CN109672597A - 一种用于列车控制系统的控制板 - Google Patents

一种用于列车控制系统的控制板 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于列车控制系统的控制板，包括RS232通信模块，用于与列车车辆上具有RS232串行接口的设备进行数据交换；RS485/RS422通信模块，用于与列车车辆上具有RS485/RS422串行接口的设备进行数据交换；CAN通信模块，用于与列车车辆上具有CAN总线的设备进行数据交换；MVB通信模块，用于与列车车辆上具有MVB总线的设备进行数据交换；以太网通信模块，用于与列车车辆上的设备通过以太网进行数据交换；控制模块，用于对各通信模块涉及的数据交换过程进行控制。该控制板提高了主控板的集成度，提高了主控板的通用性，避免重复开发。同时有利于降低控制系统的成本，提高系统的可靠性。

Description

一种用于列车控制系统的控制板
技术领域
本发明属于列车控制领域，尤其涉及一种用于列车控制系统的控制板。
背景技术
目前，列车控制系统的控制装置的结构主要分为分布模块式与集中机箱式两种。
其中，分布模块式一般是借助于有线或无线的通信方式，将位于列车车辆上不同位置的用于实现不同功能的模块进行连接，以构成控制装置。例如，对于列车车辆上通过CAN总线来进行数据交换的设备，直接选取能够实现CAN总线通信的既有功能模块，并将其连接至现有的控制系统即可。以这种模式构成的控制系统针有利于降低成本，但各功能模块之间的兼容性问题以及控制系统的可靠性和稳定性问题较为突出。
集中机箱式则是将不同的功能模块集中设置在同一个机箱内，通过多次调试测试，以改善各功能模块之间的兼容性，提高控制系统的可靠性。但由于该种形式控制系统的主控机箱一旦制造完成，便很难对其中的个别功能模块进行单独的更改，因此不利于列车控制系统的升级。
因此，亟需一种具有良好的通用性、兼容性以及稳定性，且便于升级换代的列车控制系统，以解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种具有良好的通用性、兼容性以及稳定性，且便于升级换代的列车控制系统。
为了解决上述技术问题，本申请的实施例提供了一种用于列车控制系统的控制板，包括：
RS232通信模块，用于与列车车辆上具有RS232串行接口的设备进行数据交换；
RS485/RS422通信模块，用于与列车车辆上具有RS485/RS422串行接口的设备进行数据交换；
CAN通信模块，用于与列车车辆上具有CAN总线的设备进行数据交换；
MVB通信模块，用于与列车车辆上具有MVB总线的设备进行数据交换；
以太网通信模块，用于与列车车辆上的设备通过以太网进行数据交换；
控制模块，与所述RS232通信模块，所述RS485/RS422通信模块，所述CAN通信模块，所述MVB通信模块以及所述以太网通信模块相连接，用于对各通信模块涉及的数据交换过程进行控制。
优选地，还包括：
总线连接器，与所述控制模块内部的本地总线相连接，用于提供所述控制板与其他板卡之间的数据交换的接口，所述总线连接器采用堆叠的插针连接器。
优选地，所述RS232通信模块包括：
RS232收发器，与第一连接器以及所述控制模块内部的RS232控制器相连接，用于TTL逻辑电平与COMS逻辑电平之间的转换；
第一连接器，用于提供RS232接口。
优选地，所述RS485/RS422通信模块包括：
RS485/RS422收发器，与第二连接器以及所述控制模块内部的RS485/RS422控制器相连接，用于将所述RS485/RS422控制器的收发信号转换成差分信号；
第二连接器，用于提供RS485/RS422接口。
优选地，所述CAN通信模块包括：
光耦隔离器，与CAN收发器以及所述控制模块内部的CAN控制器相连接，用于所述CAN收发器与所述CAN控制器之间的光电隔离；
CAN收发器，与第三连接器相连接，用于提供对CAN总线的差动发送与差动接收；
第三连接器，用于提供CAN总线接口。
优选地，所述CAN通信模块与所述RS232通信模块共用同一个第一连接器或第三连接器，或与所述RS485/RS422通信模块共用同一个第二连接器或第三连接器。
优选地，所述MVB通信模块包括：
MVB协议芯片，与所述控制模块内部的本地总线相连接，用于实现MVB总线数据的编码与解码；
串口收发器，与所述MVB协议芯片相连接，用于将所述MVB协议芯片的收发信号转换为差分信号；
变压器，与所述串口收发器相连接，用于所述差分信号的耦合；
第四连接器，与所述变压器相连接，用于提供MVB总线接口。
优选地，所述以太网通信模块包括第一通信单元与第二通信单元，其中，
