CN105425642B - 基于qnx的电力机车主控制单元 - Google Patents

基于qnx的电力机车主控制单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于QNX的电力机车主控制单元，包括相同的软硬件配置的主控单元和从控单元，主控单元与从控单元构成热备冗余系统，主控单元与从控单元之间通过全双工RS485通信，主控单元硬件结构包括：电源板卡、MCPB主CPU板卡、CAN通信板卡、HDLC通信板卡、ETHN以太网板卡、数字量输入板卡、数字量输出板卡、模拟量板卡；根据新型电力机车具体需求，实现了机车状态信息采集及处理，机车关键数据的存储，同时控制机车各个设备协调正常运转。能够满足新型电力机车各种功能，而且集成度高，体积小，合理地降低了成本，通用性强，易于维护，实时性强和可靠性高等要求。

Description

基于QNX的电力机车主控制单元
技术领域
本发明涉及电力机车控制系统领域，具体涉及一种基于QNX的电力机车主控制单元。
背景技术
在机车行驶期间，要求机车主控制单元与机车其他单元之间能够可靠地传输数据，并经过将这些数据进行分析和运算及时在司机显示单元显示出来，而且也将最终结果命令发送给机车的各个相应设备，进而控制整个机车的运行。电力机车的主控制单元工作原理：主控制单元对电力机车总体状态信息以及各个被控制设备的状态信息的采集，存储和传输，通过人机接口接收所有输入指令，采集各种反馈信号，进行相关运算，生成相应逻辑控制命令，将命令以通信方式发送给电力机车的各个相关控制设备。现有的电力机车的主控制单元还需要外部控制远程的输入输出单元，是两种设备，导致主控单元的体积较大，成本增加。现有的电力机车主控制单元有基于Linux系统实现的，其逻辑编程对实现功能的人员来说比较方便，但是其实时性不能满足新型电力机车的要求，且系统所消耗资源比较大。还有基于WindowXPE系统实现的，它对硬件要求较高，编译的程序只能在DOS环境下运行，因此有一定的局限性。
发明内容
本发明提供一种基于QNX的电力机车主控制单元,实现新型电力机车主控制单元的高可靠性及强实时性。
本发明的技术方案为基于QNX的电力机车主控制单元，包括相同的软硬件配置的主控单元和从控单元，主控单元与从控单元构成热备冗余系统，主控单元与从控单元之间通过全双工RS485通信，所述的主控单元硬件结构包括：电源板卡、MCPB主CPU板卡、CAN通信板卡、HDLC通信板卡、ETHN以太网板卡、数字量输入板卡、数字量输出板卡、模拟量板卡；
电源板卡为主控单元提供工作所需的直流电；
MCPB主CPU板卡包括CPU和调试接口，用于检测主控单元故障，处理CAN通信板卡和HDLC通信板卡传输来的数据，并形成命令且通过CAN通信板卡和HDLC通信板卡的各个传输通道发送给机车相应的设备；MCPB主CPU板卡是主控制单元的核心板卡，QNX操作系统和所有的机车控制逻辑的应用程序都运行在该板卡上；
CAN通信板卡用于主控单元内部通信；MCPB主CPU板卡控制CAN通信板卡，通过CAN通信板卡来控制所有数字量输入板卡、数字量输出板卡和模拟量板卡；
HDLC板卡用于主控单元与牵引变流控制单元和辅变流控制单元之间的通信，主控单元与列车供电单元、车载安全防护单元、列车制动单元和蓄电池电源单元之间的通信；
ETHN以太网板卡用于重联控制，将本务机车的信息传输给重联机车，并将收到的重联机车的信息传送给本务机车的MCPB主CPU板卡；
模拟量板卡将所采集的电压值和电流值通过CAN通信板卡传输给MCPB主CPU板卡；
数字量输入板卡将采集到的直流110V电压开关信号通过CAN通信板卡传输给MCPB主CPU板卡；
数字量输出板卡通过MCPB主CPU板卡发送给CAN通信板卡的命令实现对18路独立继电器的控制。
所述的主控单元MCPB主CPU板卡的主处理器芯片采用PowerPC-8379e芯片。
所述的主控单元软件上采用多线程编程，操作系统为QNX嵌入式实时操作系统。
所述的主控单元与司机显示单元之间通过全双工RS485通信。
