CN104633858B - 一种空调系统控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空调系统控制装置，包括：输入单元，其用于将外部温度信号转换为电压信号；第一处理单元，其用于接收空调系统运行状态信息和输入单元输出的电压信号，并基于运行状态信息和电压信号产生控制信号；执行单元，其基于控制信号来实现对空调系统的控制，其中，该装置还包括第二处理单元，用以协助第一处理单元完成通信及对时功能，输入单元还采集所述运行状态信息并将该信息输送给所述第一处理单元。本发明采用较为精简的双核硬件架构实现了较为复杂的空调控制及保护功能，具有较高的可靠性和较好的可维护性，并降低了高速动车组的制造成本。

Description

一种空调系统控制装置

技术领域

本发明涉及空调控制技术领域，具体地说，涉及一种应用于高速列车上的空调系统控制装置。

背景技术

现有的高速动车组采用全封闭设计，空调系统用于调节车厢的空气环境，是高速动车组的重要系统之一。空调控制装置是空调系统的控制核心，其用于实现空调系统的运行控制、故障保护及外部通信等功能，其产品品质直接决定空调系统的优劣。

现有的高速动车组空调控制装置，采用的是相对比较落后的控制技术。该控制技术工作主频较低，硬件复杂度高，实时性不好，可靠性和可维护性相对较差。由于其采用的控制芯片是早些年生产的产品，单个控制芯片的运算及接口能力比较有限。产品需要利用多颗控制芯片(CPU1、CPU2、CPU3、CPU4……)和对应的逻辑控制芯片(CPLD1、CPLD2……)、存储芯片(双口RAM1、双口RAM2、双口RAM3……)协同处理才能实现比较复杂的逻辑控制功能，因此被迫采用了如图1所示的架构。该构架具有较高的硬件复杂度，降低了产品的可靠性，增加了产品维护难度。

如果采用国外引进的高速动车组空调控制装置，国外的供应商并未转让空调控制装置等空调系统核心部件的相关技术，中方不具备对空调控制装置进行硬件维护及软件改进的能力。没有掌握空调系统的核心控制技术，则在产品应用过程中，严重受制于外方，再加上相关配件价格比较昂贵，给空调系统的运行和维护带来了诸多问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种空调系统控制装置用以解决现有空调控制装置硬件复杂度高、产品可靠性差和维护难度大的问题。

根据本发明的一个实施例，提供了一种空调系统控制装置，包括：

输入单元，其用于将外部温度信号转换为电压信号；

第一处理单元，其用于接收空调系统运行状态信息和所述输入单元输出的电压信号，并基于所述运行状态信息和所述电压信号产生控制信号；

执行单元，其基于所述控制信号来实现对空调系统的控制，

其中，所述装置还包括第二处理单元，用以协助所述第一处理单元完成通信及对时功能，所述输入单元还采集所述运行状态信息并将该信息输送给所述第一处理单元。

根据本发明的一个实施例，所述第一处理单元包括第一处理器，所述第二处理单元包括第二处理器，所述第一处理器和所述第二处理器之间通过双口RAM进行通信。

根据本发明的一个实施例，所述第二处理单元还包括与所述第二处理器连接的电流环电路，用以实现所述第二处理器与外部设备的通信，所述电流环电路包括输入支路和输出支路，所述输入支路和输出支路均包括与所述第二处理器依次连接的逻辑门、光耦电路和电流环保护电路。

根据本发明的一个实施例，所述第二处理单元还包括作为冗余支路的RS-485转换电路，所述转换电路用以在所述电流环电路发生故障时实现所述第二处理器与外部设备的通信，所述RS-485转换电路包括与所述第二处理器连接的光耦电路及在所述光耦电路之后依次连接的RS-485收发器及RS-485保护电路。

根据本发明的一个实施例，所述第二处理单元还包括与所述第二处理器连接的实时时钟电路，所述第二处理器基于所述实时时钟电路实现时间信息存储和读取功能。

根据本发明的一个实施例，所述输入单元包括电桥电路和放大电路，外部温度信号经所述电桥电路输出给所述放大电路并经该放大电路放大后输出给所述第一处理器。

根据本发明的一个实施例，所述输入单元还包括过压保护电路，所述过压保护电路位于所述放大电路与所述第一处理单元之间，用以控制输入到所述第一处理器的电压在限定范围。

根据本发明的一个实施例，所述输入单元还包括数字量输入电路，用以采集所述运行状态信息，所述数字量输入电路包括与外部设备连接的电阻网络以及与所述电阻网络依次连接的保护电路、光耦电路、逻辑门、总线缓冲电路，所述总线缓冲电路通过并行总线与所述第一处理器连接。

