为实现控制距离远，精度高，必须提高远程设备信息的精度，因存在多个系统之间的通信问题，有时采用人工方式键入远程指示信息，在数据量大的情况下，导致信息键入失误率上升。为提高键入远程设备信息的精度，研究实现了基于ARM的远程设备信息的自动输入转换系统，远程设备信息通过RS485协议方式传榆至本系统，系统解析信息协议、分析数据，并将得到的键盘鼠标数据以PS2键盘协议和串口鼠标协议转发给控制系统。在实际演练中，远程设备信息自动输入转换系统提高了信息的键入精度，为控制自动化提高了效率。

远程输入设备系统工作原理

系统实时接收键盘、鼠标命令，向计算机主机进行转发，实现键盘、鼠标正常信息输入；在外部设备的控制下自动完成键盘、鼠标信息传输通道切换，并接收外部设备发送的指示信息，模拟生成计算机主机可以接收的信息并按照设计的时序发送至计算机主机，实现远程设备信息中各项参数的模拟键人；实现参数键入后，及时将控制权交还给键盘、鼠标，恢复正常操控功能。

远程输入设备总体框架

系统的结构框图如图1所示。

远程设备信息自动输入转换系统工作流程如下：

第一步，在未收到远程设备信息时，模拟器对键盘、鼠标进行实时转发，完成键盘、鼠标命令信息输入；

第二步，在需要输入远程设备信息时，首先进入需要输入远程设备信息的页面，在远程设备信息处理设备上输入需要发送的远程设备信息批号，并确认发送；

第三步，远程设备信息处理设备将远程设备信息的内容和需要输入的位置信息按照规定的接口协议发送给模拟器；

第四步，模拟器在收到远程设备的信息后，自动进行键盘、鼠标信息传输通道切换，屏蔽原有键盘、鼠标传输通道，接通模拟键盘、鼠标通道；

第五步，模拟器首先控制鼠标指针移到屏幕左上角位置(0，0)像素点上，然后调用鼠标最优移动算法将鼠标指针移动到指定位置像素区域，并模拟单击指令，选中需要输入的数据；

第六步，模拟器将接收到远程设备信息的键盘码转换成符合专用键盘格式的扫描码数据，完成远程设备信息的自动键入；

第七步，数据输入完成后，模拟器控制将键盘、鼠标信息传输通道切换回原来状态，恢复键盘、鼠标正常操控功能。

远程输入设备系统的硬件设计

远程设备信息自动输入转换系统可采用成熟的接口电路技术，以ARM为主控芯片，结合串口控制芯片、DC、DC电源转换模块、继电器芯片等一些专用接口芯片和外围电路实现。远程设备信息自动输入转换系统逻辑原理图如图2所示。

在键盘、鼠标模拟器中，ARM作为主控芯片完成远程设备信息的接收和发送应答，实现键盘、鼠标输人的切换，并把远程设备信息模拟转发给本地计算机。

系统在不通电的情况下，键盘输人和模拟键盘输出直接连通，当外部设备输入信息后，切换继电器输出引脚，实现远程设备信息解析并按照PS/2协议转发给本地计算机。信息发送完毕后，切换继电器，恢复键盘输入和模拟键盘输出直接连通状态。键盘输入和模拟键盘输出同时通过继电器切换和ARM芯片连接，实现信息的转发。

系统在不通电的情况下，鼠标输入和模拟鼠标输出直接连通。当外部设备输入信息后，切换继电器输出引脚，实现远程设备信息处理转发给本地计算机。信息发送完毕后，切换继电器，恢复鼠标输入和模拟鼠标输出直接连通状态。

远程输入设备硬件设计

基于Modbus_RTU（Modicon公司开发的一种通信协议）的远程输入输出接口的硬件电路框图如图5所示。硬件电路主要包括处理器（单片机）、输入输出隔离器件和RS485收发器三个部分。

单片机是输入输出接口设备的核心，其接收来自总线的数据命令，根据命令的形式，控制相应的端口输出或将采集到的端口信息进行回复。单片机的电路部分又可以分为电源、晶振、看门狗三个部分，电源是数字电路工作的必须部分，通常单片机的电源是一个降压稳压电路，通用单片机的工作电压一般为3.3V或5V，而普通开关电源或AC-DC模块的输出电压一般为12V或24V，所以需要降压。为了保证单片机工作的稳定，需要在降压器件的输出侧加稳压二极管和电容，以保证电压的稳定和降低纹波。晶振为单片机工作提供时基，晶振分为内部晶振和外部晶振两种，外部晶振具有更好的精度和稳定性。单片机工作在工业环境中，容易受到各种干扰，会导致控制程序出现异常，看门狗电路可以将出现异常的程序及时拉回到正常状态，防止出现事故。看门狗的原理是定时接收单片机发出的周期信号，当一定时间内没有收到周期信号后，将单片机热复位，让程序重新运行，而这个过程单片机的RAM不会发生改变，保证控制功能可以继续。

在工业控制环境中，各种干扰会冲击传输线路，这就需要对单片机的端口进行隔离，将干扰阻挡在隔离器件之外，首先保证单片机的安全。常用的隔离器件有光耦和磁耦，光耦传输速率相对较低，可以在输入输出端口隔离中使用，磁耦的传输速率相对较高，可以在通信隔离中使用。

远程输入设备软件设计

软件设计流程图如图6所示。

初始化部分主要完成单片机的初始配置，包括晶振的设置、定时器的设置、Modbus_RTU协议栈的设置和端口的输入输出设置。采集端口信息部分完成对单片机输入端口的电平采集，端口的电平状态需要进行滤波，防止状态出现频繁跳动，滤波采用平均滤波法，即在一定时间内采集数次端口的电平，数次电平一致，则认为电平已稳定，将稳定的电平值定期存储在Modbus_RTU寄存器中，以备Modbus主站读取。Modbus数据处理部分采用中断的形式，当总线上收到来自主站的命令时，触发一次中断，置中断标识。在中断处理程序中，首先判断收到的命令是读命令还是写命令，如果是读命令，则根据Modbus_RTU协议规则，把主站想要读取的寄存器的值回复给主站，如果是写命令，则改变相应的寄存器的值，进而根据内部寄存器与外部端口的映射关系，将相应的单片机端口置位。

整个软件设计实现了主站对远程输入输出接口设备的输入口信息的采集和主站对远程输入输出接口设备的输出口的控制，主站具有总线控制权，可以随时采集端口信息和控制端口输出。

远程输入设备使远离计算机的用户能对远处的计算机进行批量输入作业。这种设备的最简单的结构由一台打印机、一台卡片阅读机及其通信控制处理机组成。由于通信线路中的信息是以串行方式传输的，设备中的通信控制处理机需要将输入到计算机的信息由并行转变为串行而送入通信线路，并将通信线路中送来的信息由串行变为并行后输出；此外还需要按规定的通信规程对信息的传输和纠错等处理工作进行监控。

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。

数码录音笔要完成录音，输入设备是必不可少的。输入设备即数码录音笔接受外部可辨别声音的设备。如内置麦克风、外接麦克风、与电话听筒的连线等等。

麦克风又分为：指向性麦克风、单向麦克风、广角麦克风。