列車模擬信號(hào)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究

王勝啟 王坤飛 王強(qiáng)

摘要：在列車控制系統(tǒng)中，模擬量信號(hào)在列車的控制中廣泛應(yīng)用，技術(shù)實(shí)現(xiàn)上要求系統(tǒng)對(duì)相關(guān)模擬量信號(hào)的進(jìn)行輸入采樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的狀態(tài)管理，其次要求通過(guò)模擬量的輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)列車裝置的控制，然后要求信號(hào)能在系統(tǒng)中可靠的傳輸。在模擬量的輸入和輸出中，分別需要要用到A/D，D/A轉(zhuǎn)換，或稱為ADC，DAC，在通信傳輸中常見(jiàn)的是多通道SPI通信方案。

關(guān)鍵詞：ADC；DAC；SPI；MCU；VCU；RIOM

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）12-0281-03

隨著列車運(yùn)行技術(shù)的高速化、智能化發(fā)展，列車控制系統(tǒng)處理的信號(hào)數(shù)量和種類與日俱增，最常見(jiàn)就是數(shù)字量信號(hào)和模擬量信號(hào)。數(shù)字量信號(hào)的邏輯控制主要實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單；模擬量的特點(diǎn)是連續(xù)變化的，形式上分為模擬電流和電壓信號(hào)。由于模擬量動(dòng)態(tài)變化和連續(xù)性，技術(shù)實(shí)現(xiàn)上需經(jīng)過(guò)A/D和D/A的轉(zhuǎn)換，并選擇合適的通信方式傳輸，如本文中的多通道SPI。

本文結(jié)合實(shí)際模擬量板卡的軟硬件設(shè)計(jì)案例詳細(xì)剖析列車中模擬量信號(hào)的輸入采樣，輸出控制以及傳輸原理。

名詞解釋如下：

VCU：Vehicle Control Unit，車輛控制單元

RIOM：Remote Input/Output Module， 遠(yuǎn)端輸入輸出模塊

AIO板卡：Analog Input/Output 模擬量板卡

MCU： Microcontroller Unit 本文指AIO板卡處理器

SPI：Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口

1 模擬量板卡方案總體設(shè)計(jì)

在列車應(yīng)用中，模擬量的處理是通過(guò)模擬量板卡（AIO板卡），在應(yīng)用中將模擬量板卡通過(guò)卡槽連接到VCU或RIOM上，構(gòu)成了VCU或RIOM的部件之一，AIO板卡將采樣的輸入信號(hào)傳輸給VCU或RIOM主控制器，或接收VCU或RIOM主控制器的邏輯輸出需求輸出相應(yīng)的信號(hào)到外圍裝置，如圖1所示。

AIO板卡在物理上同屬于低速板卡，負(fù)責(zé)模擬量信號(hào)的處理，并通過(guò)串行總線同VCU/RIOM主控制器板卡之間進(jìn)行通信。

下圖為一實(shí)際應(yīng)用案例，AIO板卡總體方案設(shè)計(jì)如下圖。

AIO板卡內(nèi)部電路如圖2所示，前面板連接器是AIO板卡與外圍裝置的接口，通過(guò)硬線連接外圍裝置；外部輸入輸出接口分為4組，前兩組分別是兩通道模擬量信號(hào)輸入，第三組是兩通道模擬量輸出，第四組是恒壓輸出；模擬量輸入輸出模塊和處理器通過(guò)多通道SPI接口通信；背板連接器是AIO板卡與VCU、RIOM主控控制器的通信接口，處理器與系統(tǒng)主控板卡之間的通信方式是RS485。

第一組模擬量輸入檢測(cè)模塊，包括2路模擬量輸入采集通道，將外部裝置的模擬量輸入信號(hào)，通過(guò)硬線連接方式經(jīng)前面板連接器采集進(jìn)來(lái)，經(jīng)模擬量輸入檢測(cè)模塊通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，經(jīng)過(guò)SPI接口，將數(shù)字量信號(hào)傳遞給MCU， MCU處理后的數(shù)字量信號(hào)經(jīng)過(guò)RS485協(xié)議，經(jīng)背板連接器傳遞給VCU或RIOM控制器，完成整個(gè)模擬量輸入信號(hào)的采集和傳輸；

第二組為模擬量輸入檢測(cè)模塊，結(jié)構(gòu)與功能同第一組，和第一組一起共同支持四通道模擬量信號(hào)的輸入，可根據(jù)列車的實(shí)際需求設(shè)計(jì)匹配數(shù)量的通道輸入；

第三組為模擬量輸出模塊，雙通道模擬量信號(hào)輸出，可通過(guò)編程的方式配置為模擬量電流輸出或電壓輸出，VCU、RIOM通過(guò)背板連接器經(jīng)RS485通信將數(shù)字信號(hào)傳輸給MCU， MCU通過(guò)SPI接口將數(shù)字量傳輸給模擬量輸出模塊，模擬量輸出模塊經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)，經(jīng)前面板連接器，以硬線連接的方式輸出至相應(yīng)的外部裝置，完成整個(gè)模擬量信號(hào)的輸出控制；

