CN103279109B

CN103279109B - 基于mvb总线的机车数字量采集装置

Info

Publication number: CN103279109B
Application number: CN201310229086.0A
Authority: CN
Inventors: 付如愿; 梁波; 汪文心; 曹洋; 蒋国涛; 刘军; 杨卫峰; 张文辉; 王雨
Original assignee: CSR Zhuzou Institute Co Ltd
Current assignee: CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Priority date: 2013-06-09
Filing date: 2013-06-09
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2033-06-09
Also published as: CN103279109A

Abstract

本发明公开了一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，采集装置包括：MVB控制单元、MVB接口单元、数字量采集/数字量输出控制通道、电气隔离单元和DC/DC电源单元。DC/DC电源单元为采集装置提供电源。MVB控制单元分别通过电气隔离单元与数字量采集/数字量输出控制通道相连。MVB控制单元根据输入MVB地址信号完成对外部MVB设备现场数字开关量状态信息的采集处理。MVB控制单元还通过MVB接口单元与外部的MVB设备相连，实现MVB总线通信链路层控制、MVB总线与数字量采集/数字量输出控制通道间的信息交换，以及通道自检处理与结果反馈。本发明采用分布式独立结构，能够经受机车车辆上各种严苛环境的考验。

Description

基于MVB总线的机车数字量采集装置

技术领域

本发明涉及一种数据采集装置，特别是涉及一种应用于机车车辆基于MVB（Multifunction Vehicle Bus，多功能车辆总线）总线的ESD（Electrical Short Distance，电气短距离）接口或EMD（Electrical Middle Distance，电气中距离）接口的数字量采集装置。

背景技术

目前国际上影响最大的铁路行业标准总线是IEC61375标准所规定的列车通信网（TCN，Train Communication Network）。符合IEC61375标准的TCN产品特别是多功能车辆总线（MVB，Multifunction Vehicle Bus）在中国铁路行业的应用越来越广泛。MVB总线是将位于同一车辆的标准设备连接到列车通信网络上的车辆总线。MVB采用主-从方式，介质访问由总线上唯一的主设备集中控制。

数字量采集控制装置通信物理层采用光电隔离形式的依照RS-485标准的差分传输对的电气短距离（ESD，Electrical Short Distance）或电气中距离（EMD，Electrical Middle Distance）接口介质，信号采集以及输出控制都是在MVB总线上通过过程数据传输，确保了实时性、可靠性。

传统的数字量采集控制装置MVB总线的部分由CPU、存储器、MVB专用协议控制器组成，实现MVB总线通信功能的电路较为复杂，且成本较高，并且可靠性不如硬件电路。信号采集以及输出控制的通道比较单一，没有自检及保护功能，不适合机车相关标准的控制系统，并且不包含机车电源转换设备等，不能作为一个独立装置进行应用。同时，传统的机车车辆数字量采集控制装置使用了专用协议转换芯片，在使用上受到国外厂商的限制。而且不能近距离的接近现场控制设备，造成机车布线长，抗干扰能力弱，可靠性不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，该装置包含不同类型的数字量输入采集和/或输出控制通道，能够很好的满足机车车辆控制要求，该装置符合机车车辆应用标准，能经受机车车辆上恶劣的温度、EMC和振动等不同工作环境的考验。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种基于MVB总线的机车数字量采集装置的技术实现方案，一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，包括：MVB控制单元、MVB接口单元、数字量采集通道、电气隔离单元和DC/DC电源单元。所述DC/DC电源单元为机车数字量采集装置提供电源。所述MVB控制单元通过所述电气隔离单元与所述数字量采集通道相连，所述MVB控制单元根据输入的MVB地址信号完成对外部的MVB设备现场数字开关量状态信息的采集处理。所述MVB控制单元还与所述MVB接口单元相连，所述MVB控制单元通过所述MVB接口单元与外部的MVB设备相连，所述MVB控制单元实现MVB总线的通信链路层控制、MVB总线与所述数字量采集通道间的信息交换，以及通道自检处理与结果反馈。

为了实现上述发明目的，本发明还另外具体提供了一种基于MVB总线的机车数字量采集装置的技术实现方案，一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，包括：MVB控制单元、MVB接口单元、数字量输出控制通道、数字量采集通道、电气隔离单元和DC/DC电源单元。所述DC/DC电源单元为机车数字量采集装置提供电源。所述MVB控制单元分别通过所述电气隔离单元与所述数字量输出控制通道、数字量采集通道相连，所述MVB控制单元根据输入的MVB地址信号完成对外部的MVB设备现场数字开关量状态信息的采集处理，同时完成MVB总线网络控制指令的输出。所述MVB控制单元还与所述MVB接口单元相连，所述MVB控制单元通过所述MVB接口单元与外部的MVB设备相连，所述MVB控制单元实现MVB总线的通信链路层控制、MVB总线与所述数字量输出控制通道、数字量采集通道间的信息交换，以及通道自检处理与结果反馈。

