CN110987488A - 一种动车组重联试验模拟监控装置 - Google Patents

Abstract

一种动车组重联试验模拟监控装置，涉及一种动车组重联试验模拟监控装置。为解决无法对被测动车组重联网络通信信号进行测试，在试验全面性、可靠性方面有明显缺陷等问题，提供一种动车组重联试验模拟监控装置，包括直流电源转换板、主处理器板、数字量输入板、数字量输出板和背板，所述直流电源转换板、主处理器板、数字量输入板、数字量输出板和背板封装在3U机箱内；本发明结构便携实用，其集列车网络控制、车钩电气信号硬线监控、调试信息网络化传输于一体，克服了现有技术测试功能单一、测试项点覆盖不全面的固有问题，可应用于多种型号动车组，具有良好的通用性，优化生产组织形式，提高工艺技术水平。

Description

一种动车组重联试验模拟监控装置

技术领域

本发明涉及一种动车组重联试验模拟监控装置。

背景技术

重联例行试验是动车组高级修车辆性能试验中的关键一项，在以往的检修过程中必须等待其他返修动车组，在两列动车组之间进行重联试验，但是由于返修动车组数量和返修时间的随机性和不确定性，导致动车组检修完成后经常面临无其他列车配合进行重联试验的问题，增加了动车组库停时间，影响了检修进度。

针对上述问题，目前有如下3种重联模拟试验装置解决方式：名称为《CRH5型车自动车钩重联试验模拟器》和名称为《纯电动动车组重联实验装置的研制》的文件中，仅能对重联车钩电气线路进行导通测试，无法对被测动车组重联网络通信信号进行测试，在试验全面性、可靠性方面有明显缺陷。专利申请号201810164405.7，发明名称《动车组重联试验方法及装置、动车组重联试验系统》的专利，主要侧重对重联试验方法的描述，各具体实施方案不够详细，且该方法仅适用于标准化动车组，在试验系统通用性上有明显的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动车组重联试验模拟监控装置，可重联车钩与待测列车实现互连、互通，完成对重联列车监控与诊断。

一种动车组重联试验模拟监控装置，包括直流电源转换板、主处理器板、数字量输入板、数字量输出板和背板，所述直流电源转换板、主处理器板、数字量输入板、数字量输出板和背板封装在标准欧式3U机箱内；

所述直流电源转换板通过背板给主处理器板、数字量输入板、数字量输出板提供电源；

所述主处理器板通过MVB总线接口与重联网关实现数据交换，并对待测列车重联监控与诊断；

所述主处理器将列车重联状态和诊断信息发送至监控计算机进行显示，同时接收所述监控计算机的测试指令；通过所述背板接收数字量输入板实时采集的车辆状态信息反馈至监控计算机，并通过背板向所述数字量输出板发送控制指令；

所述数字量输入板用于采集重联车钩的DC24V电气信号；将DC24V电气信号转化为DC3.3V电平信号；通过背板向主处理器板发送车钩信号；

所述数字量输出板用于向车钩连接器输出DC24V信号，主处理器板通过背板向数字量输出板发送控制指令，通过控制数字量输出板的各通道输出DC24V电压信号，实现控制对应的车辆状态信息。

所述主处理器板、数字量输入板与数字量输出板通过背板上的串行CAN总线通信，完成数据交换。

本发明的有益效果：

本发明结构便携实用，其集列车网络控制、车钩电气信号硬线监控、调试信息网络化传输于一体，克服了现有技术测试功能单一、测试项点覆盖不全面的固有问题。

本发明可应用于多种型号动车组，具有良好的通用性，克服了传统调试装置仅能满足某一类车型的调试要求的缺点。

本发明对动车组检修、试验现有生产过程、装备、进行提升，从而优化生产组织形式，提高工艺技术水平。

附图说明

图1为本发明所述的一种动车组重联试验模拟监控装置的三维模型；

图2为本发明所述的一种动车组重联试验模拟监控装置的装置构成和各部分关系的连接原理图；

图3为本发明所述的一种动车组重联试验模拟监控装置的直流电源转换板功能框图；

图4为本发明所述的一种动车组重联试验模拟监控装置的数字量输入板功能框图；

图5为本发明所述的一种动车组重联试验模拟监控装置的数字量输出板功能框图；

图6为本发明所述的一种动车组重联试验模拟监控装置的主处理器板系统框图；

图7为本发明所述的一种动车组重联试验模拟监控装置的输入采集通道的电路图；

图8为本发明所述的一种动车组重联试验模拟监控装置的数字量输出通道电路图；

图9为发明所述的一种动车组重联试验模拟监控装置的工作流程图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图8说明本实施方式，一种动车组重联试验模拟监控装置，该监控装置包括直流电源转换板、主处理器板、数字量输入板、数字量输出板和背板，所述直流电源转换板、主处理器板、数字量输入板、数字量输出板和背板封装在3U机箱内。

