軌道交通試驗(yàn)臺通用控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張相田

（中車青島四方車輛研究所有限公司技術(shù)中心，山東 青島 266031）

關(guān)鍵字：軌道交通試驗(yàn)臺；控制器；靈活配置；性能可靠

前言

隨著動(dòng)車組和城軌車輛的迅速發(fā)展，其核心控制系統(tǒng)均需要配套的試驗(yàn)臺來滿足其功能、邏輯、算法和性能的測試。試驗(yàn)臺的工作原理是控制被測設(shè)備依次執(zhí)行相應(yīng)的操作，并實(shí)時(shí)采集被測設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)來判斷被測設(shè)備的功能和性能是否滿足設(shè)計(jì)需求或滿足車輛產(chǎn)品日常檢修指標(biāo)的要求。

目前多數(shù)試驗(yàn)臺的控制器使用通用工控機(jī)和配套的采集板卡方案。該類方案的通用工控機(jī)和采集卡的硬件易于購買和集成，軟件可以直接拷貝，不利于知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。傳統(tǒng)的工控機(jī)一般不滿足軌道交通核心控制系統(tǒng)具有多路并行采集、智能運(yùn)維、支持局域網(wǎng)組網(wǎng)和廣域網(wǎng)接入等功能要求，另外工控機(jī)的成本相對較高。

針對現(xiàn)有軌道交通核心控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺控制器方案的不足，本文提供一種基于ZYNQ(ARM+FPGA）作為主處理器， CPLD和MCU作為從處理器的嵌入式軌道交通試驗(yàn)臺通用控制器系統(tǒng)方案。

1 系統(tǒng)組成

軌道交通試驗(yàn)臺通用控制器根據(jù)功能進(jìn)行模塊化劃分和設(shè)計(jì)?？傮w劃分為7個(gè)模塊分別為：CPU板、電源板、模擬量采集板（AI）、模擬量輸出板（AO）、數(shù)字量采集板（DI）、數(shù)字量輸出板（DO）和背板。其中，電源板通過背板為系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)板卡提供電源。模擬量采集卡采用CPLD作為主處理器，可以并行采集多路高速信號，并通過自主開發(fā)的高速串行通信方式和CPU板卡的FPGA通信。模擬量輸出板卡、數(shù)字量采集板卡和數(shù)字量輸出板卡通過CAN通信接口和CPU板卡的ARM處理器進(jìn)行通信。軌道交通試驗(yàn)臺通用控制器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軌道交通試驗(yàn)臺通用控制器總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU板

軌道交通試驗(yàn)臺通用控制器CPU板卡的主處理器采用Xilinx公司Zynq 平臺的XC7Z020芯片，可為高端嵌入式應(yīng)用提供性能處理與計(jì)算[1]該芯片內(nèi)部集成ARM和FPGA。在通用控制器CPU板卡的ARM上運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)并從FPGA內(nèi)部的雙口RAM讀取FPGA的從IO卡獲取的數(shù)據(jù)，調(diào)用內(nèi)部算法模塊處理后將結(jié)果再寫入雙口RAM，由FPGA 讀取，F(xiàn)PGA再將讀取的結(jié)果下發(fā)到相應(yīng)的IO板卡，從而起到CPU板卡采集和控制IO板卡的功能[2]。此外，該板卡還具有以太網(wǎng)通信功能、無線通信和大數(shù)據(jù)存儲功能，可為后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘提供技術(shù)支撐。通過芯片的FPGA擴(kuò)展多路高速串行通信接口（SSB總線）。CPU板卡功能框圖如圖2所示：

圖2 CPU板卡功能框圖

2.2 模擬量采集卡

該板卡采用ADI的多通道、雙極性、同步采樣ADC芯片AD7606進(jìn)行模擬信號采集[3]。單板卡應(yīng)用兩片AD7606可以采集16路模擬量，應(yīng)用TI的24位精密ADC芯片ADS122U04進(jìn)行PT100的采集，CPLD作為處理器將AD7606與ADS122U04轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)通過專用高速總線SSB或標(biāo)準(zhǔn)CAN總線將數(shù)據(jù)傳送至CPU板卡處理。模擬量采集卡的功能框圖如圖3所示。

圖3 MVB控制器功能框圖

2.3 數(shù)字量采集卡

數(shù)字量采集卡板卡采用TI的隔離式、雙通道數(shù)字輸入接收芯片ISO1212DBQR進(jìn)行數(shù)字信號采集，并對采集通道設(shè)計(jì)自測試功能。STM32F107作為處理器將ISO1212DBQR采 集并轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳送至CPU板卡處理。每塊數(shù)字量采集卡可采集32路DI信號。數(shù)字量采集板卡的功能框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)字量采集卡