优选的，所述MVB控制单元进一步采用基于FPGA或CPLD的协议控制器。

优选的，所述数字量采集通道进一步包括第一数字量采集通道、第二数字量采集通道。 MVB控制单元分别通过所述电气隔离单元与所述第一数字量采集通道、第二数字量采集通道相连，所述第一数字量采集通道、第二数字量采集通道为两组分别独立的数字量采集通道。

优选的，所述第一数字量采集通道、第二数字量采集通道分别为16路独立的数字量采集通道。

优选的，所述数字量输出控制通道进一步包括6路MOSFET型输出控制通道和2路独立的继电器型输出控制通道，所述数字量采集通道包含16路独立的数字量采集通道。

优选的，所述6路MOSFET型输出控制通道通过隔离变压器与外部电路隔离，所述2路继电器型输出控制通道通过继电器与外部电路隔离，从而实现外部的负载与工作电源信号之间的开关控制。

优选的，所述DC/DC电源单元进一步包括EMI滤波单元、变压隔离单元、输出整流滤波单元、采样单元、反馈单元和开关控制单元。DC110V的外部电源输入经过所述EMI滤波单元进行滤波处理输出至所述变压隔离单元。所述变压隔离单元根据反馈信号进行变压隔离转换处理，并将变压隔离处理后的信号输出至所述输出整流滤波单元，最终形成一路隔离的DC5V电源输出和一路隔离的DC24V电源输出。所述输出整流滤波单元的输出信号依次经过所述采样单元、反馈单元和开关控制单元形成反馈信号，并经过所述变压隔离单元输出至所述输出整流滤波单元。

优选的，当所述DC/DC电源单元DC5V电源输出的输出电流大于2A时，所述机车数字量采集装置进行过流保护；当外部电源输入的电压高于180V时，所述机车数字量采集装置进行过压保护；当外部电源输入的电压低于30V时，所述机车数字量采集装置进行欠压保护。

优选的，所述MVB接口单元进一步采用EMD物理介质接口。

优选的，所述MVB接口单元进一步采用ESD物理介质接口。

优选的，所述MVB接口单元进一步包括MVB控制器、收发器一、收发器二、总线连接器一和总线连接器二。所述MVB控制器分别通过所述收发器一、收发器二与所述总线连接器一和总线连接器二相连。

优选的，所述MVB接口单元进一步包括MVB控制器、总线连接器一、总线连接器二、RS485收发器、电源单元、光电隔离单元和DC/DC电源隔离转换单元。所述MVB控制器依次通过所述电源单元和DC/DC电源隔离转换单元为所述RS485收发器提供电源。所述MVB控制器还通过所述光电隔离单元与所述RS485收发器相连。所述RS485收发器与所述总线连接器一总线连接器二相连。

优选的，所述MVB控制单元进一步包括控制逻辑单元、I/O通道、寄存器、FIFO存储器、并串转换单元、串并转换单元、CRC检查单元、CRC生成单元、解码单元和编码单元。MVB设备的地址输入所述控制逻辑单元，所述控制逻辑单元依次通过所述寄存器、并串转换单元、CRC生成单元和编码单元连接至MVB总线，所述并串转换单元同时直接与所述编码单元相连。所述MVB总线还依次通过所述解码单元、CRC检查单元、串并转换单元和FIFO存储器与所述控制逻辑单元相连，所述串并转换单元同时直接与所述解码单元相连。所述控制逻辑单元通过所述I/O通道采集外部输入信号，并向外部输出控制信号。

优选的，所述基于MVB总线的机车数字量采集装置的地址定义通过外部的连接器单元的插头引脚配置输入至所述MVB控制单元实现。

优选的，所述或第一数字量采集通道或第二数字量采集通道或数字量采集通道进一步包括光耦单元、电流测量单元和电压恒定单元。外部的输入信号与地之间分别并联有所述电流测量单元和电压恒定单元。外部的输入信号与通道输入结果信号之间通过所述光耦单元进行隔离。当外部的输入信号电压达到或高于阈值时，所述电流测量单元测量的电流值达到或高于阈值时，输出信号变为高电平。当外部的输入信号电压低于阈值时，所述电流测量单元测量的电流值低于阈值时，输出信号变为低电平。

优选的，通道自检信号通过所述光耦单元进入所述数字量采集通道，当有通道自检信号输入时，所述光耦单元导通，工作电源信号输出至各个数字量采集通道。当所述通道自检信号为低电平时，所述光耦单元关断，所述数字量采集通道全部关闭。

通过实施上述本发明一种基于MVB总线EMD接口的数字量采集装置的技术方案，具有以下技术效果：

（1）本发明包含不同类型的数字量输入采集和/或输出控制通道，能够很好的满足机车车辆控制要求，可靠性更高；

（2）本发明符合机车车辆应用标准，能经受机车车辆上恶劣的温度、EMC和振动等不同工作环境的考验；

（3）本发明作为独立应用单元，内置电源子系统和采集控制电气接口，整个装置可以封装在一个封闭的机械结构中，可直接安装在机车车辆上；

（4）本发明MVB接口单元采用EMD或ESD物理介质接口，信号采集以及输出控制都是在MVB总线上通过过程数据传输，确保了实时性、可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明基于MVB总线的机车数字量采集装置一种具体实施方式的系统结构框图。