所述直流电源转换板通过背板给主处理器板、数字量输入板、数字量输出板提供电源；如图3所示，直流电源转换板包括前端防护电路、直流降压变换器和后端滤波器三部分电路；所述前端防护电路用于隔离动车组蓄电池的干扰信号，直流降压变换电路用于把DC24V转换至DC5V，后端去耦滤波器用于稳定降压变换电路的输出，降低DC5V输出信号的纹波系数。

所述数字量输入板用于采集重联车钩的DC24V电气信号，如图4所示，重联车钩的DC24V电气信号经过前端处理电路后，输入至STM32F207ZGT6芯片，STM32F207ZGT6把管脚状态实时写入CAN总线数据帧中，每50毫秒通过背板CAN总线向主处理器板反馈一次数字通道的状态。前端处理电路主要进行两个方面处理：一，由过压过流保护电路在硬件上对信号属性进行判断，防止超过DC30V(铁路电子设备要求DC24V输入设备需能接受DC16.8V至DC30V的信号)的电气信号输入至数字量输入板；二，由数字量采集电路进行降压，将信号从DC24V降至DC3.3V。LED用于指示数字量输入板CAN通信电路和数字量采集电路的工作状态。数字量输入板的采集信息通过CAN驱动电路及背板CAN总线传输至主处理器板。

所述数字量输出板用于通过重联车钩向待测车辆输出DC24V电气信号。如图5所示，数字量输出板通过背板CAN总线接收来自主处理器板的控制指令，通过STM32F207ZGT6管脚输出信号控制数字量输出电路的高低电平输出状态。经过限流防反接保护电路后向车钩输出DC24V电气信号。限流防反接保护电路的作用在于防止负载出现短路，导致损坏负载及数字量输出通道。

所述主处理器板是动车组重联调试模拟监控装置的核心部分。是动车组重联网关、监控计算机、数字量输出板、数字量输入板之间进行数据交换的重要部件，负责完成上述各部分之间的数据格式交换、收集采集信息以及发送控制命令。如图6所示，主要有下述几个功能：

a)通过背板CAN总线接收数字量输入板的采集信息，控制数字量输出板执行控制命令；

b)通过前面板的以太网驱动电路与监控计算机连接，接收监控计算机的控制命令以及反馈状态信息；

c)通过前面板带M12-D code连接器的以太网接口接收控制指令，转换为CAN总线的数据格式后，通过背板CAN总线向数字量输出板发送指令；

d)通过MVB板卡，提供MVB过程数据通信功能，与动车重联网关通信；

所述主处理器板中，5V/3.3V电源转换模块、JTAG接口为辅助模块，给主处理器板提供工作电源及程序更新接口。通过LED指示主处理器板中CAN总线，以太网接口，MVB板卡的当前状态。在主处理器板中设计CAN驱动电路，并通过连接在背板上的CAN总线与数字量输出板、数字量输入板进行数据交换。设计以太网驱动电路，通过前面板提供以太网通信功能，与监控计算机交换信息。MVB通信功能由独立的MVB通信板卡提供，在结构上与主处理器板为层叠结构，并通过并行总线PC/104总线实现数据交换。

STM32F207ZGT6芯片中集成了CAN总线控制器，外接的CAN驱动电路主要作用在于使STM32F207ZGT6芯片发送的CAN数据帧可以满足CAN协议中对物理信号的要求。在CAN接口侧，要求的是差分信号，在STM32F207Z GT6芯片一侧要求的是3.3V电平信号，驱动芯片负责对接收到的CAN数据帧从差分信号转换为3.3V信号，对发送的CAN数据帧由3.3V信号转换为差分信号。同时，驱动信号提供磁隔离功能，隔离接口侧高频高压瞬态干扰信号对重联调试模拟监控装置的影响。

