CN111483480B - 机车通用牵引控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机车牵引控制装置，具体为机车通用牵引控制装置及其控制方法。解决现有牵引控制装置通用性较差的问题。包括控制类板卡、通讯类板卡、信号输入输出类板卡和电源类板卡；控制类板卡分为主控板板和从控板；通讯类板卡为网络接口板；信号输入输出类板卡分为模拟量输入输出板、模拟量转数字量处理板、数字量输入板、数字量输出板和脉冲输入输出板；牵引控制装置的通信分为对内对外两部分：对外：与TCMS之间采用MVB总线进行通信；对内：TCU内部板卡间采用CPCI+CAN总线相结合的方式进行通信；板卡上采用I2C+SPI串行总线进行通信。本发明通过多板卡的架构设计，以及部分板卡的可配置设计，实现通用化。

Description

机车通用牵引控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及机车牵引控制装置，具体为机车通用牵引控制装置及其控制方法。

背景技术

现代轨道交通技术以客运高速、货运重载为主要标志，牵引控制系统作为列车的动力来源，肩负着整车的重任。而牵引控制装置（简称TCU）作为铁路牵引系统的控制装置，其可靠性和可维修性要求更加高。

不同的列车的主电路拓扑不尽相同，对牵引控制装置的功能要求却基本相似。但现有牵引控制装置通用性较差，故如何使牵引控制装置最大程度地通用化、工程化（通过少量调整即可适用于不同的主电路拓扑），并保证其可靠性、可维修性来满足产品需求迫在眉睫（架构更便于调整，从而最大程度地实现通用化）。

发明内容

本发明解决现有牵引控制装置通用性较差的问题，以及可靠性安全性有待提高的问题，提供一种机车通用牵引控制装置及其控制方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：机车通用牵引控制装置，

（一）牵引控制装置的结构

包括控制类板卡、通讯类板卡、信号输入输出类板卡和电源类板卡；

控制类板卡分为主控板即MCPU板和从控板即DSP板；

通讯类板卡为网络接口板即NETI板；

信号输入输出类板卡分为模拟量输入输出板即AIO板、模拟量转数字量处理板即ADI板、数字量输入板即DI板、数字量输出板即DO板和脉冲输入输出板即PIO板；

电源类板卡分为控制装置内部供电板即PWR1板和控制装置对外供电板，控制装置对外供电板又分为对外部传感器供电板即PWR2板和对外部功率模块供电板即PWR3板和PWR4板；