根据本发明的一个实施例，所述执行单元包括与所述第一处理器、所述第二处理器、所述双口RAM和所述数字量输入电路分别连接的可编程逻辑器件，以及与所述可编程逻辑器件和所述第一处理器分别连接的数字量输出电路和扩展电路，所述数字量输出电路和所述扩展电路通过所述并行总线与所述第一处理器连接。

根据本发明的一个实施例，所述数字量输出电路包括分别与所述第一处理器和所述可编程逻辑器件连接的锁存器以及与所述锁存器依次连接的逻辑门、晶体管和继电器，所述继电器与外部设备连接。

根据本发明的一个实施例，所述第一处理器和所述第二处理器各通过一个RS-485转换电路与维护设备连接来实现软件升级，所述RS-485转换电路包括与所述第二处理器或所述第一处理器连接的光耦电路及在所述光耦电路之后依次连接的RS-485收发器及RS-485保护电路。

根据本发明的一个实施例，所述第一处理器和所述第二处理器分别连接监控电路，所述监控电路用以在供电电压异常及程序运行异常时实现对所述第一处理器和/或所述第二处理器的复位。

本发明带来了以下有益效果：

本发明采用较为精简的双核硬件架构实现了较为复杂的空调控制及保护功能，具有较高的可靠性和较好的可维护性。本发明采用完全自主的高速动车组空调系统核心控制技术，可以降低高速动车组制造成本，有利于提升高速动车组空调系统信息化设计水平和提高高速动车组空调系统的国产化率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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的附图做简单的介绍：

图1是一种现有的空调系统控制结构示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的一种空调系统控制装置的系统结构示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的电流环电路结构示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的RS-485转换电路结构示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的输入电路结构示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的数字量输入电路结构示意图；

图7是根据本发明的一个实施例的数字量输出电路结构示意图；

图8是根据本发明的一个实施例的空调系统控制装置的电路结构示意图；

图9是根据本发明的一个实施例的空调系统控制装置的制冷运行方式示意图；以及

图10是根据本发明的一个实施例的空调系统控制装置的制热运行方式示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

如图2所示为根据本发明的一个实施例的空调系统控制装置的结构示意图。以下参考图2来对本发明所述的控制装置进行详细说明。

如图2所示，该空调系统控制装置包括输入单元、第一处理单元、第二处理单元和执行单元。其中，输入单元用于将外部温度信号转换为所需的电压信号后输出。第一处理单元与输入单元连接并接收输入单元输出的电压信号。同时，输入单元还采集空调系统的运行状态信息，并将该信息输出给第一处理单元。第一处理单元将输入单元输入的电压信号和空调系统的运行状态信号处理后产生控制信号，并输出给执行单元来实现对空调系统的控制。第二处理单元与第一处理单元连接并协助第一处理单元完成通信及对时功能。

在本发明的一个实施例中，第一处理单元包括第一处理器，第二处理单元包括第二处理器。第一处理器和第二处理器之间通过双口RAM(随机存取存储器)进行通信。

第一处理单元为主处理单元，主要完成空调控制装置的逻辑运算和信号处理功能。同时，第一处理单元还包括RAM和存储器。其中，RAM用作临时数据存储媒介。存储器用作长期数据存储媒介，可采用具有掉电存储功能的铁电存储器，用于实现程序、数据空间的扩展和掉电数据存储功能。第一处理器通过并行总线与RAM和存储器连接。

双口RAM主要用于实现第一处理器和第二处理器之间的空调工作指令、空调状态、故障信息、时钟信息等数据的交互，从而实现第一处理单元和第二处理单元之间的存储数据共享。

在本发明的一个实施例中，第二处理单元还包括与第二处理器连接的电流环电路。该电流环电路用于实现第二处理器与外部设备的数据通信。在本发明的一个实施例中，该电流环电路包括输入和输出两个支路，这两个支路的电路结构相同。如图3所示为根据本发明的一个实施例的电流环电路的结构图，该电流环电路一端连接第二处理器CPU2，另一端连接外部的空调显示设定单元，用于实现空调工作指令、空调状态、故障信息等数据的传输。如图3所示，在输出支路中，CPU2连接逻辑门3，逻辑门3连接光耦3，光耦3连接电流环保护电路1，电流环保护电路1连接空调显示设定单元。在输入支路中，CPU2连接逻辑门4，逻辑门4连接光耦4，光耦4连接电流环保护电路4，电流环保护电路4连接空调显示设定单元。其中，逻辑门3和逻辑门4用于转换电平信号，光耦3和光耦4用于驱动和接收20mA通信用电流信号。采用光耦器件可对通信线路进行电气隔离，增强产品抗干扰性能。电流环保护电路1和电流环保护电路2用于调理电流信号并抑制线路杂波干扰。

