基于INTERBUS总线技术的输入输出工作站的实现

王立文，闫迷军

（1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081；2 北京纵横机电技术开发公司，北京，100094）

专题研究

基于INTERBUS总线技术的输入输出工作站的实现

王立文1，2，闫迷军2

（1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081；2 北京纵横机电技术开发公司，北京，100094）

在分析了高速动车组MVB网络输入输出设备技术应用的基础上，依据INTERBUS总线技术基础，介绍了输入输出工作站的硬件结构及设计实现，介绍了输入输出工作站的软件设计及性能验证。

INTERBUS总线；输入输出工作站；MVB通信

高速动车组网络技术，从系统集成的角度也称为列车网络控制系统，它包含了网络集成所必需的网络设备：中央控制单元CCU、网络输入输出设备、HMI显示器、网络中继器和各个网络功能单元等。通过网络技术的载体，列车网络控制系统最终实现高速动车组的整车网络系统的集成，为动车组的集成控制提供技术保证。列车网络控制系统是高速动车组的神经中枢，承担着整个动车组的控制、监视、诊断与保护任务，负责完成列车的运行控制、监视、诊断功能，通过列车网络控制和管理列车的牵引系统、制动系统、高压系统、辅助供电、空调、行车安全设备、车门、照明等几乎所有子系统，在列车运行、维护中起着极其重要的作用，是高速动车组的核心关键技术之一。

网络控制系统输入输出设备是网络控制系统的外部输入输出采集及驱动系统，为网络控制系统提供输入状态变量，并且输出控制命令，以便驱动相应的执行机构动作，实现通过网络控制系统的整车逻辑控制功能，实现了动车组整车控制和监视诊断的功能，没有这些网络控制系统的输入输出设备，动车组将无法实现整车控制，无法将动车组中央控制单元与整车联系在一起。由于其特殊重要的地位，所以这些网络控制系统输入输出设备也成为各大铁路机车和动车组供货商投入巨资研发和生产的重要产品。

国外，作为欧洲主要的整车集成商的西门子，在其集成的SIBAS32系统中，网络控制系统的输入输出设备有Compact PT100，CompactIO和KLIP IO这些输入输出设备。同样的，在法国阿尔司通和加拿大的庞巴迪公司的网络控制系统产品系列中，也有输入输出设备的产品，实现相同的集成功能。

国内铁路行业的网络控制系统的产品厂家也推出相关产品，有传统的集成在功能设备的输入输出板卡或接口，也有集成在一体化的输入输出设备。

1 INTERBUS总线

INTERBUS总线技术于1983年由菲尼克斯公司为主开发，并且于1987年推向市场，2000年成为IEC 61158的一部分。总线拓扑结构是环形装，传输速率分为500 kbit／s和2 Mbit／s，传输物理标准是RS485，使用RS422物理标准则传输距离最大400 m（两个远距离设备点对点连接方式）。最多连接设备512个（远距离设备最多数量是254个）。可以使用铜双绞线、同轴线和光纤等不同物理介质的线缆连接，并且环路系统中通信前进和返回线可以在使用一个线缆实现。

INTERBUS总线技术特点：不需要网络终端电阻，不需要设备地址设置，设备之间是点对点连接，不需要信号中继，环路拓扑结构很容易扩展。INTERBUS总线技术是面向IO数据传输，具有高效率的IO数据传输效率，如表1所示：表中使用不同通信协议，控制20个输入设备和12个输出设备的协议效率对比表，每个输入设备8位数据，每个输出设备8位数据。

INTERBUS总线是主从结构通信方式，一个主站周期轮询多个从站，主站是主控制器，从站是各个输入输出模块。在周期轮询时，主站也监视各个从站的工作状态，包括通信链路的断路、短路和受干扰等，并且能够初步定位故障所在的从站。

表1 不同通信协议的传输效率对比表

2 输入输出工作站硬件设计

2.1 输入输出工作站硬件设计需求

高速动车组上，需要对各个电子执行机构进行驱动，并且检测其状态，例如升弓，合主断等。在现在网络化控制系统应用的动车组上，这些开关信号主要是由输入输出工作站来实现采集和发布，该模块是网络输入输出设备之一，是为了实现将多个开关量信号集中采集和发布，通过车载通信网络与网络控制系统的中央控制单元交互，为上层应用的实现提供这些开关量的状态数据，并且执行上层应用发布的控制命令。

根据高速动车组这些应用需求和相关机械、电气接口定义需求，该模块主要的组成部分有：独立电源部分，DC 110 V输入模块，DC 110 V输出模块，主CPU模块和基座模块。这几部分组成了整体输入输出工作站，其中根据要求可以挂接多个DC 110 V输入模块（最多12个模块）和多个DC 110 V输出模块（最多12个模块）。该工作站结构设计可以为以后更多输入输出模块的挂接提供扩展。