（二）牵引控制装置的通信

牵引控制装置的通信分为对内对外两部分：

对外：与TCMS（机车控制和管理系统Train Control and Management System）之间采用MVB总线进行通信；

对内：TCU内部板卡间采用CPCI+CAN总线相结合的方式进行通信；板卡上采用I2C+SPI串行总线进行通信；

CPCI总线用于MCPU板、NETI板、DSP板间数据的高速通信，提高通信安全性；

CAN总线用于采集DI板、DO板、AIO板的信号和通道状态传送给NETI板，提高通信安全性；

I2C总线用于MCPU板、DSP板、NETI板和信号输入输出类板卡间数据交互；

SPI总线仅用于DSP板和ADI板间的数据快速交互，提高响应能力；

（三）牵引控制装置各个板卡的功能分配

主控板即MCPU板相当于控制装置的“大脑”，用于牵引控制装置的整体逻辑运算、任务调度、信息交互、数据存储，协调各个功能执行的顺序，输出控制信号；

从控板即DSP板相当于控制装置的“肢体”，分别用来执行四象限变流控制、牵引逆变控制、中间直流母线过压抑制控制；

网络接口板即NETI板相当于控制装置的“神经”，用来传递外部TCMS和内部信号输入输出类板卡的信息，还进行电源管理和复位信号管理、电源状态监控；

信号输入输出类板卡相当于控制装置的“突触”，用来采集来自其他系统的信号或输出给其他系统；

电源类板卡相当于控制装置的“心脏”，用来为其他板卡工作提供电力保障；

（四）DSP板、AIO板、ADI板、DI板、DO板、PIO板均为可配置板卡，可根据项目实际需要进行调整，即根据不同的列车的主电路拓扑进行调整，实现通用化。

控制装置的设计采用以下措施来提高其可靠性和安全性：

1）每个板卡上均设置板卡级温度检测装置；

2）每个板卡均设置指示灯，用来显示板卡状态；

3）板卡上的芯片均选用自带过热保护机制；

4）TCU与TCMS设备间互发心跳信号进行监控；

5）板卡间通过定时互发心跳信号进行监控；

6）板卡上多个控制芯片间通过定时互发心跳信号来互相监控；

7）除PIO板和电源类板卡外，其他板卡上均有EEPROM芯片来存储固件信息并实时上报MCPU板；

8）控制类板卡的控制类芯片中使用软件看门狗设置和硬件看门狗设置的双重保障措施；

9）DI板、DO板、AIO板、ADI板上均设置上电自检保证对通道初始状态进行监控；

10）正常工作时，AIO/ADI板上还设置了巡检方式对通道状态进行监控;

11）正常工作时，DI/DO板上使用“分时复用”的方法对通道状态进行监控;

12）PIO板仅作脉冲放大处理，若异常，则输出电压无法驱动外部设备工作；

13）所使用的通信总线均采取多种通信防护手段来提高TCU安全性；

14）电源类板卡设有反接保护、过压保护、功率保持安全保护措施。

机车通用牵引控制装置的控制方法，该方法采用“主控+从控”相配合的方法进行控制，主控板即MCPU板根据网络接口板即NETI板传输的所有信息，实时进行逻辑运算，按照时序发出控制指令信号；从控板即DSP板根据接收主控板即MCPU板的指令信号和采集数据信息，实时进行算法运算，执行相应功能。

本发明通过多板卡的架构设计，以及部分板卡的可配置设计，可根据项目实际需要进行调整，即根据不同的列车的主电路拓扑进行调整，实现通用化。本发明还提供了牵引控制装置的安全架构，通过板卡间监控、板卡内部监控、通道自检和巡检、多种防护措施的通信等各种方式保障TCU的可靠性和安全性，降低了TCU故障风险。

附图说明

图1为本发明所述牵引控制装置与其他系统的交互图；

图2为本发明所述牵引控制装置的外观结构图

图3为本发明所述牵引控制装置内部结构框图；

图4为本发明实施例牵引控制装置控制方法；

图中：1－PWR2/PWR3/PWR4板， 2-DI板，3-DO板，4-AIO板，5-PIO板，6-ADI板，7-DSP板，8-NETI板，9-MCPU板，10-PWR1。

具体实施方式

首先，结合附图1，将控制装置与有关的外部系统的连接关系进行说明：

1.控制装置接收TCMS传输的整车控制指令（包含方向、级位、牵引/电制动、主断路器状态等信号）；

2.控制装置采集牵引变流器上的温度、压力、电流、电压等传感器信号、中间继电器和接触器类信号、功率模块和驱动板上脉冲反馈信号；

3.控制装置采集变压器上温度、压力、电流等传感器信号；

4.控制装置采集牵引电机1、牵引电机2上的温度、转速等传感器信号；

5.控制装置向TCMS反馈变流器、变压器和牵引电机的故障信息，传输变流器相关参数；

6.牵引变流器为控制装置提供110VDC；

7.控制装置为牵引变流器、变压器、牵引电机1、牵引电机2上的各类传感器供电；

8.控制装置为牵引变流器上功率模块和驱动板供电。

控制装置的工作原理可简述如下：

1.控制装置将接收到TCMS的数据、采集变压器上传感器信号、采集变流器上接触器类信号传输给主控板即MCPU板，MCPU板结合DSP板的四象限变流控制和牵引逆变控制上报故障信息，进行逻辑判断，开始变流器预充电控制；

2.变流器预充电过程完成后，主控板即MCPU板发送启动信号和相关数据给DSP板的四象限变流控制；

3. DSP板的四象限变流控制接收到主控板启动信号，同时根据采集变流器上传感器信号和功率模块上驱动板的脉冲反馈信号，进行逻辑判断、四象限算法运算和中间直流母线过压抑制控制，启动四象限整流器控制，四象限启动完成后，发送故障信息和相关数据给主控板；

