CN112684780A - 一种用于铁路机车的控制面板接口组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于铁路机车的控制面板接口组件，包括底座、CPU板卡和电源板卡，所述CPU板卡包括ARM处理器、通信模块、CAN接口模块、MVB接口模块和JTAG接口，所述MVB接口模块通过MVB总线连接有监测单元，所述监测单元包括通过MVB总线连接至MVB接口模块的网络监测板和设备监测板，所述网络监测板和设备监测板之间由SPI总线传输数据，所述设备监测板通过USB接口连接至上位机；本发明提供的控制面板接口组件，对机车上主要电气设备的状态和网络数据进行监测,当设备出现故障时,能够记录下故障前后一段时间内设备的状态信息和网络传输数据,作为机车故障诊断和分析的基础,为机车的检修和维护提供依据。

Description

一种用于铁路机车的控制面板接口组件

技术领域

本发明属于轨道交通车辆技术领域，具体涉及一种用于铁路机车的控制面板接口组件。

背景技术

随着现代列车通讯技术的发展，列车经历了从刚开始的集中型数字控制系统发展到现在的基于网络的分布式控制系统，列车分布式控制系统应用多种总线技术把分布于各车厢内部、独立完成特定功能的计算机互连起来形成一种工业局域网，以实现资源共享、分散监测和集中操作等目的。

机车的速度越来越快,在高速行驶状态下机车的安全问题也越来越重要。如何确保铁路运输的可靠性、安全性和实时性已经成为一项重要的技术。机车是复杂的机电系统,包括牵引变压器组、变流机组、电子控制柜、车载计算机控制装置系统、车载通信网络及传感器测量装置等。车上的设备长期工作在高温、电磁干扰的不利条件下,运行环境比较恶劣,容易出现各种故障。尤其是关系到机车正常运行的电气设备一旦发生故障,可能直接威胁到机车的运行安全,严重情况下造成机破事故,带来重大的损失。因此,对车上电气系统进行监测与诊断是关系到行车安全的一项重要措施。

传统的故障监测与诊断装置能够对机车进行故障诊断,但是对于一些偶发故障,很难进行故障定位。对于这种偶发故障,有很多原因,如电器设备运行过程中出错、电器设备老化产生的性能下降,突发性干扰导致网络传输指令错误等等。特别是故障诊断时,判断依据是监测的设备状态信息,对于一些疑难故障,找不到故障原因,例如网络的因素,因此在进行故障诊断时需要结合车载网络传输数据进行综合分析。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提供一种用于铁路机车的控制面板接口组件，对机车上主要电气设备的态和网络数据进行监测,当设备出现故障时,能够记录下故障前后一段时间内设备的状态信息和网络传输数据,作为机车故障诊断和分析的基础,为机车的检修和维护提供依据。

本发明的目的是这样

一种用于铁路机车的控制面板接口组件，包括底座，设于底座上方的CPU板卡和设于底座一侧的MVB网卡和电源板卡，所述CPU板卡包括ARM处理器、通信模块、CAN接口模块、MVB接口模块和JTAG接口，所述MVB接口模块通过MVB总线连接有监测单元，所述监测单元包括通过MVB总线连接至MVB接口模块的网络监测板和设备监测板，所述网络监测板和设备监测板之间由SPI总线传输数据，所述设备监测板通过USB接口连接至上位机，实现和硬件设备的通信并对机车故障进行在线监测与分析。

优选的，所述底座与电源板卡、底座与MVB网卡、底座与CPU板卡之间分别通过连接器连接，所述连接器采用PC/104连接器。

优选的，所述CPU板卡还包括扩展模块，所述扩展模块包括电源电路、时钟电路和复位电路。

优选的，所述CAN接口模块连接至机车总线和功能设备，完成CAN数据的收发，为总线上的设备提供通讯服务。

优选的，所述设备监测板包括：

DSP处理器，负责监控设备运行状态及故障数据的采集、故障判断、故障数据存储,实时时钟一记录故障时间；

CPLD逻辑译码模块，对扩展设备作地址译码，并产生各个硬件的相应时序；

SDRAM数据缓存模块，作为系统工作的动态缓存；

FLASH存储模块，大容量存储故障数据。

优选的，所述网络监测板包括：

FPGA芯片，包括有实现MVB接口模块网络链路层的MVBIP核，从MVB总线上接受传输的过程数据、消息数据，并进行解码之后通过RS485接口缓存在ARM处理器中；