2.4 模擬量輸出卡

模擬量輸出卡板卡采用ADI的集成四通道DAC芯片AD5755-1進(jìn)行16模擬信號輸出。為了保證AO輸出的可靠性和安全性，板卡采用隔離芯片進(jìn)行控制信號與輸出信號的隔離。AO板卡的主控芯片采用STM32F107，通過CAN總線與CPU板卡通信。模擬量輸出卡的功能框圖如圖5所示。

圖5 模擬量輸出卡

2.5 數(shù)字量輸出卡

該板卡采用TI的四通道數(shù)字輸出芯片TPS4H000-Q1實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號輸出，數(shù)字信號的電壓由外部電源通過面板連接器提供。DO板卡的MCU采用STM32F107，通過CAN總線 與CPU板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和控制。每路數(shù)字信號輸出通過TI的數(shù)字輸入芯片ISO1212實(shí)現(xiàn)反饋診斷。數(shù)字量輸出卡的功能框圖如圖6所示。

2.6 電源板

電源板卡負(fù)責(zé)將外部電源輸入轉(zhuǎn)換為通用控制器所需要的±15 V和5 V直流電源。電源板卡采用隔離DC/DC模塊設(shè)計(jì)，輸入端具有過壓保護(hù)電路、過流保護(hù)電路、濾波電路；輸出端通過背板連接器與背板連接。電源板卡硬件架構(gòu)如圖7所示：

圖7 電源板卡硬件架構(gòu)

2.7 背板

背板采用SSB總線和CAN串行總線，可提智能數(shù)據(jù)采 集快速并行采集和產(chǎn)品的擴(kuò)展性。背板用于連接CPU板、電源板、數(shù)字量采集板、模擬量采集板、數(shù)字量輸出板和模擬量輸出板等各功能板卡。CPU板卡可通過背板的SSB總線和CAN總線管理模擬量采集卡，通過CAN總線管理其他IO卡。

3 軟件設(shè)計(jì)

軌道交通試驗(yàn)臺通用控制器軟件平臺主要由CPU板軟件、各IO板（AI、DI、DO、AO）軟件和上位機(jī)軟件三部分組成。通用控制器最核心的軟件設(shè)計(jì)為高速數(shù)據(jù)采集軟件和遠(yuǎn)程維護(hù)軟件。

3.1 高速采集軟件

CPLD通過內(nèi)部的A/D控制器模塊將外部多路模擬量信號高速并行采樣。采樣后的多路數(shù)據(jù)在CPLD內(nèi)部進(jìn)行緩存，緩存后的數(shù)據(jù)通過SSB總線，經(jīng)過背板的LVDS信號傳輸至CPU板卡的FPGA處理器，F(xiàn)PGA處理器通過ZYNQ芯片內(nèi)部的AXI總線傳送給ARM。高速輸出傳輸?shù)逆溌房驁D如圖8所示。

圖8 通用控制器高速數(shù)據(jù)采集

3.2 遠(yuǎn)程維護(hù)軟件

軌道交通試驗(yàn)臺通用控制器支持遠(yuǎn)程軟件維護(hù)功能。上位機(jī)或者遠(yuǎn)程界面下發(fā)升級指令后，產(chǎn)品的主處理器ARM會(huì)判斷產(chǎn)品目前是否具備軟件升級條件。如果升級條件具備，將自動(dòng)接收升級軟件包并升級相應(yīng)處理器的程序。遠(yuǎn)程軟件升級流程如圖9所示。

圖9 遠(yuǎn)程維護(hù)軟件流程

4 結(jié)束語

軌道交通試驗(yàn)臺通用控制器的成功研制解決了軌道交通多類核心控制系統(tǒng)測試臺重復(fù)開發(fā)的問題?？刂破魍ㄟ^模塊化設(shè)計(jì)，具備高速并行采集、支持二次開發(fā)和靈活擴(kuò)展能力，系統(tǒng)的最小單元基本滿足小型試驗(yàn)臺的功能需求，又可以通過硬件靈活擴(kuò)展或者無線有線通信方式獲取分布式終端產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)分布式布局并滿足大型試驗(yàn)臺控制需求。軌道交通試驗(yàn)臺通用控制器的成功研制和使用，節(jié)省了重復(fù)研發(fā)的勞動(dòng)力，降低了測試臺維護(hù)的成本，對后續(xù)核心控制系統(tǒng)的測試提供了有效的解決方案。

圖10