4.主控板发送启动信号和相关数据给DSP板的牵引逆变控制；

5. DSP板的牵引逆变控制接收到主控板启动信号和数据，同时根据采集变流器上传感器信号、功率模块上驱动板的脉冲反馈信号和牵引电机上的传感器信号，进行逻辑判断和算法运算，启动牵引逆变器控制，实现电机牵引/电制动和防滑防空转控制等功能，发送故障信息和相关数据给主控板；

6.在逆变正常运行过程中，当检测到中间直流母线电压大于设定阈值时，DSP板的过压抑制控制输出斩波开通信号，当检测到中间直流母线电压低于设定阈值，则输出斩波关闭信号；

7.正常运行时，控制装置实时监测牵引系统各个部件状态，若出现故障则进行实时保护，同时将变流器和电机状态信号、故障代码信息反馈给TCMS。

结合图2为牵引控制装置的机械结构进行说明：

所有板卡插置于机箱内，机箱内设有背板（在图2所示装置背面），背板是用于与其它板卡进行连接的总板卡，背板上布有电源线和通信连接线，为所有板卡提供电力通道和为信号交换提供通道，所有板卡的后端安装有插针端，每个板卡的后端在背板上均有对应的卡槽，各个卡槽点位均连接到信号传输通道，从而形成信号互通互联，通过插针与背板上标准连接器进行相连。

AIO板、ADI板、DI板、DO板、PIO板和电源类板卡的前端使用标准连接器插针，与外部系统使用标准连接器插排进行连接；MCPU板的前面板上设有以太网、USB、RS232各类维护接口，便于对应用程序和底层程序进行升级更新；DSP板的前面板上也设有维护接口，便于对程序进行升级更新；NETI板前面板上设有MVB接口，便于与TCMS进行数据交互。

MCPU板、DSP板、NETI板和电源类板卡前面板上均设置状态指示灯（为图2中对应板卡绘制小圆圈部分），用于显示板卡当前运行状态。

考虑散热因素，将电源类板卡分别放置机箱的左右两侧，图中标注1和10的部分；考虑通用性，板卡尺寸设计为标准3U，机箱尺寸设计为6U，分为上下两层；

考虑可维修性，机箱的左右两端设计了把手，便于维修时拆除和安装；整个控制装置上的板卡与其他系统的机械接口均采用易插拔的标准连接器，TCU设计采用前出线方式,板卡可通过前端连接器快速从TCU中拆除，便于安装和拆卸。

机箱上板卡标识(贴在对应板卡上侧或下侧，图2中未标识出)清晰，便于定位错误和替换，板卡优先考虑将板卡放置在机箱的下层。

结合图3对控制装置的通信进行说明：

①对外通信：TCU与TCMS设备之间采用MVB总线进行通信；

MVB总线具有序列号、时间戳、超时判断、具有源宿ID已知且确定、且采用主帧（呼叫）+从帧（应答）的方式通信满足应答反馈，另外MVB的每64位过程数据有对应8位的CRC校验码等防护措施，可应对重复、删除、插入、损坏、延时和伪装等通信威胁风险，提高了TCU的安全性；

②对内通信：

板卡地址识别：控制装置中每个板卡上均设有EEPROM，用来存放板卡的固件信息；当板卡插入背板上，板卡识别I/O槽位的物理地址，通过I2C总线传输给MCPU板，从而实现板卡物理地址的识别。

控制装置中各板卡间采用CPCI+CAN总线的方式进行通信。

CPCI总线具有可热插拔、高开放性和高可靠性等优点，具有时序、超时判断、源宿ID已知且确定、主从应答、CRC校验等防护措施，可应对重复、删除、插入、损坏、延时和伪装等通信威胁风险，提高了TCU的安全性。该总线用于MCPU板、NETI板、DSP板间数据的高速通信，提高TCU对外的响应性能；

CAN总线具有序列号、时间戳、超时判断、源宿ID已知且确定、应答响应、具有15位的CRC校验码等防护措施，可应对重复、删除、插入、损坏、延时和伪装等通信威胁风险，提高了TCU的安全性。该总线用于采集DI板、DO板、AIO板的信号和通道状态传送给NETI板，NETI板将控制信号输出给DO板，实现板卡间信息的交互；

