RIOM及具有RIOM的列车的制作方法

本发明涉及列车通讯、控制技术领域，尤其涉及一种RIOM及具有RIOM的列车。

背景技术：

远程输入输出模块(Remote Input Output Module，简称RIOM)单元可用于执行信号采集，并输出控制命令到执行机构，是列车通信网络中的一个重要模块，提高RIOM单元的稳定性和可靠性，能够提高列车安全运行的可靠性。

目前，现有的RIOM单元通过一根背板总线实现RIOM单元内各组成部分的信息交互。具体的，RIOM单元内的输入板将采集到的外界信息经过这根背板总线传输到处理模块，经过处理后再经过这根背板总线传输到RIOM单元内的输出板，在列车控制单元(Vehicle Control Unit，简称VCU)的控制作用下输出，进而实现了对整个机车安全运行的控制。

然而，由于RIOM单元内仅通过一根背板总线供RIOM单元内所有板卡进行通信，一旦该背板总线受到干扰，那么利用该背板总线进行通信的信息则会发生异常，造成了整个RIOM单元故障，从而影响到列车的安全运行。

技术实现要素：

本发明提供一种RIOM及具有RIOM的列车，以解决RIOM中的背板总线受到干扰，造成整个RIOM单元出现故障的问题，能够提高RIOM单元的稳定性和可靠性，进而提高列车安全运行的可靠性。

本发明提供的一种RIOM，包括：电源板、网关板、输入板、输出板和背板；所述电源板、所述网关板、所述输入板、所述输出板均分别与所述背板连接；

所述背板，包括：至少两根背板总线和一根电源总线；

所述输入板、所述输出板分别通过每根所述背板总线与所述网关板进行通信；所述电源板通过所述电源总线分别与所述网关板、所述输入板、所述输出板连接，用于为所述网关板、所述输入板、所述输出板供电。

在本发明的一实施例中，所述电源板，包括：保护、滤波电路和电源转换模块；所述保护、滤波电路通过所述电源总线与所述电源转换模块连接；所述保护、滤波电路与供电电源连接，所述电源转换模块与所述背板连接；

所述保护、滤波电路，用于滤除外界干扰，还用于保护所述背板、所述网关板、所述输入板以及所述输出板的安全；所述电源转换模块，用于将所述供电电源提供的电源电压转换到所述网关板、所述输入板以及所述输出板需求的电压。

在本发明的另一实施例中，所述网关板，包括：网关外总线控制器、网关处理器、至少两个网关内总线控制器；所述网关内总线控制器的数量与所述背板总线的数量相等；

每个所述网关内总线控制器通过对应的所述背板总线与所述背板连接，所述网关处理器分别连接所述至少两个网关内总线控制器、所述网关外总线控制器，所述网关外总线控制器通过外部总线与外部板卡连接。

