摘要：在列车控制系统中，模拟量信号在列车的控制中广泛应用，技术实现上要求系统对相关模拟量信号的进行输入采样，实现对列车的状态管理，其次要求通过模拟量的输出实现对列车装置的控制，然后要求信号能在系统中可靠的传输。在模拟量的输入和输出中，分别需要要用到A/D，D/A转换，或称为ADC，DAC，在通信传输中常见的是多通道SPI通信方案。
关键词：ADC；DAC；SPI；MCU；VCU；RIOM
中图分类号：TP23 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）12-0281-03
随着列车运行技术的高速化、智能化发展，列车控制系统处理的信号数量和种类与日俱增，最常见就是数字量信号和模拟量信号。数字量信号的逻辑控制主要实现逻辑控制、顺序控制，技术实现相对简单；模拟量的特点是连续变化的，形式上分为模拟电流和电压信号。由于模拟量动态变化和连续性，技术实现上需经过A/D和D/A的转换，并选择合适的通信方式传输，如本文中的多通道SPI。
本文结合实际模拟量板卡的软硬件设计案例详细剖析列车中模拟量信号的输入采样，输出控制以及传输原理。
名词解释如下：
VCU：Vehicle Control Unit，车辆控制单元
RIOM：Remote Input/Output Module， 远端输入输出模块
AIO板卡：Analog Input/Output 模拟量板卡
MCU： Microcontroller Unit 本文指AIO板卡处理器
SPI：Serial Peripheral Interface，串行外设接口
1 模拟量板卡方案總体设计
在列车应用中，模拟量的处理是通过模拟量板卡（AIO板卡），在应用中将模拟量板卡通过卡槽连接到VCU或RIOM上，构成了VCU或RIOM的部件之一，AIO板卡将采样的输入信号传输给VCU或RIOM主控制器，或接收VCU或RIOM主控制器的逻辑输出需求输出相应的信号到外围装置，如图1所示。
AIO板卡在物理上同属于低速板卡，负责模拟量信号的处理，并通过串行总线同VCU/RIOM主控制器板卡之间进行通信。
下图为一实际应用案例，AIO板卡总体方案设计如下图。
AIO板卡内部电路如图2所示，前面板连接器是AIO板卡与外围装置的接口，通过硬线连接外围装置；外部输入输出接口分为4组，前两组分别是两通道模拟量信号输入，第三组是两通道模拟量输出，第四组是恒压输出；模拟量输入输出模块和处理器通过多通道SPI接口通信；背板连接器是AIO板卡与VCU、RIOM主控控制器的通信接口，处理器与系统主控板卡之间的通信方式是RS485。
第一组模拟量输入检测模块，包括2路模拟量输入采集通道，将外部装置的模拟量输入信号，通过硬线连接方式经前面板连接器采集进来，经模拟量输入检测模块通过A/D转换，将模拟量信号转换为数字量信号，经过SPI接口，将数字量信号传递给MCU， MCU处理后的数字量信号经过RS485协议，经背板连接器传递给VCU或RIOM控制器，完成整个模拟量输入信号的采集和传输；
第二组为模拟量输入检测模块，结构与功能同第一组，和第一组一起共同支持四通道模拟量信号的输入，可根据列车的实际需求设计匹配数量的通道输入；
第三组为模拟量输出模块，双通道模拟量信号输出，可通过编程的方式配置为模拟量电流输出或电压输出，VCU、RIOM通过背板连接器经RS485通信将数字信号传输给MCU， MCU通过SPI接口将数字量传输给模拟量输出模块，模拟量输出模块经过D/A转换，将数字量信号转换为模拟量信号，经前面板连接器，以硬线连接的方式输出至相应的外部装置，完成整个模拟量信号的输出控制；
第四组为±DC15V电源输出通道，可驱动一定的负载。板卡处理器经由RS485电路，经由背板实现AIO板卡与系统主控板卡的通信。
2 模拟量输入检测模块
任意一组的模拟量输入检测模块原理如下图所示：
本案中ADC芯片采用AD7321BRUZ，是ADI公司产品。该IC具有如下特性：支持多量程输入；支持多通道输入；转换分辨率支持12位以上；支持SPI串行接口。
实际AD7321BRUZ芯片ADC电路设计图如下所示：
见图3和图5，采集完成的模拟量信号经过运算放大器后生成AIN1和AIN2信号，AIN1和AIN2信号经过A/D转换，完成对模拟量信号到数字量的转化，然后将数字量数据经过SPI接口传输给MCU控制器。
3 模拟量输出模块
模拟量输出模块原理如下图所示：
如图 6所示MCU的数字量信号经SPI，经过数字隔离电路到DAC单元，完成数/模转换，完成模拟量信号输出，并通过运算放大器和ADC进行输出信号回踩，形成闭环。在技术上具有如下特点：
Ø可编程实现电流或电压模拟量信号的输出；
Ø对输出电压信号进行ADC采样，实现输出信号的闭环控制与过流过压检测，提高了输出精度，并具备故障检测能力；
其中DAC芯片在该实例中采用ADI公司的AD5755-1，功能框图如下：
如图7，AD5755-1有如下特性：支持多通道电流/电压模拟信号输出；支持16位分辨率；可编程支持多量程输出电压和电流范围；支持SPI；
AD5755-1芯片DAC电路设计图如下所示：
如图8所示，MCU通过SPI接口，将数字量信号经过数字隔离芯片传递给DAC单元，DAC完成转换，将具备闭环控制的精确模拟信号输出，图中OUTA1/OUTA2为模拟量输出端口。
4 模拟量通信传输
该案中，模拟量在DAC/ADC/MCU之间的传输方式采用SPI接口。SPI是一种高速的，全双工，基于主从模式的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，分别是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。其中通过片选功能使得主从通信能够实现一对多。
在本文方案中多通道SPI通信体现如下：
Ø多路模拟量输入采集，ADC通道SPI，本案中为共用两路SPI；
Ø多通道模拟量输出，DAC通道SPI，本案中共用一路SPI；
Ø多通道模拟量输出回踩，ADC通道SPI，本案中共用一路SPI；
具体方案如下图所示：
见图9，本案设计四通道SPI，分别为SPI1，SPI2，SPI3，SPI4。其中SPI1和SPI2采用一主二从的模式，MCU为主，AIO_Input_G1和AIO_Input_G1为两从，AIG1_CS和AIG2_CS构成了两互斥的片选信号，共享SCLK，SDI，SDO信号线。SPI3和SPI4为一主一从模式。
图中AIO_Input_G1和AIO_Input_G1是两组模拟量输入采样单元，共采集四路模拟量通道信号，AIO_Output是模拟量输出单元，控制两路模拟量输出通道。
5 结论
本文通过一实际模拟量设计方案，剖析了多通道模拟量输入、输出、闭环检测、以及SPI接口的技术原理和详细的设计原理。本文强调了ADC/DAC/SPI等技术在模拟量信号处理的具体应用，理论联系实际，为后续列车和其他领域模拟量处理的方案设计以及列车故障诊斷领域能够提供一定的参考价值。
本案中所述的技术方案在列车控制系统中已经得到长期的实践应用证明稳定可靠，其中也详细研究过国内外领先的列车控制系统方案商关于模拟量信号的处理技术方案基本一致，具有比较通用广泛的参考意义。
参考文献：
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[4] 徐燕，毛师彬，汤永东，白煊.基于FPGA的多通道模拟量采集/输出PCI板卡的研制[J]. 测控技术，2018.
【通联编辑：梁书】