图2是本发明基于MVB总线的机车数字量采集装置另一种具体实施方式的系统结构框图。

图3是本发明基于MVB总线的机车数字量采集装置一种具体实施方式DC/DC电源单元的结构功能框图。

图4是本发明基于MVB总线的机车数字量采集装置一种具体实施方式接口单元采用EMD接口方式的电路原理图。

图5是本发明基于MVB总线的机车数字量采集装置一种具体实施方式接口单元采用ESD接口方式的电路原理图。

图6是本发明基于MVB总线的机车数字量采集装置一种具体实施方式MVB控制单元的结构功能框图。

图7是本发明基于MVB总线的机车数字量采集装置一种具体实施方式MVB控制单元的状态机控制流图。

图8是本发明基于MVB总线的机车数字量采集装置一种具体实施方式MVB控制单元地址配置结构示意图。

图9是本发明基于MVB总线的机车数字量采集装置一种具体实施方式数字量采集通道的电路结构示意图。

图10是本发明基于MVB总线的机车数字量采集装置一种具体实施方式MOSFET型输出控制通道的电路结构示意图。

图11是本发明基于MVB总线的机车数字量采集装置一种具体实施方式继电器型输出控制通道的电路结构示意图。

图中：1-MVB控制单元，2-MVB接口单元，3-数字量输出控制通道，4-数字量采集通道，5-电气隔离单元，6-DC/DC电源单元，11-连接器单元，12-防护单元，13-电阻单元，21-MVB控制器，22-收发器一，23-收发器二，24-总线连接器一，25-总线连接器二，26-RS485收发器，27-电源单元，28-光电隔离单元，29-DC/DC电源隔离转换单元，31-MOSFET型输出控制通道，32-继电器型输出控制通道，41-第一数字量采集通道，42-第二数字量采集通道，411-光耦单元，412-电流测量单元，413-电压恒定单元，61-EMI滤波单元，62-变压隔离单元，63-输出整流滤波单元，64-采样单元，65-反馈单元，66-开关控制单元，101-控制逻辑单元，102-I/O通道，103-寄存器，104-FIFO存储器，105-并串转换单元，106-串并转换单元，107-CRC检查单元，108-CRC生成单元，109-解码单元，110-编码单元。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

MVB：Multifunction Vehicle Bus，多功能车辆总线的简称；

ESD：Electrical Short Distance，电气短距离的简称；

EMD：Electrical Middle Distance，电气中距离的简称；

TCN：Train Communication Network，列车通信网的简称；

FPGA：Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列的简称；

CPLD：Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件的简称；

MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效晶体管的简称；

EMI：ElectroMagnetic Interference，电磁干扰的简称；

EMC：Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性的简称；

DC/DC：直流/直流变换的简称；

CRC：Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验的简称；

I/O：输入/输出的简称；

FIFO：First In First Out，先入先出的简称；

CPU：Central Processing Unit，中央处理单元；

RS-485：是隶属于OSI（Open System Interconnection Reference Model，开放式通信系统互联参考模型）模型物理层的电气特性规定为2线，半双工，多点通信的标准。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1所示，一种基于MVB总线的机车数字量采集装置的具体实施方式，包括：MVB控制单元1、MVB接口单元2、数字量输出控制通道3、数字量采集通道4、电气隔离单元5和DC/DC电源单元6。DC/DC电源单元6为机车数字量采集装置提供电源。MVB控制单元1分别通过电气隔离单元5与数字量输出控制通道3、数字量采集通道4相连， MVB控制单元1根据输入的MVB地址信号完成对外部的MVB设备现场数字开关量状态信息的采集处理，同时完成MVB总线网络控制指令的输出。MVB控制单元1还与MVB接口单元2相连，MVB控制单元1通过所述MVB接口单元2与外部的MVB设备相连，MVB控制单元1实现MVB总线的通信链路层控制、MVB总线与数字量输出控制通道3、数字量采集通道4间的信息交换，以及通道自检处理与结果反馈。作为本发明一种典型的实施方式，数字量采集通道4进一步包含16路独立的数字量采集通道。数字量输出控制通道3进一步包括6路MOSFET型输出控制通道31和2路继电器型输出控制通道32。

如附图2所示，另一种基于MVB总线的机车数字量采集装置的另一种具体实施方式，包括：MVB控制单元1、MVB接口单元2、数字量采集通道4、电气隔离单元5和DC/DC电源单元6。DC/DC电源单元6为机车数字量采集装置提供电源。数字量采集通道4进一步包括第一数字量采集通道41、第二数字量采集通道42，MVB控制单元1分别通过电气隔离单元5与第一数字量采集通道41、第二数字量采集通道42相连，MVB控制单元1根据输入的MVB地址信号完成对外部的MVB设备现场数字开关量状态信息的采集处理。MVB控制单元1还与MVB接口单元2相连，MVB控制单元1通过所述MVB接口单元2与外部的MVB设备相连，MVB控制单元1实现MVB总线的通信链路层控制、MVB总线与第一数字量采集通道41、第二数字量采集通道42间的信息交换，以及通道自检处理与结果反馈。作为本发明一种典型的实施方式，第一数字量采集通道41、第二数字量采集通道42为两组分别独立的16路数字量采集通道。