在本发明的上述实施例中，所述网关外总线控制器为多功能车辆总线MVB通讯控制电路，所述外部总线为MVB总线。

在本发明的上述实施例中，所述网关板，还包括：处理器接口电路；

所述处理器接口电路连接在所述网关外总线控制器与所述网关处理器之间，用于协助所述网关外总线控制器与所述网关处理器之间的通信。

在本发明的上述实施例中，所述输入板，包括：数字量输入板和模拟量输入板；

所述数字量输入板和所述模拟量输入板均分别包括：至少一组输入通道、输入处理器、至少两个输入内总线控制器；所述输入内总线控制器的数量与所述背板总线的数量相等；

每个所述输入内总线控制器通过对应的所述背板总线与所述背板连接，所述输入处理器分别与所述至少两个输入内总线控制器、所述至少一组输入通道连接。

在本发明的上述实施例中，所述输出板，包括：数字量输出板和模拟量 输出板；

所述数字量输出板和所述模拟量输出板均分别包括：至少一组输出通道、输出处理器、至少两个输出内总线控制器；所述输出内总线控制器的数量与所述背板总线的数量相等；

每个所述输出内总线控制器通过对应的所述背板总线与所述背板连接，所述输出处理器分别与所述至少两个输出内总线控制器、所述至少一组输出通道连接。

本发明还提供了一种具有RIOM的列车，包括：本发明提供的RIOM、列车控制单元VCU以及多功能车辆总线MVB；所述RIOM通过所述MVB与所述VCU通信；

所述RIOM，用于采集输入信息，还用于输出控制命令到VCU；

所述VCU，用于控制所述列车的运行状态。

本发明提供的RIOM及具有RIOM的列车，电源板通过背板上的电源总线为网关板、输入板和输出板供电，通过至少两根背板总线实现输入板、输出板以及网关板之间的通信，一旦RIOM中的一根背板总线受到干扰，输入板、输出板以及网关板还可通过其余的背板总线进行通信，从而解决了整个RIOM单元会出现故障的现象，提高了RIOM单元的稳定性和可靠性，进而提高了列车安全运行的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明RIOM实施例的结构示意图；

图2为图1所示RIOM中电源板的结构示意图；

图3为图1所示RIOM中网关板的结构示意图；

图4为本发明RIOM中输入板的组成示意图；

图5为本发明RIOM中数字量输入板的结构示意图；

图6为本发明RIOM中模拟量输入板的结构示意图；

图7为本发明RIOM中输出板的组成示意图；

图8为本发明RIOM中数字量输出板的结构示意图；

图9为本发明RIOM中模拟量输出板的结构示意图；

图10为本发明具有RIOM的列车的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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”。远程输入输出模块(Remote Input and Output Module，简称RIOM)是一种在列车网络拓扑中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是列车控制和管理系统(Train Control and Management System，简称TCMS)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，并且根据列车远程数据输入/输出需求的不同，每个RIOM可以配置类型不同的I/O部件。因此，提高RIOM单元的稳定性和可靠性，能够提高列车安全运行的可靠性。

然而，并不是每一种列车通信网络(Train Communication Network，简称TCN)拓扑中都存在RIOM。部分网络拓扑将远程输入输出功能具体化，例如，MITRAC系统通过设计DX和AX模块分别来执行数字量和模拟量的输入输出操作；或者，部分网络拓扑根据RIOM在列车通信网络、列车控制和管理系统TCMS(Train Control and Management System，简称TCMS)中的实际作用，名称也可能发生改变，例如，在CRH3型车中，RIOM根据输入输出节点数量是否变化，分别称为紧凑式输入/输出和智能外围终端。上述的设备均是本发明研究的RIOM设备范畴。

现有的RIOM单元通过一根背板总线来实现RIOM单元内各组成部分的信息交互。具体的，RIOM单元内的输入板将采集到的外界信息经过这根背 板总线传输到处理模块，经过处理后再经过这根背板总线传输到RIOM单元内的输出板，在列车控制单元(Vehicle Control Unit，简称VCU)的控制作用下输出，进而实现了对整个机车安全运行的控制。然而，目前控制局域网(Controller Area Network，简称CAN)都采用价格低廉的双绞线作为传输介质，并且，RIOM单元内仅通过一根背板总线供RIOM单元内所有的板卡进行通信，由于列车上的电磁干扰很强，不能确保通信的可靠性，双绞线也易因物理损伤而造成短路或者断路故障，那么利用该背板总线进行通信的信息则会发生异常，将造成整个RIOM单元故障，从而影响到列车的安全运行。

针对上述问题，本发明提供了一种RIOM及具有RIOM的列车，由于该RIOM的背板包括至少两根背板总线和一根电源总线，电源板可通过这根电源总线为网关板、输入板和输出板供电，输入板、输出板以及网关板之间可通过每根背板总线进行通信，一旦其中的一根背板总线受到干扰，输入板、输出板以及网关板可通过其余的背板总线进行通信，从而解决了整个RIOM单元会出现故障的现象，提高了RIOM单元的稳定性和可靠性，进而提高了列车安全运行的可靠性。

