具有TRDP和MVB功能的輸入輸出模塊設(shè)計*

夏好廣， 王立文， 余 健， 張 明

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

現(xiàn)代化高速動車組普遍采用列車網(wǎng)絡(luò)控制管理系統(tǒng)對車輛進行檢測、控制和診斷[1]，作為動車組的神經(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、車門及照明等各個子系統(tǒng)。包括中央控制單元、中繼器、人機交互界面及輸入輸出模塊等多個設(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)的控制和信號采集都通過硬線匯總到每節(jié)車廂的電氣柜，然后通過輸入輸出模塊完成與動車網(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各車輛單元設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控。

當前動車組主要采用基于TCN的列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，車輛級通信采用MVB總線。隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，動車組對數(shù)據(jù)量傳輸?shù)囊笠膊粩嗵嵘?，以太網(wǎng)通信技術(shù)逐漸成熟，基于以太網(wǎng)的車輛網(wǎng)絡(luò)是未來一個重要技術(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、價格低廉、容易與信息系統(tǒng)集成[2]等優(yōu)點，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,用于軌道交通實時以太網(wǎng)絡(luò),對于鐵路用以太網(wǎng)，提高實時性、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，同時考慮到列車輸入輸出模塊對輸入輸出通道數(shù)目的可變化需求，我們采用標準3U尺寸的機箱式設(shè)計方案，主控器內(nèi)移植TRDP協(xié)議，同時集成一款STM32微控制器用于擴展總線與MVB板卡通信。設(shè)計INTERBUS總線的輸入輸出板卡實現(xiàn)可擴展的輸入輸出功能。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

輸入輸出模塊分布于每節(jié)車廂的電氣柜內(nèi)，向上通過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處理器運行qnx實時操作系統(tǒng)，主要實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議控制。處理器2采用STM32F427控制器通過INTERBUS主站芯片與輸入輸出板卡通信,通過總線進行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

主控制板卡采用雙CPU芯片設(shè)計，處理器1(CPU1)采用cotex-A9處理器運行qnx實時操作系統(tǒng)，用于TRDP通信功能，它自帶的網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)變壓器接到外部,為了實現(xiàn)雙路網(wǎng)絡(luò)接口,另外一路網(wǎng)絡(luò)接口使用PCIe高速接口通過協(xié)議芯片82574擴展。為了便于故障記錄或變量配置的存儲。通過自帶的EIM總線連接到NVRAM存儲芯片。

為了實現(xiàn)功能的獨立化，我們將TRDP部分的功能單獨運行在qnx系統(tǒng)，而MVB通信部分和控制仲裁部分則采用另外一個處理器(CPU2)實現(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)置不同類型的存儲器設(shè)備訪問模式,采用FSMC接口與MVB通信。通過串口控制器與INTERBUS主站芯片連接構(gòu)成INTERBUS總線，由于INTERBUS采用RS485標準進行數(shù)據(jù)傳輸，所以在接入背板之前要通過緩沖器進行轉(zhuǎn)換。背板統(tǒng)一用5 V電平標準，進入背板之前要通過總線緩沖器進行電平隔離轉(zhuǎn)換。2個CPU芯片之間為了信息透傳，設(shè)計了SPI和兩個硬線IO信號連接，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

我們將輸入和輸出功能分別用獨立的板卡實現(xiàn)，以便于維護和管理。INTERBUS總線是國際通用總線之一，采用RS485傳輸[4-5]，抗共模干擾能力強。通過采用物理環(huán)形網(wǎng)絡(luò)和移位寄存器的方法，總線系統(tǒng)不必進行設(shè)置地址和按址傳輸?shù)姆椒ǎ?INTERBUS的設(shè)備可以簡單地安裝，迅速地進行現(xiàn)場調(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)動繼電器開關(guān)，內(nèi)部的5 V數(shù)字量由 INTERBUS 主站通過背板總線傳送過來，然后經(jīng)過此板卡INTERBUS從站芯片的多功能引腳輸出，經(jīng)過驅(qū)動電路控制外部狀態(tài)，為了在線查看輸出狀態(tài)，每一路都分別設(shè)計反饋輸入，用于診斷板卡工作狀態(tài)。驅(qū)動電路和反饋通路都采用光藕進行有效的隔離。此板卡一共有8路輸出，對應(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INTERBUS從站芯片由機箱背板總線傳送給主控制板卡。每塊輸入板卡設(shè)計包含16路開關(guān)輸入，每一路采集電路相同。110 V經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路后通過光藕進行隔離。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，當配置為數(shù)字輸入的時候，MFP引腳的值可以直接被從芯片記錄到內(nèi)部寄存器。主站在輪詢的過程中得到此輸入狀態(tài)。