所述第一通信单元与所述控制模块内部的第一以太网控制器相连接；
所述第二通信单元与所述控制模块内部的第二以太网控制器相连接；
所述第一通信单元与所述第二通信单元具有相同的结构。
优选地，所述以太网通信模块还包括：
两个以太网适配器，分别与所述第一以太网控制器和所述第二以太网控制器相连接，用于以太网数据的收发与控制；
两个脉冲变压器，分别与所述两个以太网适配器相连接，用于对以太网信号进行隔离；
两个第五连接器，分别与所述两个脉冲变压器相连接，用于提供以太网接口。
优选地，所述控制模块的主控制器采用PowerPC与FPGA构成。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
通过将CAN、MVB、RS232、RS485/RS422以及以太网通信接口均集中设置在主控板上，提高了主控板的集成度，提高了主控板的通用性，避免重复开发。同时有利于降低控制系统的成本，提高系统的可靠性。
本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，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
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为根据本发明实施例的用于列车控制系统的控制板的结构框图；
图2为根据本发明实施例的CAN通信模块的结构框图；
图3为根据本发明实施例的CAN通信模块与RS232通信模块的连接示意图；
图4为根据本发明实施例的MVB通信模块的结构框图；
图5为根据本发明实施例的以太网通信模块的结构框图。
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，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
图1为根据本发明实施例的用于列车控制系统的控制板的结构框图，如图1所示，该控制板主要包括控制模块(如图1中1-1与1-2所示)，RS232通信模块2，RS485/RS422通信模块3，控制器局域网CAN通信模块4，多功能车辆总线MVB通信模块5以及以太网通信模块6。
其中，RS232通信模块2用于与列车车辆上具有RS232串行接口的设备进行数据交换。RS485/RS422通信模块3用于与列车车辆上具有RS485/RS422串行接口的设备进行数据交换。CAN通信模块4用于与列车车辆上具有CAN总线的设备进行数据交换。MVB通信模块5用于与列车车辆上具有MVB总线的设备进行数据交换。以太网通信模块6用于与列车车辆上的设备通过以太网进行数据交换。
控制模块与RS232通信模块2，RS485/RS422通信模块3，CAN通信模块4，MVB通信模块5以及以太网通信模块6相连接，用于对各通信模块与列车车辆之间的数据交换过程进行控制。
如图1所示，在一个具体的实施例中，控制模块由PowerPC处理器(1-1)与现场可编程门阵列FPGA(1-2)构成,。其中，PowerPC处理器作为核心控制单元，其上运行实时多任务操作系统，例如VxWorks，可以实现与列车之间的多种通信方式以及对列车进行控制。FPGA作为辅助控制单元，主要用于实现上述多种通信中的逻辑控制。
本发明实施例中的控制板，具有多种通信功能，包含实时以太网、CAN、MVB、RS232、RS485/RS422通信等功能，能够广泛适用于各列车控制系统的主控单元。
如图1所示，本发明实施例的控制板还设置有总线连接器7，该总线连接器与控制模块内部(PowerPC内部)的本地总线相连接，用于提供控制板与其他板卡(例如其他用于对列车进行数据采集或控制的PCB板)之间的数据交换的接口。一方面可以从各数据采集PCB板接收采集到的列车的实时信息，另一方面，可以向用于对列车进行控制的PCB板发送控制信号，例如发送读写控制信号，或向执行继电器发送控制信号。
在本发明一个具体的实施例中，总线连接器7采用堆叠的插针连接器，例如采用可堆叠2排64芯插针作为总线连接器与其他板卡进行物理连接。
本发明实施例的控制板有利于对列车车辆上各种设备的实时状态进行采集与控制，结构紧凑、集成度高、性能稳定，有利于提高整个列车控制系统的稳定性和可靠性。
进一步地，如图1所示，本发明实施例的控制板还设置有多个存储单元，包括：
动态易失性存储器SDRAM(8-1)，主要用于VxWorks操作系统临时数据的存放，采用处理器内可编程的SDRAM控制器来实现。
非易失性存储器NORFLASH(8-2)，配置32MB的NORFLASH，用于存放引导代码、存放操作系统、应用程序代码，各代码以文件系统格式存放，方便更新。
