CN112799322A - 一种多路开关量采集与处理装置 - Google Patents

Abstract

一种多路开关量采集与处理装置，包含：多个开关量采集模块，每个开关量采集模块采集一路开关量；至少一个开关量并转串模块，其输入端连接开关量采集模块的输出端，其输出端连接至主控模块，该开关量并转串模块将并行输入的开关量采集模块的输入信号转换为串行信号输出至主控模块；主控模块，其连接所述开关量并转串模块的输出端，将接收到的所有开关量数据上送至铁路信号系统的上位机。本发明突破了开关量采集的数量限制，通过采集模块和并转串模块的灵活组合以满足各种采集数量要求，同时提高了开关量采集裕量，明显增强了抗干扰能力，并且实现了机柜上架安装。

Description

一种多路开关量采集与处理装置

技术领域

本发明涉及铁路信号系统，尤其涉及一种多路开关量采集与处理装置。

背景技术

在铁路信号系统中，需要对铁路区间上列车的占用状态进行采集，并将采集结果发送到上位机。这一需求看似简单，但要实际满足，难点如下：

铁路信号系统中，需要采集的开关量数量较多，有时多达上百个，这就要求每一台设备可以尽可能的采集多路开关量，随着需要采集的开关量数量增加，主控模块受限于管脚数量，将不可能直接采集开关量，而需要进行专门设计。

铁路信号系统中，开关量的采集场景千差万别，开关量采集数量差别也很大，这就需要开关量采集设备在开关量采集数量上具备一定的灵活性，要可以通过现场的实际需求灵活配置。

铁路现场电磁环境较复杂，在保证准确采集的前提下，也要防止电磁干扰导致的误采集。

目前市面上的开关量采集装置，缺点如下：

1、每台设备采集的开关量的数量较少，不能满足铁路信号系统多种情况下多达上百个开关量采集的需求。

2、开关量采集设备不可并行使用，当开关量采集的需求数量超过每台设备的采集量时，无法通过多台设备组合的方式，灵活满足现场各种开关量采集数量的需求。

3、不可以机柜上架安装。

4、开关量采集电压值的裕量较小，铁路现场电磁环境复杂，容易造成误采集。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多路开关量采集与处理装置，突破了开关量采集的数量限制，通过采集模块和并转串模块的灵活组合以满足各种采集数量要求，同时提高了开关量采集裕量，明显增强了抗干扰能力，并且实现了机柜上架安装。

为了达到上述目的，本发明提供一种多路开关量采集与处理装置，包含：

多个开关量采集模块，每个开关量采集模块采集一路开关量；

至少一个开关量并转串模块，其输入端连接开关量采集模块的输出端，其输出端连接至主控模块，该开关量并转串模块将并行输入的开关量采集模块的输入信号转换为串行信号输出至主控模块；

主控模块，其连接所述开关量并转串模块的输出端，将接收到的所有开关量数据上送至铁路信号系统的上位机。

所述多路开关量采集与处理装置还包含拨码模块，其连接所述主控模块，用于标记开关量采集模块和开关量并转串模块的序号，主控模块将序号信息一并上送至铁路信号系统的上位机，以便上位机判别开关量是来自哪一个开关量采集模块。

所述多路开关量采集与处理装置还包含接口模块，其连接所述主控模块，用于将主控模块的信号转换成上位机可以接收的信号。

所述多路开关量采集与处理装置还包含电源模块，其分别连接所述开关量采集模块、开关量并转串模块、主控模块、接口模块和拨码模块，为上述模块提供电力。

所述开关量采集模块包含：电路连接的电路防护模块、稳压模块和光电隔离模块；所述电路防护模块用于防止短路和外部干扰；所述稳压模块用于抬高采集开关量的电压范围，防止误采集；所述光电隔离模块用于采集开关量。

所述电路防护模块至少包含保险丝和压敏电阻，所述保险丝和压敏电阻串联在采样端和接地端之间，所述保险丝用于防止短路，所述压敏电阻用于抗外部干扰。

所述稳压模块至少包含一串联在采样端的第一稳压二极管，所述第一稳压二极管以自身的额定电压抬高采集开关量的电压范围，以防止误采集。

所述稳压模块还包含一串联在采样端的二极管，用于防止电路反接。

所述稳压模块还包含一并联在采样端和接地端之间的第二稳压二极管，所述第二稳压二极管防止过高电压击穿光电隔离模块。

所述光电隔离模块至少包含一光耦，所述光耦的两个输入端分别连接采样端和接地端，所述光耦的一个输出端输出开关量信息，另一个输出端接地，当光耦导通，输出低电平，当光耦未导通，输出高电平。

