CN102681463A - 紧凑型扩展io设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种紧凑型扩展IO设备,该扩展IO设备包括外壳、设置在外壳内部的电路板、以及电源模块,电路板由一块带处理器的底板和一块带通讯接口的小板构成,底板和小板之间通过双排连接器连接。本发明硬件资源丰富,接口多样,使用范围广阔,结构采用紧凑式设计,体积小,内部电路板采用模块化设计,电路板由一块带处理器的底板和一块带通讯接口的小板构成,底板上含有高速FPGA微处理器芯片,可以实现多线程同时控制,使本发明可以作为主设备使用;同时通过小板上的通讯接口可以配置成MVB总线接口和HDLC总线接口,通过一根网络硬线与主设备连接,作为从设备使用,主设备可以通过网络协议对其进行管理和控制。

Description

紧凑型扩展IO设备
技术领域
本发明涉及一种用于高速动车组列车和城市轨道列车控制系统的扩展设备,具体的说,涉及一种管理数字量输入输出、模拟量输入输出的扩展IO设备。
背景技术
目前,单轨列车的网络系统只是负责接收各子系统信息,因此,整车控制模式不能通过网络发送控制命令,而只能采用硬线控制,这些指令以及单轨列车的牵引系统本身的模拟量、数字量输入输出数量已经远超出了牵引控制器本身的硬件资源,因此需要在牵引系统中增加设备对IO(输入输出)进行扩展,以满足控制需求。
CRH5动车组列车网络系统中采用了一种可扩展模块可解决以上问题,但其在推广应用方面也存在如下缺点:(1)该模块必须和主控制器拼凑使用,不利于远距离控制;(2)该模块只能作为从设备使用,不能对输入输出进行管理;(3)该模块接口只能为CAN Bus;(4)该模块采用塑料外壳,电磁兼容性差。
发明内容
本发明针对现有列车网络系统在控制模拟量、数字量输入输出过程中存在的上述不足,提供了一种体积小、使用范围广、可独立使用、便于远距离控制的紧凑式扩展IO设备,该扩展IO设备可根据输入输出数量需要进行灵活扩展和配置,既可作为从设备接收主系统指令,又可作为主系统独立管理输入输出。
本发明的技术方案是:一种紧凑型扩展IO设备,该扩展IO设备包括外壳、设置在外壳内部的电路板、以及电源模块,电路板由一块带处理器的底板和一块带通讯接口的小板构成,底板和小板之间通过双排连接器连接,底板上含有电源转化电路、数字量输入电路、数字量输出电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路、PT100/PT1000采样电路、CAN Bus总线接口和一个高速FPGA微处理器芯片,数字量输入电路、数字量输出电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路、PT100/PT1000采样电路和CAN Bus总线接口分别与高速FPGA微处理器芯片连接,通讯接口小板通过连接器与FPGA芯片连接。
优选的是,数字量输入电路含有28路隔离数字量输入,采用固态继电器隔离形式,且输入为可控输入,输入电压为DC110V或DC24V;数字量输出电路含有6路干式继电器输出,其输出与线圈完全隔离,输出电压为DC110V或DC24V。
优选的是,模拟量输入电路含有4路模拟量输入,其中,2路模拟量输入为隔离输入;模拟量输出电路含有4路模拟量输出,其中,2路模拟量输出为电流输出,2路模拟量输出为电压输出,输出为电流信号时,输出端口采用运算放大器组成恒流源电路,输出为电压信号时,输出端口采用运算放大器组成恒压源电路。
优选的是,PT100/PT1000采样电路含有2路PT100/PT1000采样,采用标准IC芯片,控制接口为SPI接口,可用高速FPGA微处理器芯片进行配置管理。
优选的是,底板上还含有设备地址编码接口、设备维护及软件下载接口、系统温度采集电路和看门狗电路,设备地址编码接口、设备维护及软件下载接口、系统温度采集电路和看门狗电路分别与高速FPGA微处理器芯片连接,设备地址编码接口和设备维护及软件下载接口采用DSUB型双层连接器,看门狗电路采用插拔式双层连接器。
优选的是,系统温度采集电路包括电路板温度采集和温度传感器采样,用于实时读取当前电路板表面温度,并将此温度通过网络接口发送至高速FPGA微处理器芯片。
优选的是,带有通讯接口小板可配置对外通讯接口,其可配置的通讯接口包括MVB总线接口和HDLC总线接口。
优选的是,底板上还含有总线接口电路,该总线接口电路与CAN Bus总线接口、MVB总线接口和HDLC总线接口构成总线接口模块。
优选的是,电源转化电路的输入端与电源模块连接,该电源转化电路包括电源转换模块和用于保护电路的EMC电磁兼容保护模块,电源转换模块为DC110V转DC24V、或DC24V转DC15V,模块功率为100W,EMC电磁兼容保护模块包含过流保护电路、过压保护电路、短路保护电路、EMI滤波电路、浪涌脉冲抑制电路、滤波电路和输出滤波电路。