DSP板、NETI板、AIO板、ADI板、DI板和DO板内芯片间通信采用I2C串行总线。该总线用于连接板卡内控制器及其外围设备，可随时监控控制器芯片运行内存、通信、板卡温度等参数，用于实现板卡属性和固件信息管理，提高了TCU的安全性。

SPI总线用于板卡微控制器与外设进行数据交换，实现高速通信，提高了TCU的响应能力。该总线仅用于DSP板与ADI板间通信。

结合图3、4，对控制装置的控制方法进行描述：

1）MCPU板根据NETI板传输的所有数据，实时进行逻辑运算，按照时序分别给NETI板和DSP板输出控制指令信号；

2）MCPU板还负责多任务实时调度和检测、对资源管理、信息交互、故障诊断和数据存储功能；

3）NETI板用来与TCMS的外部通信和与TCU内部其他板卡间的通信；NETI板将所有通信数据转发给MCPU板，外部通信包括接收TCMS数据通过CPCI总线转给MCPU板，内部通信包括AIO板、ADI板、DI板、DO板和电源类板卡的状态监控通过CPCI总线转发给MCPU板；同时，NETI板将MCPU的控制指令信号根据板卡地址分发给DO1板和DO2板；

4）NETI板还负责对前面板的指示灯控制、电源管理、复位信号管理、接口协议的实现与扩展和除SPI外的其他总线管理功能；

5）DSP板根据MCPU控制指令，结合ADI板传输的数据，分别进行四象限变流控制和牵引逆变控制的算法运算，最终输出PWM调制波给ADI板；

6）ADI板采集处理对实时性要求高的电流、电压模拟量信号和PIO板传输的脉冲反馈信号，并将这些信号全部传送给DSP板，将板卡状态信息传送给NETI板；同时还接收DSP板的PWM调制波，实现死区控制和对管驱动输出功能，将处理后的信号传输给PIO板；

7）PIO板将ADI板输出调制脉冲PWM信号进行放大处理，输出给功率模块驱动板；同时采集功率模块脉冲反馈信号给ADI板；

8）AIO板采集处理对实时性要求低的温度、压力模拟量信号，并将模拟量信号和板卡状态信息传送给NETI板；同时，还实现硬件电路自检和保护以及板卡温度监控功能；

9）DI板采集中间继电器和接触器类反馈数字量信号，并将信号传送给NETI板；同时，还实现硬件电路自检和保护、板卡温度监控和信息记录功能；

10）DO板接收NETI板转发的MCPU板的指令信息，进行识别和处理，通过对应通道输出控制信号到各个变流器的部件（中间继电器和接触器）上；同时，还实现硬件电路自检和保护、板卡温度监控和信息记录功能；

11）PWR1板用来为控制装置上其他板卡供电；PWR2板为外部系统上的传感器供电；PWR3\PWR4板为外部系统上的功率模块供电。

具体实施时，控制装置中MCPU板、NETI板和PWR1板仅设置1块；其他的DSP板、ADI板、AIO板、DI板、DO板、PIO板和PWR2/3/4板均可根据项目实际需求进行配置；PWR2/3/4板可分为对传感器供电、对功率模块供电，板卡数量可根据实际项目需求进行配置。

牵引控制装置的可靠性和安全性保障措施：

1）每个板卡上均设置板卡级温度检测装置，温度检测芯片放置于发热芯片附近，板卡上的控制芯片实现对温度的实时检测，若温度达到设定阈值，则通过I2C总线，将故障信息上报MCPU板；

