列车通信网络远程输入输出模块研究

摘要

随着列车网络控制技术发展，列车通信网络已成为地铁列车和高速动车组的“神经系统”。大量车载设备的控制、状态和诊断信息，需要通过网关、VCU等列车网络设备传输。
　　远程输入输出模块（RIOM，Remote Input and Output Module）是一种在列车网络拓扑中上广泛应用的网络设备，其结构具有典型列车网络设备的特征。RIOM是TCMS系统与列车非智能设备的网络接口，可以实现对大部分非智能设备（中压设备、传感器单元等）的数据采集和启停控制操作。
　　RIOM的输入输出通道可靠性和安全性关系到TCMS系统对列车电气设备状态的监测和控制，目前国内运营的轨道列车采用的RIOM大多依赖国外生产厂商的产品，国内缺乏RIOM对应的国产化研究。因此，掌握RIOM核心技术，对于提高我国当前列车网络控制、检测和诊断水平，是十分必要的。
　　本文在充分调研国内外研究现状基础上，提出了一种采用VME作为背板总线，连接CPU单元、MVB单元、DIO/AIO单元和电源的模块化RIOM设计方案。VME采用A16∶D16实现板卡间高速数据交换;CPU运行VxWorks操作系统，实现VME总线通信控制、信号处理分析及对外接口服务等功能;MVB单元采用FPGA搭载符合IEC61375-1规定的MVB协议栈，实现与TCMS的总线通信任务;DIO/AIO单元作为非智能设备的接口，采用了通道冗余提供可靠的接口服务。
　　从提高RIOM可靠性和安全性角度出发，本文按照物理层、数据链路层和应用层三个角度重点研究了板级总线接口VME和设备级接口DIO/AIO的实现方案。通过引入EDA技术，在FPGA上实现符合IEEE1014协议的VME总线主协议栈和从协议栈开发;通过引入3取2通道冗余技术，实现输入输出端口的容错设计。
　　最后，文章搭建了MVB试验平台，对RIOM各个接口的功能进行了系统的测试，验证了系统设计。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 列车网络设备发展现状

1．2．1 列车网络设备研究现状

1．2．2 RIOM国内外研究现状

1．3 主要研究工作及论文安排

2 RIOM功能分析及总体设计

2．1 RIOM设计原则

2．2 RIOM系统设计框架

2．3 RIOM硬件构架

2．3．1 VME总线接口设计

2．3．2 CPU单元设计

2．3．3 MVB单元设计

2．3．4 DIO／AIO单元设计

2．4 RIOM软件构架

3 RIOM主要接口设计

3．1 RIOM接口设计

3．2 VME总线通信接口设计

3．2．1 VME总线

3．2．2 VME总线驱动器设计(物理层)

3．2．3 VME总线主设备数据链路层设计

3．2．4 VME总线从设备数据链路层设计

3．3 DIO／AIO接口设计

3．3．1 安全I／O

3．3．2 DIO设计分析

3．3．3 AIO设计分析

3．3．4 I／O模块可靠性分析

4 RIOM软件设计与实现

4．1 RIOM接口访问总体方案

4．2 BSP修改和VxWorks系统订制

4．3 基于内存映射的接口访问方案

4．3．1 接口访问技术

4．3．2 VME接口访问技术

4．3．3 以太网接口访问技术

5 RIOM组网调试试验及分析

5．1 测试环境搭建

5．1．1 硬件测试环境搭建

5．1．2 软件测试环境搭建

5．2 RIOM组网实验

5．2．1 VME总线通信能力测试

5．2．2 远程I／O控制能力测试

5．2．3 MVB总线过程数据通信能力测试

5．2．4 MVB总线消息数据通信能力测试

5．3 试验分析

6 总结

参考文献

附录

作者简历

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