CN106850376A - 一种重载组合列车电控空气制动系统的LonWorks网关单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重载组合列车电控空气制动系统的LonWorks网关单元，包括电源模块、LonWorks网络模块以及控制模块，所述电源模块和LonWorks网络模块均与所述控制模块相连；该网关单元具有多种通信介质，多种拓扑结构，能够利用网桥、路由器、网关等设备组成更大规模网络，实现了不同厂家产品互操作、互换的能力，以及网络管理、为用户提供透明的网络数据操作的能力等；实现了LonWorks电力载波信号的调制解调以及230V直流电源的耦合，载波信号的放大。大大地提升了重载组合列车控制的实时性；实现了CAN总线与LonWorks总线的互联，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于铁路机车控制领域，特别涉及一种重载组合列车电控空气制动系统的LonWorks网关单元。
背景技术
工业控制领域的发展过程由集中控制方式，发展为集散控制方式，然后又发展到现场总线方式。现场总线作为列车内部通信规范，顺应了整个工业控制领域的发展；然而，对于普通现场总线的节点控制器，通常采用一个单片机作为控制器的核心，这个单片机既要运行应用程序又要处理七层协议，则将无法满足工业控制领域的实时性要求。1999年，在IEEE1473-1标准中，LonWorks现场总线技术被用于列车通信网络，在法国，澳大利亚，马来西亚，加拿大等国家，都有将LonWorks技术成功地应用于铁路不同领域的实例。我国现有的重载组合列车对列车控制技术要求越来越高，需要实时的列车速度，位置等信息。因此，在重载组合列车中引入LonWorks现场总线技术，能够满足重载组合列车的实时性要求，但现有的重载组合列车的部件ECU、LCDM、BCU之间通过CAN网络总线进行通信，CAN总线的数据不能直接与LonWorks总线互联，需要一个由CAN总线到LonWorks总线的一个数据转换装置，传统的基于CAN总线的网关单元无法满足重载组合列车实时性的要求。
发明内容
本发明提供了一种重载组合列车电控空气制动系统的LonWorks网关单元，其目的在于，通过引入LonWorks现场总线技术，以克服现有的重载组合列车的部件ECU、LCDM、BCU之间通过CAN网络总线进行通信，CAN总线不能直接与LonWorks总线互联，不能满足重载组合列车进行实时性控制的问题。
一种重载组合列车电控空气制动系统的LonWorks网关单元，包括电源模块、LonWorks网络模块以及控制模块，所述电源模块和LonWorks网络模块均与所述控制模块相连；
所述LonWorks网络模块包括依次相连的Neuron智能收发器、放大驱动电路以及耦合电路；
所述控制模块通过双端口RAM与LonWorks网络模块进行数据交换。
LonWorks网络模块，用于实现LonWorks电力载波信号的调制解调；
控制模块，用于信号输入输出和实现LonWorks网关单元设备管理；
电源模块，用于为该网关单元的控制电路提供+5V(10A)电源和+24V(2.1A)电源，为LonWorks驱动电路提供+15V(1A)电源；
进一步地，所述Neuron智能收发器采用变压器耦合型收发器FTT-10A。
进一步地，所述控制模块包括控制器、双端口RAM、数字信号输出模块、模拟信号采集模块以及CAN通信接口；
所述控制器与双端口RAM之间采用并行总线连接；
所述数字信号输出模块与模拟信号采集模块均与连接于控制器与双端口RAM之间的并行总线上；
所述控制器与CAN通信接口相连；
所述数字信号输出模块与模拟信号采集模块与LonWorks列车总线相连。
进一步地，所述控制模块采用英飞凌XC164CS控制器。
进一步地，所述电源模块包括DC/DC变换模块和电压调节电路。
有益效果
本发明提供了一种重载组合列车电控空气制动系统的LonWorks网关单元，包括电源模块、LonWorks网络模块以及控制模块，所述电源模块和LonWorks网络模块均与所述控制模块相连；该网关单元具有多种通信介质，多种拓扑结构，能够利用网桥、路由器、网关等设备组成更大规模网络，实现了不同厂家产品互操作、互换的能力，以及网络管理、为用户提供透明的网络数据操作的能力等；实现了LonWorks电力载波信号的调制解调以及230V直流电源的耦合，载波信号的放大。实现了CAN总线与LonWorks总线的互联，通过大量实验证明本发明设计的LonWorks网关单元相比于传统的网关单元大大地提升了重载组合列车控制的实时性，安全性和可靠性，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述网关单元的结构示意图；
图2为LonWorks网络模块结构示意图；
图3为LonWorks网络模块的耦合电路的原理框图；
图4为本发明所述网关单元中的控制模块示意图；
图5为本发明所述网关单元中的控制模块的电路原理示意图；
图6为本发明所述网关单元的电源模块原理图。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种重载组合列车电控空气制动系统的LonWorks网关单元，包括电源模块、LonWorks网络模块以及控制模块，所述电源模块和LonWorks网络模块均与所述控制模块相连；
所述LonWorks网络模块包括依次相连的Neuron智能收发器、放大驱动电路以及耦合电路；
所述控制模块通过双端口RAM与LonWorks网络模块进行数据交换。
各个模块的功能如下：
重载组合列车电控空气制动系统的LonWorks网关单元的LonWorks网络模块，如图2所示，表1中给出了该网络模块的特性说明；其中共分为Neuron智能收发器、放大驱动电路、耦合电路3个主要电路组成。该模块实现LonWorks电力载波信号的调制解调以及230V直流电源的耦合，载波信号的放大；提供符合LONTALK标准的通信接口；以双口RAM的方式，提供与上层应用处理器交换的接口。
