具有TRDP和MVB功能的输入输出模块设计*

夏好广， 王立文， 余 健， 张 明

(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)

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IEC 61375-2-5已经规定了列车以太网通信协议规范。TRDP(Train Real-time Data Protocol)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110 V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

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(CPU1)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(CPU2)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5 V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 INTERBUS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5 V转换到外部车辆侧直流110 V用于驱动继电器开关，内部的5 V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110 V转5 V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。110 V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TCNopen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CPU1中以独立线程运行。SPI模块在CPU1中，以独立线程运行，负责将TRDP模块收到的数据处理后最终发送给CPU2，同时将CPU2要返回的车辆测数据通过TRDP模块发出。MVB模块在CPU2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CPU2，同时CPU2也通过SPI反馈数据最终通过TRDP发出。

图5-1 主控卡CPU1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CPU2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10 ms。图7-1为通过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30 ms，2 min内时间抖动最大8 ms，满足车辆要求。

图6 输入输出模块响应时间测试

图7-1 TRDP数据超时统计

图7-2 TRDP数据抖动统计