2）每个板卡均设置指示灯，用来显示板卡的当前状态；

MCPU板、NETI板、DSP板和电源类板卡的指示灯位于前面板上，便于直接查看状态是否正常；

DI板、DO板、AIO板、ADI板和PIO板的指示灯位于板卡上；

3）板卡上的芯片均选用自带过热保护机制，若芯片过热，则立即停止输出信号，同时其他监控芯片发现信号中断超时，将故障信息上报MCPU板；

4）MCPU板作为TCU的“大脑”，与TCMS主控间互发心跳信号进行监控，心跳信号从0开始累加到65535后再清0，如此循环；

若3S内TCU心跳信号不更新，则TCMS报TCU故障，若TCMS心跳3S不更新，则TCU停止输出信号，报故障信息并存储；

5）MCPU板与DSP板周期性互发心跳信号进行监控，心跳信号从0开始累加到65535后再清0，如此循环；

DI板、DO板、AIO板、电源类板卡和NETI板将各自心跳信号发送给MCPU板进行监控；

ADI板将心跳信号发送给DSP板进行监控；

6）板卡上有多个控制芯片的，通过定时互发心跳信号来监控；

7）板卡上的控制芯片中使用软件看门狗设置和硬件看门狗设置的双重保障措施；

8）DI板、DO板、AIO板、ADI板上均设置上电自检保证对通道初始状态进行监控，具体如下：

①DI板能实现对每路DI通道有效性的周期检测；其控制器发送周期性检测电平信号控制自检模块，给每个DI通路的电压比较器模块，经过DI通道的电平处理、移位寄存器再传递到控制器上，控制器对每个DI通道的检测结果进行判断；

②DO板上控制芯片能实现对每路DO通道的MOS管的状态采集进行实时回采，在控制芯片中进行DO通道有效性的实时判断检测，并通过CAN总线发送给NETI板；

③AIO板模拟量输入通路自检，其单片机输出电压信号，通过多路选通芯片分别输送到模拟量输入通道的调理电路，经过调理电路，将模拟信号输送到其控制器的ADC接口，控制器比较输入与输出信号，判别模拟量输入通道是否正常；

模拟量输出通道自检，其单片机输出数字信号，通过板卡上的芯片将数字量转化为模拟量，通过调理电路，将转换后的模拟信号发送至其控制器的ADC接口，单片机比较输入与输出信号，判别模拟量输出通道是否正常；

自检电路只在上电过程中执行一次，有故障上报故障信息，无故障正常运行；

④ADI板:其控制器发送数字量自检信号，通过外设芯片转换为对应的模拟量，将模拟量分为3路，一路输送至电压、电流调理电路，通过采样电路进行模数转换为数字量输入控制器；一路输送至转速信号调理电流，通过采样电路进行模数转换为数字量输入控制器；最后一路输送至自检回路进行模数转换为数字量输入控制器；将上述自检信号，通过SPI总线发送至DSP板，由DSP板通过自检程序与逻辑进行判断；

9）正常工作时，AIO板和ADI板上还设置了巡检方式对通道状态进行监控；

在AIO板和ADI板采集通道上均设置了一组片选芯片，用于对各个通道实现实时巡检；AIO板将巡检的数据通过I2C总线传递给MCPU板进行逻辑判断和监控，ADI板将巡检数据通过SPI总线传递给DSP板进行逻辑判断和监控；

10）正常工作时，DI板和DO板上采用“分时复用”的方式实现对通道状态进行监控，具体如下：

DI板通道的采集回路与状态检测回路采用分时复用的原理，经其控制器实现20ms内分段实现DI通道的数据采集与DI通道的状态检测，再将两组数据通过CAN总线传输给NETI板到达MCPU板进行逻辑判断；DO板原理与DI板相同，不再详述；

11）PIO板仅设计为脉冲放大处理功能；若该板卡异常，则输出电压无法驱动外部设备工作；

12）所使用的MVB、CPCI、CAN通信总线均采用多种防护措施来提高通信的安全性；

13）电源类板卡设有光耦隔离、反接保护、过压保护和功率保持的安全保护措施；板卡上有监控模块和控制器两部分：

监控模块：通过控制芯片对输入电压和输出电压进行监控，通过外围电阻阻值配置的不同，实现对电压保护阈值的设置；

控制器：根据监控模块发送的信号，进行判断输入电源、输出电源的状态，通过电平信号发送给NETI板，并控制前面板LED灯进行显示。

Claims (3)

