CN102707678A - 一种轨道交通车辆网络系统的输入输出工作站 - Google Patents

Abstract

一种轨道交通车辆网络系统的输入输出工作站，包括：基座模块，IO输入模块，接收来自列车上至少一个功能单元的状态数据；IO输出模块，向所述列车上所述至少一个功能单元发送控制命令；CPU模块，通过与所述基座模块的通信链路连接，接收来自所述IO输入模块的所述状态数据，CPU模块包含将IO输入模块的状态数据转发到所述列车的控制单元；并且，通过MVB通信网卡接收来自所述列车的控制单元的所述控制命令，输出到所述IO输出单元；以及电源模块，向所述CPU模块，所述IO输入模块和所述IO输出模块提供电力，其中基座模块包含INTERBUS总线；IO输入模块、IO输出模块与CPU模块包含用于INTERBUS总线通信的从站或主站芯片构成的通信电路。该输入输出工作站适于机车、动车组、地铁和城际列车的应用。

Description

一种轨道交通车辆网络系统的输入输出工作站

技术领域

本发明涉及一种列车设备，特别地，涉及一种在列车上使用的可根据输入输出通道数量可自由配置和扩展的轨道交通车辆网络系统的输入输出工作站。

背景技术

高速运行的列车运行控制是一个非常重要的技术。在列车上的各个位置安装有数量很多的功能单元。这些功能单元包括：牵引单元，制动单元，空调单元，电源辅助单元和高压单元等等。对于列车的控制是通过对各个功能单元的控制实现的。各个功能单元通过列车网络控制系统连接到全列车的控制单元，从而实现列车的集中控制与突发事件的紧急处理。

图1是现有的列车网络控制系统100的结构示意图。如图1所示，所有的功能单元201-208都直接连接到控制单元101。各个功能单元将各自的开关量信号直接发送到控制单元101，通知控制单元101其当前的状态，并从控制单元101接收控制命令，执行相应的动作。

这种列车网络控制系统的缺点很多。首先，控制单元的I/O负担过重，占用控制单元的很多资源。无论是处理资源还是接口资源都被大量占用，严重影响中央控制单元的处理能力。其次，各个功能单元对传输速率的要求不同。同一种传输总线容易造成传输资源不足或传输资源浪费。而如果采用多种总线结构，则增加了布线的复杂度。第三，布线非常复杂，既占用空间，又不便于维护。因此，本领域需要一种针对上述技术问题的简单方便的解决方案。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，根据本发明的一个方面，提出一种轨道交通车辆网络系统的输入输出工作站，包括：基座模块，其包括通信电路；IO输入模块，其安装到所述基座模块上，接收来自列车上至少一个功能单元的状态数据；IO输出模块，其安装到所述基座模块上，向所述列车上所述至少一个功能单元发送控制命令。所述电源模块，所述CPU模块和基座模块安装在标准的DIN35导轨上。CPU模块，与所述基座模块的IO通信电路连接，接收来自所述IO输入模块的所述状态数据，并转发到所述列车的控制单元；并且，接收来自所述列车的所述控制单元的所述控制命令，并转发到所述IO输出单元；以及电源模块，向所述CPU模块，所述IO输入模块和所述IO输出模块提供电力。

根据本发明的另一个方面，提出了一种轨道交通车辆网络系统的输入输出工作站的数据通信的方法，包括：输入输出工作站通过MVB卡发送或接收来自控制单元的数据；来自所述控制单元的数据由CPU模块的中央处理器进行解析并输出到IO输出模块，或IO输入模块数据由CPU模块的中央处理器进行收集并发送到其它控制单元；通过INTERBUS主芯片将来自所述中央处理器的数据经过INTERBUS总线发送到所述IO输出模块的INTERBUS从芯片，并通过所述输入模块的INTERBUS从芯片读取来自各个输入IO通道的数据，然后经过INTERBUS总线转发到INTERBUS主芯片，由所述CPU模块的中央处理器接收。

根据本发明的另一个方面，提出了一种列车控制的方法，包括：通过输入输出工作站读取各个功能单元的输入输出状态数据；输入输出工作站将各个功能单元的状态数据通过MVB转发到控制单元；以及中央处理单元根据控制逻辑判读是否需要调整功能单元。如果不需要调整，继续监视列车的运行状态；如果需要调整，控制单元通过MVB总线将针对功能单元的调整命令发送到输入输出工作站的CPU模块。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是现有的列车网络控制系统的结构示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的列车网络控制系统的结构示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的输入输出工作站结构示意图；