所述光电隔离模块还包含至少一串联在采样端的电阻，用于调节流过所述光耦的电流值。

通过配置第一稳压二极管的额定工作电压值，以及配置串联在采样端的电阻的阻值，来调节开关量采集模块的采样电压阈值，实现对不同电压伏值的开关量的采集；

其中，电压阈值＝第一稳压二极管的额定工作电压值+光耦的压降+串联在采样端的电阻的电压+其他串联在采样端的器件的电压。

所述开关量并转串模块包含：依次串联的多个并转串模块；

所述每一个并转串模块的输入端连接至少两个所述开关量采集模块的输出端，所述每一个并转串模块的输出端将串行信号输出至下一级并转串模块，最后一级并转串模块的输出端将串行信号输出至主控模块。

本发明具有以下有益效果：

1、采用多个开关量并转串模块，突破了因为主控芯片管脚数量限制带来的对开关量采集码位数量的限制，可以实现多个开关量并转串模块同时工作，根据实际情况灵活搭配板卡数量，从而成倍的增加开关量采集码位的数量，使用者可以基本不受采集码位数量限制。

2、通过采集端的稳压模块设计，一方面防止采集低电平时，外部干扰导致采集电压值变化，造成误采集，另一方面也能防止采集高电平时，因电源压降、干扰等原因，造成误采集，从而提高了开关量采集裕量，明显增强了抗干扰能力。

3、采用6U，6HP插板式设计，方便在标准机柜中安装。

附图说明

图1是本发明提供的一种多路开关量采集与处理装置的结构框图。

图2是开关量采集模块的结构框图。

图3是开关量并转串模块的结构框图。

图4是本发明实施例中开关量采集模块的电路图。

图5是本发明实施例中开关量并转串模块的电路图。

具体实施方式

以下根据图1～图5，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种多路开关量采集与处理装置，包含：

多个开关量采集模块1，每个开关量采集模块1采集一路开关量；

至少一个开关量并转串模块2，其输入端连接开关量采集模块1的输出端，其输出端连接至主控模块3，该开关量并转串模块2将并行输入的开关量采集模块1的输入信号转换为串行信号输出至主控模块3；

主控模块3，其连接所述开关量并转串模块2的输出端，将接收到的所有开关量数据上送至铁路信号系统的上位机；

接口模块4，其连接所述主控模块3，用于将主控模块3的信号转换成上位机可以接收的信号。

拨码模块5，其连接所述主控模块3，用于标记开关量采集模块1和开关量并转串模块2的序号，主控模块3将序号信息一并上送至铁路信号系统的上位机，以便上位机判别开关量是来自哪一个开关量采集模块；

电源模块6，其分别连接所述开关量采集模块1、开关量并转串模块2、主控模块3、接口模块4和拨码模块5，为上述模块提供电力。

如图2所示，所述开关量采集模块1进一步包含：电路连接的电路防护模块201、稳压模块202和光电隔离模块203。所述电路防护模块201用于防止短路和外部干扰。所述稳压模块202用于设置采样阈值，防止误采集。所述光电隔离模块203用于采集开关量。

如图3所示，所述开关量并转串模块2进一步包含：依次串联的多个并转串模块201。其中，第一级并转串模块201的输入端全部连接所述开关量采集模块1的输出端，将并行输入的信号转换为串行信号输出至第二级并转串模块201的其中一个输入端；第二级并转串模块201的其中一个输入端连接第一级并转串模块201的输出端，其他输入端全部连接所述开关量采集模块1的输出端，将并行输入的信号转换为串行信号输出至第三级并转串模块201的其中一个输入端；以此类推，第N级并转串模块201的其中一个输入端连接第N-1级并转串模块201的输出端，其他输入端全部连接所述开关量采集模块1的输出端，将并行输入的信号转换为串行信号输出至第N+1级并转串模块201的其中一个输入端；最后一级并转串模块201的其中一个输入端连接上一级并转串模块201的输出端，其他输入端全部连接所述开关量采集模块1的输出端，将并行输入的信号转换为串行信号输出至主控模块3。

在本发明的一个实施例中，每一个开关量并转串模块是一片板卡，可以支持16片板卡同时工作，每一个开关量并转串模块可以输入64路开关量信号，则一共可以采集1024路开关量信号，也就是说，需要1024个开关量采集模块。

