基于數字信號處理器的車載接口設備的設計與實證＊

張 健 王志駿 馬 妍

（上海自動化儀表股份有限公司，200233，上海∥第一作者，高級工程師）

城市軌道交通信號系統當前還是依賴進口［1］。針對信號產品嚴重依靠進口技術，國產信號設備嚴重匱乏的現狀，本文提供一種車載接口設備的原理性樣機及其數據采集處理方法的設計和實證，旨在能與列車、軌旁信號設備進行接口，獲取列車狀態信息和位置信息，為車載ATC（列車自動控制）系統提供必要的輸入；同時接收車載ATC主控單元的指令信息，發送到列車線，控制列車的運行［2］。

1 車載設備功能概要

基于通信的列車控制（CBTC）的特點，是用無線通信媒體來實現列車和地面的雙向通信，實現列車運行控制。CBTC系統由車載設備、軌旁設備和控制中心設備等組成。

車載設備由車載控制器、車載無線單元、應答查詢器、速度傳感器、加速度計、接近傳感器、司機操作顯示器等部件組成。

車載控制器由車載主控制單元和車載接口設備組成，負責完成車載ATP（列車自動保護）和ATO（列車自動運行）功能。車載控制器不斷地與列車控制中心進行通信，在ATP保護下進行牽引、制動及車門控制；并對超速、目標點冒進、車門狀態等進行安全監督，以確保列車在允許的包絡線內運行；當無法繼續安全運行時，自動實施緊急制動。其中，車載接口設備主要完成車載主控制單元與車載外圍部件（查詢應答器、速度傳感器、加速度計、接近傳感器）及列車線之間的接口功能，負責采集外圍部件和列車線的輸入信息并傳送給主控制單元；同時接收和表決主控制單元輸出的控制命令，控制列車輸出線，達到控制列車的目的。

車載接口設備在車載設備中的位置如圖1所示。

2 車載接口設備結構

車載接口設備由外部電源接口板、車輛輸入接口板、車輛輸出接口板、傳感器接口板、列車牽引控制板、內部輸入輸出板、故障安全板、程序監視和電源板、外部處理器板和車載接口設備背板共10種單元板組成。車載接口設備結構圖如圖2所示。從結構上來看，車載接口設備由3塊外圍處理器板、3塊程序運行監視和電源板、9塊內部輸入輸出板、1塊故障安全板、2塊列車牽引控制板、3塊車輛輸入接口板、3塊車輛輸出接口板、1塊傳感器接口板、1塊外部電源接口板和1塊外圍接口單元背板等部分組成。

圖1 車載接口設備在車載設備中的位置

圖2 車載接口設備結構圖

3 車載接口設備工作原理

3.1 車載接口設備工作原理概述

外圍處理器板與主控制單元通過CAN（控制器局域網）總線建立通信。外圍處理器板接收主控制單元發出的各種控制命令，包括I/O（輸入/輸出）輸出狀態信息、列車牽引控制命令等。I/O輸出狀態信息分三路發送給冗余配置的內部輸入輸出板，再傳送到車輛輸出接口板執行。列車牽引控制命令通過列車牽引控制板，將4～20mA的牽引控制信號發送給列車牽引電流檢測裝置。

車載接口設備通過硬線與外圍傳感器設備連接。外圍處理器板接收外圍傳感器設備的各種狀態信息，包括I/O輸入狀態信息、速度、加速度、接近信息、列車識別號（VID）、板卡在位檢測信息及車載接口設備告警信息。I/O輸入狀態信息通過車輛輸入接口板，分三路發送給冗余配置的內部輸入輸出板，再傳送到外圍處理器板；速度、加速度、接近信息、列車識別號等通過傳感器接口板傳送到三塊外圍處理器板。車載接口設備與維護診斷終端（兼作TI（德州儀器公司）仿真器）通過串行RS 232讀取信標信息，由外圍處理器板將狀態信息傳送給主控制單元。車載接口設備框圖如圖3所示。

圖3 車載接口設備框圖

3.2 車載接口設備主控制器工作原理

3.2.1 基本功能概述

車載接口設備的外圍處理器板是整個處理單元的核心，用于和主控制單元之間的通信。外圍處理器板負責接收傳感器和列車接口線的狀態信息，通過CAN總線發送給主控制單元；同時接收主控制單元發出的控制信息，傳送到車輛輸出接口板執行；另外還提供1個RS 232診斷端口和2個高速可配置的串行通信端口（用于異步或同步通信）。其基本功能包括：ID號讀取，輸出生命周期信號，接收接近傳感器信號，接收處理加速度計信號，接收處理速度傳感器信號，檢查各板卡是否在位，控制列車牽引控制板信號輸出及使能信號，提供3個串行口、1個CAN總線接口、1條16位的數據總線，電源電壓檢測，生命周期信號指示燈，工作指示燈，看門狗，校時，事件存儲，牽引電流標定，自檢信號控制等。