2.2 输入输出工作站壳体设计

所有输入输出工作站壳体采用统一系列化设计风格，满足DIN35导轨安装，不仅要满足所有壳体强度要求，还要美观实用。在考虑电磁兼容方面，主要的是CPU模块是敏感的部件，采用了全金属壳体实现屏蔽的效果。输入输出模块由于功率小，采用塑料壳体设计，同时在电路板级采取电磁兼容的设计，防范电磁干扰。电源部分采用了塑料壳体，由于空间受限和应用的要求，对于电源的额定功率最大限制在100 W之内，这样对于电源部分的设计需要重点是在电磁兼容的方面。以下是输入壳体、输出壳体和总线模块壳体设计效果图，见图1。图2是CPU壳体设计效果图。图3是电源模块壳体设计效果图。

图1 输入、输出和总线模块壳体的设计效果图

图2 CPU壳体设计效果图

图3 电源模块壳体设计效果图

2.3 输入输出工作站电路设计

输入输出工作站主要由CPU模块、DC 110V输入模块、DC 110 V输出模块、基座模块和电源模块组成。

学界对京剧历史的研究一直颇为关注，著作与论文的精品佳作层出不穷。学者们对事物的历史发展描述细致，但对理论的整合似乎总是有些欠缺，导致观点总是在理论之前出现。

CPU模块作为主要的执行部分，是输入输出站的核心部件。包括CPU电路、MVB通信电路和INTERBUS通信电路。CPU电路采用的是freescale公司的16位单片机MC9S12XD512，通过PC104总线接口与MVB通信模块接口，CPU采用16 MHz的晶振；CPU通过串口通信与INTERBUS主站芯片接口。通过软件实现对下进行输入输出模块的INTERBUS通信，对上通过MVB与网络控制系统的中央控制单元通信。硬件结构框图如图4所示。

图4 CPU模块的硬件电路结构框图

输入模块主要的功能是将DC 110 V输入的开关量转换为标准数字量，通过INTERBUS从芯片将开关量发送出去。该模块由两块电路板卡实现16个通道的开关量输入。其中一块板卡包含INTERBUS总线技术和8路开关量通道，另一块板卡仅仅包含8路开关量通道。两个板卡之间通过扁平电缆线实现开关信号数字化量的汇总，实现INTERBUS芯片对于16路数字信号的收集及发送。因此对于输入模块主要的硬件电路包含两个大部分，一个是高电压DC 110 V开关量的采集电路，将该开关量转换为DC 5 V信号，通过光耦隔离，将DC 5 V信号和DC 110 V开关信号隔离，实现对电磁兼容的设计，保护了后级电路；另一个是以INTERBUS总监技术为基础的数字通信电路，通过INTERBUS总线从芯片，建立了数字电路实现对于16路数字信号的采集，并且可以通过INTERBUS总线通信线路实现与CPU模块的INTERBUS主芯片的数据通信。硬件结构框图如图5所示。

输出模块主要的功能是将数字控制信号转换为输出DC 110 V开关量，用以驱动执行机构。该数字控制信号也是通过INTERBUS总线由主芯片发布给从芯片的，然后再通过输出级输出DC 110 V开关量。该模块由两块电路板卡实现8个通道的开关量输出。其中一块板卡包含INTERBUS总线技术和4路开关量通道，另一块板卡仅仅包含4路开关量通道。两个板卡之间通过扁平电缆线实现开关信号数字化量的汇总，实现INTERBUS芯片对于16路数字信号的收集及发送。

图5 输入模块的硬件电路结构框图

因此对于输出模块主要的硬件电路（见图6）包含两个大部分，一个是高电压DC 110 V开关量的驱动电路，该电路将DC 5 V信号通过光耦隔离，转换为DC 110 V输出的开关信号，实现对电磁兼容的设计，保护了后级电路对前级电路影响，同时在后级驱动电路，每个输出驱动通道提供了一路反馈信号，这个反馈信号也通过光耦转换为数字信号，实现对输出驱动通道的监测；另一个是以INTERBUS总监技术为基础的数字通信电路，通过INTERBUS总线从芯片，建立了数字电路实现对于8路输入状态数字信号的采集和输出8路数字控制命令，并且可以通过INTERBUS总线通信线路实现与CPU模块的INTERBUS主芯片的数据通信。