SPI接口模块，完成与设备监测板之间的数据传输。

优选的，所述MVB网卡包括：

MVBC，完成把需要发送的数据字节交由串行化电路发送到传输介质上，并且实现MVB总线上的串行数据转换成并行数据字节；

通信存储器，保存MVBC的所有数据和信息；

物理层接口，通过电气短距离介质ESD+接口的形式与MVB网卡相连，通过光耦方式与外界进行光电隔离提高系统可靠性。

优选的，所述CAN接口模块连接至CAN采集模块，以CAN采集模块作为对象，在数据发送前把AD采样值转换为实际物理值，CAN采集模块有8个采集通道，每一个采集通道是否都需要进行数据采集要根据具体监测的位置和监测对象决定，在软件程序中即根据具体的CAN采集参数配置表来决定，在CAN协议中一帧数据占8个字节，但第一个字节为分段码，所以有效字节数为7个字节，CAN采集模块每个通道占2个字节，因此CAN采集模块每次采集包含三帧数据，则有CAN采集模的A/D采样真实值W为：

W=（W_i-32789）×10/32789，其中W_i为CAN采集模的A/D采样值；

计算出来的真实值是浮点型变量，只占2个字节，节省了存储空间，假若存储是采用float型变量则需要4个字节的空间，所以发送到远程服务器的数据包，高字节存放整数部分(最高位表示符号位)，低字节存放小数部分。

优选的，在CAN总线帧传送过程中，由于CAN总线是采用CSMA/CD通信模式，当数据出现冲突并做出相应的仲裁，在这种情况下会导致延迟下一个报文传送，则有发送CAN帧所需的时间T为：

T=L/v+nt，其中L为CAN帧的长度（nm），v为CAN帧的传输速度（nm/s），t为一个过载帧隐性位所要延迟的时间（s），n为CAN帧的总帧数。

优选的，其中一个过载帧隐性位所要延迟的时间t的计算为：

t=t₁+t₂+t₃+t₄，其中t₁为芯片延时的时间（s），t₂为发送器发送延时的时间（s），t₃为发送器接收延时的时间（s），t₄为光缆造成延时的时间（s），可以根据字节来确定网管缓冲区的大小，使数据传输过程中数据不积压、不丢失。

优选的，所述CAN接口模块连接至CAN采集模块，所述CAN采集模块负责采集CAN实时数据和GPS数据，并进行数据预处理，系统参数配置中转，同时向上位机传送实时数据，通过3G无线路由向远程监控中心传送实时数据。

优选的，所述CAN采集模块包括3G无线路由、GPS模块、交换机、电源模块和蓄电池，所述底座采用双层并行排列的结构，所述底座上层放置3G无线路由和交换机，所述底座下层放置CPU板卡、电源模块、和GPS模块，所述底座的内底端设有一隔板，所述隔板内放置蓄电池。

优选的，所述电源板卡采用输入防雷击浪涌保护电路、二阶共模滤波电路、一阶差模滤波电路、整流电路、输出一阶共模滤波电路和稳压电路，降低机车行驶过程中对电源电路的干扰，提高电源的可靠性。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的一种用于铁路机车的控制面板接口组件，对机车上主要电气设备的态和网络数据进行监测,当设备出现故障时,能够记录下故障前后一段时间内设备的状态信息和网络传输数据,作为机车故障诊断和分析的基础,为机车的检修和维护提供依据。