MVB控制单元1作为本发明中的MVB协议控制器进一步采用基于FPGA或CPLD的协议控制器。MVB控制单元1还可以采用中央处理器（CPU）、嵌入式处理器、微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、单片机、片上系统（SOC）、或其他可编程逻辑器件，以及本技术领域内所公知的任意其他形式的具有控制、处理功能的器件。

如附图3所示，DC/DC电源单元6进一步包括EMI滤波单元61、变压隔离单元62、输出整流滤波单元63、采样单元64、反馈单元65和开关控制单元66。DC110V的外部电源输入经过EMI滤波单元61进行滤波处理输出至变压隔离单元62，变压隔离单元62根据反馈信号进行变压隔离转换处理，并将变压隔离处理后的信号输出至输出整流滤波单元63，最终形成一路隔离的DC5V电源输出和一路隔离的DC24V电源输出。输出整流滤波单元63的输出信号依次经过采样单元64、反馈单元65和开关控制单元66形成反馈信号，并经过变压隔离单元62输出至输出整流滤波单元63。当DC/DC电源单元6的DC5V电源输出电流大于2A时，机车数字量采集装置进行过流保护；当外部电源输入的电压高于180V时，机车数字量采集装置进行过压保护；当外部电源输入的电压低于30V时，机车数字量采集装置进行欠压保护。

如附图4所示，MVB接口单元2进一步采用EMD物理介质接口。MVB接口单元2进一步包括MVB控制器21、收发器一22、收发器二23、总线连接器一24和总线连接器二25。MVB控制器21分别通过收发器一22、收发器二23与总线连接器一24和总线连接器二25相连。当MVB接口单元2采用屏蔽双绞线组成的由变压器作电气隔离的电气中距离（EMD，Electrical Middle Distance）物理介质接口时，在封闭的机车车辆控制系统中，可跨越几个车厢，通信距离可达200m，最大可支持32个设备，大大增强了驱动能力。MVB接口单元2的总线连接器一24和总线连接器二25包含+5V电源引脚，可配套使用外部终端器。该物理接口支持MVB通信线A/B双线冗余，MVB控制单元1能够根据A/B线信号输入ICA/ICB实现双线通信状态判断与处理。

如附图5所示，MVB接口单元2进一步采用ESD物理介质接口。MVB接口单元2进一步包括MVB控制器21、总线连接器一24、总线连接器二25、RS485收发器26、电源单元27、光电隔离单元28和DC/DC电源隔离转换单元29。MVB控制器21依次通过电源单元27和DC/DC电源隔离转换单元29为RS485收发器26提供电源。MVB控制器21还通过光电隔离单元28与RS485收发器26相连。RS485收发器26与总线连接器一24、总线连接器二25相连。当MVB接口单元2采用基本的光电隔离RS485接口作电气隔离的电气短距离（ESD，Electrical Short Distance）物理介质接口时，MVB接口单元2的总线连接器一24和总线连接器二25包含+5V电源引脚，可配套使用外部终端器。该物理接口支持MVB通信线A/B双线冗余，MVB控制单元1能够根据A/B线信号输入ICA/ICB实现双线通信状态判断与处理。MVB总线的物理层采用光电隔离形式的依照RS-485标准的差分传输对的电气短距离（ESD，Electrical Short Distance）介质，信号采集以及输出控制都是在MVB总线上通过过程数据传输，确保了实时性、可靠性。

如附图6所示，MVB控制单元1进一步包括控制逻辑单元101、I/O通道102、寄存器103、FIFO存储器104、并串转换单元105、串并转换单元106、CRC检查单元107、CRC生成单元108、解码单元109和编码单元110。MVB设备的地址输入控制逻辑单元101，控制逻辑单元101依次通过寄存器103、并串转换单元105、CRC生成单元108和编码单元110连接至MVB总线，并串转换单元105同时直接与编码单元110相连。MVB总线还依次通过解码单元109、CRC检查单元107、串并转换单元106和FIFO存储器104与控制逻辑单元101相连，串并转换单元106同时直接与解码单元109相连。控制逻辑单元101通过I/O通道102采集外部输入信号，并向外部输出控制信号。MVB控制单元1能够实现MVB总线的通信链路层控制、MVB总线与输入/输出通道间信息交换、通道自检处理与结果反馈，以及网络故障安全导向处理。

如附图7所示，是本发明基于MVB总线的机车数字量采集装置一种具体实施方式中MVB控制单元1的状态机控制流图。根据附图6和附图7，解码单元109在接收到每一个主帧并译码后，通过CRC检查单元107进行校验后传送给控制逻辑单元101进行帧是否正确的判断，同时通过串并转换单元106将串行数据转换成并行数据，存储在FIFO存储器104（缓冲区）内，供控制逻辑单元101调用。控制逻辑单元101将数据读出并与通过I/O通道102采集到的本设备的各端口属性进行比较，如果相同则将对应端口的“端口有效标志位”置位，在协议限定的时间范围内，将寄存器（通信存储器）103中对应端口的数据经过并串转换单元105进行并串转换后写入编码单元110，同时经过CRC生成单元108产生CRC校验码，自动加上从帧帧头后发出。

