CN106292436A - 一种轨道交通车辆网络系统的输入输出模块 - Google Patents

一种轨道交通车辆网络系统的输入输出模块 Download PDF

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Abstract

一种轨道交通车辆网络系统的输入输出模块，包括：电源子板电路，用于提供电力；以及主板电路，其进一步包括输入和输出通道电路，其用于轨道交通车辆上的二进制数字输入输出点的信号的采样和控制；以及主CPU电路，其用于读取所述输入通道电路的二进制数字输入和电源诊断及所述输出通道的状态并转发到轨道交通车辆网络系统；以及接收来自轨道交通车辆网络系统二进制数字输出，并转发到所述输出通道电路。该输入输出模块适于机车、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模块
本申请是申请日为2012年9月18日、申请号为“CN201210347548.4”、发明名称为“一种轨道交通车辆网络系统的输入输出模块”的专利申请的分案申请。
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固定输入输出通道数目的轨道交通车辆网络系统的输入输出模块。
背景技术
列车网络控制系统执行对列车的控制、监测与诊断功能，是一种基于微处理器的网络互连的分布式智能控制与诊断系统。全球的列车网络控制系统的机车车辆大部分采用列车通信网络TCN(Train Communication Network)总线标准。具有TCN总线的列车网络控制系统通常由中央控制单元CCU(Central Control Unit)、具有多功能车载总线MVB(Multi-function Vehicle Bus)接口的输入/输出I/O(Input/Output)设备、网关、中继器及具有MVB接口的子系统控制器所组成。
研究TCN列车网络控制技术是轨道机车车辆领域中一个热点。现有技术中，TCN列车网络控制系统采集和控制自身不具有MVB接口控制器的继电器、开关及手柄等元器件的输入输出信号通常由中央控制单元CCU直接完成。这使得CCU的硬件变得非常庞大和复杂，而且灵活性不足，比较难于扩展。
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模块，包括：电源子板电路，用于提供电力；以及主板电路，其进一步包括输入通道电路和输出通道电路，其用于轨道交通车辆上的二进制数字输入输出点的信号的采样和控制；以及主CPU电路，其用于读取所述输入通道电路的二进制数字输入和电源诊断及所述输出通道的状态并转发到轨道交通车辆网络系统；以及接收来自轨道交通车辆网络系统二进制数字输出，并转发到所述输出通道电路。
进一步地，如上所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出模块，其中所述电源子板电路是小型可插入的独立电源模块，向所述输入通道电路和输出通道电路直接提供电力，向所述主CPU电路间接提供电力。
进一步地，如上所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出模块，其中所述主CPU电路包括与其通信的MVB通信模块，所述MVB通信模块的地址可通过硬件输入接口进行现场配置。
进一步地，如上所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出模块，其中主板电路，其进一步包括电源电路，其包括电源滤波和保护电路和次级电源转换电路。
进一步地，如上所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出模块，其中所述输入通道电路和输出通道电路采用了电源供电分组管理和保护策略，分别包括限流和短路保护电路。
进一步地，如上所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出模块，其中所述主板电路包括电源诊断输入电路和输出诊断电路。
进一步地，如上所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出模块，其中所述主CPU电路包括复位电路，使得系统出现异常时，整个系统进行完全的复位，二进制输出导向安全输出。
进一步地，如上所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出模块，其中二进制数字输入输出点是自身不具有MVB接口控制器的元器件。
进一步地，如上所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出模块，其中所述主CPU电路读取MVB接收端口的输出数据并驱动二进制输出硬件通道，然后读取二进制输入通道、高速二进制输入通道的硬件输入、电源供电诊断输入和输出通道诊断输入，并写入到MVB网卡相应的缓存中发送数据；其中，电源供电诊断状态和输出通道诊断状态提供给接收所述输入输出模块数据的设备进行诊断。
进一步地，如上所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出模块，其中所述主CPU电路对所述MVB模块的接收端口有宿端口时间监视功能，故障时导向安全；如果所述MVB模块的接收端口在一定时间内不被更新时，则触发宿端口时间监视错误，所有的二进制输出通道输出一直为0并有故障指示。