1.一种机车通用牵引控制装置，其特征在于，

（一）牵引控制装置的结构

包括控制类板卡、通讯类板卡、信号输入输出类板卡和电源类板卡；

控制类板卡分为主控板即MCPU板和从控板即DSP板；

通讯类板卡为网络接口板即NETI板；

信号输入输出类板卡分为模拟量输入输出板即AIO板、模拟量转数字量处理板即ADI板、数字量输入板即DI板、数字量输出板即DO板和脉冲输入输出板即PIO板；

电源类板卡分为控制装置内部供电板即PWR1板和控制装置对外供电板，控制装置对外供电板又分为对外部传感器供电板即PWR2板和对外部功率模块供电板即PWR3板和PWR4板；

（二）牵引控制装置的通信

牵引控制装置的通信分为对内对外两部分：

对外：与TCMS之间采用MVB总线进行通信；

对内：TCU内部板卡间采用CPCI+CAN总线相结合的方式进行通信；板卡上采用I2C+SPI串行总线进行通信；

CPCI总线用于MCPU板、NETI板、DSP板间数据的高速通信，提高通信安全性；

CAN总线用于采集DI板、DO板、AIO板的信号和通道状态传送给NETI板，提高通信安全性；

I2C总线用于MCPU板、DSP板、NETI板和信号输入输出类板卡间数据交互；

SPI总线仅用于DSP板和ADI板间的数据快速交互，提高响应能力；

（三）牵引控制装置各个板卡的功能分配

主控板即MCPU板相当于控制装置的“大脑”，用于牵引控制装置的整体逻辑运算、任务调度、信息交互、数据存储，协调各个功能执行的顺序，输出控制信号；

从控板即DSP板相当于控制装置的“肢体”，分别用来执行四象限变流控制、牵引逆变控制、中间直流母线过压抑制控制；

网络接口板即NETI板相当于控制装置的“神经”，用来传递外部TCMS和内部信号输入输出类板卡的信息，还进行电源管理和复位信号管理、电源状态监控；

信号输入输出类板卡相当于控制装置的“突触”，用来采集来自其他系统的信号或输出给其他系统；

电源类板卡相当于控制装置的“心脏”，用来为其他板卡工作提供电力保障；

（四）DSP板、AIO板、ADI板、DI板、DO板、PIO板均为可配置板卡；

所有板卡插置于机箱内，机箱内设有背板，背板是用于与其它板卡进行连接的总板卡，背板上布有电源线和通信连接线，为所有板卡提供电力通道和为信号交换提供通道，所有板卡的后端安装有插针端，每个板卡的后端在背板上均有对应的卡槽，各个卡槽点位均连接到信号传输通道，从而形成信号互通互联，通过插针与背板上标准连接器进行相连；

AIO板、ADI板、DI板、DO板、PIO板和电源类板卡的前端使用标准连接器插针，与外部系统使用标准连接器插排进行连接；MCPU板的前面板上设有以太网、USB、RS232各类维护接口，便于对应用程序和底层程序进行升级更新；DSP板的前面板上也设有维护接口，便于对程序进行升级更新；NETI板前面板上设有MVB接口，便于与TCMS进行数据交互；

MCPU板、DSP板、NETI板和电源类板卡前面板上均设置状态指示灯，用于显示板卡当前运行状态；

控制装置中每个板卡上均设有EEPROM，用来存放板卡的固件信息；当板卡插入背板上，板卡识别I/O槽位的物理地址，通过I2C总线传输给MCPU板，从而实现板卡物理地址的识别；

DSP板、NETI板、AIO板、ADI板、DI板和DO板内芯片间通信采用I2C串行总线；I2C总线用于连接板卡内控制器及其外围设备；

采用以下措施来提高其可靠性和安全性：

1）每个板卡上均设置板卡级温度检测装置；

2）每个板卡均设置指示灯，用来显示板卡状态；

3）板卡上的芯片均选用自带过热保护机制；

4）TCU与TCMS设备间互发心跳信号进行监控；

5）板卡间通过定时互发心跳信号进行监控；

6）板卡上多个控制芯片间通过定时互发心跳信号来互相监控；

7）除PIO板和电源类板卡外，其他板卡上均有EEPROM芯片来存储固件信息并实时上报MCPU板；

8）控制类板卡的控制类芯片中使用软件看门狗设置和硬件看门狗设置的双重保障措施；

9）DI板、DO板、AIO板、ADI板上均设置上电自检保证对通道初始状态进行监控；

10）正常工作时，AIO/ADI板上还设置了巡检方式对通道状态进行监控;