图1为本发明RIOM实施例的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的RIOM，包括：电源板1、网关板2、输入板3、输出板4和背板5；其中，电源板1、网关板2、输入板3、输出板4均分别与背板5连接；背板5，包括：至少两根背板总线51和一根电源总线52。

具体的，输入板3、输出板4分别通过每根背板总线51与网关板2进行通信；电源板1通过电源总线52分别与网关板2、输入板3、输出板4连接，用于为网关板2、输入板3、输出板4供电。

背板总线51具体可以为CAN总线，由于CAN总线在传输较远距离的信号时，传输时间短，受干扰的概率低，且传输速度高，因此，本发明基于CAN总线来实现输入板3、输出板4和网关板2之间的通信。具有CAN总线的RIOM，提高了远程输入输出信号传输的正确率，实时性能高，运行可靠。因此，本发明提供的RIOM单元结构简单、集成度、智能化程度高，结构与功能可扩展性好，安全可靠。

本发明实施例提供的RIOM，电源板通过背板上的电源总线可为网关板、输入板和输出板供电，通过上述至少两根背板总线可以实现输入板、输出板 以及网关板之间的通信，一旦RIOM中的一根背板总线受到干扰，输入板、输出板以及网关板还可通过其余的背板总线进行通信，从而解决了整个RIOM单元会出现故障的现象，提高了RIOM单元的稳定性和可靠性，进而提高了列车安全运行的可靠性。

图2为图1所示RIOM中电源板的结构示意图。如图2所示，本发明实施例中的上述电源板1，包括：保护、滤波电路11和电源转换模块12。保护、滤波电路11通过电源总线52与电源转换模块12连接；保护、滤波电路11与供电电源13连接，电源转换模块12与背板5连接。

保护、滤波电路11，用于滤除外界干扰，还用于保护背板5、网关板2、输入板3以及输出板4的安全；电源转换模块12，用于将供电电源13提供的电源电压转换到网关板2、输入板3、以及输出板4需求的电压。

具体的，电源板1主要负责电源转换功能，将列车供电电源13提供的电压(例如，直流110V)调整到适合RIOM单元内各板卡需求的电压(例如，直流5V)，为RIOM单元内其他板卡供电。如图2所示，供电电源13提供的电压经过保护、滤波电路11后到达电源转换模块12，最后输出各板卡需求的电压至背板5上的电源总线52，为RIOM单元内的其他板卡供电。

本发明RIOM中的电源板，在保护、滤波电路的作用下，不仅保护了RIOM单元内各板卡的安全，还滤除了外界的干扰，通过电源转换模块的转换作用，将供电电源提供的电压转换到合适的大小，为RIOM内各板卡的正常通信奠定了基础。

图3为图1所示RIOM中网关板的结构示意图。如图3所示，本发明实施例中的网关板2，包括：网关外总线控制器21、网关处理器22、至少两个网关内总线控制器23，并且，网关内总线控制器23的数量与背板总线51的数量相等。

具体的，每个网关内总线控制器23通过对应的背板总线51与背板5连接，网关处理器22分别连接至少两个网关内总线控制器23、网关外总线控制器21，网关外总线控制器21通过外部总线24与外部板卡25连接。

本发明以背板5包括两根背板总线51和一个电源总线52进行说明，相应的，网关内总线控制器23的数量也为两个。每个网关内总线控制器23通过对应的背板总线51与背板5连接，实现整个RIOM单元的内部通信。具体 的，当背板总线51采用CAN总线实现时，网关内总线控制器23可为CAN通讯控制器TJA1050，其是控制器区域网络(CAN)协议控制器和物理总线之间的接口，是一种标准的高速CAN收发器。TJA1050可以为总线提供差动发送性能，为CAN控制器提供差动接收性能。