第四組為±DC15V電源輸出通道，可驅(qū)動(dòng)一定的負(fù)載。板卡處理器經(jīng)由RS485電路，經(jīng)由背板實(shí)現(xiàn)AIO板卡與系統(tǒng)主控板卡的通信。

2 模擬量輸入檢測(cè)模塊

任意一組的模擬量輸入檢測(cè)模塊原理如下圖所示：

本案中ADC芯片采用AD7321BRUZ，是ADI公司產(chǎn)品。該IC具有如下特性：支持多量程輸入；支持多通道輸入；轉(zhuǎn)換分辨率支持12位以上；支持SPI串行接口。

實(shí)際AD7321BRUZ芯片ADC電路設(shè)計(jì)圖如下所示：

見(jiàn)圖3和圖5，采集完成的模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器后生成AIN1和AIN2信號(hào)，AIN1和AIN2信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，完成對(duì)模擬量信號(hào)到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，然后將數(shù)字量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)SPI接口傳輸給MCU控制器。

3 模擬量輸出模塊

模擬量輸出模塊原理如下圖所示：

如圖 6所示MCU的數(shù)字量信號(hào)經(jīng)SPI，經(jīng)過(guò)數(shù)字隔離電路到DAC單元，完成數(shù)/模轉(zhuǎn)換，完成模擬量信號(hào)輸出，并通過(guò)運(yùn)算放大器和ADC進(jìn)行輸出信號(hào)回踩，形成閉環(huán)。在技術(shù)上具有如下特點(diǎn)：

? 可編程實(shí)現(xiàn)電流或電壓模擬量信號(hào)的輸出；

? 對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行ADC采樣，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的閉環(huán)控制與過(guò)流過(guò)壓檢測(cè)，提高了輸出精度，并具備故障檢測(cè)能力；

其中DAC芯片在該實(shí)例中采用ADI公司的AD5755-1，功能框圖如下：

如圖7，AD5755-1有如下特性：支持多通道電流/電壓模擬信號(hào)輸出；支持16位分辨率；可編程支持多量程輸出電壓和電流范圍；支持SPI；

AD5755-1芯片DAC電路設(shè)計(jì)圖如下所示：

如圖8所示，MCU通過(guò)SPI接口，將數(shù)字量信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字隔離芯片傳遞給DAC單元，DAC完成轉(zhuǎn)換，將具備閉環(huán)控制的精確模擬信號(hào)輸出，圖中OUTA1/OUTA2為模擬量輸出端口。

4 模擬量通信傳輸

該案中，模擬量在DAC/ADC/MCU之間的傳輸方式采用SPI接口。SPI是一種高速的，全雙工，基于主從模式的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，分別是SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出），SCK（時(shí)鐘），CS（片選）。其中通過(guò)片選功能使得主從通信能夠?qū)崿F(xiàn)一對(duì)多。

在本文方案中多通道SPI通信體現(xiàn)如下：

? 多路模擬量輸入采集，ADC通道SPI，本案中為共用兩路SPI；

? 多通道模擬量輸出，DAC通道SPI，本案中共用一路SPI；

? 多通道模擬量輸出回踩，ADC通道SPI，本案中共用一路SPI；

具體方案如下圖所示：

見(jiàn)圖9，本案設(shè)計(jì)四通道SPI，分別為SPI1，SPI2，SPI3，SPI4。其中SPI1和SPI2采用一主二從的模式，MCU為主，AIO_Input_G1和AIO_Input_G1為兩從，AIG1_CS和AIG2_CS構(gòu)成了兩互斥的片選信號(hào)，共享SCLK，SDI，SDO信號(hào)線。SPI3和SPI4為一主一從模式。

圖中AIO_Input_G1和AIO_Input_G1是兩組模擬量輸入采樣單元，共采集四路模擬量通道信號(hào)，AIO_Output是模擬量輸出單元，控制兩路模擬量輸出通道。

5 結(jié)論

本文通過(guò)一實(shí)際模擬量設(shè)計(jì)方案，剖析了多通道模擬量輸入、輸出、閉環(huán)檢測(cè)、以及SPI接口的技術(shù)原理和詳細(xì)的設(shè)計(jì)原理。本文強(qiáng)調(diào)了ADC/DAC/SPI等技術(shù)在模擬量信號(hào)處理的具體應(yīng)用，理論聯(lián)系實(shí)際，為后續(xù)列車和其他領(lǐng)域模擬量處理的方案設(shè)計(jì)以及列車故障診斷領(lǐng)域能夠提供一定的參考價(jià)值。

本案中所述的技術(shù)方案在列車控制系統(tǒng)中已經(jīng)得到長(zhǎng)期的實(shí)踐應(yīng)用證明穩(wěn)定可靠，其中也詳細(xì)研究過(guò)國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的列車控制系統(tǒng)方案商關(guān)于模擬量信號(hào)的處理技術(shù)方案基本一致，具有比較通用廣泛的參考意義。

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【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】