如附图8所示，基于MVB总线的机车数字量采集装置的地址定义通过外部的连接器单元11的插头引脚配置输入至MVB控制单元1实现。MVB控制单元1与连接器单元11相连，电阻单元13的一端与电源或地相连，电阻单元13的另一端与MVB控制单元1和连接器单元11之间的连接点相连，电阻单元13用于输出由连接器单元11表征的地址配置信息，通过连接器单元11的引脚配置输入到MVB控制单元1实现MVB设备地址的定义。防护单元12与MVB控制单元1和连接器单元11之间的连接点相连，防护单元12与电阻单元13串联在电源与地之间，防护单元12用于MVB总线设备地址配置系统的电路防护。机车数字量采集装置的地址低4位固定为0，高8位由外部输入配置。通道的自检由MVB控制单元1周期性的控制执行，并将反馈状态引回处理。

如附图9所示，数字量采集通道4或第一数字量采集通道41或第二数字量采集通道42均进一步包括光耦单元411、电流测量单元412和电压恒定单元413。外部的输入信号与地之间分别并联有电流测量单元412和电压恒定单元413。外部的输入信号与通道输入结果信号之间通过光耦单元411进行隔离。当外部的输入信号电压达到或高于阈值时，电流测量单元412测量的电流值达到或高于阈值时，输出信号变为高电平。当外部的输入信号电压低于阈值时，电流测量单元412测量的电流值低于阈值时，输出信号变为低电平。外部的输入信号电压的限制值可以调整。输入信号幅值：高电平≥75V；低电平≤25V；输入通道输入阻抗：≥30KΩ，满足机车车辆应用标准要求。通道自检信号通过光耦单元411进入数字量采集通道4，当有通道自检信号（高电平有效）输入时，光耦单元411导通，工作电源信号输出至各个数字量采集通道，这时数字量采集通道全部导通。当通道自检信号为低电平时，光耦单元411关断，数字量采集通道全部关闭。16路独立的数字量采集通道，包含自检功能，可靠性更高，并且均为机车车辆应用要求的110V电压信号等级。

如附图10和附图11所示，6路MOSFET型输出控制通道31采用MOSFET管作为开关功率器件，采用脉冲变压器将MOSFET管的驱动端与控制电路隔离，利用内部处理电路发出的高频调制控制信号通过脉冲变压器耦合控制MOSFET管的通断。2路继电器型输出控制通道32通过继电器与外部电路隔离，从而实现外部的负载与工作电源信号之间的开关控制。每路继电器包括一路常开触点，一路常闭触点。6路MOSFET型输出控制通道31，采用脉冲变压器隔离，抗干扰及负载驱动能力强，功耗低。2路继电器型输出控制通道32，每个通道分别带有常开和常闭触点，应用更加灵活。

现有技术中的机车车辆控制现场设备多而分散，集中式控制会造成现场布线复杂且距离较长，能经受机车/车辆上恶劣的温度、EMC和振动等不同工作环境的考核有很大难度。而本发明可作为接近现场执行机构的独立应用单元，内置电源子系统和采集控制电气接口。采用基于FPGA或CPLD的MVB控制单元1来实现MVB总线的通信链路层控制、MVB总线与采集控制通道间信息交换以及通道自检处理与结果反馈。本发明可以包含32路数字量采集通道，分为独立的两组16路数字量采集通道，完成现场数字开关量状态信息的采集处理；或者包含16路独立的数字量采集通道，6路MOSFET型输出控制通道31和2路独立的继电器型输出控制通道32，完成现场数字开关量状态信息的采集处理和MVB总线网络控制指令的输出。整个装置封装在一个封闭的机械结构中，直接安装在机车车辆上而不再需要安装在机柜中。装置符合机车车辆应用标准，能经受机车/车辆上恶劣的温度、EMC和振动等不同严苛工作环境的考验。本发明与机箱插件式设计相比均有诸多优势：（1）可靠近应用现场装配，大大减少以及缩短机车车辆布线；（2）能够满足自然散热方式的要求，无风扇，可降低功耗、成本；（3）具有MVB总线接口，能够十分便捷地嵌入控制系统。