在本发明的一个实施例中，第二处理单元还包括RS-485转换电路作为冗余支路用于在电流环电路出现故障时实现第二处理器与外部设备的数据传输并报警。如图4所示为根据本发明的一个实施例的RS-485转换电路的结构图。RS-485-3转换电路的一端连接CPU2，另一端连接空调显示设定单元，其用于实现空调工作指令、空调状态、故障信息等数据的传输。如图4所示，CPU2连接光耦2，光耦2用于通信线路的电气隔离，增强产品抗干扰性能。光耦2连接RS-485收发器，RS-485收发器连接空调显示设定单元。RS-485保护电路设置在RS-485收发器和空调显示设定单元之间，RS-485保护电路用于信号阻抗匹配且抑制线路杂波干扰。光耦2电源连接光耦2，用于给光耦2提供隔离的工作电源。

在本发明的一个实施例中，第二处理单元还包括与第二处理器连接的实时时钟电路，第二处理器通过实时时钟电路实现时间信息存储和读取功能。

CPU2和空调显示设定单元同时通过电流环及RS-485-3进行通信，电流环为主用通信方式，RS-485-3为热备用状态。一旦判断电流环通信故障，将自动切换到RS-485-3通信链路，并进行故障报警。CPU2从空调显示设定单元接收空调设定指令，如工作模式指令、制冷设定温度、制热设定温度等数据，CPU2向空调显示设定单元发送空调工作状态、故障状态等数据。CPU2通过双口RAM从CPU1读取空调工作状态、故障状态等数据，CPU1通过双口RAM从CPU2读取空调设定指令、时钟信息等数据。

在本发明的一个实施例中，输入单元包括电桥电路和放大电路，如图5所示。NTC(负温度系数)温度传感器将车内和车外的温度信息转变为电信号，然后通过输入单元将该电信号转换为适当的电压信号。输入单元采用电桥电路方式，该电路方式可以有效抑制共模干扰，精确测量NTC温度传感器的阻抗。在该电桥电路中，NTC温度传感器连接桥臂2，桥臂2连接桥臂4，桥臂4连接桥臂3，桥臂3连接桥臂1，桥臂1连接桥臂2，桥臂1和桥臂2的连接线连接运放(运算放大器)1，桥臂3和桥臂4的连接线连接运放2，运放1和运放2的输出连接运放3，运放3的输出连接第一处理器。

在本发明的一个实施例中，输入单元还包括过压保护电路。该过压保护电路位于放大电路与第一处理单元之间，用以控制输入到第一处理器的电压。

桥臂1、2、3、4构成电桥电路，运放1、2、3用于将输入信号增益到第一处理单元中的第一处理器允许的电压输入范围。过压保护用于控制输入到第一处理器的电压值不会造成第一处理器的损坏。该输入单元需要精确匹配各部分的电路参数，保证在NTC温度传感器的测温范围下，输入到第一处理器中的电压值处于第一处理器允许的工作范围中。

在本发明的一个实施例中，输入单元还包括数字量输入电路。数字量输入电路一端连接空调主电路，用以采集空调主电路中的继电器、接触器、压缩机、风阀等部件的工作状态反馈信号，进而实现空调系统状态监视和故障保护等功能。如图6所示为根据本发明的一个实施例的数字量输入电路的结构图。空调主电路信号输入到电阻网络后转换成适当的信号经由保护电路驱动光耦1，逻辑门2将光耦输出信号转换成标准电平信号输入到总线缓冲器，总线缓冲器将标准电平信号输出到第一处理器(CPU1)。该数字量输入电路采用光隔离方式，该种电路体积小，电路简单，抗干扰，高隔离。

在本发明的一个实施例中，执行单元包括分别与第一处理器、第二处理器、双口RAM和数字量输入电路连接的可编程逻辑器件，还包括与该可编程逻辑器件连接的数字量输出电路和扩展电路。第一处理器通过可以提高数据传输效率的并行总线数字量输出电路连接来进行数字量的输出。第一处理器还通过并行总线连接扩展电路，只需第一处理器预留扩展接口，即可实现基于并行总线的I/O扩展、通信扩展等功能。同时，可编程逻辑器件还控制数字量输入电路中的总线缓冲器向第一处理单元输入空调系统的运行状态信号。