如图4所示，在本实施例中，所述开关量采集模块中，所述电路防护模块包含串联在采样端INO和接地端V0-3之间的保险丝F2和压敏电阻R74，当有外部浪涌干扰时，干扰信号通过所述压敏电阻R74进行泄放，所述保险丝F2用于防止短路，一旦压敏电阻R74短路，保险丝F2可以及时断开与外部电路的连接。

所述稳压模块包含并联在采样端INO和接地端V0-3之间的第一稳压二极管D16，以及串联在采样端INO上的二极管D11和第二稳压二极管D12，所述第一稳压二极管D16用于保护光耦U21，防止过高电压击穿光耦U21，所述二极管D11用于防止电路反接，所述第二稳压二极管D12以自身的额定电压抬高采集开关量的电压范围，以防止误采集。稳压二极管的特性如下：当稳压二极管的两端电压值小于其额定工作电压时，稳压二极管不导通；当稳压二极管的两端电压值大于其额定工作电压时，稳压管两端的电压值稳定在其额定工作电压。

所述光电隔离模块包含光耦U21和电阻R73，所述电阻R73串联在采样端INO上，用于调节流过光耦U21的电流值，所述光耦U21的一个输入管脚1串联在采样端INO上，另一个输入管脚3接地，所述光耦U21的一个输出管脚6作为输出端I00输出开关量信息，另一个输出管脚4接地。当光耦U21导通时，输出低电平“0”，当光耦U21未导通时，由串联在输出管脚6上的上拉电阻R68输出高电平“1”。

在本实施例中，以采集24V开关量为例，采用额定工作电压值为7.5V的第二稳压二级管D12，开关型光耦U21约为1.5V，外部采集的电压，经过稳压模块降压后，以电流的形式流入开关型光耦U21。当采集电压在0-9V时，均视为0V，此时第二稳压二极管D12两端电压值小于7.5V，第二稳压二极管D12处于断开状态，光电隔离模块未导通，开关型光耦U21的输出管脚6和输出管脚4断开，由上拉电阻R68输出高电平“1”；当采集电压在11-24V时，均视为24V，此时第二稳压二极管D12两端电压值为7.5V，开关型光耦U21流过的电流变大，可以打开开关型光耦U21，输出管脚6和输出管脚4导通，输出低电平“0”。

通过配置具有不同额定工作电压值的稳压二极管D12，并调节串联在光耦采样端的电阻R73的阻值，来调节开关量采集模块的采样电压阈值TV，从而实现对多种伏值开关量的采集。其中，在图4中，电压阈值TV＝稳压二极管D12的额定工作电压值+光耦U21的压降+二极管D11的压降+电阻R71的电压+电阻R73的电压+电阻R77的电压。

如图5所示，在本实施例中，所述开关量并转串模块采用8个8路并转串模块串联，形成64路的开关量并转串模块，该64路开关量并转串模块集成在一块6HP和6U高度的板卡上。所述8路并转串模块的型号采用74HC165，该8路并转串模块具有8路输入端口A-H，还具有一个用于控制时序的SER端口。8个8路并转串模块依次串联，开关量采集模块采集的64路开关量Iab(a＝0-7，b＝0-7)并行输入8个8路并转串模块的输入端口，上一级8路并转串模块的输出信号输入下一级8路并转串模块的SER端口，最后一级8路并转串模块最终输出SRDATH串信号给主控模块。

在本实施例中，所述主控模块采用基于AT89S52单片机进行设计。

在本实施例中，所述接口模块采用单端转差分芯片组成的RS422通信模块，将主控模块中的UART信号转换成RS422信号。

在本实施例中，所述拨码模块主要由拨码开关组成，与所述主控模块直接相连。在实际应用中，主控模块可以同时连接多片板卡，每片板卡都是一个开关量并转串模块，连接着多个开关量采集模块，多片板卡同时工作，能够成倍的增加开关量采集码位的数量，进一步扩大了采集数量。为了标记各个不同的板卡采集的开关量，需要应用拨码开关的标记功能，以16片板卡同时工作为例，当拨码开关为0000时，表示当前的采样值来自第1片板卡中的第1-64码位，当拨码开关为1111时，则表示当前的采样值来自第16片板卡中的码位。通过人工设置拨码开关的值，主控模块在向上位机发送开关量采集数据时，会将拨码开关的值与开关量数据一同发出，从而标记开关量来自哪个板卡。