图4是根据本发明的另一个实施例的输入输出工作站结构示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的输入输出工作站的CPU模块的结构示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的输入输出工作站的IO输入模块的结构示意图；

图7是根据本发明的一个实施例的输入输出工作站的IO输出模块的结构示意图；

图8是根据本发明的一个实施例的输入输出工作站的CPU模块的初始化方法流程示意图；

图9是根据本发明的一个实施例在输入输出工作站的CPU模块上进行数据通信的方法；及

图10是根据本发明的一个实施例在控制单元上进行列车控制的方法。

具体实施方式

图2是根据本发明的一个实施例的列车网络控制系统的结构示意图。如图2所示，本发明的列车控制网络包括控制单元101和输入输出工作站102。所有的功能单元201-208都直接连接到输入输出工作站102，输入输出工作站102连接到控制单元101。根据本发明的一个实例，功能单元201-208与输入输出工作站102之间采用的通信协议与输入输出工作站102与控制单元101之间采用的通信协议不同。根据本发明的一个实例，功能单元201-208与输入输出工作站102之间采用INTERBUS通信协议；输入输出工作站102与控制单元101之间采用MVB（Multifunction VehicleBus）通信协议。

输入输出工作站是车载网络控制系统的输入输出采集装置。它也可以与中央控制单元集成，为网络控制系统提供输入状态变量及输出控制命令，实现整车控制和监视的功能。输入输出工作站是网络输入输出设备，其将多个开关量信号集中采集和发布，通过通信网络与作为网络控制中心的中央控制单元交互。输入输出工作站为控制单元的上层应用的实现提供这些开关量的状态数据，并且将上层应用发布的控制命令转发到各个功能单元以供执行。

控制单元是列车的主要逻辑控制单元，控制全列车的运行，实现整车的控制。为了控制列车各个功能单元，控制单元通过集中的输入输出工作站来检测列车各个功能单元的状态，并且控制各个功能单元。

各个功能单元与输入输出工作站之间采用INTERBUS总线进行数据传输。在列车网络控制系统中采用INTERBUS总线是不容易想到的。INTERBUS是一种发展多年的现场总线，其应用基本是制造业和机器加工行业。例如，欧洲汽车工业80%的车身厂和焊接车间都采用INTERBUS总线。在网络控制系统中采用INTERBUS总线本身就很少见，而且在列车这一对实时性和复杂性比较高的特定环境中，更是绝无仅有。

在列车网络控制系统中采用INTERBUS总线可以提供如下优点：1.兼容性高，可以与世界上大多数控制系统兼容。2.采用INTERBUS技术的系统，有效数据传输效率高达52%，可以满足大量数据的高速传输，远超任何其他总线，具有极强的抗干扰能力并且能准确进行系统故障定位与、故障信息报告，可减少故障停机时间30%。这一特点是本领域技术人员在具体应用之前是无法预料的。3.一个主站最大可以连接255个设备，255个设备可以根据复杂的现场控制要求进行合理规划配置，进行总线任意分支（最多16层），分支可以根据需要关断，提高安装调试效率达30%。

除了使用针对输入输出信号的INTERBUS总线，本发明还采用了列车通信网络技术MVB。MVB技术的相关内容可以参考标准IEC61375。

本发明的另一个特点在于INTERBUS通信总线与MVB的融合。本发明通过输入输出工作站一个功能单元实现了INTERBUS通信总线中的输入输出信号与MVB网络数据流的转换。而且，除了将INTERBUS总线数据流进行转换以外，输入输出工作站还要实时监视INTERBUS网络通信和MVB网络通信的状态，为设备在故障下的诊断提供状态数据基础，实现安全可靠的运行，为上层总控制器提供故障安全导向的依据。在以下的部分中，将进一步详细描述输入输出工作站。

图3是根据本发明的一个实施例的输入输出工作站结构示意图。图4是根据本发明的另一个实施例的输入输出工作站结构示意图。如图所示，输入输出工作站300或400包括五个模块，分别为：CPU模块301，电源模块302，IO输入模块310、314，IO输出模块312、316和基座模块303。根据本发明的一个实例，CPU模块301、电源模块302、IO输入模块310、314和IO输出模块312、316中的每一者都被封装成一个标准模块。各个标准模块或者至少IO输入模块和IO输出模块（简称IO模块）具有类似的外观和统一的接口，以方便替换。根据本发明的一个实例，各个模块的排列为：所有模块均横向排列，两侧有电源和CPU模块各一个，中间为IO模块。最多可以排6组计12个IO模块。