2、本发明提供的一种用于铁路机车的控制面板接口组件，设备故障监测板的信号采集与处理的核心为DSP，通过采集机车采集端子排故障关联信号电气状态，进行故障判断，网络数据监测板信号采集与处理核心为FGPA，实时接收MVB总线上的网络数据，当设备出现故障时，系统能够记录下故障前后设备状态和网络传输数据，并将数据以故障文件的形式存在设备监测板的FLASH中，下车后通过与上位机相连，可以将故障文件拷贝到上位机，通过上位机分析软件实现离线故障数据分析以及故障诊断。

3、本发明提供的一种用于铁路机车的控制面板接口组件，MVB总线传送封装好的MVB数据通过串口进入ARM9处理器处理，处理过程是先对MVB报文数据拆包，然后将报文部分数据按CAN协议规定的应用层格式进行封装，再将应用层数据存入CAN接口(SPI口)发送缓存器区，最后封装成具有CAN协议的CAN帧，同理，CAN数据转换成MVB数据原理一样。

4、本发明提供的一种用于铁路机车的控制面板接口组件，在网关运行过程中，CAN、MVB两种数据能够快速转换，实现数据互联通信，确保达到延时很短甚至几乎不延时的效果，在数据转换过程中，确保数据转换的准确可靠性；在数据传输过程中，确保数据不积压、不丢失。使网关正常平稳工作。

附图说明

图1是本发明一种用于铁路机车的控制面板接口组件结构示意图。

图2是本发明一种用于铁路机车的控制面板接口组件的CPU板卡示意图。

图3是本发明一种用于铁路机车的控制面板接口组件的监测单元示意图。

图4是本发明一种用于铁路机车的控制面板接口组件的设备监测板示意图。

图5是本发明一种用于铁路机车的控制面板接口组件的网络监测板示意图。

图6是本发明一种用于铁路机车的控制面板接口组件的CAN接口模块与ARM处理器的工作连接示意图。

图中：1、底座；2、CPU板卡；3、电源板卡；4、连接器；5、MVB网卡；6、ARM处理器；7、通信模块；8、CAN接口模块；9、JTAG接口；10、MVB接口模块；11、网络监测板；111、FPGA芯片；112、MVBIP核；113、SPI核；12、设备监测板；121、DSP处理器；122、SDRAM数据缓存模块；123、CPLD逻辑译码模块；124、FLASH存储模块；13、上位机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

结合图1和图2，一种用于铁路机车的控制面板接口组件，包括底座1、设于底座1上方的CPU板卡2和设于底座1一侧的MVB网卡5和电源板卡3，所述底座1与电源板卡3、底座1与MVB网卡5、底座1与CPU板卡2之间分别通过连接器4连接，所述连接器4采用PC/104连接器。

底座1采用盒式结构，采用U型铝材并经过氧化处理，板卡设计均采用3U结构，板卡间采用PC/104接口连接，各连接器均采用专用连接器，保证连接可靠及外壳均通过电容接地，所述电源板卡采用输入防雷击浪涌保护电路、二阶共模滤波电路、一阶差模滤波电路、整流电路、输出一阶共模滤波电路和稳压电路，降低机车行驶过程中对电源电路的干扰，提高电源的可靠性。

结合图3和图6，所述CPU板卡2包括ARM处理器6、通信模块7、CAN接口模块8、MVB接口模块10和JTAG接口9，所述CPU板卡2还包括扩展模块，所述扩展模块包括电源电路、时钟电路和复位电路，所述MVB接口模块10通过MVB总线连接有监测单元。

所述MVB网卡包括：MVBC，完成把需要发送的数据字节交由串行化电路发送到传输介质上，并且实现 MVB 总线上的串行数据转换成并行数据字节；通信存储器，保存 MVBC的所有数据和信息；物理层接口，通过电气短距离介质ESD+接口的形式与MVB网卡5相连，通过光耦方式与外界进行光电隔离提高系统可靠性。

