CN113022649B - Pwm编码器、编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种PWM编码器，包括：信号采集电路、CPU电路、PWM输出电路；CPU电路包括控制CPU电路、监控CPU电路，信号采集电路采集列车的模式开关量信号、模式级位模拟量信号并传输至控制CPU电路，采集的模式级位模拟量信号以及预设的模式级位模拟量信号，生成PWM输出信号；监控CPU电路根据控制CPU电路输出的PWM输出信号、及PWM输出电路反馈的PWM输出反馈信号，监控控制CPU电路、PWM输出电路的工作状态，并在判断为正常工作状态时有效输出PWM输出控制信号。本发明采用控制CPU+监控CPU的架构，将控制逻辑与监控逻辑分开，有效提高了PWM编码器的设计安全性。同时，本发明还提供了一种PWM编码方法。
Description
技术领域
本发明属于轨道车辆控制领域，尤其涉及一种PWM编码器、编码方法。
背景技术
在动力分散型轨道车辆中，将来自司机控制器或自动列车控制(ATO)的信号可靠地传送至列车各节车的牵引和制动系统中。出于“硬线优先”的可靠性原则，通常采用脉冲宽度调制的方式进行信号传递。PWM编码器正是在动车组、地铁车辆中担负着牵引、制动指令传输重要任务的电子设备，其对列车的运行安全至关重要，其工作原理是通过采集开关量信号和模拟量信号，经由内部逻辑运算与判断，最终输出占空比可调的PWM信号并提供给车辆牵引和制动系统。
随着技术的不断进步和轨道交通系统对电子设备的安全性和可靠性要求的不断提高，PWM编码器的安全性和可靠性显得尤为重要，而现有的PWM编码器在安全性与可靠性方面仍有不足之处。
发明内容
本发明在上述现有编码器不足的基础上改进，提供了一种PWM编码器、编码方法，采用控制CPU+监控CPU的架构，将控制逻辑与监控逻辑分开，有效提高了PWM编码器的设计安全性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种PWM编码器，包括：信号采集电路、CPU电路、PWM输出电路；
所述CPU电路包括控制CPU电路、监控CPU电路，所述控制CPU电路和所述监控CPU电路通过硬线交互数据；
所述信号采集电路采集列车的模式开关量信号、模式级位模拟量信号并传输至所述控制CPU电路，所述控制CPU电路根据采集的模式开关量信号判断列车的当前工作模式，并根据采集的模式级位模拟量信号以及预设的模式级位模拟量信号，生成PWM输出信号；
所述监控CPU电路根据所述控制CPU电路输出的PWM输出信号、及所述PWM输出电路反馈的PWM输出反馈信号，监控所述控制CPU电路、所述PWM输出电路的工作状态，并在判断为正常工作状态时有效输出PWM输出控制信号。
优选的，所述信号采集电路包括开关量采集电路；
所述开关量采集电路包括开关量自检测电路，以及多路开关量隔离采集电路；
每一个模式开关量信号由多路开关量采集电路进行采集后输出至所述控制CPU电路；
所述开关量自检测电路对所述开关量采集电路进行自检测；
当采集的开关量信号有效且自检测信号无效时，输出采集的开关量信号；当采集开关量信号无效且自检测信号有效时，输出自检测信号。
优选的，所述信号采集电路还包括模拟量采集电路，所述模拟量采集电路包括依次连接的模拟量自检测电路、控制选择开关、多路模拟量采集电路；
所述模拟量自检测电路生成多路基准信号，通过所述控制选择开关对模式级位模拟量信号和多路基准信号进行选通控制；
每一个模式级位模拟量信号由多路模拟量采集电路进行采集后输出至所述控制CPU电路。
优选的，当PWM编码器初上电时，所述控制选择开关分别选通所有路基准信号进行模拟量采集电路的校验检查，在校验检查结果正确时，PWM编码器进入正常工作状态，所述控制选择开关选通至模式级位模拟量信号。
优选的，所述PWM输出电路包括PWM输出及信号采集回路，所述PWM输出及信号采集回路包括第一驱动电路，所述第一驱动电路同时与所述控制CPU电路、监控CPU电路通过光耦隔离通信；
所述控制CPU电路输出的PWM输出信号经光耦隔离后经过所述第一驱动电路后输出，所述第一驱动电路输出的信号经光耦隔离采集生成PWM输出反馈信号反馈至所述监控CPU电路，与所述控制CPU电路输出的PWM输出信号根据预设的PWM输出信号正常状态判断条件进行判断，若判断为PWM输出信号异常，则监控CPU将检测结果反馈至所述控制CPU电路。
优选的，所述PWM输出电路还包括PWM输出控制及状态监控电路，所述PWM输出控制及状态监控电路包括第二驱动电路、整流电路、继电器组；
所述控制CPU电路通过光耦隔离后，经过所述第二驱动电路、整流电路生成直流电源信号传输至所述继电器组以供电；
同时所述监控CPU电路通过光耦隔离后输出继电器动作使能信号至所述继电器组控制所述继电器组工作，并接收所述继电器组反馈的继电器组状态反馈信号。
优选的，所述的PWM编码器进一步包括电源输出及检测电路，所述电源输出及检测电路包括冗余设置的隔离电源电路，以及电压检测电路；所述隔离电源电路为PWM编码器提供供电电源，所述检测电路实时检测所述隔离电源电路的欠过压状态并反馈至所述监控CPU电路进行电源监控。
优选的，所述的PWM编码器进一步包括数据记录电路，所述数据记录电路与所述CPU电路通信，用于记录PWM编码器的故障及状态数据，所述控制CPU通过通信总线访问所述数据记录电路中的Flash。
本发明还提供了一种PWM编码方法，采用所述的PWM编码器，包括：