非易失性存储器NANDFLASH(8-3)，容量为4GB，用于存储列车采集的数据以及故障信息等。
铁电存储器FRAM(8-4)，容量为128KB，用于存放VxWorks系统或者机车重要信息。
需要说明的是，还可以采用除PowerPC外其他型号的微处理器作为主控单元，同时上述各存储单元的类型以及容量均可以根据实际需要进行配置，本申请对其不做限定。
此外，本发明实施例的控制板还设置有JTAG测试接口9，用于对控制板进行测试与仿真。另外，还设置有电源转换模块10，以用于向控制板上的各功能模块提供电源信号。
在一个具体的实施例中，RS232通信模块进一步包括RS232收发器与第一连接器。其中，RS232收发器一端连接控制模块内部(PowerPC内部)的RS232控制器，一端连接第一连接器，用于实现TTL逻辑电平与COMS逻辑电平之间的转换。第一连接器可以采用DB9连接器，用于向外提供RS232接口。例如，控制板可以将该RS232接口与上位机的RS232接口相连接，以实现上位机与控制板之间的通信。
在一个具体的实施例中，RS485/RS422通信模块进一步包括RS485/RS422收发器与第二连接器。其中，RS485/RS422收发器一端连接控制模块内部(PowerPC内部)的RS485/RS422控制器，一端连接第二连接器，用于将RS485/RS422控制器的收发信号转换成差分信号。第二连接器可以采用DB9连接器，用于向外提供RS485/RS422接口。
在一个具体的实施例中，CAN通信模块进一步包括光耦隔离器、CAN收发器以及第三连接器，如图2所示。
其中，光耦隔离器一端连接控制模块内部(PowerPC内部)的CAN控制器，一端与CAN收发器连接，用于CAN收发器与CAN控制器之间的光电隔离。CAN收发器的另一端与第三连接器相连接。一方面，CAN收发器用于提供CAN控制器与物理总线之间的接口，另一方面，CAN收发器用于提供对CAN总线的差动发送与差动接收功能。第三连接器采用DB9连接器，用于向外提供CAN总线接口。
进一步地，在本发明的一个具体的实施例中，为了节约控制板上的布线空间，可以使CAN通信模块与RS232通信模块共用同一个连接器，例如共用第一连接器或第三连接器，如图3所示。
容易理解的是，在本发明的其他实施例中，也可以使CAN通信模块与RS485/RS422通信模块共用同一个连接器，例如共用第二连接器或第三连接器。
在一个具体的实施例中，MVB通信模块进一步包括MVB协议芯片、串口收发器、变压器以及第四连接器，如图4所示。
其中，MVB协议芯片一端与控制模块内部(PowerPC内部)的本地总线相连接，用于实现MVB总线数据的编码与解码。MVB协议芯片的另一端连接串口收发器，串口收发器可用于将接收到的MVB协议芯片的收发信号转换为差分信号。串口收发器还与变压器相连接，变压器可用于上述差分信号的耦合，可以使得传输距离达到200M，以确保信号的可靠性。变压器的输出端连接第四连接器，第四连接器采用DB9连接器，用于向外提供MVB总线接口。
在一个具体的实施例中，以太网通信模块进一步包括两路实时通信线路，第一通信单元与第二通信单元，如图5所示。
其中，第一通信单元与控制模块内部(PowerPC内部)的第一以太网控制器TSEC1相连接，第二通信单元与控制模块内部(PowerPC内部)的第二以太网控制器TSEC2相连接。
进一步地，第一通信单元还包括以太网适配器、脉冲变压器以及第五连接器。以太网适配器一端连接第一以太网控制器，用于以太网数据的收发、控制以及管理，例如提供发射MAC地址以及接收MAC地址等。另一端连接脉冲变压器，脉冲变压器可用于对以太网信号进行隔离，以提高信号的抗干扰能力。脉冲变压器的输出端连接第五连接器，第五连接器采用M12连接器，用于向外提供以太网接口。
第二通信单元与第一通信单元具有相同的结构，包括以太网适配器、脉冲变压器以及第五连接器。以太网适配器一端连接第二以太网控制器，用于以太网数据的收发、控制以及管理，例如提供发射MAC地址以及接收MAC地址等。另一端连接脉冲变压器，脉冲变压器可用于对以太网信号进行隔离，以提高信号的抗干扰能力。脉冲变压器的输出端连接第五连接器，第五连接器采用M12连接器，用于向外提供以太网接口。
实时以太网通信具有通信速率快、传输可靠性高的优点，可以满足列车越来越多数据交互的需求，本发明实施例中通过设置两路以太网通信接口，可实现车载实时以太网通信、程序更新、调试等功能。同时，对于能够通过以太网传输数据的检测设备，还可以利用两路以太网进行实时通信、通信在线下载、参数监控及优化，提高了通信速率，产品维护也方便快捷。