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2是根据本发明的一个实施例的输入输出模块的结构示意图；以及
图3是根据本发明的一个实施例的输入输出模块工作流程示意图。
具体实施方式
图1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1所示，列车网络控制系统100包括通过MVB总线相互通信的中央控制单元CCU101、人-机显示器102、子系统控制器103以及输入输出模块104。列车网络控制系统可以包括多个子系统控制器103。各个子系统控制器103也通过MVB总线连接，可以相互传输数据。
中央控制单元CCU101与输入输出模块104通过MVB接口进行数据交换。输入输出模块104采集例如开关的状态、手柄编码信息等数据传输给中央控制单元CCU101以用于整车的控制。中央控制单元CCU101的处理的结果也可以通过MVB总线传输到输入输出模块104，通过控制输入输出模块104的二进制输出通道而驱动外部的元器件工作，例如：继电器闭合，或点亮某个指示灯。
本发明的输入输出模块是一个具有MVB接口，固定输入和输出通道数的智能I/O设备，设备外型尺寸较小，结构紧凑。该输入输出模块有2个DC24V的电源输出，2×16个/组输入通道，8个输出通道和2×10位/组的高速输入通道。该输入输出模块的标称输入供电电压是DC110V，所有输入和输出通道的工作电压采用模块自身转换的DC24V。模块对输入和输出通道的DC24V供电进行分组管理，具有限流和过流保护能力。
图2是根据本发明的一个实施例的输入输出模块的系统结构示意图。如图所示，输入输出模块200主要分为两部分：电源子板电路和主板电路。
根据本发明的一个实施例，电源子板电路是小型可插入的独立电源模块，对应于图1中的DC/DC变换模块201。该独立电源模块与主CPU电路相连，将DC110V输入转换为DC24V输出，并具有100W的额定功率。
主板电路包括主CPU电路(包括MVB通信模块)、输入通道电路、输出通道电路和电源电路。输入通道电路和输出通道电路用于轨道交通车辆上的二进制数字输入输出点的信号的采样和控制。主CPU电路读取输入通道电路的二进制数字输入和电源诊断及所述输出通道的状态并转发到轨道交通车辆网络系统；接收来自轨道交通车辆网络系统二进制数字输出，并转发到输出通道电路。
具体而言，主CPU电路可以包括微控制单元MCU(Micro Controller Unit)202。MCU202采用的是16位单片机，具有16MHz时钟，通过扩展PC104总线接口。主CPU电路包括MVB通信模块，如MVB网卡203。MCU202通过扩展PC104总线实现与MVB通信模块及输入输出通道电路的连接。
MCU202通过16位的PC104总线写或读MVB网卡203上相关的寄存器实现数据的发送或接收。CPU读取输入通道电路的相应的输入缓存204和205获得二进制输入的数据和高速二进制输入数据，再通过MVB网卡203发送到网络上。在输出通道电路中，利用MVB网卡203从MVB总线接收的二进制输出数据被MCU202写到二进制输出的锁存器206，然后锁存器206的输出通过驱动电路207在相应的通道上输出24V电压，驱动外部的设备。
主CPU电路的输入通道电路包括由二进制输入缓存204和二进制输入采样电路209组成的二进制输入通道和由高速二进制输入缓存205和高速二进制输入采样电路208组成的高速二进制输入通道。二进制输入通道实现了DC24V转换为CPU可以采集的电平信号。高速二进制信号实现了10位DC24V输入编码信号的同时采集。由二进制输出锁存器206和驱动电路207组成的二进制输出通道实现了DC24V信号的输出。
该型输入输出模块主板电路上的电源电路包括两部分，一部分是DC110V输入的前级电路，即110V电源滤波和保护电路213，实现前级电源输入的保护和滤波；另一部分是次级电源DC24V转换DC5V的电源电路。根据本发明的一个实施例，次级电源DC24V转换DC5V的电源电路可以是DC/DC变换电路201的一部分。
本发明的输入输出模块具有MVB接口以及固定输入和输出通道数的智能I/O设备，适用于具有TCN网络的轨道机车车辆。本发明的输入输出模块的2个DC24V的电源输出，2×16个/组输入通道，8个输出通道和2×10位/组的高速输入通道完全能够实现对二进制数字输入输出点的控制和手柄信号的采样。
本发明的输入输出模块对输入输出通道采用了电源供电分组管理和保护策略。根据本发明的一个实施例，输入和输出通道电路上分别包括限流和短路保护电路211和207(图2中输出驱动电路可以和限流和短路保护电路整合，因此都用附图标记207表示)。输入输出通道电源分组管理有利于本分组通道的过流及短路故障不影响其它分组通道的正常工作，有利于设备最大限度地正常工作。输入输出通道由硬件实现了限流和短路保护功能，过流消除后，电路能够自动恢复正常工作。
根据本发明的一个实施例，主板电路分别包括电源诊断输入缓存210和二进制输出诊断输入缓存212。由此，输入输出模块通过MVB输出端口把各分组电源供电的状态以及二进制输入输出状态传输到MVB网络上，供上层中央控制单元用于诊断。
根据本发明的一个实施例，输入输出模块对输出通道的MVB数据输入有宿端口监视功能，且故障导向安全。
根据本发明的一个实施例，输入输出模块的MVB设备地址可通过硬件输入接口进行现场配置，内嵌软件无须进行现场修改，采用DIN轨安装模式，便于现场的安装和配置使用。
根据本发明的一个实施例，输入输出模块包括复位电路，使得系统出现异常时，整个系统进行完全的复位，二进制输出导向安全输出。