网关处理器22连接在网关内总线控制器23与网关外总线控制器21之间，用于实现对网关内总线控制器23和网关外总线控制器21的控制，是网关板2进行数据处理的关键设备。值得说明的是，本发明中的网关处理器需满足支持至少两根背板总线，具体的，网关处理器22可采用最新ARM Cortex-M处理器STM32F207VG，ARM Cortex-M系列是新一代的，是一个可为广泛技术提供标准架构的处理器。与其他的ARM处理器不同，Cortex-M系列是一个完整的处理器核心，一个标准的CPU和系统架构。STM32F207VG具有更高的效率、更低的动态功耗、更多灵活创新的高性能外设和更高的集成度。

网关外总线控制器21连接在外部板卡25与网关处理器22之间，能够实现网关板2与列车控制和管理系统TCMS之间的信息交互。

可选的，网关外总线控制器21为多功能车辆总线MVB通讯控制电路，外部总线为MVB总线。MVB总线具有传输速度快，抗干扰能力强的优点。当上述外部总线24为MVB总线时，网关板2，还包括：处理器接口电路26。

处理器接口电路26连接在网关外总线控制器21与网关处理器22之间，用于协助网关外总线控制器21与网关处理器22之间的通信。处理器接口电路26可以是现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，简称FPGA)接口电路，也可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)接口电路，通过处理器接口电路提供的地址总线、数据总线来控制网关处理器22与网关外总线控制器21之间的信息交互。

在实际应用中，网关外总线控制器21还可以为RS485通讯控制器MAX485或者RS232通讯控制器ST3241EBPR等，本发明并不对网关外总线控制器的具体器件进行限定，只要是能够实现网关板与外部系统进行信息交互的控制器都可以被采用。当采用RS485通讯控制器时，外部总线为RS485总线，当采用RS232通讯控制器时，外部总线为RS232总线，RS485总线和RS232总线适用的通信距离短，其传输速度比较慢。

进一步的，网关板2，还包括：电源转换电路27，电源转换电路27分别与网关外总线控制器21、网关处理器22、至少两个网关内总线控制器23以及处理器接口电路26连接，用于将从电源总线52输入的电压转换到各设备需求的电压。

本发明提供的RIOM，其包含的网关板是RIOM单元的核心处理设备，可用于实现外部总线、背板总线的管理以及网关外总线控制器的对外接口服务，因此，网关板是RIOM单元接入TCMS系统的接口。

图4为本发明RIOM中输入板的组成示意图，图5为本发明RIOM中数字量输入板的结构示意图，图6为本发明RIOM中模拟量输入板的结构示意图。如图4所示，本发明上述实施例提供的RIOM，输入板3，包括：数字量输入板31和模拟量输入板32。数字量输入板31和模拟量输入板32均分别包括：至少一组输入通道、输入处理器、至少两个输入内总线控制器，且输入内总线控制器的数量与背板总线的数量相等；每个输入内总线控制器通过对应的背板总线与背板连接，输入处理器分别与至少两个输入内总线控制器、至少一组输入通道连接。

具体的，如图5所示，数字量输入板31，包括：至少一组数字量输入通道311、数字量输入处理器312、至少两个数字量输入内总线控制器313。数字量输入内总线控制器313的数量与背板总线51的数量相等；每个数字量输入内总线控制器313通过对应的背板总线与背板5连接，数字量输入处理器312分别与至少两个数字量输入内总线控制器313、至少一组数字量输入通道311连接。至少一组数字量输入通道311将从外部板卡315采集到的信息输送到数字量输入处理器312内进行数据处理。

数字量输入板31的每组数字量输入通道311公用一个公共输入负端，每组中的每路输入通道与数字量输入处理器312的一个引脚连接，将采集到的信息传递给数字量输入处理器312，数字量输入处理器312负责整个数字量输入板31的数据处理，一旦接收到网关板2发送来的请求发送信息，数字量输入板31就将板卡采集信息、板卡软件版本号、运行时间、生命信号、自检信息等数据通过至少两个数字量输入内总线控制器313发送至对应的背板总线51，由网关板2接收处理。

进一步的，数字量输入板31，还包括：电源转换电路314，电源转换电 路314分别与数字量输入处理器312、至少两个数字量输入内总线控制器313连接，用于将从电源总线52输入的电压转换到各设备需求的电压。

