基于INTERBUS總線技術的輸入輸出工作站的實現

王立文，閆迷軍

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機電技術開發公司，北京，100094）

專題研究

基于INTERBUS總線技術的輸入輸出工作站的實現

王立文1，2，閆迷軍2

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機電技術開發公司，北京，100094）

在分析了高速動車組MVB網絡輸入輸出設備技術應用的基礎上，依據INTERBUS總線技術基礎，介紹了輸入輸出工作站的硬件結構及設計實現，介紹了輸入輸出工作站的軟件設計及性能驗證。

INTERBUS總線；輸入輸出工作站；MVB通信

高速動車組網絡技術，從系統集成的角度也稱為列車網絡控制系統，它包含了網絡集成所必需的網絡設備：中央控制單元CCU、網絡輸入輸出設備、HMI顯示器、網絡中繼器和各個網絡功能單元等。通過網絡技術的載體，列車網絡控制系統最終實現高速動車組的整車網絡系統的集成，為動車組的集成控制提供技術保證。列車網絡控制系統是高速動車組的神經中樞，承擔著整個動車組的控制、監視、診斷與保護任務，負責完成列車的運行控制、監視、診斷功能，通過列車網絡控制和管理列車的牽引系統、制動系統、高壓系統、輔助供電、空調、行車安全設備、車門、照明等幾乎所有子系統，在列車運行、維護中起著極其重要的作用，是高速動車組的核心關鍵技術之一。

網絡控制系統輸入輸出設備是網絡控制系統的外部輸入輸出采集及驅動系統，為網絡控制系統提供輸入狀態變量，并且輸出控制命令，以便驅動相應的執行機構動作，實現通過網絡控制系統的整車邏輯控制功能，實現了動車組整車控制和監視診斷的功能，沒有這些網絡控制系統的輸入輸出設備，動車組將無法實現整車控制，無法將動車組中央控制單元與整車聯系在一起。由于其特殊重要的地位，所以這些網絡控制系統輸入輸出設備也成為各大鐵路機車和動車組供貨商投入巨資研發和生產的重要產品。

國外，作為歐洲主要的整車集成商的西門子，在其集成的SIBAS32系統中，網絡控制系統的輸入輸出設備有Compact PT100，CompactIO和KLIP IO這些輸入輸出設備。同樣的，在法國阿爾司通和加拿大的龐巴迪公司的網絡控制系統產品系列中，也有輸入輸出設備的產品，實現相同的集成功能。

國內鐵路行業的網絡控制系統的產品廠家也推出相關產品，有傳統的集成在功能設備的輸入輸出板卡或接口，也有集成在一體化的輸入輸出設備。

1 INTERBUS總線

INTERBUS總線技術于1983年由菲尼克斯公司為主開發，并且于1987年推向市場，2000年成為IEC 61158的一部分?？偩€拓撲結構是環形裝，傳輸速率分為500 kbit／s和2 Mbit／s，傳輸物理標準是RS485，使用RS422物理標準則傳輸距離最大400 m（兩個遠距離設備點對點連接方式）。最多連接設備512個（遠距離設備最多數量是254個）。可以使用銅雙絞線、同軸線和光纖等不同物理介質的線纜連接，并且環路系統中通信前進和返回線可以在使用一個線纜實現。

INTERBUS總線技術特點：不需要網絡終端電阻，不需要設備地址設置，設備之間是點對點連接，不需要信號中繼，環路拓撲結構很容易擴展。INTERBUS總線技術是面向IO數據傳輸，具有高效率的IO數據傳輸效率，如表1所示：表中使用不同通信協議，控制20個輸入設備和12個輸出設備的協議效率對比表，每個輸入設備8位數據，每個輸出設備8位數據。

INTERBUS總線是主從結構通信方式，一個主站周期輪詢多個從站，主站是主控制器，從站是各個輸入輸出模塊。在周期輪詢時，主站也監視各個從站的工作狀態，包括通信鏈路的斷路、短路和受干擾等，并且能夠初步定位故障所在的從站。