可编程逻辑器件连接第一处理器和第二处理器上的用于控制总线、读写、片选等信号的控制引脚。第一处理器或第二处理器输出控制信号给可编程逻辑器件，可编程逻辑器件基于该控制信号通过逻辑编程输出控制指令给数字量输入电路、数字量输出电路和扩展电路，从而实现对数字量输入电路、数字量输出电路和扩展电路的工作状态的控制。可编程逻辑器件还可以基于第一处理器和第二处理器的控制信号控制双口RAM的读写操作。

数字量输出电路的输出连接空调主电路，其用于控制空调主电路中的继电器、接触器等器件的开闭，进而实现对空调系统通风机、冷凝风机、压缩机、风阀等部件的控制。如图7所示为根据本发明的一个实施例的数字量输出电路的结构图。该数字量输出电路采用继电器隔离方式，锁存器接收可编程逻辑器件(此处采用复杂可编程逻辑器件CPLD)的控制信号，将第一处理器(CPU1)总线的输出信号锁存。该输出信号经逻辑门1转换为晶体管所需的电平信号，该电平信号经晶体管放大后控制继电器动作。通过继电器无源触点控制空调主电路中器件的动作。采用继电器隔离方式，可以大大增强产品的抗干扰性能。

CPU1通过数字量输入电路采集空调主电路中的压缩机保护节点反馈、继电器反馈、接触器反馈等信号，根据空调控制逻辑要求，实时判断空调系统的工作状态。一旦发现故障情况，及时通过数字量输出电路控制空调主电路，将故障相关设备快速切除。同时，CPU1在存储器中记录故障数据，CPU1将故障信息传输给双口RAM，CPU2从双口RAM读取故障信息，通过电流环或RS-485-3将故障信息传输给空调显示设定单元。CPU1通过双口RAM从CPU2读取实时时钟信息，将记录在存储器中的故障数据标记时间信息，方便故障查阅。并且，在CPU1出现故障不能正常运行时，CPU2可以及时将CPU1的故障状态传输给空调显示设定单元进行报警，方便工作人员及时排查故障。

为使得该空调系统控制装置的各部分电路正常工作，该控制装置还设有电源单元。该电源单元连接DC110V，并将该直流电压转换为±DC15V、DC3.3V、DC1.8V，从而向该控制装置中的各个部分电路提供工作电源。

在本发明的一个实施例中，还对应第一处理器和第二处理器分别设置了一个RS-485转换电路来与外部设备进行连接。此处的RS-485转换电路采用与第二处理单元中相同的电路结构。该外部设备为维护设备，可用来对第一处理器和第二处理器进行软件升级。这样，就不需要对产品机壳进行拆解，可直接在对应板卡进行程序升级，不需要耗费较多的时间。

在本发明的一个实施例中，还对应第一处理器和第二处理器分别设置了监控电路用以实现对第一处理器和第二处理器的监控。在供电电压异常及程序运行异常时，该监控电路发出复位信号从而实现第一处理器和第二处理器的外部复位。在一个具体的实施例中，该监控电路采用看门狗电路。

如图8所示为根据本发明的一个具体的实施例的控制装置的系统结构图。如图8所示，该控制装置包括图中实线框中的部分。该控制装置的第一处理单元包括第一处理器(CPU1)及通过并行总线与该CPU1连接的RAM和存储器。第二处理单元包括第二处理器(CPU2)，还包括与该CPU2连接的实时时钟、电流环和RS-485-3电路。第一处理器和第二处理器之间通过双口RAM通信连接。CPU1和CPU2均采用高速数字信号处理器，存储器采用铁电存储器，具有掉电存储功能。该装置包括输入电路将NTC温度传感器输入的温度信号处理后输入到该CPU1进行处理，还包括采集运行状态信息并将该信息输送给第一处理单元的数字量输入电路。

执行单元包括分别与CPU1、CPU2和双口RAM连接的CPLD，还包括与该CPLD通信连接的、数字量输出电路和扩展电路，并且，数字量输出电路和扩展电路还通过并行总线分别与CPU1连接。数字量输入电路和数字量输出电路还与外部的空调主电路连接，数字量输入电路将空调主电路的工作状态信号输出给CPU1，数字量输出电路将CPU1的控制信号输出给空调主电路。

同时，该控制装置还设有电源单元用于向其内部的各部分提供电能。该控制装置还包括对应CPU1和CPU2分别设置的看门狗电路1和看门狗电路2，这两个看门狗电路用来对CPU1和CPU2进行外部复位。该控制装置还包括对应CPU1和CPU2分别设置的RS-485转换电路RS-485-1和RS-485-2，这两个转换电路与外部的维护设备连接用来对CPU1和CPU2进行远程程序升级。