数字量输入板31主要负责照明控制、门状态、高压箱选择开关状态等列车信号的采集，通过背板5的至少两根背板总线51与网关板2进行数据交换。

进一步的，如图6所示，模拟量输入板32，包括：至少一组模拟量输入通道321、模拟量输入处理器322、至少两个模拟量输入内总线控制器323。模拟量输入内总线控制器323的数量与背板总线51的数量相等；每个模拟量输入内总线控制器323通过对应的背板总线与背板5连接，模拟量输入处理器322分别与至少两个模拟量输入内总线控制器323、至少一组模拟量输入通道321连接。至少一组模拟量输入通道321将从外部板卡325采集到的信息输送到模拟量输入处理器322内进行数据处理。

模拟量输入板32的每组模拟量输入通道321中的每路输入通道与模拟量输入处理器322的一个引脚连接，将采集到的信息传递给模拟量输入处理器322，模拟量输入处理器322负责整个模拟量输入板32的数据处理，一旦接收到网关板2发送来的请求发送信息，模拟量输入板32就将板卡采集信息、板卡软件版本号、运行时间、生命信号、自检信息等数据通过至少两个模拟量输入内总线控制器323发送至对应的背板总线51，由网关板2接收处理。

进一步的，模拟量输入板32，还包括：电源转换电路324，电源转换电路324分别与模拟量输入处理器322、至少两个模拟量输入内总线控制器323连接，用于将从电源总线52输入的电压转换到各设备需求的电压。

模拟量输入板32主要负责司机控制台处手柄级位信号、气缸压力、供电电源等信息的采集，通过背板5上的至少两根背板总线51与网关板2进行数据交换。

图7为本发明RIOM中输出板的组成示意图，图8为本发明RIOM中数字量输出板的结构示意图，图9为本发明RIOM中模拟量输出板的结构示意图。如图7所示，本发明上述实施例提供的RIOM，输出板4，包括：数字量输出板41和模拟量输出板42；数字量输出板41和模拟量输出板42均分别包括：至少一组输出通道、输出处理器、至少两个输出内总线控制器，且输出内总线控制器的数量与背板总线的数量相等；每个输出内总线控制器通过对应的背板总线与背板连接，输出处理器分别与至少两个输出内总线控制器、 至少一组输出通道连接。

具体的，如图8所示，数字量输出板41，包括：至少一组数字量输出通道411、数字量输出处理器412、至少两个数字量输出内总线控制器413。数字量输出内总线控制器413的数量与背板总线51的数量相等；每个数字量输出内总线控制器413通过对应的背板总线与背板5连接，数字量输出处理器412分别与至少两个数字量输出内总线控制器413、至少一组数字量输出通道411连接。至少一组数字量输出通道411将数字量输出处理器412处理后的信息输出输送到外部板卡415。

数字量输出板41的每组数字量输出通道411为各路完全独立隔离的数字量输出通道，采用继电器作为隔离元器件。每组数字量输出通道411公用一个公共输入正端，与继电器公共端连接，继电器线圈与数字量输出处理器412的一个引脚连接，数字量输出处理器412通过控制引脚电平的高低来控制继电器的输出，一旦接收到网关板2发送来的控制信息，数字量输出板41就将执行相关控制命令，同时将板卡软件版本号、运行时间、生命信号、自检信息等数据通过至少两个数字量输出内总线控制器413发送至对应的背板总线51，由网关板2接收处理。

可选的，数字量输出板41，还包括：电源转换电路414，电源转换电路414分别与数字量输出处理器412、至少两个数字量输出内总线控制器413连接，用于将从电源总线52输入的电压转换到各设备需求的电压。

数字量输出板41主要负责空调的启停控制、客室门的开闭以及照明控制等，通过背板5上的至少两根背板总线51与网关板2进行数据交换。

进一步的，如图9所示，模拟量输出板42，包括：至少一组模拟量输出通道421、模拟量输出处理器422、至少两个模拟量输出内总线控制器423。模拟量输出内总线控制器423的数量与背板总线51的数量相等；每个模拟量输出内总线控制器423通过对应的背板总线与背板5连接，模拟量输出处理器422分别与至少两个模拟量输出内总线控制器423、至少一组模拟量输出通道421连接。至少一组模拟量输出通道421将模拟量输出处理器422处理后的信息输出输送到外部板卡425。

