输入输出设备

列车控制网络（简称TCN）是集整车控制、监测和故障诊断于一体的分布式列车控制系统。通常，基于TCN构架列车控制网络设备包括网关（GW）、列车控制单元（VCU）、远程输入输出模块(RIOM)、中继器（REP）等。RIOM是列车为VCU执行信号采集，并输出命令到执行机构的功能模块。

国外对RIOM的研究已经取得诸多成果，如Siemens公司的SIBAS系统、Adtrantz公司的MICAS系统、ALSTOM公司的AGATE系统中，都包含RIOM或其他功能类似的模块单元。国内对列车网络设备的研究起步则较晚。

远程输入设备功能分析

TCN网络中的智能设备（如制动控制单元）通过MVB接口直接接入列车控制网络与VCU通信，而非智能设备需要通过RIOM与TCMS的系统接口，接入TCN网络执行VCU信号采集命令和数据输出命令。RIOM被分布在每节车辆中，通过数字信号量、模拟电压/模拟电流环信号与辅助控制单元（ACU）、充电机、门控单元、空调控制单元等中压系统以及部分牵引和制动控制信号通信，完成列车非智能单元子系统的配置管理、状态采集和故障诊断等任务。

远程输入设备整体构成

针对列车控制网络非智能设备接入TCN网络的需求，设计了包含电源单元、主控制单元、MVB通信单元、IO通信单元的通用RIOM设备，为列车非智能设备接入TCN网络提供110V开关量的输入/输出、0~20mA电流环输入/输出型接口。

RIOM系统包括5个基本单元：CPU单元、MVB通信单元、DIO单元、AIO单元和电源单元。系统采用在航空航天、军事工业等广泛采用的高可靠性VME总线作为背板总线，实现高可靠性数据交换。各个子单元功能介绍如下：

1）CPU单元

CPU单元是RIOM的核心处理设备，主要实现VME总线数据传输主设备功能，并提供以太网、RS232等人机交互接口。

CPU单元主控制器采用基于PowerPC架构的MPC8245处理器，最高主频可达400MHz，并支持32位PCI总线（33MHz）。采用可编程逻辑器件FPGA设计PCIVME桥接电路，实现MPC8245处理器与VME总线的8/16位数据、16/24位地址访问模式，并配置为VME总线主设备，控制DTB周期的数据传输逻辑。

CPU单元搭载嵌入式实时操作系统VxWorks。该系统本身的开销很小，采用精练而有效的进程调度、进程通信和中断处理程序，在实时性和可靠性方面十分适合实时性要求极高的列车控制网络。CPU单元通过地址映射的方式，将VME总线地址与片内内存地址一一对应，实现上位机软件的数据访问通信控制。

2）MVB通信单元

MVB通信单元是RIOM设备与列车控制网络通信的接口，实现MVB数据到VME数据的信号和协议转换。MVB通信单元采用2片FPGA作为核心控制单元，其中MVB_FPGA嵌入具有自主知识产权的MVBC软核，实现IEC61375-1中规定的数据传输和总线管理功能；VME_FPGA采用硬件描述语言，实现IEEE1014—1987标准中VME从设备的功能，并负责2片FPGA的数据通信。VME通信采用有限状态机，实现总线数据的可靠传输。

3）DIO/AIO单元

DIO单元包括DI和DO两类通信板，AIO单元包括AI和AO两类通信板，主要负责RIOM与非智能设备的数字量、模拟量通信，如门隔离信号、充电机启动信号、司机手柄信号以及列车网络信息采集的各类传感器信息等的通信。

IO单元均采用FPGA作为核心控制单元，完成数字量、模拟量信号与VME总线的数据通信任务。片内拓展64字节的RAM作为数据储存和其他控制参数的存储空间。CPU单元可以根据板卡硬件地址配合地址偏移对IO内部存储器进行读取。

4）电源单元

电源单元负责给整个RIOM系统进行供电。根据标准IEEE1014—1987，设计5V、±12V规格的电源。电源单元设计有浪涌保护、谐波控制及过流保护电路。

远程输入设备关键功能实现

1VME总线接口设计

VME总线是广泛应用于交通控制系统、武器控制系统、交通交换系统、数据采集系统等各个领域的工业现场总线。VME总线具有可靠性高、实时性好、抗电磁干扰能力强等优点，在高性能背板总线应用中已经占据主导地位。但是VME总线接口芯片由Cypress，Motorola等几家公司垄断，其主要产品只支持某些系列的控制器，通用性和灵活性都受到了很大的限制。

RIOM设备中每一块电路板的VME总线接口都由一块FPGA实现，系统采用一主多从A16：D16的通信模式。通信模式，CPU板的VME接口配置为VME总线主设备，其余各功能板配置为VME总线从设备。为保证VME总线工作逻辑的可靠性及实时性，VME总线接口逻辑设计完全采用硬件描述语言（VerilogHDL）通过有限状态机实现。

2开关量通信设计分析

图3所示为开关量通信通道设计结构框图。在开关量通信模块中，一类为输入端口，用于只需要采集输入状态的数字量信号；另一类为可以通过处理器对端口方向进行配置的双向输出端口，既可以用于输入也可以用于输出；用作输出时，输入寄存器可以配置为输出信号的监测回路。

双向输出通道默输出低电平。当端口配置为输入端口，输出状态为高阻态。当端口配置为输出端时，输出寄存器置1，输出控制继电器置为高，双向端口输出电平与参考端电平一致。当端口用作输出时，系统可以配置对应通道的输入寄存器对输出信号进行采集，在本地或CPU单元进行处理。本地处理时，如果输出寄存器和输入寄存器数据经过设定时间后采集，比较结果仍然出现故障，则板卡向CPU单元发送故障信息，进行报警。每个输入通道经过电阻分压、光耦隔离、RC滤波和施密特触发器整形，由FPGA采集存入内部寄存器中。输出通道设计为继电器输出模式。根据CPU单元控制指令，通过对信号进行光耦隔离和电流驱动之后，控制输出控制继电器触点动作。

3模拟量通信设计分析

列车电磁环境复杂，且各类传感器分布分散，距离处理器较远，采用电压进行模拟量信号远距离传输会不可避免地产生衰减和噪声，给信号处理带来了很大难度。采用电流环通信，相当于对传输线增加了负反馈，抗干扰性能更加优越。如图4所示为RIOM模拟量信号输入采集结构图。

由输入输出设备用通信线路连接起来的安装在不同场所的可以并行协同工作的计算机所组成的网络。

数字测图(Digital Surveying and Mapping，缩写DSM)系统是以计算机及其软件为核心在外接输入输出设备的支持下，对地形空间数据进行采集、输入、成图、绘图、输出、管理的测绘系统。