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。
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。
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。
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。