3.2.2 CPU 選型

外圍處理器板的CPU采用了DSP2407芯片。TMS320LF2407是美國TI專為電機控制（DMC）應用而推出的一種低價格、高性能的16位定點運算DSP（數字信號處理器）。該器件集高性能的DSP內核和豐富的微控制器外設功能于一身，為控制系統應用提供了一種理想的解決方案。

TMS320C2407上有2個事件管理器，分別為EVA和EVB。每個事件管理器模塊包括2個通用定時器（GP）、3個比較單元、3個捕捉單元及2個正交編碼脈沖輸入電路（QEP）。

正交編碼脈沖電路可連接光電編碼器，獲得旋轉機械的位置、方向和速度等信息。QEP可對CAP1/QEP1和 CAP2/QEP2（EVA 模塊）、CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（EVB模塊）引腳上的正交編碼輸入脈沖進行解碼和計數。

正交編碼脈沖包括2個脈沖序列，是頻率變化的正交（相差1/4周期，即90°）脈沖序列。當電動機軸上的光學編碼器產生正交編碼脈沖時，通過檢測2個脈沖序列的先后，就可測出電動機的轉向。角位置和速度可通過脈沖計數和脈沖的頻率測出。QEP的方向檢測邏輯通過測定2個脈沖序列的相位，產生一個方向信號作為通用定時器2或4的方向輸入。

測速是車載接口設備的重要任務之一。車載設備速度傳感器的輸入信號是相位差為90°的脈沖序列，因此選擇TMS320C2407芯片能準確高效地測量列車速度。

3.2.3 CPU 接口設計

外圍處理器板軟件基于TMS320LF2407的DSP芯片設計，按照需求來控制CPU各個外設和接口，實現功能。設計內容所涉及的CPU接口如圖4。

3.2.4 軟件邏輯

按照外圍處理器板的軟件任務實現方式，將軟件分為輸入、輸出、總線、通信、事件存儲等模塊。模塊組成及邏輯結構如圖5。

輸入模塊：接受模擬量信號、數字量信號、脈沖信號和ID號的信息，將采集到的數據發送到采集數據緩沖區。

輸出模塊：輸出數字量信號、生命周期信號、看門狗警報和指示燈的點滅信息。輸出模塊的數據從通信模塊讀取。

總線模塊：總線操作內容包括DI、D0、A0及18塊板中的5～17號在位信號。其中輸入采用掃描方式（總線讀）；輸出則根據主控制單元命令，在收到相關輸出命令后立即開始進行輸出（總線寫）。

圖4 CPU接口圖

圖5 軟件模塊和邏輯結構

事件存儲：建立事件結構體，將采集數據緩沖區中的數據存儲至flash，作為設備診斷維護時分析的日志。

3.2.5 軟件結構和流程

軟件采用前后臺結構。總體結構可分成三大模塊。

（1）初始化模塊：包括CPU時鐘、外設初始化；讀取系統相關信息，如ID號、18塊板在位信號、本板地址信息（讀5個IO口）。

（2）中斷（前臺）：脈沖信號采用中斷方式，建立捕獲中斷；通信模塊的接收采用中斷方式。建立一個時間片中斷，為系統提供時鐘基準，同時為掃描輸入模塊的狀態起定時作用。

（3）主循環（后臺）：模擬量信號、數字量信號、ID號、18塊板在位信號、48路輸入采用定時掃描方式，由時間片中斷定時，定時時間到后置相關標志。一次速度采樣完畢，會將相關標志位置位，主循環根據此標志位計算得到新的速度信息。CAN口、串口收到1包完整的數據后置相關的標志位，主循環開始響應收到的數據包。

4 車載接口設備的測試實證

4.1 通信原理

車載外圍接口單元測試平臺包含1套仿真三取二主控制單元，1套維護診斷終端，1套48路仿真I/O輸入裝置，1套48路仿真I/O輸出裝置，1個VID，1套加速度信號發生裝置（產生3個加速度信號），1套速度信號發生裝置（產生2個速度信號），1套接近信號發生裝置（產生1個接近信號），1套牽引電流檢測裝置（檢測4～20mA電流信號），以及相應的線纜套件。車載外圍接口單元測試平臺通信原理框圖如圖6所示。

· 車載外圍接口單元與外圍傳感器仿真設備通過硬線連接。

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· 車載外圍接口單元與I/O輸入輸出裝置通過硬線連接，可接收I/O輸入狀態，并控制I/O輸出狀態。