专业人员还可以进一步意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的单元及步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、各种可编程逻辑器件、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或本技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质中。执行软件模块的处理器可以是中央处理器（CPU）、嵌入式处理器、微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、单片机、片上系统（SOC）、可编程逻辑器件，以及本技术领域内所公知的任意其他形式的具有控制、处理功能的器件。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于，包括：MVB控制单元（1）、MVB接口单元（2）、数字量采集通道（4）、电气隔离单元（5）和DC/DC电源单元（6），所述DC/DC电源单元（6）为机车数字量采集装置提供电源；所述MVB控制单元（1）通过所述电气隔离单元（5）与所述数字量采集通道（4）相连，所述MVB控制单元（1）根据输入的MVB地址信号完成对外部的MVB设备现场数字开关量状态信息的采集处理；所述MVB控制单元（1）还与所述MVB接口单元（2）相连，所述MVB控制单元（1）通过所述MVB接口单元（2）与外部的MVB设备相连，所述MVB控制单元（1）实现MVB总线的通信链路层控制、MVB总线与所述数字量采集通道（4）间的信息交换，以及通道自检处理与结果反馈；所述数字量采集通道（4）进一步包括第一数字量采集通道（41）、第二数字量采集通道（42），所述第一数字量采集通道（41）或第二数字量采集通道（42）包括光耦单元（411）、电流测量单元（412）和电压恒定单元（413）；外部的输入信号与地之间分别并联有所述电流测量单元（412）和电压恒定单元（413）；外部的输入信号与通道输入结果信号之间通过所述光耦单元（411）进行隔离；当外部的输入信号电压达到或高于阈值时，所述电流测量单元（412）测量的电流值达到或高于阈值时，输出信号变为高电平；当外部的输入信号电压低于阈值时，所述电流测量单元（412）测量的电流值低于阈值时，输出信号变为低电平。

2.根据权利要求1所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述MVB控制单元（1）采用基于FPGA或CPLD的协议控制器。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述MVB控制单元（1）分别通过所述电气隔离单元（5）与所述第一数字量采集通道（41）、第二数字量采集通道（42）相连，所述第一数字量采集通道（41）、第二数字量采集通道（42）为两组分别独立的数字量采集通道。

4.根据权利要求3所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述第一数字量采集通道（41）、第二数字量采集通道（42）分别为16路独立的数字量采集通道。

5.根据权利要求1、2或4中任一权利要求所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述DC/DC电源单元（6）包括EMI滤波单元（61）、变压隔离单元（62）、输出整流滤波单元（63）、采样单元（64）、反馈单元（65）和开关控制单元（66），DC110V的外部电源输入经过所述EMI滤波单元（61）进行滤波处理输出至所述变压隔离单元（62），所述变压隔离单元（62）根据反馈信号进行变压隔离转换处理，并将变压隔离处理后的信号输出至所述输出整流滤波单元（63），最终形成一路隔离的DC5V电源输出和一路隔离的DC24V电源输出，所述输出整流滤波单元（63）的输出信号依次经过所述采样单元（64）、反馈单元（65）和开关控制单元（66）形成反馈信号，并经过所述变压隔离单元（62）输出至所述输出整流滤波单元（63）。

6.根据权利要求5所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：当所述DC/DC电源单元（6）DC5V电源输出的输出电流大于2A时，所述机车数字量采集装置进行过流保护；当外部电源输入的电压高于180V时，所述机车数字量采集装置进行过压保护；当外部电源输入的电压低于30V时，所述机车数字量采集装置进行欠压保护。

7.根据权利要求1、2、4或6中任一权利要求所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述MVB接口单元（2）采用EMD物理介质接口。

8.根据权利要求1、2、4或6中任一权利要求所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述MVB接口单元（2）采用ESD物理介质接口。

9.根据权利要求7所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述MVB接口单元（2）包括MVB控制器（21）、收发器一（22）、收发器二（23）、总线连接器一（24）和总线连接器二（25），所述MVB控制器（21）分别通过所述收发器一（22）、收发器二（23）与所述总线连接器一（24）和总线连接器二（25）相连。

10.根据权利要求8所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述MVB接口单元（2）包括MVB控制器（21）、总线连接器一（24）、总线连接器二（25）、RS485收发器（26）、电源单元（27）、光电隔离单元（28）和DC/DC电源隔离转换单元（29）；所述MVB控制器（21）依次通过所述电源单元（27）和DC/DC电源隔离转换单元（29）为所述RS485收发器（26）提供电源；所述MVB控制器（21）还通过所述光电隔离单元（28）与所述RS485收发器（26）相连；所述RS485收发器（26）与所述总线连接器一（24）、总线连接器二（25）相连。

11.根据权利要求1、2、4、6、9或10中任一权利要求所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述MVB控制单元（1）包括控制逻辑单元（101）、I/O通道（102）、寄存器（103）、FIFO存储器（104）、并串转换单元（105）、串并转换单元（106）、CRC检查单元（107）、CRC生成单元（108）、解码单元（109）和编码单元（110）；MVB设备的地址输入所述控制逻辑单元（101），所述控制逻辑单元（101）依次通过所述寄存器（103）、并串转换单元（105）、CRC生成单元（108）和编码单元（110）连接至MVB总线，所述并串转换单元（105）同时直接与所述编码单元（110）相连；所述MVB总线还依次通过所述解码单元（109）、CRC检查单元（107）、串并转换单元（106）和FIFO存储器（104）与所述控制逻辑单元（101）相连，所述串并转换单元（106）同时直接与所述解码单元（109）相连；所述控制逻辑单元（101）通过所述I/O通道（102）采集外部输入信号，并向外部输出控制信号；所述解码单元（109）在接收到每一个主帧并译码后，通过所述CRC检查单元（107）进行校验后传送给控制逻辑单元（101）进行帧是否正确的判断，同时通过串并转换单元（106）将串行数据转换成并行数据，存储在所述FIFO存储器（104）的缓冲区内，供控制逻辑单元（101）调用；所述控制逻辑单元（101）将数据读出并与通过I/O通道（102）采集到的MVB设备的各端口属性进行比较，如果相同则将对应端口的端口有效标志位置位；在协议限定的时间范围内，将所述寄存器（103）中对应端口的数据经过所述并串转换单元（105）进行并串转换后写入编码单元（110），同时经过CRC生成单元（108）产生CRC校验码，自动加上从帧帧头后发出。