所述的司机显示单元包括司机显示单元一和司机显示单元二。
所述的辅变流控制单元包括辅变流控制单元一和辅变流控制单元二。
所述的牵引变流控制单元的数量最多为8个。
所述的HDLC板卡包括8路HDLC接口和4路RS485接口，所述的RS485接口采用标准的DB9连接器。
所述的ETHN以太网板卡包含4路100M以太网接口，2路用于机车重联，2路用于在线更新程序和数据下载。
所述的MCPB主CPU板卡控制CAN通信板卡，通过CAN通信板卡来控制6块数字量输入板卡和5块数字量输出板卡和1块模拟量板卡，每块数字量输入板卡有28路独立的数字量输入通道，每块数字量输出板卡有18路独立的数字量输出通道，模拟量板卡包括模拟量输入12路和频率量输入2路。
本发明的有益效果是：基于QNX的电力机车主控制单元，根据新型电力机车具体需求，实现了机车状态信息采集及处理，机车关键数据的存储，同时控制机车各个设备协调正常运转。能够满足新型电力机车各种功能，而且集成度高，体积小，合理地降低了成本，通用性强，易于维护，实时性强和可靠性高等要求，实现从现有电力机车到新型电力机车的跨越。
附图说明
图1是主控单元内部通信框图。
图2是主控单元与各外设通信框图。
图3是主控单元主程序框架流程图一。
图4是主控单元主程序框架流程图二。
图5是主控单元主程序框架流程图三。
图6是主控单元系统构成示意图
具体实施方式
现结合附图1至附图6对发明做进一步的说明，基于QNX的电力机车主控制单元包括软硬件配置完全相同的主控单元和从控单元，主控单元和从控单元构成热备冗余系统，它是电力机车控制中心，即机车的大脑，其通过多种通信方式控制了电力机车的所有设备，如图6所示，主要包括蓄电池单元，制动控制单元，主段路器单元，空气压缩单元，轮缘润滑撒沙单元，受电弓控制单元，辅助变流器单元和牵引变流器单元，主控单元与从控单元之间通过全双工RS485通信，主控单元和从控单元都进行电力机车总体状态信息以及各个被控制设备的状态信息的采集，存储，通过人机接口接收所有输入指令，采集各种反馈信号，当双机热备的机制为主控单元时，主控单元对采集的数据进行相关运算，生成相应控制命令，将命令以通信方式发送给电力机车的各个相关控制设备。主控制单元将计算结果、故障信息、有关参数送显示屏显示，此时，从控系统不向外发送命令，只有主控单元出现故障时，双机热备的机制将自动切换到从控单元。从而提高系统的可靠性。
如图1所示，主控单元的内部硬件结构主要由电源板卡、数字量输入板卡、数字量输出板卡、模拟量板卡、ETHN以太网板卡、CAN通信板卡、串行通信板(HDLC通信板卡)和MCPB主CPU板卡构成；电源板卡为主控单元TCMS提供工作所需的各种直流电，如24V、±15V、5V；MCPB主CPU板卡，包括CPU、软件相关调试的接口，并且检测主控单元是否存在故障，以便在主系统发生故障时立即进行主从系统的切换，MCPB主CPU板卡处理CAN通信板卡和HDLC通信板卡传输来的数据，并形成命令且通过CAN通信板卡和HDLC通信板卡的各个传输通道发送给机车相应的设备；MCPB主CPU板卡是主控单元的核心板卡，QNX操作系统和所有的机车控制逻辑的应用程序都运行在该板卡上；CAN通信板卡用于主控单元内部的输入输出板卡之间的通信，主控单元内部使用MCPB主CPU板卡控制CAN通信板卡，即通过CAN总线通信来控制所有数字量输入输出板和模拟量输入输出板卡。HDLC通信板卡完成主控单元与外部设备的通信，该外部设备包括辅变流控制单元一、辅变流控制单元二、牵引变流控制单元、列车供电单元、车载安全防护单元、列车制动单元、蓄电池电源单元；主控单元通过全双工HDLC与上述外部设备进行通信，牵引变流控制单元个数最多有8个牵引变流控制器；ETHN以太网板卡用于重联控制，用于将本务机车的信息传输给重联机车，并将收到的重联机车的反馈信息传送给本务机车的主控单元，实现机车的重联功能；模拟量板卡即模拟量输入板卡AFIN、数字量输入板卡DSIN(6块)将接收到的数字量输入板卡将采集到的直流110V电压开关信号通过CAN通信板卡传输给MCPB主CPU板卡；
