍接口單元告警信息。

· 車載外圍接口單元與牽引電流檢測(cè)裝置通過(guò)硬線連接。車載外圍接口單元輸出4～20mA牽引控制信號(hào)。

· 車載外圍接口單元與維護(hù)診斷終端通過(guò)串行RS 232通信，診斷維護(hù)終端對(duì)車載外圍接口單元進(jìn)行軟件更新與狀態(tài)診斷。

圖6 車載外圍接口單元測(cè)試平臺(tái)通信原理框圖

4.2 仿真三取二主控制單元

仿真三取二主控制單元的硬件包含1臺(tái)PC，2個(gè)2路USB－CAN適配器，一個(gè)有源1轉(zhuǎn)4USB集線器。軟件包含仿真主控制單元軟件。

（1）仿真三取二主控制單元通過(guò)CAN總線讀取狀態(tài)，包括：1個(gè)VID編號(hào)，1個(gè)接近數(shù)據(jù)，3個(gè)加速度數(shù)據(jù)，2個(gè)速度數(shù)據(jù)，I/O輸入輸出裝置狀態(tài)，18塊板在位檢測(cè)數(shù)據(jù)，TI讀取到的信標(biāo)編號(hào)。

（2）仿真三取二主控制單元通過(guò)CAN總線輸出狀態(tài)，包括牽引控制板數(shù)據(jù)和I/O輸出裝置狀態(tài)。

4.2.1 仿真三取二主控制單元運(yùn)行原理

（1）仿真主控制單元軟件具有一個(gè)主線程，控制三個(gè)子線程，分別接收車載外圍接口單元中3塊外圍處理器板發(fā)送的數(shù)據(jù)，并在人機(jī)界面顯示。

（2）仿真主控制單元軟件主線程將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行三取二處理，形成處理結(jié)果，并在人機(jī)界面顯示。

（3）仿真主控制單元軟件主線程控制三個(gè)子線程，分別向車載外圍接口單元中3塊外圍處理器板發(fā)送命令，并接收其返回的響應(yīng)。

4.2.2 仿真三取二主控制單元運(yùn)行模式

仿真三取二主控制單元具有手動(dòng)與自動(dòng)兩種運(yùn)行模式。

（1）手動(dòng)模式：仿真主控制單元軟件可以人工設(shè)置I/O輸出狀態(tài)及牽引使能信號(hào)，向車載外圍接口單元發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)各個(gè)狀態(tài)的手動(dòng)逐一設(shè)置，用以驗(yàn)證車載外圍接口單元功能的正確性。

（2）自動(dòng)模式（默認(rèn)）：仿真主控制單元軟件接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)三取二原則，判斷列車是否處于非安全狀態(tài)（如超速、加速度過(guò)大、車門非正常開(kāi)啟等），根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯控制列車EB（緊急制動(dòng)）狀態(tài)以及牽引使能，模擬列車運(yùn)行狀態(tài)防護(hù)的基本功能。

4.3 維護(hù)診斷終端

維護(hù)診斷終端的硬件包含1臺(tái)PC，1個(gè)USB轉(zhuǎn)4串口（RS 232）轉(zhuǎn)換器。軟件包含串口維護(hù)診斷軟件。

串口維護(hù)診斷軟件實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）外部處理器板的軟件安裝和更新；（2）車載外圍接口單元狀態(tài)查詢?cè)\斷。TI仿真軟件與車載外圍接口單元之間通過(guò)串行RS 232連接，實(shí)現(xiàn)以下功能：

· 模擬TI功能，向車載外圍接口單元提供模擬的信標(biāo)數(shù)據(jù)。

· 響應(yīng)車載外圍接口單元的重發(fā)和查詢請(qǐng)求。

4.4 48路仿真I/O輸入裝置

48路仿真I/O輸入裝置是用絕緣板上焊接48個(gè)開(kāi)關(guān)和保護(hù)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，狀態(tài)有ON和OFF兩種，可分別對(duì)每一路控制，模擬I/O開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。

4.5 48路仿真I/O輸出裝置

48路仿真I/O輸出裝置是在絕緣板上焊接48個(gè)LED（發(fā)光二極管）燈和保護(hù)電阻，用以顯示48路I/O開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。

4.6 VID設(shè)備

對(duì)于1個(gè)VID，測(cè)試平臺(tái)可選用標(biāo)號(hào)為0x555或0xAAA的真實(shí)VID設(shè)備，安裝于車載外圍接口單元內(nèi)，測(cè)試車載外圍接口單元對(duì)VID的正確識(shí)別。

4.7 預(yù)期結(jié)果

圖7所示為車載接口設(shè)備發(fā)送給主控制單元的結(jié)果。通過(guò)測(cè)試平臺(tái)，驗(yàn)證了車載接口設(shè)備的功能，證明了車載接口設(shè)備適用于軌道交通的信號(hào)工程中。

圖7 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)地鐵信號(hào)設(shè)備大多依靠從國(guó)外公司進(jìn)口，使得地鐵成本大幅度提高。本設(shè)備將有助于地鐵信號(hào)設(shè)備技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，推進(jìn)國(guó)內(nèi)地鐵信號(hào)技術(shù)的發(fā)展，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的空白。

［1］許時(shí)磊，孫永榮.嵌入式車載設(shè)備數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)控技術(shù)，2007，26（6）：18.

［2］沈雪松，劉建業(yè)，孫永榮，等.Multi—function vehicle navigation and monitoring system for urban vehicle［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)：英文版，2005，22（2）：183.

［3］胡剛，金振偉.車載導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.系統(tǒng)工程，2006，24（1）：42.

［4］劉和平.TMS320LF240xDSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.