在本发明的实施例中，以性能稳定的处理器(PowerPC+FPGA)构成控制核心，将CAN、MVB、RS232、RS485/RS422以及以太网通信接口均集中设置在主控板上，提高了主控板的集成度，可以广泛适用各种通信方式，同时还可以避免重复开发，提高控制系统的通用性。有利于降低控制系统的成本，提高系统的可靠性。
本发明实施例的控制板，在提供了多种通信接口的同时，还提供了丰富的与其他板卡的接口，可以方便的实现IO数据采集、通信和存储、下载等功能。充分体现了数字电路设计灵活、扩展性好、升级换代容易、产品维护工作量小、能最大程度在不更改硬件电路的前提下充分满足用户的需求。同时，通过对列车控制系统的功能进行合理分割，将不同功能的采集电路与电源系统分别放置在不同的PCB板卡上，提高了产品集成度，降低了加工工艺成本，还有利于缩小控制装置的体积。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，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，在不脱离本发明所揭露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 (10)

1.一种用于列车控制系统的控制板，包括：
RS232通信模块，用于与列车车辆上具有RS232串行接口的设备进行数据交换；
RS485/RS422通信模块，用于与列车车辆上具有RS485/RS422串行接口的设备进行数据交换；
CAN通信模块，用于与列车车辆上具有CAN总线的设备进行数据交换；
MVB通信模块，用于与列车车辆上具有MVB总线的设备进行数据交换；
以太网通信模块，用于与列车车辆上的设备通过以太网进行数据交换；
控制模块，与所述RS232通信模块，所述RS485/RS422通信模块，所述CAN通信模块，所述MVB通信模块以及所述以太网通信模块相连接，用于对各通信模块涉及的数据交换过程进行控制。
2.根据权利要求1所述的控制板，其特征在于，还包括：
总线连接器，与所述控制模块内部的本地总线相连接，用于提供所述控制板与其他板卡之间的数据交换的接口，所述总线连接器采用堆叠的插针连接器。
3.根据权利要求1或2所述的控制板，其特征在于，所述RS232通信模块包括：
RS232收发器，与第一连接器以及所述控制模块内部的RS232控制器相连接，用于TTL逻辑电平与COMS逻辑电平之间的转换；
第一连接器，用于提供RS232接口。
4.根据权利要求3所述的控制板，其特征在于，所述RS485/RS422通信模块包括：
RS485/RS422收发器，与第二连接器以及所述控制模块内部的RS485/RS422控制器相连接，用于将所述RS485/RS422控制器的收发信号转换成差分信号；
第二连接器，用于提供RS485/RS422接口。
5.根据权利要求4所述的控制板，其特征在于，所述CAN通信模块包括：
光耦隔离器，与CAN收发器以及所述控制模块内部的CAN控制器相连接，用于所述CAN收发器与所述CAN控制器之间的光电隔离；
CAN收发器，与第三连接器相连接，用于提供对CAN总线的差动发送与差动接收；
第三连接器，用于提供CAN总线接口。
6.根据权利要求5所述的控制板，其特征在于，所述CAN通信模块与所述RS232通信模块共用同一个第一连接器或第三连接器，或与所述RS485/RS422通信模块共用同一个第二连接器或第三连接器。
7.根据权利要求1或2所述的控制板，其特征在于，所述MVB通信模块包括：
MVB协议芯片，与所述控制模块内部的本地总线相连接，用于实现MVB总线数据的编码与解码；
串口收发器，与所述MVB协议芯片相连接，用于将所述MVB协议芯片的收发信号转换为差分信号；
变压器，与所述串口收发器相连接，用于所述差分信号的耦合；
第四连接器，与所述变压器相连接，用于提供MVB总线接口。
8.根据权利要求1或2所述的控制板，其特征在于，所述以太网通信模块包括第一通信单元与第二通信单元，其中，
所述第一通信单元与所述控制模块内部的第一以太网控制器相连接；
所述第二通信单元与所述控制模块内部的第二以太网控制器相连接；
所述第一通信单元与所述第二通信单元具有相同的结构。
9.根据权利要求8所述的控制板，其特征在于，所述以太网通信模块还包括：
两个以太网适配器，分别与所述第一以太网控制器和所述第二以太网控制器相连接，用于以太网数据的收发与控制；
两个脉冲变压器，分别与所述两个以太网适配器相连接，用于对以太网信号进行隔离；
两个第五连接器，分别与所述两个脉冲变压器相连接，用于提供以太网接口。
10.根据权利要求1或2所述的控制板，其特征在于，所述控制模块的主控制器采用PowerPC与FPGA构成。
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