· 車載外圍接口單元與仿真三取二主控制單元通過CAN總線建立通信。可接收仿真三取二主控制單元發出的各種控制命令，向仿真三取二主控制單元發送VID、I/O狀態信息、板卡在位檢測信息、速度、加速度、接近信息、信標信息、牽引輸出狀態，以及車載外圍接口單元告警信息。

· 車載外圍接口單元與牽引電流檢測裝置通過硬線連接。車載外圍接口單元輸出4～20mA牽引控制信號。

· 車載外圍接口單元與維護診斷終端通過串行RS 232通信，診斷維護終端對車載外圍接口單元進行軟件更新與狀態診斷。

圖6 車載外圍接口單元測試平臺通信原理框圖

4.2 仿真三取二主控制單元

仿真三取二主控制單元的硬件包含1臺PC，2個2路USB－CAN適配器，一個有源1轉4USB集線器。軟件包含仿真主控制單元軟件。

（1）仿真三取二主控制單元通過CAN總線讀取狀態，包括：1個VID編號，1個接近數據，3個加速度數據，2個速度數據，I/O輸入輸出裝置狀態，18塊板在位檢測數據，TI讀取到的信標編號。

（2）仿真三取二主控制單元通過CAN總線輸出狀態，包括牽引控制板數據和I/O輸出裝置狀態。

4.2.1 仿真三取二主控制單元運行原理

（1）仿真主控制單元軟件具有一個主線程，控制三個子線程，分別接收車載外圍接口單元中3塊外圍處理器板發送的數據，并在人機界面顯示。

（2）仿真主控制單元軟件主線程將接收到的數據進行三取二處理，形成處理結果，并在人機界面顯示。

（3）仿真主控制單元軟件主線程控制三個子線程，分別向車載外圍接口單元中3塊外圍處理器板發送命令，并接收其返回的響應。

4.2.2 仿真三取二主控制單元運行模式

仿真三取二主控制單元具有手動與自動兩種運行模式。

（1）手動模式：仿真主控制單元軟件可以人工設置I/O輸出狀態及牽引使能信號，向車載外圍接口單元發送命令，實現各個狀態的手動逐一設置，用以驗證車載外圍接口單元功能的正確性。

（2）自動模式（默認）：仿真主控制單元軟件接收到數據后，根據三取二原則，判斷列車是否處于非安全狀態（如超速、加速度過大、車門非正常開啟等），根據預設邏輯控制列車EB（緊急制動）狀態以及牽引使能，模擬列車運行狀態防護的基本功能。

4.3 維護診斷終端

維護診斷終端的硬件包含1臺PC，1個USB轉4串口（RS 232）轉換器。軟件包含串口維護診斷軟件。

串口維護診斷軟件實現以下功能：

（1）外部處理器板的軟件安裝和更新；（2）車載外圍接口單元狀態查詢診斷。TI仿真軟件與車載外圍接口單元之間通過串行RS 232連接，實現以下功能：

· 模擬TI功能，向車載外圍接口單元提供模擬的信標數據。

· 響應車載外圍接口單元的重發和查詢請求。

4.4 48路仿真I/O輸入裝置

48路仿真I/O輸入裝置是用絕緣板上焊接48個開關和保護電阻來實現的，狀態有ON和OFF兩種，可分別對每一路控制，模擬I/O開關量狀態。

4.5 48路仿真I/O輸出裝置

48路仿真I/O輸出裝置是在絕緣板上焊接48個LED（發光二極管）燈和保護電阻，用以顯示48路I/O開關量狀態。

4.6 VID設備

對于1個VID，測試平臺可選用標號為0x555或0xAAA的真實VID設備，安裝于車載外圍接口單元內，測試車載外圍接口單元對VID的正確識別。

4.7 預期結果

圖7所示為車載接口設備發送給主控制單元的結果。通過測試平臺，驗證了車載接口設備的功能，證明了車載接口設備適用于軌道交通的信號工程中。

圖7 測試結果

5 結語

目前國內地鐵信號設備大多依靠從國外公司進口，使得地鐵成本大幅度提高。本設備將有助于地鐵信號設備技術的國產化，推進國內地鐵信號技術的發展，填補國內產品的空白。

［1］許時磊，孫永榮.嵌入式車載設備數據接口設計與實現［J］.測控技術，2007，26（6）：18.

［2］沈雪松，劉建業，孫永榮，等.Multi—function vehicle navigation and monitoring system for urban vehicle［J］.南京航空航天大學學報：英文版，2005，22（2）：183.

［3］胡剛，金振偉.車載導航技術現狀及其發展趨勢［J］.系統工程，2006，24（1）：42.

［4］劉和平.TMS320LF240xDSP結構、原理及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.