11）正常工作时，DI/DO板上使用“分时复用”的方法对通道状态进行监控;

12）PIO板仅作脉冲放大处理，若异常，则输出电压无法驱动外部设备工作；

13）所使用的通信总线均采取多种通信防护手段来提高TCU安全性；

14）电源类板卡设有反接保护、过压保护、功率保持安全保护措施；

牵引控制装置的可靠性和安全性保障措施：

1）每个板卡上均设置板卡级温度检测装置，温度检测芯片放置于发热芯片附近，板卡上的控制芯片实现对温度的实时检测，若温度达到设定阈值，则通过I2C总线，将故障信息上报MCPU板；

2）每个板卡均设置指示灯，用来显示板卡的当前状态；

MCPU板、NETI板、DSP板和电源类板卡的指示灯位于前面板上，便于直接查看状态是否正常；

DI板、DO板、AIO板、ADI板和PIO板的指示灯位于板卡上；

3）板卡上的芯片均选用自带过热保护机制，若芯片过热，则立即停止输出信号，同时其他监控芯片发现信号中断超时，将故障信息上报MCPU板；

4）MCPU板作为TCU的“大脑”，与TCMS主控间互发心跳信号进行监控，心跳信号从0开始累加到65535后再清0，如此循环；

若3S内TCU心跳信号不更新，则TCMS报TCU故障，若TCMS心跳3S不更新，则TCU停止输出信号，报故障信息并存储；

5）MCPU板与DSP板周期性互发心跳信号进行监控，心跳信号从0开始累加到65535后再清0，如此循环；

DI板、DO板、AIO板、电源类板卡和NETI板将各自心跳信号发送给MCPU板进行监控；

ADI板将心跳信号发送给DSP板进行监控；

6）板卡上有多个控制芯片的，通过定时互发心跳信号来监控；

7）板卡上的控制芯片中使用软件看门狗设置和硬件看门狗设置的双重保障措施；

8）DI板、DO板、AIO板、ADI板上均设置上电自检保证对通道初始状态进行监控，具体如下：

①DI板能实现对每路DI通道有效性的周期检测；其控制器发送周期性检测电平信号控制自检模块，给每个DI通路的电压比较器模块，经过DI通道的电平处理、移位寄存器再传递到控制器上，控制器对每个DI通道的检测结果进行判断；

②DO板上控制芯片能实现对每路DO通道的MOS管的状态采集进行实时回采，在控制芯片中进行DO通道有效性的实时判断检测，并通过CAN总线发送给NETI板；

③AIO板模拟量输入通路自检，其单片机输出电压信号，通过多路选通芯片分别输送到模拟量输入通道的调理电路，经过调理电路，将模拟信号输送到其控制器的ADC接口，控制器比较输入与输出信号，判别模拟量输入通道是否正常；

模拟量输出通道自检，其单片机输出数字信号，通过板卡上的芯片将数字量转化为模拟量，通过调理电路，将转换后的模拟信号发送至其控制器的ADC接口，单片机比较输入与输出信号，判别模拟量输出通道是否正常；

自检电路只在上电过程中执行一次，有故障上报故障信息，无故障正常运行；

④ADI板:其控制器发送数字量自检信号，通过外设芯片转换为对应的模拟量，将模拟量分为3路，一路输送至电压、电流调理电路，通过采样电路进行模数转换为数字量输入控制器；一路输送至转速信号调理电流，通过采样电路进行模数转换为数字量输入控制器；最后一路输送至自检回路进行模数转换为数字量输入控制器；将上述自检信号，通过SPI总线发送至DSP板，由DSP板通过自检程序与逻辑进行判断；

9）正常工作时，AIO板和ADI板上还设置了巡检方式对通道状态进行监控；

在AIO板和ADI板采集通道上均设置了一组片选芯片，用于对各个通道实现实时巡检；AIO板将巡检的数据通过I2C总线传递给MCPU板进行逻辑判断和监控，ADI板将巡检数据通过SPI总线传递给DSP板进行逻辑判断和监控；