本发明的IO模块310-316不需设置子模块地址，其位置就是模块地址，不需任何操作。本设计的输入输出工作站就可以根据要求，挂接多个DC110V输入模块（最多12个模块）和多个DC110V输出模块（最多12个模块）。而在图3和图4所示的结构下，增加供电电源容量，还可以为以后更多输入输出模块的挂接提供扩展。

基座模块303提供了供CPU模块301、电源模块302和IO模块310-316插接的插座。如图3所示，基座模块303本身可以设置成平板形，CPU模块301、电源模块302和IO模块310-316插接到基座的插座上，并进一步固定到基座上。根据本发明的一个实例，CPU模块和电源模块可以集成到插座上。

如图4所示，IO输入模块和IO输出模块均安装在基座模块上，CPU模块、电源模块和基座模块通过标准DIN35导轨304安装，CPU模块与基座模块通过扁平电缆305建立INTERBUS通信数据链路。电源模块为CPU模块和输入模块及输出模块提供电力。

根据本发明的一个实施例，所有输入输出工作站中CPU模块301、电源模块302和IO模块310-316模块均为标准模块，且各个标准模块的壳体采用统一系列化设计风格。不仅满足所有壳体强度要求，并且美观实用。

在考虑电磁兼容方面，CPU模块301是敏感的部件采用了全金属壳体。IO模块310-316采用了塑料壳体设计，同时在电路板级采取电磁兼容的设计，防范电磁干扰。电源模块302也采用了塑料壳体。对于电源的额定功率最大限制在100W之内，最佳使用功率低于50%。对于电源模块也采用了电磁兼容的方面设计。

本发明的输入输出工作站的工作环境温度范围为-40℃~85℃，并且满足了《中华人民共和国铁道行业标准-铁路机车车辆电子装置》的抗震和电磁兼容要求。

输入输出工作站采用模块式设计，特别是IO输入模块和IO输出模块。IO输出模块可以包含8路输出信号和8路输入反馈信号，IO输入模块包含16路输入信号。输入模块和输出模块数量可以任意组合，总模块数一般不超过16个。如果需要还可以扩展。输入输出站控制输出信号和反馈输入信号，为上层提供MVB总线接口，支持接入MVB网络，接收和发送MVB数据；为底层使用INTERBUS总线，控制输入输出信号。并且，输入输出站能够自我检测各个模块的状态，能够自我诊断模块的故障。

图5是根据本发明的一个实施例的输入输出工作站的CPU模块500的结构示意图。该模块是输入输出站的核心部件，其包括INTERBUS通信电路501、CPU电路502和MVB通信电路503。根据本发明的一个实施例，CPU电路502采用的CPU520是freescale公司的16位单片机MC9S12XD512，其通过PC104总线接口与MVB通信模块接口。具体而言，CPU520采用16MHz的晶振。CPU520通过串口通信与INTERBUS通信电路501的INTERBUS主站芯片510通信。由此CPU电路实现了对下与输入输出模块的INTERBUS从芯片通信，对上通过MVB与网络控制系统的中央控制单元通信。通过使用例如freescale16位单片机的CPU将两个通信网络技术集成在输入输出工作站中，从而实现从输入输出信号到上层MVB网络数据流的转换。

图6是根据本发明的一个实施例的输入输出工作站的IO输入模块的结构示意图。IO输入模块将DC110V输入的开关量转换为标准数字量，通过INTERBUS从芯片将开关量发送出去。

根据本发明的一个实施例，IO输入模块由两块电路板卡601和603组成，从而实现16个通道的开关量输入。其中板卡1包含INTERBUS从芯片610和8路开关量通道的8路采样隔离电路602。板卡2仅仅包含8路开关量通道的8路采样隔离电路602。板卡1和2之间可以通过扁平电缆线实现开关信号数字化量的汇总，从而实现INTERBUS芯片对于16路数字信号的收集及发送。

采样隔离电路602和603是高电压DC110V开关量的采集电路，将该开关量转换为DC5V信号。根据本发明的一个实施例，采样隔离电路602和603通过光耦隔离将DC5V信号和DC110V开关信号隔离，实现对电磁兼容的设计，也保护了后级电路。

另一方面，IO输入模块以INTERBUS总线技术为基础，通过INTERBUS总线从芯片610建立数字电路实现对于16路数字信号的采集，并且可以通过INTERBUS总线通信线路实现与CPU模块的INTERBUS主芯片的数据通信。