优选的是,外壳为采用铝合金开模一次性成型的壳体,外壳的左右两侧安装有具有散热孔的堵头;电源模块的散热面通过一个铝散热块与外壳连接。
本发明的有益效果是:本发明硬件资源丰富,接口多样,使用范围广阔,结构采用紧凑式设计,体积小,内部电路板采用模块化设计,电路板由一块带处理器的底板和一块带通讯接口的小板构成,底板上含有高速FPGA微处理器芯片,可以实现多线程同时控制,使本发明可以作为主设备使用;同时通过小板上的通讯接口可以配置成MVB总线接口和HDLC总线接口,通过一根网络硬线与主设备连接,该网络硬线的网络协议可以是MVB总线协议、CAN Bus总线协议以及HDLC总线协议,使本发明作为从设备使用,主设备可以通过网络协议对其进行管理和控制。本发明外壳采用铝合金开模一次性成型,体积小,安装方便,电磁屏蔽性能高,且外壳左右安装了具有散热孔的堵头,在散热处理上采用铝散热块,将电源模块的散热面与整个铝合金外壳连接,散热面积增大,增加了散热效果。
附图说明
附图1为本发明具体实施例的结构框图。
附图2为本发明具体实施例电源转换电路的结构框图。
附图3为本发明具体实施例数字量输入电路的结构框图。
附图4为本发明具体实施例数字量输出电路的电路图。
附图5为本发明具体实施例模拟量输入电路的结构框图。
附图6为本发明具体实施例模拟量输出电路的结构框图。
附图7为本发明具体实施例PT100/PT1000采样电路的结构框图。
附图8为本发明具体实施例总线接口电路的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明。
一种紧凑型扩展IO设备,该扩展IO设备包括外壳、设置在外壳内部的电路板、以及电源模块,电路板由一块带处理器的底板和一块带通讯接口的小板构成,底板和小板之间通过双排连接器连接,外壳为采用铝合金开模一次性成型的壳体,外壳的左右两侧安装有具有散热孔的堵头;电源模块的散热面通过一个铝散热块与外壳连接。
底板上含有电源转化电路、数字量输入电路、数字量输出电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路、PT100/PT1000采样电路、CAN Bus总线接口和一个高速FPGA微处理器芯片,数字量输入电路、数字量输出电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路、PT100/PT1000采样电路和CAN Bus总线接口分别与高速FPGA微处理器芯片连接;带有通讯接口的小板通过双排连接器与FPGA芯片连接,该小板可配置对外通讯接口,其可配置的通讯接口包括MVB总线接口和HDLC总线接口。
底板上还含有设备地址编码接口、设备维护及软件下载接口、系统温度采集电路和看门狗电路,设备地址编码接口、设备维护及软件下载接口、系统温度采集电路和看门狗电路分别与高速FPGA微处理器芯片连接,设备地址编码接口和设备维护及软件下载接口采用DSUB型双层连接器,看门狗电路采用插拔式双层连接器;系统温度采集电路包括电路板温度采集和温度传感器采样,用于实时读取当前电路板表面温度,并将此温度通过网络接口发送至高速FPGA微处理器芯片。底板上还含有总线接口电路,该总线接口电路与CAN Bus总线接口、MVB总线接口和HDLC总线接口构成总线接口模块。
电源转化电路的输入端与电源模块连接,该电源转化电路包括电源转换模块和用于保护电路的EMC电磁兼容保护模块,电源转换模块为DC110V转DC24V、或DC24V转DC15V,模块功率为100W,可以满足DC110V和DC24V两种电平制式;EMC电磁兼容保护模块包含过流保护电路、过压保护电路、短路保护电路、EMI滤波电路、浪涌脉冲抑制电路、滤波电路和输出滤波电路。
数字量输入电路含有28路隔离数字量输入,采用固态继电器隔离形式,且输入为可控输入,输入电压为DC110V或DC24V。数字量输出电路含有6路干式继电器输出,其输出与线圈完全隔离,输出电压为DC110V或DC24V。
模拟量输入电路含有4路模拟量输入,其中,2路模拟量输入为隔离输入,模拟量输入为充分输入,可以是电流型信号或电压型信号,在采样电路前级设有采样电阻,通过采样电阻配置可以实现电流信号到电压信号的转换;此外,该电路中还设有偏置参考源,即偏置电压,输入信号可以是交流信号。模拟量输出电路含有4路模拟量输出,其中,2路模拟量输出为电流输出,2路模拟量输出为电压输出,输出为电流信号时,输出端口采用运算放大器组成恒流源电路,输出电流范围为:-20mA-+20mA,输出电流波形可直流、交流、三角波等;输出为电压信号时,输出端口采用运算放大器组成恒压源电路,输出电压可以调节,输出电压范围为:-15V-+15V,输出电压波形可为直流、交流、三角波等。