本实施方式中，所述数字量输入板用于采集重联车钩上的DC24V硬线电气信号，使用如图7所示的数字量采集电路实现降压变换功能；以及提供背板CAN通信功能，向主处理器板发送采集到的车钩信号。所述数字量输入板通过重联车钩与待测车辆连接。为防止电磁干扰，数字量输入通道前端的过流、过压保护电路用于隔绝来自待测车辆的干扰信号，保护重联调试模拟监控装置稳定运行。当输入信号发生波动时，电感起低频滤波作用。信号端CH串联的防反接二极管D1，若设备使用过程中出现电平翻转，该二极管D1能够阻断信号流入后续电路，从而保护重联调试模拟监控装置能正常工作。并联在信号端与GND之间的瞬态抑制二极管，当电路中出现高压脉冲时，该二极管能够快速将两端的高阻抗变成低阻抗，将电能导入电源负极，用以实现防浪涌雷击等高压脉冲的功能。

所述电阻R1，R2，R3，R4分别串联在信号端与GND，与光电耦合器OC1共同构成降压变换电路，用于采集车钩电气信号后传输至STM32F207ZGT6芯片的GPIO管脚，将车钩连接器的DC24V电源降低至DC3.3V，使其能被STM32识别，光电耦合器OC1隔离高压与低压信号，使二者不具有电连接关系。经过运行在STM32F207ZGT6芯片的软件处理后，由背板CAN总线发送给主处理器板。

信号从CH进入采集通道，电感L1、二极管D1与齐纳二极管D3串联在信号采集通路的正端，用于调理信号。R1与R2并联后，与L1、D1、D3串联，R1、R2共同构成信号通路正端的限流电阻，采用两个电阻并联的形式，可以提高采集信号阈值电压的灵活度。信号经过L1、D1、D3、R1、R2的处理后，进入光电耦合器OC1，R6并联在OC1输入端的正端与地之间，用于限制OC1输入端的输入电流。信号经过OC1的输入端后，流向信号通路的负端，同时，触发OC1输出端的发光二极管。在信号通路的负端，还设计了两个并联的限流电阻R3、R4。调整R1、R2、R3、R4四个分别设计在信号通路正端与负端的电阻，可以使采集通道满足不同的采集电压范围要求，提高采集通道的灵活度。

并联在OC1和U1之间的电阻R7为上拉电阻。光电耦合器OC1中的发光二极管导通后，外接的3.3V电压会使施密特触发器U1的状态改变。最终使采集通道的输出信号DI随着输入信号状态的变化而改变状态。

本实施方式中，所述数字量输出板用于向车钩连接器输出DC24V信号，使用如图8所示的数字量输出通道实现升压变换功能；以及提供背板CAN通信功能，接收主处理器板的控制指令。主处理器板通过数字量输出板、车钩连接器向待测列车发送指令。数字量输出板设计有过流、放反接保护电路用于保护待测列车中的器件不受破坏；数字量输出板从车钩连接器获取DC24V电源，使升压变换电路适应待测列车的电平要求。数字量输出板通过背板的CAN总线接收来自主处理器板的控制指令，运行在STM32F207ZGT6芯片的软件对CAN数据解析后通过输出通道向车钩连接器输出信号。

图8中，所述数字量输出通道电路通过控制继电器开闭完成升压变换功能，同时通过场效应管提高数字量输出通道的驱动能力。当STM32F207ZGT6需要控制数字量通道输出时，首先通过逻辑门芯片U6改变场效应管的工作状态。当场效应管T1导通时，继电器RL1A得电，高压端RL1B吸合，从而数字量输出通道输出DC24V直流电压。电阻RV1，RV2用于构成限流防反接保护电路。

所述数字量输出电路由逻辑门芯片U6对控制信号DO进行整形。下拉电阻R28并联在控制信号DO与U6的输入端之间，R27则并联在场效应管T1和U6输出端之间，作为分压电阻使用。并联的C69和R29共同构成滤波电路，防止干扰信号误触发场效应管T1。控制信号DO，经过U6、R27、C69、R29的调整后，实现对场效应管T1的控制。

当场效应管T1导通，继电器RL1A中的磁铁吸合，使RL1B中的线圈得电，最终使CH_NO的电压和VBAT+电压相等，实现低压控制信号输出高压输出信号。C37并联在磁铁RL1A两端，作为并联滤波电容使用。并联在RL1A两端的D3为防反接二极管，确保线圈不会受到负压信号干扰，进而损坏线圈。压敏电阻RV1并联在继电器的常闭触点两端，压敏电阻RV2并联在继电器的常开触点两端，均为过流防护电阻，当负载端发生短路情况时，RV1、RV2保护继电器的常开、常闭触点不会受到瞬间大电流的冲击。