表1 不同通信協議的傳輸效率對比表

2 輸入輸出工作站硬件設計

2.1 輸入輸出工作站硬件設計需求

高速動車組上，需要對各個電子執行機構進行驅動，并且檢測其狀態，例如升弓，合主斷等。在現在網絡化控制系統應用的動車組上，這些開關信號主要是由輸入輸出工作站來實現采集和發布，該模塊是網絡輸入輸出設備之一，是為了實現將多個開關量信號集中采集和發布，通過車載通信網絡與網絡控制系統的中央控制單元交互，為上層應用的實現提供這些開關量的狀態數據，并且執行上層應用發布的控制命令。

根據高速動車組這些應用需求和相關機械、電氣接口定義需求，該模塊主要的組成部分有：獨立電源部分，DC 110 V輸入模塊，DC 110 V輸出模塊，主CPU模塊和基座模塊。這幾部分組成了整體輸入輸出工作站，其中根據要求可以掛接多個DC 110 V輸入模塊（最多12個模塊）和多個DC 110 V輸出模塊（最多12個模塊）。該工作站結構設計可以為以后更多輸入輸出模塊的掛接提供擴展。

2.2 輸入輸出工作站殼體設計

所有輸入輸出工作站殼體采用統一系列化設計風格，滿足DIN35導軌安裝，不僅要滿足所有殼體強度要求，還要美觀實用。在考慮電磁兼容方面，主要的是CPU模塊是敏感的部件，采用了全金屬殼體實現屏蔽的效果。輸入輸出模塊由于功率小，采用塑料殼體設計，同時在電路板級采取電磁兼容的設計，防范電磁干擾。電源部分采用了塑料殼體，由于空間受限和應用的要求，對于電源的額定功率最大限制在100 W之內，這樣對于電源部分的設計需要重點是在電磁兼容的方面。以下是輸入殼體、輸出殼體和總線模塊殼體設計效果圖，見圖1。圖2是CPU殼體設計效果圖。圖3是電源模塊殼體設計效果圖。

圖1 輸入、輸出和總線模塊殼體的設計效果圖

圖2 CPU殼體設計效果圖

圖3 電源模塊殼體設計效果圖

2.3 輸入輸出工作站電路設計

輸入輸出工作站主要由CPU模塊、DC 110V輸入模塊、DC 110 V輸出模塊、基座模塊和電源模塊組成。

學界對京劇歷史的研究一直頗為關注，著作與論文的精品佳作層出不窮。學者們對事物的歷史發展描述細致，但對理論的整合似乎總是有些欠缺，導致觀點總是在理論之前出現。

CPU模塊作為主要的執行部分，是輸入輸出站的核心部件。包括CPU電路、MVB通信電路和INTERBUS通信電路。CPU電路采用的是freescale公司的16位單片機MC9S12XD512，通過PC104總線接口與MVB通信模塊接口，CPU采用16 MHz的晶振；CPU通過串口通信與INTERBUS主站芯片接口。通過軟件實現對下進行輸入輸出模塊的INTERBUS通信，對上通過MVB與網絡控制系統的中央控制單元通信。硬件結構框圖如圖4所示。

圖4 CPU模塊的硬件電路結構框圖

輸入模塊主要的功能是將DC 110 V輸入的開關量轉換為標準數字量，通過INTERBUS從芯片將開關量發送出去。該模塊由兩塊電路板卡實現16個通道的開關量輸入。其中一塊板卡包含INTERBUS總線技術和8路開關量通道，另一塊板卡僅僅包含8路開關量通道。兩個板卡之間通過扁平電纜線實現開關信號數字化量的匯總，實現INTERBUS芯片對于16路數字信號的收集及發送。因此對于輸入模塊主要的硬件電路包含兩個大部分，一個是高電壓DC 110 V開關量的采集電路，將該開關量轉換為DC 5 V信號，通過光耦隔離，將DC 5 V信號和DC 110 V開關信號隔離，實現對電磁兼容的設計，保護了后級電路；另一個是以INTERBUS總監技術為基礎的數字通信電路，通過INTERBUS總線從芯片，建立了數字電路實現對于16路數字信號的采集，并且可以通過INTERBUS總線通信線路實現與CPU模塊的INTERBUS主芯片的數據通信。硬件結構框圖如圖5所示。