图7是根据本发明的一个实施例的输入输出工作站的IO输出模块的结构示意图。IO输出模块将数字控制信号转换为输出DC110V开关量用以驱动功能单元的执行机构。数字控制信号通过INTERBUS总线由INTERBUS主芯片发布给INTERBUS从芯片，然后再通过输出电路输出DC110V开关量。根据本发明的一个实施例，IO输出模块由两块电路板卡组成以实现8个通道的开关量输出。板卡1包含INTERBUS总线技术的INTERBUS从芯片、包含4路开关量通道的4路输出隔离电路703和包含4路开关量通道的4路输出反馈监测电路704，板卡2仅仅包含4路开关量通道的4路输出隔离电路705和包含4路开关量通道的4路输出反馈监测电路706。两个板卡之间通过扁平电缆线实现开关信号数字化量的汇总，实现INTERBUS芯片对于16路数字信号的收集及发送。

输出隔离电路703和705是高电压DC110V开关量的驱动电路，将电路将DC5V信号通过光耦隔离转换为DC110V输出的开关信号，从而实现电磁兼容的设计，保护了后级电路对前级电路影响。同时，通过输出反馈监测电路在后级驱动电路中为每个输出驱动通道提供了一路反馈信号。这个反馈信号也通过光耦转换为数字信号，实现对输出驱动通道的监测。以INTERBUS总线技术为基础的INTERBUS总线从芯片建立了数字电路实现对于8路输入状态数字信号的采集和输出8路数字控制命令，并且可以通过INTERBUS总线通信线路实现与CPU模块的INTERBUS主芯片的数据通信。

图8是根据本发明的一个实施例的输入输出工作站的CPU模块初始化方法的流程示意图。在步骤801-803中，MVB通信电路、CPU电路和INTERBUS通信电路初始化。其中，在步骤804，MVB通信电路探测NSDB（Node Supervisor DataBase）中模块的个数；在步骤805，INTERBUS通信电路探测IO输入和IO输出模块的状态，包括但不限于IO输入和输出模块的个数、INTERBUS通信的数据长度等信息。在步骤806，判断NSDB中的模块数与INTERBUS总线模块数相同。如果相同，则结束整个初始化过程；否则，将INTERBUS总线中缺少的模块设置为故障。也就是说，如果INTERBUS通信电路报告IO输入和输出模块的个数和MVB中NSDB中解析的模块个数不同，则把相应缺少的模块的状态位设置为1，并且设置组件故障和移位寄存器故障。如果INTERBUS初始化成功，可以设置指示IO故障的IO故障灯灭。如果INTERBUS初始化成功，检查MVB初始化的配置结果，如果MVB配置不正确，可以重新配置一次。

根据本发明的一个实施例，CPU模块通过设置定时器中断执行数据交互操作。即在CPU模块中设置一个主循环，在主循环中设置定时器中断。在中断发生时，完成从MVB读取数据、INTERBUS总线的读写和向MVB写数据。

根据本发明的一个实施例，CPU模块通过设置主循环中的故障处理来处理故障情况。主要处理的故障包括，NSDB错误、移位寄存器器错误、组件错误、MVB故障指示灯、I/O故障指示灯等。

图9是根据本发明的一个实施例在输入输出工作站的CPU模块上进行数据通信的方法900。在步骤910中，输入输出工作站通过MVB卡读取来自中央处理单元的数据。在步骤920中，读取的来自中央处理单元的数据转发到CPU模块。在步骤930中，通过INTERBUS主芯片和将来自中央处理单元的数据发送到IO输出模块的INTERBUS从芯片然后写入对应的INTERBUS总线，并同时通过输入模块的INTERBUS从芯片读取来自各个INTERBUS总线的状态数据，然后转发到INTERBUS主芯片。在步骤940，将读取的来自INTERBUS的状态数据转发到CPU模块。在步骤940，输入输出工作站通过MVB卡将读取的来自INTERBUS总线的状态数据转发中央处理单元。

图10是根据本发明的一个实施例在中央控制单元上进行列车控制的方法1000。在步骤1100中，通过输入输出工作站读取来自INTERBUS总线的各个功能单元的状态数据。在步骤1200中，输入输出工作站将各个功能单元的状态数据转发中央处理单元。在步骤1300中，中央处理单元是否需要调整功能单元。如果不需要调整，返回在步骤1100中，继续监视列车的运行状态。如果需要调整，在步骤1400中，中央处理单元将针对功能单元的调整命令发送到输入输出工作站。在步骤1500中，将针对功能单元的调整命令写入INTERBUS总线，转换成开关量信号；同时可以再次读取各个功能单元的状态，返回步骤1100。功能单元接收调整命令并完成状态的调整，并返回步骤1100，监视调整后的状态。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims (12)