总计90路数字量输出信号和168路数字量输入信号以及12路模拟量输入信号和2路频率量输入信号，这些被采集到之后通过CAN通信板卡进行运算和处理。主控单元与司机显示单元一、二之间通过全双工RS485通信。
表1，主控单元的内部硬件板卡布局示意图，
表2，主控单元的内部硬件板卡配置示意图
其中，电源板卡POW1/POW2包括直流110V接口，主控单元的MCPU主CPU板卡的处理器芯片采用PowerPC-8379e芯片，MCPB主CPU板卡包括2路串口、1个100M以太网接口、1个VGA接口，2路USB接口，USB接口可以进行相关文件的上传和下载。CAN通信板卡有8路CAN总线接口；串行通信板卡(HDLC通信板卡)包括8路HDLC接口和4路RS485接口，其中RS485采用标准的DB9连接器；ETHN以太网板卡包含4路100M以太网接口，其中2路为机车重联所使用；2路用来在线更新程序和数据下载。模拟量(输入)板卡AFIN模拟量输入有12路，频率量输入有2路；每块数字量输入板卡DSIN有26路数字量采集；每块数字量输出板卡ROUT都有18路继电器输出。同时，数字量输入板卡上有28路输入和数字量输出板卡上有18路继电器输出也是在220mm X 100mm的板卡上，是目前集成度最高的。
MCPB主CPU板卡工作原理：主要完成数据的接收及运算后输出的工作，即完成对机车数据的动态运行信息的数据采集和存储功能以及将运算后的数据传输给其他通信通道的功能，存储介质通过数据总线直接与MCPB主CPU板卡芯片相连，应用大容量CF卡作为数据记录的载体。采用与远程输入输出单元合体式结构，减小了体积，取消了主控单元与其他线路盒之间的连线，提高了抗电磁干扰的能力。
电力机车主控单元的核心任务是：逻辑控制电力机车的各个设备，使得机车能正常运行。根据司机指令完成对牵引变流控制单元、辅变流控制单元的实时控制、牵引/制动特性控制、传动系统的时序逻辑控制，显示机车以及各个设备的运行状态，具备完整的故障保护、故障记忆及显示功能，并具有一定程度上的故障自排除、自动切换和故障处理指导功能，还需要满足行车日志的记录和下载及故障记录、在线更新、程序运行监测的功能。
新型电力机车主控单元软件的完成使用的开发工具是基于QNX操作系统的非开源集成开发环境IDE，完成所有逻辑判断、信息通信及信息处理，主控单元QNX操作系统版本为QNX6.5.0，文件系统为qnx6格式，包含qcc编译器，版本为6.3.2可执行程序默认为elf格式。主要包括牵引、制动控制，系统配置、辅助变流控制、列车供电系统控制、机车设备状态维护控制。其他机车的主控单元有使用DOS系统，Linux系统，Window XPE系统。QNX系统的集成开发环境IDE是一个多元化的C/C++用户程序开发环境，运行效率高，拥有丰富的API，开发者学习使用方便。QNX系统是一种可以运行在Intel x86兼容处理器和一些RISC处理器(如PowerPC、MIPS)上的内核体积极小的操作系统，同时遵循POSIX1003.1标准。它实现的是一个极为灵活方便、可按照需要随意裁剪的系统，并且支持多用户多任务的分布式操作系统，其中应用程序代码的可移植性极强。因此，他被应用在航空航天、医疗、汽车等诸多领域中。
本主控单元软件上创新采用多线程编程，实现分布式多任务处理的软件架构，同时采用了一个定时器轮询触发多个任务的方式，即同一个定时器作为主线程的定时器，其他线程都根据主线程的定时器进行计数来触发线程的运行，主控单元软件任务需要完成如下工作：通过人机接口接收所有输入指令，采集各种反馈信号，进行相关运算，生成相应控制命令，将命令以通信方式发送给牵引变流器、辅助变流器，将计算结果、故障信息、有关参数送显示屏显示，并在重联时将重联命令通过网络传送给重联机车，以及主断路器(VCB)控制、电力机车控制系统的输入/输出、电力机车的逻辑控制、电力机车的牵引特性控制、电力机车的制动特性控制、定速控制、冗余控制、自动过分相控制、主变流器控制、重联控制、智能故障诊断及显示、机车保护控制。最终完成了多线程优先级和周期都可调的应用层软件框架，以满足新型电力机车各功能模块任意增减的要求，各个功能模块化且可根据不同需求增减功能，易于软件维护。
