軌道交通試驗臺通用控制器的設(shè)計與實現(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：軌道交通試驗臺；控制器；靈活配置；性能可靠

前言

隨著動車組和城軌車輛的迅速發(fā)展，其核心控制系統(tǒng)均需要配套的試驗臺來滿足其功能、邏輯、算法和性能的測試。試驗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，并實時采集被測設(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)計需求或滿足車輛產(chǎn)品日常檢修指標的要求。

目前多數(shù)試驗臺的控制器使用通用工控機和配套的采集板卡方案。該類方案的通用工控機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。傳統(tǒng)的工控機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臺通用控制器系統(tǒng)方案。

1 系統(tǒng)組成

軌道交通試驗臺通用控制器根據(jù)功能進行模塊化劃分和設(shè)計。總體劃分為7個模塊分別為：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處理器進行通信。軌道交通試驗臺通用控制器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軌道交通試驗臺通用控制器總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

2.1 CPU板

軌道交通試驗臺通用控制器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或標準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進行數(shù)字信號采集，并對采集通道設(shè)計自測試功能。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

電源板卡負責將外部電源輸入轉(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，輸入端具有過壓保護電路、過流保護電路、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

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

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 遠程維護軟件

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

圖9 遠程維護軟件流程

4 結(jié)束語

軌道交通試驗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。控制器通過模塊化設(shè)計，具備高速并行采集、支持二次開發(fā)和靈活擴展能力，系統(tǒng)的最小單元基本滿足小型試驗臺的功能需求，又可以通過硬件靈活擴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)，實現(xiàn)分布式布局并滿足大型試驗臺控制需求。軌道交通試驗臺通用控制器的成功研制和使用，節(jié)省了重復(fù)研發(fā)的勞動力，降低了測試臺維護的成本，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