1.一种轨道交通车辆网络系统的输入输出工作站，包括：

基座模块，其包括通信电路；

IO输入模块，其安装到所述基座模块上，接收来自列车上至少一个功能单元的状态数据；

IO输出模块，其安装到所述基座模块上，向所述列车上所述至少一个功能单元发送控制命令；

CPU模块，与所述基座模块的通信电路连接，接收来自所述IO输入模块的所述状态数据，并转发到所述列车的控制单元；并且，接收来自所述列车的所述控制单元的所述控制命令，并转发到所述IO输出单元；以及

电源模块，向所述CPU模块，所述IO输入模块和所述IO输出模块提供电力。

2.根据权利要求1所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出工作站，其中所述IO输入模块和所述IO输出模块与所述CPU模块之间采用INTERBUS总线。

3.根据权利要求1或2所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出工作站，其中所述CPU模块与所述控制单元之间采用MVB协议。

4.根据权利要求1所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出工作站，其中所述CPU模块包括：

INTERBUS通信电路，其包括INTERBUS主芯片；

MVB通信电路，其包括MVB模块；以及

CPU电路，其包括CPU，所述CPU接收来自所述INTERBUS主芯片的状态数据，并转发到MVB模块;所述CPU接收来自MVB模块的控 制命令,并转发到INTERBUS主芯片。

5.根据权利要求4所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出工作站，其中所述IO输入模块包括：

采用隔离电路，其用来从功能单元采集开关量状态数据；以及

INTERBUS从芯片，接收所述开关量状态数据，发送到所述CPU模块的INTERBUS主芯片。

6.根据权利要求4所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出工作站，其中所述IO输出模块包括：

INTERBUS从芯片，其用来接收来自所述INTERBUS主芯片的控制命令；以及输出驱动隔离电路，将控制命令转化为驱动信号并隔离。

7.根据权利要求6所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出工作站，其中所述IO输出模块包括：输出反馈监测电路，将IO模块实际输出进行采集，将输入状态连接到所述INTERBUS从芯片，也同样被传送到所述CPU模块的INTERBUS主芯片。

8.根据权利要求1所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出工作站，其中，所述电源模块，所述CPU模块和基座模块安装在标准的DIN35导轨上，所述CPU模块和基座模块通过扁平通信电缆连接，所述IO输入模块和所述IO输出模块均横向排列在所述基座模块上，其中两侧为电源模块和CPU模块，中间为IO输入模块和所述IO输出模块。

9.一种轨道交通车辆网络系统的输入输出工作站的数据通信的方法，包括：

输入输出工作站通过MVB卡发送或接收来自控制单元的数据；

来自所述控制单元的数据由CPU模块的中央处理器进行解析并输出到IO输出模块，或IO输入模块数据由CPU模块的中央处理器进行收集 并发送到其它控制单元；

通过INTERBUS主芯片将来自所述中央处理器的数据经过INTERBUS总线发送到所述IO输出模块的INTERBUS从芯片，并通过所述输入模块的INTERBUS从芯片读取来自各个输入IO通道的数据，然后经过INTERBUS总线转发到INTERBUS主芯片，由所述CPU模块的中央处理器接收。

10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：

将读取的来自INTERBUS的状态数据转发到CPU模块；以及CPU模块通过MVB卡将读取的来自INTERBUS总线的状态数据转发所述控制单元。

11.一种列车控制的方法，包括：

通过输入输出工作站读取各个功能单元的输入输出状态数据；

输入输出工作站将各个功能单元的状态数据通过MVB转发到控制单元；以及中央处理单元根据控制逻辑判读是否需要调整功能单元。如果不需要调整，继续监视列车的运行状态；如果需要调整，控制单元通过MVB总线将针对功能单元的调整命令发送到输入输出工作站的CPU模块。

12.根据权利要求11所述的列车控制的方法，其进一步包括：

所述输入输出工作站的CPU模块将针对功能单元的调整命令发送到所述输入输出工作站的IO输出模块，转换成开关量信号，转发到对应的功能单元；同时通过IO输入模块读取各个功能单元的状态；以及所述对应的功能单元接收调整命令并完成状态的调整。 

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