图3是根据本发明的一个实施例的输入输出模块的工作流程示意图。如图所示，该方法300，首先要在步骤310初始化MCU芯片，在步骤320读取由现场决定在外部配置的MVB设备地址，然后在步骤330初始化看门狗，在步骤340，发送MVB复位信号，初始化MVB网卡。接着，进入主循环。在循环体内完成以下工作：
在步骤350，判断是否接收到新的输出数据，如果是，则在步骤360然后读取MVB接收端口的输出数据；在步骤370，若输出数据在一定时间内不被更新(例如MVB网络通道故障等)，则触发宿端口监视功能，在步骤380，故障导向安全，所有的二进制输出通道输出一直为0并点亮故障灯。否则，在步骤371，驱动二进制输出硬件通道。
接下来，在步骤390，读取二进制输入通道和高速二进制输入通道的硬件输入，并在步骤391写入到MVB网卡相应的缓存中用于源端口的数据发送；并在步骤392复位看门狗。
根据本发明的一个实施例，设定看门狗使得系统出现异常时，整个系统进行完全的复位，并且二进制输出导向安全输出。
根据本发明的一个实施例，该方法进一步包括读取电源分组管理的电源诊断和二进制输出通道的诊断输入，并写入到MVB网卡相应的缓存用于源端口的数据发送，供上层的中央控制单元诊断该型输入输出模块的输入和输出。
根据本发明的一个实施例，本发明的输入输出模块通过壳体和结构设计，达到《GB/T 25119-2010轨道交通机车车辆电子装置》中的高低温、湿热、振动、冲击和电磁兼容要求。
本发明通过壳体和结构设计满足：
1)具有一定的强度，并且是标准的导轨安装，安装可靠牢固，能够满足铁路标准规定的振动和冲击的要求。容易安装和拆卸。
2)符合电磁兼容的标准，能够忍受标准规定的恶劣的电磁环境。
3)可以为电源的散热提供路径。
综上所述，本发明的输入输出模块作为一个具有固定通道数的智能信号采集模块，结构紧凑，具有以下一些特点：
1)具有MVB接口，输出和输入根据实际需要可以配置为高实时性；
2)电源分组供电，且各组的电源都具有限流和过流保护，具有过流断开和延时重试功能；
3)各组输入通道的电源具有诊断反馈输入，二进制输出通道也具有诊断输入，有利用于CCU进行输入/输出通道的故障诊断；
4)设有宿端口时间监视功能，发生宿端口时间监视错误时，二进制输出通道导向安全输出。
5)设有复位电路，使得系统出现异常时，整个系统进行完全的复位，二进制输出通道导向安全输出。
本发明的输入输出模块可以应用在具有TCN列车网络控制系统中，采集和控制自身不具有MVB接口控制器的继电器、开关及手柄等元器件的输入输出信号。本发明的输入输出模块有利于中央控制单元只专注于整车逻辑功能的控制，对于大量的信息采集工作分配给输入输出模块完成，充分发挥分布式系统和MVB总线的功能，中央控制单元的硬件功能不用扩展到很庞大。通过应用智能的输入输出模块，中央控制单元通过MVB总线获取其它器件的状态信息，有利于提高列车网络控制系统的控制准确度，增加系统自诊断功能的诊断广度，加强列车网络控制系统适应不同应用需求的灵活性。
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 (6)

1.一种轨道交通车辆网络系统的输入输出模块，包括：
电源子板电路，用于提供电力；以及
主板电路，其进一步包括
输入通道电路和输出通道电路，其用于轨道交通车辆上的二进制数字输入输出点的信号的采样和控制，所述主板电路包括电源诊断输入电路和输出通道诊断输入电路；以及
主CPU电路，其用于读取所述输入通道电路的二进制数字输入和电源诊断及所述输出通道的状态并转发到轨道交通车辆网络系统；以及接收来自轨道交通车辆网络系统二进制数字输出，并转发到所述输出通道电路；
其中所述主CPU电路包括MVB通信模块；
其中所述主CPU电路判断是否收到信的输出数据，如果收到输出数据则读取所述MVB接收端口的输出数据并驱动二进制输出硬件通道；所述主CPU电路对所述MVB模块的接收端口有宿端口时间监视功能，故障时导向安全；如果所述MVB模块的接收端口在一定时间内不被更新时，则触发宿端口时间监视错误，所有的二进制输出通道输出一直为0并有故障指示；然后读取二进制输入通道、高速二进制输入通道的硬件输入、电源供电诊断输入和输出通道诊断输入，并写入到MVB网卡相应的缓存中发送数据；所述CPU电路循环执行上述功能；以及
所述输入输出模块的MVB设备地址通过硬件输入接口进行现场配置。
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模块，其中所述电源子板电路是小型可插入的独立电源模块，向所述输入通道电路和输出通道电路直接提供电力，向所述主CPU电路间接提供电力。
3.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模块，其中主板电路其进一步包括电源电路，其包括电源滤波和保护电路和次级电源转换电路。
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模块，其中所述输入通道电路和输出通道电路采用了电源供电分组管理和保护策略，分别包括限流和短路保护电路。
5.根据权利要求3所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出模块，其中所述主CPU电路包括复位电路，使得系统出现异常时，整个系统进行完全的复位，二进制输出导向安全输出。
6.根据权利要求3所述的轨道交通车辆网络系统的输入输出模块，其中二进制数字输入输出点是自身不具有MVB接口控制器的元器件。
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