輸出模塊主要的功能是將數字控制信號轉換為輸出DC 110 V開關量，用以驅動執行機構。該數字控制信號也是通過INTERBUS總線由主芯片發布給從芯片的，然后再通過輸出級輸出DC 110 V開關量。該模塊由兩塊電路板卡實現8個通道的開關量輸出。其中一塊板卡包含INTERBUS總線技術和4路開關量通道，另一塊板卡僅僅包含4路開關量通道。兩個板卡之間通過扁平電纜線實現開關信號數字化量的匯總，實現INTERBUS芯片對于16路數字信號的收集及發送。

圖5 輸入模塊的硬件電路結構框圖

因此對于輸出模塊主要的硬件電路（見圖6）包含兩個大部分，一個是高電壓DC 110 V開關量的驅動電路，該電路將DC 5 V信號通過光耦隔離，轉換為DC 110 V輸出的開關信號，實現對電磁兼容的設計，保護了后級電路對前級電路影響，同時在后級驅動電路，每個輸出驅動通道提供了一路反饋信號，這個反饋信號也通過光耦轉換為數字信號，實現對輸出驅動通道的監測；另一個是以INTERBUS總監技術為基礎的數字通信電路，通過INTERBUS總線從芯片，建立了數字電路實現對于8路輸入狀態數字信號的采集和輸出8路數字控制命令，并且可以通過INTERBUS總線通信線路實現與CPU模塊的INTERBUS主芯片的數據通信。

圖6 輸出模塊的硬件電路結構框圖

基座模塊主要提供CPU模塊和輸入輸出模塊之間的通信鏈路，并且將CPU輸出的＋24 V電源轉換為＋5 V電源，為輸入輸出模塊提供＋5 V電源。

電源模塊將外部直流＋110 V電源轉換為＋24 V電源提供給CPU模塊。

輸入輸出工作站總體結構圖7如所示。

圖7 輸入輸出工作站的總體硬件結構框圖

輸入輸出工作站的通信信息流如圖8所示。

圖8 輸入輸出工作站的通信信息流

從圖7、圖8中，可見INTERBUS主站通過從站的位置可以識別從站，不需要在每個從站設置從站的地址，并且在初始化階段，主站就會確定從站的數量和從站的輸入或輸出、數字量或者模擬量的設備屬性，相對于CAN總線，這是一個優點，只要是同屬性的設備就可以任意互換。

3 輸入輸出工作站軟件設計

輸入輸出站采用模塊式設計，包括輸入模塊和輸出模塊。一個輸出模塊包含8路輸出信號和8路輸入反饋信號，一個輸入模塊包含16路輸入信號。輸入模塊和輸出模塊數量可以任意組合，總模塊數最多不能超過16個。如果需要還可以擴展。輸入輸出站主要功能是控制輸出信號和反饋輸入信號。它上層提供MVB總線接口，支持接入MVB網絡，接受和發送MVB數據。底層使用INTERBUS總線，控制輸入輸出信號。軟件結構流程圖9所示。

輸入輸出站能夠自我檢測各個模塊的狀態，能夠自我診斷模塊的故障。具有如下故障診斷和指示：（1）MVB通信的NSDB錯誤；（2）移位寄存器錯誤，初始化INTERBUS不成功；（3）組件錯誤，INTERBUS初始化得到的模塊個數和NSDB不符，INTERBUS讀寫操作返回不成功。（4）一般故障，從MVB讀取數據失敗。（5）MVB故障指示燈，初始化為亮，MVB配置結果成功和失敗都亮，從MVB讀數據成功后滅，失敗亮，向MVB寫數據成功后滅，失敗亮。（6）I／O故障指示燈，初始化為亮，INTERBUS初始化成功后滅，INTERBUS讀寫數成功后滅，失敗亮。

