列車模擬信號應用關鍵技術研究

王勝啟 王坤飛 王強

摘要：在列車控制系統中，模擬量信號在列車的控制中廣泛應用，技術實現上要求系統對相關模擬量信號的進行輸入采樣，實現對列車的狀態管理，其次要求通過模擬量的輸出實現對列車裝置的控制，然后要求信號能在系統中可靠的傳輸。在模擬量的輸入和輸出中，分別需要要用到A/D，D/A轉換，或稱為ADC，DAC，在通信傳輸中常見的是多通道SPI通信方案。

關鍵詞：ADC；DAC；SPI；MCU；VCU；RIOM

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）12-0281-03

隨著列車運行技術的高速化、智能化發展，列車控制系統處理的信號數量和種類與日俱增，最常見就是數字量信號和模擬量信號。數字量信號的邏輯控制主要實現邏輯控制、順序控制，技術實現相對簡單；模擬量的特點是連續變化的，形式上分為模擬電流和電壓信號。由于模擬量動態變化和連續性，技術實現上需經過A/D和D/A的轉換，并選擇合適的通信方式傳輸，如本文中的多通道SPI。

本文結合實際模擬量板卡的軟硬件設計案例詳細剖析列車中模擬量信號的輸入采樣，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，串行外設接口

1 模擬量板卡方案總體設計

在列車應用中，模擬量的處理是通過模擬量板卡（AIO板卡），在應用中將模擬量板卡通過卡槽連接到VCU或RIOM上，構成了VCU或RIOM的部件之一，AIO板卡將采樣的輸入信號傳輸給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的信號到外圍裝置，如圖1所示。

AIO板卡在物理上同屬于低速板卡，負責模擬量信號的處理，并通過串行總線同VCU/RIOM主控制器板卡之間進行通信。

下圖為一實際應用案例，AIO板卡總體方案設計如下圖。

AIO板卡內部電路如圖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，處理器與系統主控板卡之間的通信方式是RS485。

第一組模擬量輸入檢測模塊，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，通過硬線連接方式經前面板連接器采集進來，經模擬量輸入檢測模塊通過A/D轉換，將模擬量信號轉換為數字量信號，經過SPI接口，將數字量信號傳遞給MCU， MCU處理后的數字量信號經過RS485協議，經背板連接器傳遞給VCU或RIOM控制器，完成整個模擬量輸入信號的采集和傳輸；

第二組為模擬量輸入檢測模塊，結構與功能同第一組，和第一組一起共同支持四通道模擬量信號的輸入，可根據列車的實際需求設計匹配數量的通道輸入；

第三組為模擬量輸出模塊，雙通道模擬量信號輸出，可通過編程的方式配置為模擬量電流輸出或電壓輸出，VCU、RIOM通過背板連接器經RS485通信將數字信號傳輸給MCU， MCU通過SPI接口將數字量傳輸給模擬量輸出模塊，模擬量輸出模塊經過D/A轉換，將數字量信號轉換為模擬量信號，經前面板連接器，以硬線連接的方式輸出至相應的外部裝置，完成整個模擬量信號的輸出控制；

第四組為±DC15V電源輸出通道，可驅動一定的負載。板卡處理器經由RS485電路，經由背板實現AIO板卡與系統主控板卡的通信。

2 模擬量輸入檢測模塊

任意一組的模擬量輸入檢測模塊原理如下圖所示：

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

實際AD7321BRUZ芯片ADC電路設計圖如下所示：

見圖3和圖5，采集完成的模擬量信號經過運算放大器后生成AIN1和AIN2信號，AIN1和AIN2信號經過A/D轉換，完成對模擬量信號到數字量的轉化，然后將數字量數據經過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的數字量信號經SPI，經過數字隔離電路到DAC單元，完成數/模轉換，完成模擬量信號輸出，并通過運算放大器和ADC進行輸出信號回踩，形成閉環。在技術上具有如下特點：

? 可編程實現電流或電壓模擬量信號的輸出；

? 對輸出電壓信號進行ADC采樣，實現輸出信號的閉環控制與過流過壓檢測，提高了輸出精度，并具備故障檢測能力；

其中DAC芯片在該實例中采用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電路設計圖如下所示：

如圖8所示，MCU通過SPI接口，將數字量信號經過數字隔離芯片傳遞給DAC單元，DAC完成轉換，將具備閉環控制的精確模擬信號輸出，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（數據輸入），SDO（數據輸出），SCK（時鐘），CS（片選）。其中通過片選功能使得主從通信能夠實現一對多。

在本文方案中多通道SPI通信體現如下：

? 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：

見圖9，本案設計四通道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構成了兩互斥的片選信號，共享SCLK，SDI，SDO信號線。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，AIO_Output是模擬量輸出單元，控制兩路模擬量輸出通道。

5 結論

本文通過一實際模擬量設計方案，剖析了多通道模擬量輸入、輸出、閉環檢測、以及SPI接口的技術原理和詳細的設計原理。本文強調了ADC/DAC/SPI等技術在模擬量信號處理的具體應用，理論聯系實際，為后續列車和其他領域模擬量處理的方案設計以及列車故障診斷領域能夠提供一定的參考價值。

本案中所述的技術方案在列車控制系統中已經得到長期的實踐應用證明穩定可靠，其中也詳細研究過國內外領先的列車控制系統方案商關于模擬量信號的處理技術方案基本一致，具有比較通用廣泛的參考意義。

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【通聯編輯：梁書】