具体实施方式二、结合图2和图9说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种动车组重联试验模拟监控装置的应用实例：

一、重联试验模拟监控装置与待测列车之间通过重联车钩连接，重联车钩中的网络信号首先连接至重联网关中的WTB接口，两个主处理器板与重联网关的MVB接口连接，并通过以太网与监控计算机连接。重联车钩中的I/O信号与重联试验模拟监控装置的数字量输入板和数字量输出板连接。主处理器板、数字量输入板、数字量输出板则通过背板CAN总线连接。

二、所述监控计算机发起试验，重联调试模拟监控装置在试验列表中查找对应试验流程，重联调试模拟监控装置对数字量输出板发送控制命令至对应车钩针脚控制车辆状态，从重联网关读取车辆数据，向重联网关发送控制信息，或接收数字量输入板读取从车钩采集的车辆状态信息；重联调试模拟监控装置根据接收到的信息进行综合判断，最终与试验列表中的要求进行比对，得到试验结果后通过以太网发送至监控计算机。

在上述工作过程中，当主处理器板需要对被测车辆进行控制时，通过背板CAN总线控制数字量输出板，不对被测车辆直接实现控制。在采集车辆状态信息时，主处理器板通过背板CAN总线读取数字量输入板采集到的信息，不直接采集车辆状态信息。

本实施方式中，所述数字量输入板的具体工作过程为：待测车辆发送信号至车钩连接器，重联试验模拟监控装置中的数字量输入板将DC24V电压信号转换为DC3.3V电压信号，STM32F207ZGT6芯片向CAN控制器中写入相应数据，由CAN控制器封装成符合CAN通信协议的数据帧格式，最后通过CAN驱动电路转换为差分信号后发送至背板的CAN总线。主处理器板中的CAN驱动电路接收信息，由主处理器板中的CAN驱动电路负责解析物理信号，将差分信号转换为符合STM32F207ZGT6规定的电平信号，主处理器中的CAN控制器解析CAN数据帧，并提取相应的数据，通过编写好的应用软件以及以太网通信协议，把收到的数据转换为符合以太网标准的数据帧，通过以太网通信接口发送至监控计算机。

本实施方式中，所述数字量输出板的具体工作过程为：监控计算机通过以太网向主处理器板发送控制指令，运行在主处理器板的软件和以太网通信协议，将以太网数据格式的控制指令转换为CAN数据格式，该CAN数据通过背板CAN总线发送给数字量输出板。数字量输出板中的CAN驱动电路接收该CAN数据帧，由数字量输出板中的CAN驱动电路负责解析CAN数据帧的物理信号，将CAN数据帧差分信号转换为符合STM32F207ZGT6规定的电平信号，该电平信号由数字量输出板主处理器解析、提取后，控制对应的数字量输出通道输出DC24V电压，实现控制车钩连接器状态的目的。

本实施方式中，重联调试模拟监控装置需要通过重联网关发送控制指令时，按下述方法执行，重联调试模拟监控装置将数据封装成符合FSMC格式的并行数据，通过总线收发器发送至PC/104总线，MVB板卡中的PC/104控制器接收数据，由MVB控制器解析数据并按照MVB数据帧格式发送到MVB总线上。同时，重联调试模拟监控装置中的MVB板卡也能接收重联网关转发的列车编组和状态信息，转换为以太网数据帧后发送至监控计算机。

Claims (7)

1.一种动车组重联试验模拟监控装置，其特征是：包括直流电源转换板、主处理器板、数字量输入板、数字量输出板和背板，所述直流电源转换板、主处理器板、数字量输入板、数字量输出板和背板封装在标准欧式3U机箱内；

所述直流电源转换板通过背板给主处理器板、数字量输入板、数字量输出板提供电源；

所述主处理器板通过MVB总线接口与重联网关实现数据交换，并对待测列车重联监控与诊断；

所述主处理器将列车重联状态和诊断信息发送至监控计算机进行显示，同时接收所述监控计算机的测试指令；通过所述背板接收数字量输入板实时采集的车辆状态信息反馈至监控计算机，并通过背板向所述数字量输出板发送控制指令；