如图3至图5所示，主控单元应用层软件框架建立了A、B、C三个任务接口模型，该应用层软件框架可以依据任务A、B、C的例子来建立更多的任务，即每个任务就是一个线程，更可以是某一个功能模块。在根据定时器事件触发的模式进行任务的周期性执行。主控单元在整个电力机车控制中起主导作用，它的工作正常与否直接决定了电力机车能否安全、正常地运行。

Claims (10)

1.基于QNX的电力机车主控制单元，其特征在于：包括相同的软硬件配置的主控单元和从控单元，主控单元与从控单元构成热备冗余系统，主控单元与从控单元之间通过全双工RS485通信，所述的主控单元硬件结构包括：电源板卡、MCPB主CPU板卡、CAN通信板卡、HDLC通信板卡、ETHN以太网板卡、数字量输入板卡、数字量输出板卡、模拟量板卡；
电源板卡为主控单元提供工作所需的直流电；
MCPB主CPU板卡包括CPU和调试接口，用于检测主控单元故障，处理CAN通信板卡和HDLC通信板卡传输来的数据，并形成命令且通过CAN通信板卡和HDLC通信板卡的各个传输通道发送给机车相应的设备；MCPB主CPU板卡是主控制单元的核心板卡，QNX操作系统和所有的机车控制逻辑的应用程序都运行在该板卡上；
CAN通信板卡用于主控单元内部通信；MCPB主CPU板卡控制CAN通信板卡，通过CAN通信板卡来控制所有数字量输入板卡、数字量输出板卡和模拟量板卡；
HDLC板卡用于主控单元与牵引变流控制单元和辅变流控制单元之间的通信，主控单元与列车供电单元、车载安全防护单元、列车制动单元和蓄电池电源单元之间的通信；
ETHN以太网板卡用于重联控制，将本务机车的信息传输给重联机车，并将收到的重联机车的信息传送给本务机车的MCPB主CPU板卡；
模拟量板卡将所采集的电压值和电流值通过CAN通信板卡传输给MCPB主CPU板卡；
数字量输入板卡将采集到的直流110V电压开关信号通过CAN通信板卡传输给MCPB主CPU板卡；
数字量输出板卡通过MCPB主CPU板卡发送给CAN通信板卡的命令实现对18路独立继电器的控制。
2.根据权利要求1所述的基于QNX的电力机车主控制单元，其特征在于：所述的主控单元MCPB主CPU板卡的主处理器芯片采用PowerPC-8379e芯片。
3.根据权利要求1所述的基于QNX的电力机车主控制单元，其特征在于：所述的主控单元软件上采用多线程编程，操作系统为QNX嵌入式实时操作系统。
4.根据权利要求1所述的基于QNX的电力机车主控制单元，其特征在于：所述的主控单元与司机显示单元之间通过全双工RS485通信。
5.根据权利要求4所述的基于QNX的电力机车主控制单元，其特征在于：所述的司机显示单元包括司机显示单元一和司机显示单元二。
6.根据权利要求1所述的基于QNX的电力机车主控制单元，其特征在于：所述的辅变流控制单元包括辅变流控制单元一和辅变流控制单元二。
7.根据权利要求1所述的基于QNX的电力机车主控制单元，其特征在于：所述的牵引变流控制单元的数量最多为8个。
8.根据权利要求1所述的基于QNX的电力机车主控制单元，其特征在于：所述的HDLC板卡包括8路HDLC接口和4路RS485接口，所述的RS485接口采用标准的DB9连接器。
9.根据权利要求1所述的基于QNX的电力机车主控制单元，其特征在于：所述的ETHN以太网板卡包含4路100M以太网接口，2路用于机车重联，2路用于在线更新程序和数据下载。
10.根据权利要求1所述的基于QNX的电力机车主控制单元，其特征在于：所述的MCPB主CPU板卡控制CAN通信板卡，通过CAN通信板卡来控制6块数字量输入板卡和5块数字量输出板卡和1块模拟量板卡，每块数字量输入板卡有28路独立的数字量输入通道，每块数字量输出板卡有18路独立的数字量输出通道，模拟量板卡包括模拟量输入12路和频率量输入2路。
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