模拟量输出板42每组模拟量输出通道421中的每路通道与模拟量输出处理器422的一个引脚连接，模拟量输出处理器422通过控制引脚电平的电压 高低来控制每路通道输出相应的模拟量，一旦接收到网关板2发送来的控制信息，模拟量输出板42就将执行相关控制命令，同时将板卡软件版本号、运行时间、生命信号、自检信息等数据通过至少两个模拟量输出内总线控制器423发送至背板总线51，由网关板2接收处理。

可选的，模拟量输出板42，还包括：电源转换电路424，电源转换电路424分别与模拟量输出处理器422、至少两个模拟量输出内总线控制器423连接，用于将从电源总线52输入的电压转换到各设备需求的电压。

本发明以背板包括两根背板总线，且背板总线为CAN总线为例对总线的切换流程进行说明。具体的，本发明采用背板双CAN总线完全冗余设计，采用两套CAN总线，每一套都包括总线控制器、总线驱动器和总线电缆。采用热备的工作方式，即当第一CAN总线通信发生故障时，第二启动CAN总线进行通信，维持系统正常运行。

当RIOM单元正常工作时，第一CAN总线处于工作状态。当第一CAN总线出现故障时，第二CAN总线进入工作状态。如果上电时检测到第一CAN总线故障，第二CAN总线则自动进入工作状态，这样可以保证整个RIOM单元的通信功能正常。总线故障检测和总线自动切换是双总线冗余系统设计的关键。

当双总线冗余系统发生故障后，总线的切换可由网关板完成。以第一CAN总线发生故障为例进行说明。当网关板通过第一CAN总线对监测节点(I/O板卡)进行轮询时，如果该监测节点无响应，那么网关板在间隔一段时间后会再次访问该监测节点，如果仍无响应，则由网关板将该监测节点标记为故障，接下来，通过第二CAN总线向该监测节点发出问询帧，如果该监测节点仍未响应，那么立即报警，报告该监测节点出现故障；如果该故障节点发出响应，表明该检测节点并未出现故障，而是第一CAN总线故障，将第一CAN总线的总线控制器复位，并尝试通过第一CAN总线向网关板发送错误恢复数据帧，如果成功，网关板去掉上述监测节点的故障标记，并告知该监测节点继续使用第一CAN总线进行通信；如果在尝试发送N次后仍然不成功，那么该监测节点通过第二CAN总线告知网关板第一CAN总线的错误恢复失败，发出报警信息，提示驾驶员有故障发生。

本发明提供的RIOM，通过双背板总线冗余通信来设计RIOM单元，提 高了RIOM单元的稳定性，在列车网络控制系统中有着明显的优势，是轨道交通行业未来发展的方向。

图10为本发明具有RIOM的列车的结构示意图。如图10所示，本发明提供的一种具有RIOM的列车，包括：图1～图9所述的RIOM 101、列车控制单元VCU 102以及多功能车辆总线MVB 103。RIOM 101通过MVB 103与VCU 102进行通信。RIOM 101，用于采集输入信息，还用于输出控制命令到VCU 102；VCU 102，用于控制该列车的运行状态。

本发明中的RIOM，其具体结构和实现原理与图1至图9中的一致，详细内容参见上述实施例中的介绍，此处不再赘述。

本发明提供的RIOM及具有RIOM的列车，通过在背板上设置至少两根背板总线，当RIOM中的一根背板总线受到干扰，其传输的信息发生异常时，输入板、输出板以及网关板还可通过其余的背板总线进行通信，从而解决了整个RIOM单元会出现故障的现象，提高了RIOM单元的稳定性和可靠性，进而提高了列车安全运行的可靠性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。