所述数字量输入板用于采集重联车钩的DC24V电气信号；将DC24V电气信号转化为DC3.3V电平信号；通过背板向主处理器板发送车钩信号；

所述数字量输出板用于向车钩连接器输出DC24V信号，主处理器板通过背板向数字量输出板发送控制指令，通过控制数字量输出板的各通道输出DC24V电压信号，实现控制对应的车辆状态信息；

所述主处理器板、数字量输入板与数字量输出板通过背板上的串行CAN总线通信，完成数据交换。

2.根据权利要求1所述的一种动车组重联试验模拟监控装置，其特征在于：所述直流电源转换板包括前端防护电路、直流降压变换器和后端滤波器；所述前端防护电路用于对动车组蓄电池DC24V电源进行防护后通过所述直流降压变换器将DC24V电源转换至DC5V电源，所述DC5V电源通过后端去耦滤波器输出。

3.根据权利要求1所述的一种动车组重联试验模拟监控装置，其特征在于：所述主处理器板向重联网关发送控制指令时，将数据封装成符合FSMC格式的并行数据，通过总线收发器发送至PC/104总线，MVB控制器中的PC/104控制器接收数据，由MVB控制器解析数据并按照MVB数据帧格式发送到MVB总线上；同时，MVB板接收重联网关转发的列车编组和状态信息，转换为以太网数据帧后发送至监控计算机。

4.根据权利要求1所述的一种动车组重联试验模拟监控装置，其特征在于：所述数字量输入板包括前端处理电路和第一单片机；所述前端处理电路包括数字量采集电路和过压过流保护电路；

重联车钩的DC24V电气信号经过压过流保护电路以及数字量采集电路输出DC3.3V电气信号后输入至第一单片机，所述第一单片机将电气信号通过CAN驱动电路及背板CAN总线传输至主处理器板。

5.根据权利要求4所述的一种动车组重联试验模拟监控装置，其特征在于：所述数字量采集电路包括电感L1，防反接二极管D1，瞬态抑制二极管D2，电阻R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7，光电耦合器OC1，齐纳二极管D3和施密特触发器U1；

信号从CH进入采集通道，电感L1、防反接二极管D1与齐纳二极管D3串联在信号采集通路的正端，电阻R1与R2并联后，与电感L1、防反接二极管D1以及齐纳二极管D3串联，所述电阻R1和R2共同构成信号通路正端的限流电阻；信号经过电感L1、防反接二极管D1、齐纳二极管D3、电阻R1和R2后，进入光电耦合器OC1，电阻R6并联在光电耦合器OC1输入端的正端与地之间，在信号通路的负端，并联电阻R3和R4；电阻R7为上拉电阻，并联在光电耦合器OC1和施密特触发器U1之间，光电耦合器OC1中的发光二极管导通后，外接的3.3V电压使施密特触发器U1的状态改变，最终使采集通道的输出信号DI随着输入信号状态的变化改变状态。

6.根据权利要求1所述的一种动车组重联试验模拟监控装置，其特征在于：所述数字量输出板包括限流防反接保护电路，数字量输出电路和第二单片机；

所述数字量输出板通过背板CAN总线接收主处理器板的控制指令，通过第二单片机输出信号控制数字量输出电路的高低电平输出状态，经限流防反接保护电路后向车钩输出DC24V电气信号。

7.根据权利要求6所述的一种动车组重联试验模拟监控装置，其特征在于：所述数字量输出电路由逻辑门芯片U6，下拉电阻R28，电阻R27，场效应管T1，电感C69，电感C37，电阻R29，继电器RL1A，继电器RL1B，防反接二极管D3，压敏电阻RV1和压敏电阻RV2；

所述下拉电阻R28并联在控制信号DO与U6的输入端之间，电阻R27并联在场效应管T1和U6输出端，电感C69和电阻R29并联构成滤波电路，控制信号DO，经过逻辑门芯片U6、电阻R27、电感C69和电阻R29的调整后，实现对场效应管T1的控制；

当场效应管T1导通，继电器RL1A中的磁铁吸合，使继电器RL1B中的线圈得电，最终使输出端CH_NO的电压和外接电压正端VBAT+的电压相等，电感C37并联在继电器RL1A两端，防反接二极管D3并联在继电器RL1A两端，压敏电阻RV1并联在继电器RL1B的常闭触点两端，压敏电阻RV2并联在继电器RL1B的常开触点两端。

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