由CPU板卡通过PC/104接口对MVB网卡中的总线控制器MVBC进行配置，总线控制器MVBC通过总线收发管理器、隔离变压器与MVB通信介质相连，进行MVB数据收发，由CPU板卡通过内部总线控制CAN控制器，再通过CAN收发器与CAN通信介质相连，进行CAN数据收发，CPU板卡中主控制器CPU实现MVB和CAN两种总线数据相互转换及存储，CPU通过CPLD时序控制对PC/104接口进行I/O模式访问。

所述CAN接口模块8连接至机车总线和功能设备，完成CAN数据的收发，为总线上的设备提供通讯服务。

采用ARM处理器为中心，外围包括有CAN接口模块、MVB接口模块、JTAG接口、电源电路、时钟电路和复位电路、SDRAM 及 FLASH 存储器模块，用于增强总线的驱动能力，从而增加 CAN 总线的通信距离并使得总线上可以挂接更多的节点，在网关运行过程中，CAN、MVB两种数据能够快速转换，实现数据互联通信，确保达到延时很短甚至几乎不延时的效果，在数据转换过程中，确保数据转换的准确可靠性；在数据传输过程中，确保数据不积压、不丢失。使网关正常平稳工作。

实施例2

结合图3-5，所述MVB接口模块10通过MVB总线连接有监测单元，所述监测单元包括通过MVB总线连接至MVB接口模块10的网络监测板11和设备监测板12，所述网络监测板11和设备监测板12之间由SPI总线传输数据，所述设备监测板12通过USB接口连接至上位机13，实现和硬件设备的通信并对机车故障进行在线监测与分析。

所述设备监测板12包括：DSP处理器121，以DSP处理器为核心处理单元，负责监控设备运行状态及故障数据的采集、故障判断、故障数据存储,实时时钟一记录故障时间；CPLD逻辑译码模块123，对扩展设备作地址译码，并产生各个硬件的相应时序；SDRAM数据缓存模块122，作为系统工作的动态缓存；FLASH存储模块124，大容量存储故障数据。

所述网络监测板11包括：FPGA芯片111，包括有实现MVB接口模块10网络链路层的MVB IP核112，从MVB总线上接受传输的过程数据、消息数据，并进行解码之后通过RS485接口缓存在ARM处理器6中；SPI核113，连接至设备监测板12的FLASH存储模块124，完成与设备监测板12之间的数据传输。

设备监测板连接机车端子排,网络监测板连接到MVB总线，设备监测板和网络监测板之间由总线传输数据，上位机软件通过接口实现和硬件设备的通信,实现机车故障的在线监测与分析。

实施例3

所述CAN接口模块连接至CAN采集模块，所述CAN采集模块负责采集CAN实时数据和GPS数据，并进行数据预处理，系统参数配置中转，同时向上位机传送实时数据，通过3G无线路由向远程监控中心传送实时数据，所述CAN采集模块包括3G无线路由、GPS模块、交换机、电源模块和蓄电池，所述底座采用双层并行排列的结构，所述底座上层放置3G无线路由和交换机，所述底座下层放置CPU板卡、电源模块、和GPS模块，所述底座的内底端设有一隔板，所述隔板内放置蓄电池。

所述CAN接口模块连接至CAN采集模块，以CAN采集模块作为对象，在数据发送前把AD采样值转换为实际物理值，CAN采集模块有8个采集通道，每一个采集通道是否都需要进行数据采集要根据具体监测的位置和监测对象决定，在软件程序中即根据具体的CAN采集参数配置表来决定，在CAN协议中一帧数据占8个字节，但第一个字节为分段码，所以有效字节数为7个字节，CAN采集模块每个通道占2个字节，因此CAN采集模块每次采集包含三帧数据，则有CAN采集模的A/D采样真实值W为：W=（W_i-32789）×10/32789，其中W_i为CAN采集模的A/D采样值；计算出来的真实值是浮点型变量，只占2个字节，节省了存储空间，假若存储是采用float型变量则需要4个字节的空间，所以发送到远程服务器的数据包，高字节存放整数部分(最高位表示符号位)，低字节存放小数部分。