本发明主要的应用场景是在铁路信号系统中，对铁路区间上列车的占用状态进行采集。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、采用多个开关量并转串模块，突破了因为主控芯片管脚数量限制带来的对开关量采集码位数量的限制，可以实现多个开关量并转串模块同时工作，根据实际情况灵活搭配板卡数量，从而成倍的增加开关量采集码位的数量，使用者可以基本不受采集码位数量限制。

2、通过采集端的稳压模块设计，一方面防止采集低电平时，外部干扰导致采集电压值变化，造成误采集，另一方面也能防止采集高电平时，因电源压降、干扰等原因，造成误采集，从而提高了开关量采集裕量，明显增强了抗干扰能力。

3、采用6U，6HP插板式设计，方便在标准机柜中安装。

需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (13)

1.一种多路开关量采集与处理装置，其特征在于，包含：

多个开关量采集模块，每个开关量采集模块采集一路开关量；

至少一个开关量并转串模块，其输入端连接开关量采集模块的输出端，其输出端连接至主控模块，该开关量并转串模块将并行输入的开关量采集模块的输入信号转换为串行信号输出至主控模块；

主控模块，其连接所述开关量并转串模块的输出端，将接收到的所有开关量数据上送至铁路信号系统的上位机。

2.如权利要求1所述的多路开关量采集与处理装置，其特征在于，所述多路开关量采集与处理装置还包含拨码模块，其连接所述主控模块，用于标记开关量采集模块和开关量并转串模块的序号，主控模块将序号信息一并上送至铁路信号系统的上位机，以便上位机判别开关量是来自哪一个开关量采集模块。

3.如权利要求2所述的多路开关量采集与处理装置，其特征在于，所述多路开关量采集与处理装置还包含接口模块，其连接所述主控模块，用于将主控模块的信号转换成上位机可以接收的信号。

4.如权利要求3所述的多路开关量采集与处理装置，其特征在于，所述多路开关量采集与处理装置还包含电源模块，其分别连接所述开关量采集模块、开关量并转串模块、主控模块、接口模块和拨码模块，为上述模块提供电力。

5.如权利要求1所述的多路开关量采集与处理装置，其特征在于，所述开关量采集模块包含：电路连接的电路防护模块、稳压模块和光电隔离模块；所述电路防护模块用于防止短路和外部干扰；所述稳压模块用于抬高采集开关量的电压范围，防止误采集；所述光电隔离模块用于采集开关量。

6.如权利要求5所述的多路开关量采集与处理装置，其特征在于，所述电路防护模块至少包含保险丝和压敏电阻，所述保险丝和压敏电阻串联在采样端和接地端之间，所述保险丝用于防止短路，所述压敏电阻用于抗外部干扰。

7.如权利要求5所述的多路开关量采集与处理装置，其特征在于，所述稳压模块至少包含一串联在采样端的第一稳压二极管，所述第一稳压二极管以自身的额定电压抬高采集开关量的电压范围，以防止误采集。

8.如权利要求7所述的多路开关量采集与处理装置，其特征在于，所述稳压模块还包含一串联在采样端的二极管，用于防止电路反接。

9.如权利要求8所述的多路开关量采集与处理装置，其特征在于，所述稳压模块还包含一并联在采样端和接地端之间的第二稳压二极管，所述第二稳压二极管防止过高电压击穿光电隔离模块。

10.如权利要求5所述的多路开关量采集与处理装置，其特征在于，所述光电隔离模块至少包含一光耦，所述光耦的两个输入端分别连接采样端和接地端，所述光耦的一个输出端输出开关量信息，另一个输出端接地，当光耦导通，输出低电平，当光耦未导通，输出高电平。

11.如权利要求10所述的多路开关量采集与处理装置，其特征在于，所述光电隔离模块还包含至少一串联在采样端的电阻，用于调节流过所述光耦的电流值。

12.如权利要求7或10所述的多路开关量采集与处理装置，其特征在于，通过配置第一稳压二极管的额定工作电压值，以及配置串联在采样端的电阻的阻值，来调节开关量采集模块的采样电压阈值，实现对不同电压伏值的开关量的采集；

其中，电压阈值＝第一稳压二极管的额定工作电压值+光耦的压降+串联在采样端的电阻的电压+其他串联在采样端的器件的电压。

13.如权利要求1所述的多路开关量采集与处理装置，其特征在于，所述开关量并转串模块包含：依次串联的多个并转串模块；

所述每一个并转串模块的输入端连接至少两个所述开关量采集模块的输出端，所述每一个并转串模块的输出端将串行信号输出至下一级并转串模块，最后一级并转串模块的输出端将串行信号输出至主控模块。

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