圖9 輸入輸出工作站軟件流程框圖

4 輸入輸出工作站測試

在輸入輸出工作站研發后進行了性能對比試驗，測試方法是：在輸入輸出工作站第一個輸入模塊第一輸入通道發送脈沖，頻率1 Hz，占空比30%，并接示波器。在輸入輸出工作站的第一個輸出模塊的第一個輸出通道處接入示波器，檢查輸出脈沖信號。信號傳遞過程是：脈沖信號被輸入輸出工作站的輸入模塊采集，轉換成數字信號，通過MVB發送給主控單元，主控單元收到數據后，將數據立刻發回給輸入輸出工作站，輸入輸出工作站再輸出模塊輸出開關信號。在6個輸入模塊（每個模塊16個輸入通道）和6個輸出模塊（每個模塊8個輸出通道和8個輸出通道的狀態輸入）的配置下，測量輸入脈沖信號上升沿和輸出開關信號下降沿之間的延遲。如圖10所示。

經過大量的測試統計，在相同輸入通道和輸出通道數目的比較下，本產品的輸入輸出信號延遲測試應該在200～300 ms的范圍，國際上同類產品在相同的測試條件下輸入輸出延遲測試在200～270 ms的范圍，這樣的測試是輸入信號采集時間、MVB上行通信時間、MVB下行通信時間和輸出信號驅動時間。另外除了進行不同產品的對比試驗外，還進行了INTERBUS通信時間的測試和MVB周期時間的測試，在6個輸入模塊（每個模塊16個輸入通道）和6個輸出模塊（每個模塊8個輸出通道和8個輸出通道的狀態輸入）的配置下，輸入輸出工作站INTERBUS通信時間在6.7 ms。MVB周期時間在23 ms內。

圖10 輸入輸出工作站輸入與輸出延遲性能測試

輸入輸出工作站在半實物仿真實驗臺進行網絡控制系統整體性能測試，測試結果滿足動車組網絡集成功能要求，與中央控制單元的網絡交互功能正常。該產品進一步按照GB／T 25119標準要求進行了電磁兼容、環境試驗和振動試驗，各項指標滿足要求。

輸入輸出工作站已經在CJ2城際車上全列安裝，目前已經在實際運行線路上進行考核運行。同時在既有高速動車組上進行了運用考核試驗，已經圓滿完成30萬km的試驗驗證。

5 總 結

輸入輸出工作站作為動車組網絡控制系統中的輸入輸出設備，在同類產品中應該具有獨特的性能。既有的輸入輸出設備中有的采用CAN總線集成輸入輸出模塊實現網絡輸入輸出設備的功能，也有采用獨立模塊固定的輸入輸出端口數目。這兩種設備的缺點是：CAN總線集成的輸入輸出設備中具有固定設置的地址，在集成中必須事先設置完成，不屬于靈活配置的方案；另一類設備輸入輸出端口數目固定，不易靈活擴展，滿足不同應用需求。本產品基于在INTERBUS總線技術克服了這兩個缺陷，具有靈活擴展，不需要事先固定配置設備地址。模塊完全可以靈活拆卸，現場維修直接可以板卡替換，便于維修維護。

［1］ User manual IBS SUPI 3 UM E，PHOENIX CONTACT.

［2］ GB／T 25119－2010軌道交通 機車車輛電子裝置［S］.

［3］ IEC 61375-1.Electric Railway Equipmwent-Train Bus Part-1 Train Communication Network［S］.

［4］ 孫同景.Freescale 9S12十六位單片機原理及嵌入式開發技術［M］.北京：機械工業出版社，2008.

Realization of Input and Output Workstation Based on INTERBUS Field Bus Technology

WANG Liwen1，YAN Mijun2
（1 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co.，Beijing 100094，China）

This paper analyzes the technology application of MVB network＇s input and output devices for CRH3EMU，introduces in detail the hardware structure and design implementation of input and output workstation based on INTERBUS field bus technology，and also introduces the software design and performance verification of input and output workstation.

INTERBUS field bus；input and output workstation；MVB

U285.5

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.03

1008－7842（2016）06－0009－05

1—）男，副研究員（

2016－07－07）