表1
Neuron智能收发器：包含LONTALK网络协议固件、同时运行用户自定义报文控制程序以及与控制模块的数据交换程序，克服了传统收发器易受电磁干扰的影响。
放大驱动电路：它能将Neuron智能收发器输出的Tx进行放大，以驱动网络中其他节点的接收器，克服了ECP系统远距离、多节点通信的难点。图3示出LONWORKS网络模块的耦合电路：实现LonWorks中132kHz电力载波信号和230VDC电源的耦合。
当网络模块接收LonWorks报文时，耦合电路隔离列车线上的230VDC电压，输出Rx信号到Neuron智能收发器；
当网络模块发送LonWorks报文时，Neuron智能收发器输出的Tx信号经过驱动电路放大后，由耦合电路叠加到列车线230VDC上发送给网络中的其他节点。
耦合电路是LonWorks网络模块的核心部分，图3为LonWorks网络模块的耦合电路的原理框图。
T1为通信隔离变压器。其中谐振电路由C56、L1和C42组成，参数分别为0.1uf、27uH和1uf，降低传输线上的信号衰减。电路传感器，无电流时参考其输出参考电压为2.5V，最大采样电流有效值为15A，可承受最大电流峰值为30A。
如图4所示，重载组合列车电控空气制动系统的LONWORKS网关单元的控制模块：包含2部分功能：信号输入输出和LONWORKS网关单元的设备管理。信号输入/输出实现列车线电压、列车线电流和电源输入电压的采集，列车线电源的控制及反馈信号采集，并提供排序控制及端接器检测电路。设备管理功能实现LonWorks的网卡驱动及LonWorks报文控制。
控制模块以英飞凌XC164CS为主控制器，通过双端口RAM IDT7130与LONWORKS网络模块进行数据交换。同时，分别以硬线、SPI总线和异步串口总线连接数字量输出、模拟信号采集和串行通信等外设电路。
串行通信接口为ECP中的EGU与ECU数据交换提供接口。串行通信采用CAN网络标准的物理层协议，EGU通过CAN网络通信接口接收ECU发送的ECP指令，并将LONWORKS列车线上其他设备发送的报文返回给ECU。
模拟信号采集电路包含2路电压信号和1路电流信号。电压信号分别为机车110VDC电源电压和230VDC列车总线电源电压，电压采集电路的最大输入电压为300VDC。电流信号为230VDC列车总线总电流，其最大输入电流为20A。
数字量输出电路包含两部分功能：实现对ECP中EPS输出电压的使能和切换控制；实现对开关负载的控制。输出电平皆为高电平有效。其中，为保证开关负载在激活情况下，在100KHz到450KHz的带宽范围内，交流阻抗不小于500欧姆；在列车线电压为24VDC时，列车总线电流为0.65A±0.1。
如图5所示，重载组合列车电控空气制动系统的LonWorks网关单元的控制模块电路原理图，控制模块以XC164CS微处理器为核心，实现LonWorks网关单元的设备管理和通信控制。输出信号驱动芯片可调高输出信号的驱动能力，根据处理性能需求，晶振选择8M、12M或16M晶振。为保证处理器的可靠性，采用XC164CS内部看门狗寄存器，当处理器死机时，将其复位重启。JP1为XC164CS的JTAG接口，实现程序下载和DEBUG功能。
如图6所示，重载组合列车电控空气制动系统的LonWorks网关单元的电源模块原理图：为LonWorks网关单元的控制电路提供+5V(10A)电源和+24V(2.1A)电源，为LonWorks驱动电路提供+15V(1A)电源。具有过压、过流以及短路保护功能。电源模块的核心器件为科索DC-DC变换模块，型号为DHS50A05(5V输出)和DHS50A24(24V输出)，最大输出功率为50W。输出电压微调电路，可实现对输出电压的小幅度调节。
该网关单元提供了符合LONTALK标准的通信接口；以双口RAM的方式，提供与上层应用处理器交换的接口；以英飞凌XC164CS为主控制器，通过双端口RAM IDT7130与LonWorks网络模块进行数据交换。同时，分别以硬线、SPI总线和异步串口总线连接数字量输出、模拟信号采集和串行通信等外设电路。实现列车线电压、列车线电流和电源输入电压的采集，列车线电源的控制及反馈信号采集，并提供排序控制及端接器检测电路；且电源模块具有过压、过流以及短路保护功能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种重载组合列车电控空气制动系统的LonWorks网关单元，其特征在于，包括电源模块、LonWorks网络模块以及控制模块，所述电源模块和LonWorks网络模块均与所述控制模块相连；
所述LonWorks网络模块包括依次相连的Neuron智能收发器、放大驱动电路以及耦合电路；
所述控制模块通过双端口RAM与LonWorks网络模块进行数据交换。
2.根据权利要求1所述的LonWorks网关单元，其特征在于，所述Neuron智能收发器采用变压器耦合型收发器FTT-10A。
3.根据权利要求1所述的LonWorks网关单元，其特征在于，所述控制模块包括控制器、双端口RAM、数字信号输出模块、模拟信号采集模块以及CAN通信接口；
所述控制器与双端口RAM之间采用并行总线连接；
所述数字信号输出模块与模拟信号采集模块均与连接于控制器与双端口RAM之间的并行总线上；
所述控制器与CAN通信接口相连；
所述数字信号输出模块与模拟信号采集模块与LonWorks列车总线相连。
4.根据权利要求3所述的LonWorks网关单元，其特征在于，所述控制模块采用英飞凌XC164CS控制器。
5.根据权利要求1-4任一项所述的LonWorks网关单元，其特征在于，所述电源模块包括DC/DC变换模块和电压调节电路。
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