在CAN总线帧传送过程中，由于CAN总线是采用CSMA/CD通信模式，当数据出现冲突并做出相应的仲裁，在这种情况下会导致延迟下一个报文传送，则有发送CAN帧所需的时间T为：T=L/v+nt，其中L为CAN帧的长度（nm），v为CAN帧的传输速度（nm/s），t为一个过载帧隐性位所要延迟的时间（s），n为CAN帧的总帧数。

其中一个过载帧隐性位所要延迟的时间t的计算为：t=t₁+t₂+t₃+t₄，其中t₁为芯片延时的时间（s），t₂为发送器发送延时的时间（s），t₃为发送器接收延时的时间（s），t₄为光缆造成延时的时间（s）。

可以根据字节来确定网管缓冲区的大小，使数据传输过程中数据不积压、不丢失。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的保护范围内所做的任何修改，等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于铁路机车的控制面板接口组件，其特征在于：包括底座（1）、设于底座（1）上方的CPU板卡（2）和设于底座（1）一侧的MVB网卡（5）和电源板卡（3），所述CPU板卡（2）包括ARM处理器（6）、通信模块（7）、CAN接口模块（8）、MVB接口模块（10）和JTAG接口（9），所述MVB接口模块（10）通过MVB总线连接有监测单元，所述监测单元包括通过MVB总线连接至MVB接口模块（10）的网络监测板（11）和设备监测板（12），所述网络监测板（11）和设备监测板（12）之间由SPI总线传输数据，所述设备监测板（12）通过USB接口连接至上位机（13），实现和硬件设备的通信并对机车故障进行在线监测与分析。

2.根据权利要求1所述的一种用于铁路机车的控制面板接口组件，其特征在于：所述底座（1）与电源板卡（3）、底座（1）与MVB网卡（5）、底座（1）与CPU板卡（2）之间分别通过连接器（4）连接，所述连接器（4）采用PC/104连接器。

3.根据权利要求1所述的一种用于铁路机车的控制面板接口组件，其特征在于：所述CPU板卡（2）还包括扩展模块，所述扩展模块包括电源电路、时钟电路和复位电路。

4.根据权利要求1所述的一种用于铁路机车的控制面板接口组件，其特征在于：所述CAN接口模块（8）连接至机车总线和功能设备，完成CAN数据的收发，为总线上的设备提供通讯服务。

5.根据权利要求1所述的一种用于铁路机车的控制面板接口组件，其特征在于：所述设备监测板（12）包括：

DSP处理器（121），负责监控设备运行状态及故障数据的采集、故障判断、故障数据存储,实时时钟一记录故障时间；

CPLD逻辑译码模块（123），对扩展设备作地址译码，并产生各个硬件的相应时序；

SDRAM数据缓存模块（122），作为系统工作的动态缓存；

FLASH存储模块（124），大容量存储故障数据。

6.根据权利要求5所述的一种用于铁路机车的控制面板接口组件，其特征在于：所述网络监测板（11）包括：

FPGA芯片（111），包括有实现MVB接口模块（10）网络链路层的MVBIP核（112），从MVB总线上接受传输的过程数据、消息数据，并进行解码之后通过RS485接口缓存在ARM处理器（6）中；

SPI核（113），连接至设备监测板（12）的FLASH存储模块（124），完成与设备监测板（12）之间的数据传输。

7.根据权利要求1所述的一种用于铁路机车的控制面板接口组件，其特征在于：所述MVB网卡（5）包括：

MVBC，完成把需要发送的数据字节交由串行化电路发送到传输介质上，并且实现MVB总线上的串行数据转换成并行数据字节；

通信存储器，保存MVBC的所有数据和信息；

物理层接口，通过电气短距离介质ESD+接口的形式与MVB网卡（5）相连，通过光耦方式与外界进行光电隔离提高系统可靠性。

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