PT100/PT1000采样电路含有2路PT100/PT1000采样,采用标准IC芯片,控制接口为SPI接口,可用高速FPGA微处理器芯片进行配置管理。
工作原理:
作为主设备使用时,通过内部的高速大容量FPGA为核心处理器,可以实现多线程同时控制,包括数字量高速采样和高速输出,模拟量高速采样和数字滤波功能,以及模拟量高速输出,同时可以通过MVB端口、CANBus端口以及HDLC端口读取外围设备数据,进行逻辑处理和数字运算。
作为从设备使用时,可以作为单个设备安装,与主设备之间通过一根网络硬线连接,该硬线的网络协议可以是MVB总线协议、CAN Bus协议以及HDLC总线协议,主设备可以通过网络协议对紧凑型扩展IO进行管理和控制,本发明扩展IO设备随时进行数字量输入采集和运算、模拟量采集和滤波处理,同时接听主设备命令,接收命令后立即进行应答,将当前最新的数字量和模拟量发送给主设备;或者接收命令后立即执行,将数字量和模拟量进行输出。
维护和软件下载时,可以直接通过设备维护及软件下载接口进行维护和程序下载,不需要打开外壳,维护和软件下载方便。在进行设备地址编码时,采用外部编码设计,通过DSUB连接器与设备地址编码接口连接来进行编码,在编码时,只需将外接DSUB连接器进行短接即可,设备编码简单、易更改。

Claims (10)

1.一种紧凑型扩展IO设备,其特征在于:该扩展IO设备包括外壳、设置在外壳内部的电路板、以及电源模块,电路板由一块带处理器的底板和一块带通讯接口的小板构成,底板和小板之间通过双排连接器连接,底板上含有电源转化电路、数字量输入电路、数字量输出电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路、PT100/PT1000采样电路、CAN Bus总线接口和一个高速FPGA微处理器芯片,数字量输入电路、数字量输出电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路、PT100/PT1000采样电路和CAN Bus总线接口分别与高速FPGA微处理器芯片连接,通讯接口小板通过连接器与FPGA芯片连接。
2.根据权利要求1所述的紧凑型扩展IO设备,其特征在于:数字量输入电路含有28路隔离数字量输入,采用固态继电器隔离形式,且输入为可控输入,输入电压为DC110V或DC24V;数字量输出电路含有6路干式继电器输出,其输出与线圈完全隔离,输出电压为DC110V或DC24V。
3.根据权利要求1所述的紧凑型扩展IO设备,其特征在于:模拟量输入电路含有4路模拟量输入,其中,2路模拟量输入为隔离输入;模拟量输出电路含有4路模拟量输出,其中,2路模拟量输出为电流输出,2路模拟量输出为电压输出,输出为电流信号时,输出端口采用运算放大器组成恒流源电路,输出为电压信号时,输出端口采用运算放大器组成恒压源电路。
4.根据权利要求1所述的紧凑型扩展IO设备,其特征在于:PT100/PT1000采样电路含有2路PT100/PT1000采样,采用标准IC芯片,控制接口为SPI接口,可用高速FPGA微处理器芯片进行配置管理。
5.根据权利要求1所述的紧凑型扩展IO设备,其特征在于:底板上还含有设备地址编码接口、设备维护及软件下载接口、系统温度采集电路和看门狗电路,设备地址编码接口、设备维护及软件下载接口、系统温度采集电路和看门狗电路分别与高速FPGA微处理器芯片连接,设备地址编码接口和设备维护及软件下载接口采用DSUB型双层连接器,看门狗电路采用插拔式双层连接器。
6.根据权利要求5所述的紧凑型扩展IO设备,其特征在于:系统温度采集电路包括电路板温度采集和温度传感器采样,用于实时读取当前电路板表面温度,并将此温度通过网络接口发送至高速FPGA微处理器芯片。
7.根据权利要求1所述的紧凑型扩展IO设备,其特征在于:带有通讯接口小板可配置对外通讯接口,其可配置的通讯接口包括MVB总线接口和HDLC总线接口。
8.根据权利要求7所述的紧凑型扩展IO设备,其特征在于:底板上还含有总线接口电路,该总线接口电路与CAN Bus总线接口、MVB总线接口和HDLC总线接口构成总线接口模块。
9.根据权利要求1所述的紧凑型扩展IO设备,其特征在于:电源转化电路的输入端与电源模块连接,该电源转化电路包括电源转换模块和用于保护电路的EMC电磁兼容保护模块,电源转换模块为DC110V转DC24V、或DC24V转DC15V,模块功率为100W,EMC电磁兼容保护模块包含过流保护电路、过压保护电路、短路保护电路、EMI滤波电路、浪涌脉冲抑制电路、滤波电路和输出滤波电路。
10.根据权利要求1至9任意一项所述的紧凑型扩展IO设备,其特征在于:外壳为采用铝合金开模一次性成型的壳体,外壳的左右两侧安装有具有散热孔的堵头;电源模块的散热面通过一个铝散热块与外壳连接。
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