图6 输出模块的硬件电路结构框图

基座模块主要提供CPU模块和输入输出模块之间的通信链路，并且将CPU输出的＋24 V电源转换为＋5 V电源，为输入输出模块提供＋5 V电源。

电源模块将外部直流＋110 V电源转换为＋24 V电源提供给CPU模块。

输入输出工作站总体结构图7如所示。

图7 输入输出工作站的总体硬件结构框图

输入输出工作站的通信信息流如图8所示。

图8 输入输出工作站的通信信息流

从图7、图8中，可见INTERBUS主站通过从站的位置可以识别从站，不需要在每个从站设置从站的地址，并且在初始化阶段，主站就会确定从站的数量和从站的输入或输出、数字量或者模拟量的设备属性，相对于CAN总线，这是一个优点，只要是同属性的设备就可以任意互换。

3 输入输出工作站软件设计

输入输出站采用模块式设计，包括输入模块和输出模块。一个输出模块包含8路输出信号和8路输入反馈信号，一个输入模块包含16路输入信号。输入模块和输出模块数量可以任意组合，总模块数最多不能超过16个。如果需要还可以扩展。输入输出站主要功能是控制输出信号和反馈输入信号。它上层提供MVB总线接口，支持接入MVB网络，接受和发送MVB数据。底层使用INTERBUS总线，控制输入输出信号。软件结构流程图9所示。

输入输出站能够自我检测各个模块的状态，能够自我诊断模块的故障。具有如下故障诊断和指示：（1）MVB通信的NSDB错误；（2）移位寄存器错误，初始化INTERBUS不成功；（3）组件错误，INTERBUS初始化得到的模块个数和NSDB不符，INTERBUS读写操作返回不成功。（4）一般故障，从MVB读取数据失败。（5）MVB故障指示灯，初始化为亮，MVB配置结果成功和失败都亮，从MVB读数据成功后灭，失败亮，向MVB写数据成功后灭，失败亮。（6）I／O故障指示灯，初始化为亮，INTERBUS初始化成功后灭，INTERBUS读写数成功后灭，失败亮。

图9 输入输出工作站软件流程框图

4 输入输出工作站测试

在输入输出工作站研发后进行了性能对比试验，测试方法是：在输入输出工作站第一个输入模块第一输入通道发送脉冲，频率1 Hz，占空比30%，并接示波器。在输入输出工作站的第一个输出模块的第一个输出通道处接入示波器，检查输出脉冲信号。信号传递过程是：脉冲信号被输入输出工作站的输入模块采集，转换成数字信号，通过MVB发送给主控单元，主控单元收到数据后，将数据立刻发回给输入输出工作站，输入输出工作站再输出模块输出开关信号。在6个输入模块（每个模块16个输入通道）和6个输出模块（每个模块8个输出通道和8个输出通道的状态输入）的配置下，测量输入脉冲信号上升沿和输出开关信号下降沿之间的延迟。如图10所示。

经过大量的测试统计，在相同输入通道和输出通道数目的比较下，本产品的输入输出信号延迟测试应该在200～300 ms的范围，国际上同类产品在相同的测试条件下输入输出延迟测试在200～270 ms的范围，这样的测试是输入信号采集时间、MVB上行通信时间、MVB下行通信时间和输出信号驱动时间。另外除了进行不同产品的对比试验外，还进行了INTERBUS通信时间的测试和MVB周期时间的测试，在6个输入模块（每个模块16个输入通道）和6个输出模块（每个模块8个输出通道和8个输出通道的状态输入）的配置下，输入输出工作站INTERBUS通信时间在6.7 ms。MVB周期时间在23 ms内。

图10 输入输出工作站输入与输出延迟性能测试

输入输出工作站在半实物仿真实验台进行网络控制系统整体性能测试，测试结果满足动车组网络集成功能要求，与中央控制单元的网络交互功能正常。该产品进一步按照GB／T 25119标准要求进行了电磁兼容、环境试验和振动试验，各项指标满足要求。

输入输出工作站已经在CJ2城际车上全列安装，目前已经在实际运行线路上进行考核运行。同时在既有高速动车组上进行了运用考核试验，已经圆满完成30万km的试验验证。

5 总 结

输入输出工作站作为动车组网络控制系统中的输入输出设备，在同类产品中应该具有独特的性能。既有的输入输出设备中有的采用CAN总线集成输入输出模块实现网络输入输出设备的功能，也有采用独立模块固定的输入输出端口数目。这两种设备的缺点是：CAN总线集成的输入输出设备中具有固定设置的地址，在集成中必须事先设置完成，不属于灵活配置的方案；另一类设备输入输出端口数目固定，不易灵活扩展，满足不同应用需求。本产品基于在INTERBUS总线技术克服了这两个缺陷，具有灵活扩展，不需要事先固定配置设备地址。模块完全可以灵活拆卸，现场维修直接可以板卡替换，便于维修维护。

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

［2］ GB／T 25119－2010轨道交通 机车车辆电子装置［S］.

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

［4］ 孙同景.Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术［M］.北京：机械工业出版社，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，副研究员（

2016－07－07）