该空调系统控制装置可以实现制冷控制功能和制热控制功能。如图9所示为该控制装置的一种制冷模式示意图，图中共设置了7级工作模式。制冷标准温度按照UIC553(国际铁路联合会553号规程)曲线进行设定，CPU1控制空调机组在每一级均实现不同的动作方式，使输出控制更加平滑，保证车厢温度调节更加的合理。CPU1将采集到的NTC温度传感器温度值与制冷标准温度进行比较，根据图9自动确定制冷运行方式。通过数字量输出电路控制空调主电路中的通风机、冷凝风机、压缩机、风阀等部件的开断，动态调节高速动车组车厢内的空气温度。

如图10所示为该控制装置的一种制热模式示意图，共设置了6级工作模式，CPU1控制空调机组在每一级均实现不同的动作方式，使输出控制更加平滑，保证车厢温度调节更加的合理。CPU1将采集到的NTC温度传感器温度值与制热标准温度进行比较，根据图10自动确定制热运行方式，通过数字量输出电路控制空调主电路中的加热器等部件的开断，动态调节高速动车组车厢内的空气温度。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种空调系统控制装置，包括：

输入单元，其用于将外部温度信号转换为电压信号；

第一处理单元，其用于接收空调系统运行状态信息和所述输入单元输出的电压信号，并基于所述运行状态信息和所述电压信号产生控制信号；

执行单元，其基于所述控制信号来实现对空调系统的控制，

其中，所述装置还包括第二处理单元，用以协助所述第一处理单元完成通信及对时功能，所述输入单元还采集所述运行状态信息并将该信息输送给所述第一处理单元，

所述第一处理单元包括第一处理器，所述第二处理单元包括第二处理器，所述第一处理器和所述第二处理器之间通过双口RAM进行通信，

所述第一处理器和所述第二处理器各通过一个RS-485转换电路与维护设备连接来实现软件升级，所述RS-485转换电路包括与所述第二处理器或所述第一处理器连接的光耦电路及在所述光耦电路之后依次连接的RS-485收发器及RS-485保护电路。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二处理单元还包括与所述第二处理器连接的电流环电路，用以实现所述第二处理器与外部设备的通信，所述电流环电路包括输入支路和输出支路，所述输入支路和输出支路均包括与所述第二处理器依次连接的逻辑门、光耦电路和电流环保护电路。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二处理单元还包括作为冗余支路的RS-485转换电路，用以在所述电流环电路发生故障时实现所述第二处理器与外部设备的通信，所述RS-485转换电路包括与所述第二处理器连接的光耦电路及在所述光耦电路之后依次连接的RS-485收发器及RS-485保护电路。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二处理单元还包括与所述第二处理器连接的实时时钟电路，所述第二处理器基于所述实时时钟电路实现时间信息存储和读取功能。

5.如权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述输入单元包括电桥电路和放大电路，外部温度信号经所述电桥电路输出给所述放大电路并经该放大电路放大后输出给所述第一处理器。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述输入单元还包括过压保护电路，所述过压保护电路位于所述放大电路与所述第一处理单元之间，用以控制输入到所述第一处理器的电压在限定范围。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述输入单元还包括数字量输入电路，用以采集所述运行状态信息，所述数字量输入电路包括与外部设备连接的电阻网络以及与所述电阻网络依次连接的保护电路、光耦电路、逻辑门、总线缓冲电路，所述总线缓冲电路通过并行总线与所述第一处理器连接。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述执行单元包括与所述第一处理器、所述第二处理器、所述双口RAM和所述数字量输入电路分别连接的可编程逻辑器件，以及与所述可编程逻辑器件和所述第一处理器分别连接的数字量输出电路和扩展电路，所述数字量输出电路和所述扩展电路通过所述并行总线与所述第一处理器连接。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述数字量输出电路包括分别与所述第一处理器和所述可编程逻辑器件连接的锁存器以及与所述锁存器依次连接的逻辑门、晶体管和继电器，所述继电器与外部设备连接。

10.如权利要求1-4、6-9中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一处理器和所述第二处理器分别连接监控电路，所述监控电路用以在供电电压异常及程序运行异常时实现对所述第一处理器和/或所述第二处理器的复位。

11.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一处理器和所述第二处理器分别连接监控电路，所述监控电路用以在供电电压异常及程序运行异常时实现对所述第一处理器和/或所述第二处理器的复位。