12.根据权利要求1、2、4、6、9或10中任一权利要求所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述基于MVB总线的机车数字量采集装置的地址定义通过外部的连接器单元（11）的插头引脚配置输入至所述MVB控制单元（1）实现，在所述MVB控制单元（1）与连接器单元（11）之间连接有防护单元（12）和电阻单元（13），所述连接器单元（11）、防护单元（12）和电阻单元（13）组成MVB总线设备地址配置系统；所述MVB控制单元（1）与连接器单元（11）相连，所述电阻单元（13）的一端与电源或地相连，电阻单元（13）的另一端与MVB控制单元（1）和连接器单元（11）之间的连接点相连；所述电阻单元（13）用于输出由连接器单元（11）表征的地址配置信息，通过连接器单元（11）的引脚配置输入到MVB控制单元（1）实现MVB设备地址的定义；所述防护单元（12）与MVB控制单元（1）和连接器单元（11）之间的连接点相连，所述防护单元（12）与电阻单元（13）串联在电源与地之间，防护单元（12）用于MVB总线设备地址配置系统的电路防护；所述机车数字量采集装置的地址低4位固定为0，高8位由外部输入配置，通道的自检由所述MVB控制单元（1）周期性的控制执行，并将反馈状态引回处理。

13.根据权利要求1、2、4、6、9或10中任一权利要求所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：通道自检信号通过所述光耦单元（411）进入所述数字量采集通道（4），当有通道自检信号输入时，所述光耦单元（411）导通，工作电源信号输出至各个数字量采集通道；当所述通道自检信号为低电平时，所述光耦单元（411）关断，所述数字量采集通道全部关闭。

14.一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于，包括：MVB控制单元（1）、MVB接口单元（2）、数字量输出控制通道（3）、数字量采集通道（4）、电气隔离单元（5）和DC/DC电源单元（6），所述DC/DC电源单元（6）为机车数字量采集装置提供电源；所述MVB控制单元（1）分别通过所述电气隔离单元（5）与所述数字量输出控制通道（3）、数字量采集通道（4）相连，所述MVB控制单元（1）根据输入的MVB地址信号完成对外部的MVB设备现场数字开关量状态信息的采集处理，同时完成MVB总线网络控制指令的输出；所述MVB控制单元（1）还与所述MVB接口单元（2）相连，所述MVB控制单元（1）通过所述MVB接口单元（2）与外部的MVB设备相连，所述MVB控制单元（1）实现MVB总线的通信链路层控制、MVB总线与所述数字量输出控制通道（3）、数字量采集通道（4）间的信息交换，以及通道自检处理与结果反馈；所述数字量采集通道（4）包括光耦单元（411）、电流测量单元（412）和电压恒定单元（413）；外部的输入信号与地之间分别并联有所述电流测量单元（412）和电压恒定单元（413）；外部的输入信号与通道输入结果信号之间通过所述光耦单元（411）进行隔离；当外部的输入信号电压达到或高于阈值时，所述电流测量单元（412）测量的电流值达到或高于阈值时，输出信号变为高电平；当外部的输入信号电压低于阈值时，所述电流测量单元（412）测量的电流值低于阈值时，输出信号变为低电平。

15.根据权利要求14所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述MVB控制单元（1）采用基于FPGA或CPLD的协议控制器。

16.根据权利要求14或15所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述数字量输出控制通道（3）包括6路MOSFET型输出控制通道（31）和2路独立的继电器型输出控制通道（32），所述数字量采集通道（4）包含16路独立的数字量采集通道。

17.根据权利要求16所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述6路MOSFET型输出控制通道（31）通过隔离变压器与外部电路隔离，所述2路继电器型输出控制通道（32）通过继电器与外部电路隔离，从而实现外部的负载与工作电源信号之间的开关控制。

18.根据权利要求14、15或17中任一权利要求所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述DC/DC电源单元（6）包括EMI滤波单元（61）、变压隔离单元（62）、输出整流滤波单元（63）、采样单元（64）、反馈单元（65）和开关控制单元（66），DC110V的外部电源输入经过所述EMI滤波单元（61）进行滤波处理输出至所述变压隔离单元（62），所述变压隔离单元（62）根据反馈信号进行变压隔离转换处理，并将变压隔离处理后的信号输出至所述输出整流滤波单元（63），最终形成一路隔离的DC5V电源输出和一路隔离的DC24V电源输出，所述输出整流滤波单元（63）的输出信号依次经过所述采样单元（64）、反馈单元（65）和开关控制单元（66）形成反馈信号，并经过所述变压隔离单元（62）输出至所述输出整流滤波单元（63）。