10）正常工作时，DI板和DO板上采用“分时复用”的方式实现对通道状态进行监控，具体如下：

DI板通道的采集回路与状态检测回路采用分时复用的原理，经其控制器实现20ms内分段实现DI通道的数据采集与DI通道的状态检测，再将两组数据通过CAN总线传输给NETI板到达MCPU板进行逻辑判断；DO板原理与DI板相同；

11）PIO板仅设计为脉冲放大处理功能；若该板卡异常，则输出电压无法驱动外部设备工作；

12）所使用的MVB、CPCI、CAN通信总线均采用多种防护措施来提高通信的安全性；

13）电源类板卡设有光耦隔离、反接保护、过压保护和功率保持的安全保护措施；板卡上有监控模块和控制器两部分：

监控模块：通过控制芯片对输入电压和输出电压进行监控，通过外围电阻阻值配置的不同，实现对电压保护阈值的设置；

控制器：根据监控模块发送的信号，进行判断输入电源、输出电源的状态，通过电平信号发送给NETI板，并控制前面板LED灯进行显示。

2.根据权利要求1所述的机车通用牵引控制装置，其特征在于，将电源类板卡分别放置机箱的左右两侧；板卡尺寸设计为标准3U，机箱尺寸设计为6U，分为上下两层。

3.权利要求1－2任一所述的机车通用牵引控制装置的控制方法，其特征在于，该方法采用“主控+从控”相配合的方法进行控制，主控板即MCPU板根据网络接口板即NETI板传输的所有信息，实时进行逻辑运算，按照时序发出控制指令信号；从控板即DSP板根据接收主控板即MCPU板的指令信号和采集数据信息，实时进行算法运算，执行相应功能；具体为：

1）MCPU板根据NETI板传输的所有数据，实时进行逻辑运算，按照时序分别给NETI板和DSP板输出控制指令信号；

2）MCPU板还负责多任务实时调度和检测、对资源管理、信息交互、故障诊断和数据存储功能；

3）NETI板用来与TCMS的外部通信和与TCU内部其他板卡间的通信；NETI板将所有通信数据转发给MCPU板，外部通信包括接收TCMS数据通过CPCI总线转给MCPU板，内部通信包括AIO板、ADI板、DI板、DO板和电源类板卡的状态监控通过CPCI总线转发给MCPU板；同时，NETI板将MCPU的控制指令信号根据板卡地址分发给DO1板和DO2板；

4）NETI板还负责对前面板的指示灯控制、电源管理、复位信号管理、接口协议的实现与扩展和除SPI外的其他总线管理功能；

5）DSP板根据MCPU控制指令，结合ADI板传输的数据，分别进行四象限变流控制和牵引逆变控制的算法运算，最终输出PWM调制波给ADI板；

6）ADI板采集处理对实时性要求高的电流、电压模拟量信号和PIO板传输的脉冲反馈信号，并将这些信号全部传送给DSP板，将板卡状态信息传送给NETI板；同时还接收DSP板的PWM调制波，实现死区控制和对管驱动输出功能，将处理后的信号传输给PIO板；

7）PIO板将ADI板输出调制脉冲PWM信号进行放大处理，输出给功率模块驱动板；同时采集功率模块脉冲反馈信号给ADI板；

8）AIO板采集处理对实时性要求低的温度、压力模拟量信号，并将模拟量信号和板卡状态信息传送给NETI板；同时，还实现硬件电路自检和保护以及板卡温度监控功能；

9）DI板采集中间继电器和接触器类反馈数字量信号，并将信号传送给NETI板；同时，还实现硬件电路自检和保护、板卡温度监控和信息记录功能；

10）DO板接收NETI板转发的MCPU板的指令信息，进行识别和处理，通过对应通道输出控制信号到各个变流器的部件上；同时，还实现硬件电路自检和保护、板卡温度监控和信息记录功能；

11）PWR1板用来为控制装置上其他板卡供电；PWR2板为外部系统上的传感器供电；PWR3\PWR4板为外部系统上的功率模块供电。

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