4 軟件設(shè)計

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，主控板卡軟件主要完成功能概括為(1)TRDP模塊,負責(zé)初始化及數(shù)據(jù)通訊；(2)SPI模塊,負責(zé)2個CPU之間數(shù)據(jù)傳輸；(3)MVB模塊,負責(zé)MVB的初始化及數(shù)據(jù)通訊；(4)INTERBUS模塊,負責(zé)系統(tǒng)的IO初始化及數(shù)據(jù)通訊。(5)仲裁模塊,負責(zé)模式控制及診斷工作。

TRDP部分我們通過移植TRDP行業(yè)團體TCNopen的開源代碼來實現(xiàn)。采用組播地址進行發(fā)送和接收。該部分模塊在CPU1中以獨立線程運行。SPI模塊在CPU1中，以獨立線程運行，負責(zé)將TRDP模塊收到的數(shù)據(jù)處理后最終發(fā)送給CPU2，同時將CPU2要返回的車輛測數(shù)據(jù)通過TRDP模塊發(fā)出。MVB模塊在CPU2中運行。INTERBUS協(xié)議芯片內(nèi)部封裝了完善的通訊協(xié)議，微控制器通過串口發(fā)送操作指令。對輸入輸出板卡進行初始化包括波特率設(shè)置、板ID號解析，初始化完成后將數(shù)據(jù)段發(fā)送出去。指令發(fā)送后進行CRC校驗以確保數(shù)據(jù)被完整的傳輸。診斷模塊位于CPU2,負責(zé)匯總IO信息以及來自TRDP和MVB的信息，可以通過讀取配置信息來決定最終的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)啟動后執(zhí)行參數(shù)配置，分別創(chuàng)建TRDP和SPI獨立線程，初始化及收發(fā)錯誤將直接通過設(shè)置診斷位來標志。TRDP的接收的數(shù)據(jù)會通過SPI下發(fā)到CPU2，同時CPU2也通過SPI反饋數(shù)據(jù)最終通過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。程序開始先進行系統(tǒng)初始化工作,包括GPIO、時鐘定時器等工作，然后進行MVB配置，配置成功與否會產(chǎn)生內(nèi)部標識位。INTERBUS初始化階段主要完成INTERBUS屬性配置。SPI數(shù)據(jù)到來后進行SPI的數(shù)據(jù)和MVB的數(shù)據(jù)進行匯總，根據(jù)協(xié)議要求的控制模式選擇生效指令，最后通過INTERBUS讀寫操作對I/O進行控制操作。在I/O操作完成后會得到輸入卡采集的數(shù)據(jù)，同樣根據(jù)協(xié)議要求對數(shù)據(jù)buffer進行處理后更新到MVB的發(fā)送區(qū)和SPI的發(fā)送區(qū)。整個邏輯過程中主要的讀寫操作必須根據(jù)反饋情況設(shè)置標志位，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)測試

為了驗證整個方案的功能，搭建了測試系統(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)時間主要是軟件流程內(nèi)部的操作和主動延時。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)時間約為10 ms。圖7-1為通過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，沒有響應(yīng)超時的數(shù)據(jù)。將抓取的數(shù)據(jù)包時間間隔進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖7-2所示，設(shè)定周期30 ms，2 min內(nèi)時間抖動最大8 ms，滿足車輛要求。

圖6 輸入輸出模塊響應(yīng)時間測試

圖7-1 TRDP數(shù)據(jù)超時統(tǒng)計

圖7-2 TRDP數(shù)據(jù)抖動統(tǒng)計