19.根据权利要求18所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：当所述DC/DC电源单元（6）DC5V电源输出的输出电流大于2A时，所述机车数字量采集装置进行过流保护；当外部电源输入的电压高于180V时，所述机车数字量采集装置进行过压保护；当外部电源输入的电压低于30V时，所述机车数字量采集装置进行欠压保护。

20.根据权利要求14、15、17或19中任一权利要求所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述MVB接口单元（2）采用EMD物理介质接口。

21.根据权利要求14、15、17或19中任一权利要求所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述MVB接口单元（2）采用ESD物理介质接口。

22.根据权利要求20所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述MVB接口单元（2）包括MVB控制器（21）、收发器一（22）、收发器二（23）、总线连接器一（24）和总线连接器二（25），所述MVB控制器（21）分别通过所述收发器一（22）、收发器二（23）与所述总线连接器一（24）和总线连接器二（25）相连。

23.根据权利要求21所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述MVB接口单元（2）包括MVB控制器（21）、总线连接器一（24）、总线连接器二（25）、RS485收发器（26）、电源单元（27）、光电隔离单元（28）和DC/DC电源隔离转换单元（29）；所述MVB控制器（21）依次通过所述电源单元（27）和DC/DC电源隔离转换单元（29）为所述RS485收发器（26）提供电源；所述MVB控制器（21）还通过所述光电隔离单元（28）与所述RS485收发器（26）相连；所述RS485收发器（26）与所述总线连接器一（24）、总线连接器二（25）相连。

24.根据权利要求14、15、17、19、22或23中任一权利要求所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述MVB控制单元（1）包括控制逻辑单元（101）、I/O通道（102）、寄存器（103）、FIFO存储器（104）、并串转换单元（105）、串并转换单元（106）、CRC检查单元（107）、CRC生成单元（108）、解码单元（109）和编码单元（110）；MVB设备的地址输入所述控制逻辑单元（101），所述控制逻辑单元（101）依次通过所述寄存器（103）、并串转换单元（105）、CRC生成单元（108）和编码单元（110）连接至MVB总线，所述并串转换单元（105）同时直接与所述编码单元（110）相连；所述MVB总线还依次通过所述解码单元（109）、CRC检查单元（107）、串并转换单元（106）和FIFO存储器（104）与所述控制逻辑单元（101）相连，所述串并转换单元（106）同时直接与所述解码单元（109）相连；所述控制逻辑单元（101）通过所述I/O通道（102）采集外部输入信号，并向外部输出控制信号；所述解码单元（109）在接收到每一个主帧并译码后，通过所述CRC检查单元（107）进行校验后传送给控制逻辑单元（101）进行帧是否正确的判断，同时通过串并转换单元（106）将串行数据转换成并行数据，存储在所述FIFO存储器（104）的缓冲区内，供控制逻辑单元（101）调用；所述控制逻辑单元（101）将数据读出并与通过I/O通道（102）采集到的MVB设备的各端口属性进行比较，如果相同则将对应端口的端口有效标志位置位；在协议限定的时间范围内，将所述寄存器（103）中对应端口的数据经过所述并串转换单元（105）进行并串转换后写入编码单元（110），同时经过CRC生成单元（108）产生CRC校验码，自动加上从帧帧头后发出。

25.根据权利要求14、15、17、19、22或23中任一权利要求所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：所述基于MVB总线的机车数字量采集装置的地址定义通过外部的连接器单元（11）的插头引脚配置输入至所述MVB控制单元（1）实现，在所述MVB控制单元（1）与连接器单元（11）之间连接有防护单元（12）和电阻单元（13），所述连接器单元（11）、防护单元（12）和电阻单元（13）组成MVB总线设备地址配置系统；所述MVB控制单元（1）与连接器单元（11）相连，所述电阻单元（13）的一端与电源或地相连，电阻单元（13）的另一端与MVB控制单元（1）和连接器单元（11）之间的连接点相连；所述电阻单元（13）用于输出由连接器单元（11）表征的地址配置信息，通过连接器单元（11）的引脚配置输入到MVB控制单元（1）实现MVB设备地址的定义；所述防护单元（12）与MVB控制单元（1）和连接器单元（11）之间的连接点相连，所述防护单元（12）与电阻单元（13）串联在电源与地之间，防护单元（12）用于MVB总线设备地址配置系统的电路防护；所述机车数字量采集装置的地址低4位固定为0，高8位由外部输入配置，通道的自检由所述MVB控制单元（1）周期性的控制执行，并将反馈状态引回处理。

26.根据权利要求14、15、17、19、22或23中任一权利要求所述的一种基于MVB总线的机车数字量采集装置，其特征在于：通道自检信号通过所述光耦单元（411）进入所述数字量采集通道（4），当有通道自检信号输入时，所述光耦单元（411）导通，工作电源信号输出至各个数字量采集通道；当所述通道自检信号为低电平时，所述光耦单元（411）关断，所述数字量采集通道全部关闭。