PWM编码器初上电后自检，当自检正常后进入正常工作模式；
正常工作模式下，PWM编码器进行列车的模式开关量信号采集，根据采集的模式开关量信号判断列车当前是否处于牵引、制动或ATO工作模式；
若判断出列车处于牵引、制动或ATO工作模式，则根据当前采集的模式级位模拟量信号以及预设的模式级位模拟量信号与PWM占空比关系曲线，计算PWM输出信号占空比并输出PWM输出信号；
判断PWM输出信号与PWM输出反馈信号是否满足预设的PWM输出信号正常状态判断条件，若满足则有效输出PWM输出控制信号。
优选的，若判断列车均不处于牵引、制动或ATO工作模式，则关断PWM输出信号，PWM编码器导向安全侧。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明提供PWM编码器采用控制CPU+监控CPU的架构，将控制逻辑与监控逻辑分开，有效提高了PWM编码器的设计安全性；同时，开关量采集电路和模拟量采集电路采用多路采集的方式，并具备电路自检测功能，CPU电路对采集结果和诊断结果进行比较判断，提高了开关量采集和模拟量采集的安全性与可靠性。同时，本发明电源电路采用冗余设计架构，并具有电源检测功能，能够实时检测各个电源轨是否有过压或者欠压故障，当发生故障时能够导向安全侧，提高了PWM编码器的可用性和安全性。本发明通过动态看门狗信号进行PWM信号输出控制，并对PWM输出信号、状态信号进行反馈检测，当发生故障时能够导向安全侧，提高了PWM编码器的安全性；本发明还能够通过数据记录电路对故障数据和状态数据进行记录，有利于PWM编码器故障发生时的故障分析，提高了系统的可维护性。
附图说明
图1为本发明的PWM编码器整体原理图；
图2为CPU电路原理图；
图3为开关量采集电路原理图；
图4为模拟量采集电路原理图；
图5为PWM输出及信号采集回路原理图；
图6为PWM输出控制及状态监控电路原理图；
图7为电源输出及检测电路原理图；
图8为数据记录电路原理图；
图9为PWM编码方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种PWM编码器，包括：信号采集电路、CPU电路、PWM输出电路、电源输出及检测电路、数据记录电路；
其中，CPU电路采用控制CPU+监控CPU的架构，将控制逻辑与监控逻辑分开，以有效提高PWM编码器的安全性，CPU电路包括控制CPU电路、监控CPU电路，控制CPU电路和监控CPU电路通过硬线交互数据。控制CPU电路实现列车的模式开关量信号、模式级位模拟量信号采集、逻辑运算与判断、PWM信号的输出控制和数据的记录等功能；监控CPU电路实现对控制CPU电路的状态监控、PWM输出电路的控制、以及电源输出及检测电路的状态监控等功能。
具体的，如图2所示，对于控制CPU电路，信号采集电路采集列车的模式开关量信号、模式级位模拟量信号并传输至控制CPU电路，控制CPU电路根据采集的模式开关量信号判断列车的当前工作模式，即判断列车是否处于牵引、制动或ATO工作模式，若判断出列车处于牵引、制动或ATO工作模式，则根据当前采集的模式级位模拟量信号以及预设的模式级位模拟量信号与PWM占空比关系曲线，计算PWM输出信号占空比并生成PWM输出信号输出。同时，控制CPU电路当处于正常工作状态时，输出看门狗信号。控制CPU电路通过数据通信总线与外部Flash进行通信，进行必要的数据记录。对于监控CPU电路，如图2所示，其根据控制CPU电路输出的PWM输出信号、及PWM输出电路反馈的PWM输出反馈信号，电源输出及检测电路的状态监控信号，监控控制CPU电路、PWM输出电路、电源输出及检测电路的工作状态，并在判断为正常工作状态时有效输出PWM输出控制信号，否则输出的PWM输出控制信号无效。
对于信号采集电路，其包括开关量采集电路、模拟量采集电路，开关量采集电路采集列车的模式开关量信号，模拟量采集电路采集列车的模式级位模拟量信号。对于开关量采集电路，其结构如图3所示，其包括开关量自检测电路，以及多路开关量隔离采集电路。本实施例中设置为两路相同的开关量隔离采集电路，每一个模式开关量信号由两路开关量采集电路进行采集后输出至控制CPU电路进行处理。开关量自检测电路对开关量采集电路进行自检测，当采集的开关量信号有效且自检测信号无效时，输出采集的开关量信号；当采集开关量信号无效且自检测信号有效时，输出自检测信号。对于模拟量采集电路，其电路结构如图4所示，其包括依次连接的模拟量自检测电路、控制选择开关、多路模拟量采集电路。本实施例中采用两路完全相同的模拟量采集电路，模拟量自检测电路生成多路基准信号，通过控制选择开关对模式级位模拟量信号和多路基准信号进行选通控制；当PWM编码器初上电时，控制选择开关分别选通所有路基准信号进行模拟量采集电路的校验检查，在校验检查结果正确时，PWM编码器进入正常工作状态，控制选择开关选通至模式级位模拟量信号。每一个模式级位模拟量信号由多路模拟量采集电路进行采集后输出至控制CPU电路进行处理。
对于PWM输出电路，其包括PWM输出及信号采集回路、以及PWM输出控制及状态监控电路。如图5所示，PWM输出及信号采集回路包括第一驱动电路，第一驱动电路同时与控制CPU电路、监控CPU电路通过光耦隔离通信；控制CPU电路输出的PWM输出信号经光耦隔离后经过第一驱动电路后输出，第一驱动电路输出的信号经光耦隔离采集生成PWM输出反馈信号反馈至监控CPU电路，与控制CPU电路输出的PWM输出信号根据预设的PWM输出信号正常状态判断条件进行判断，若判断为PWM输出信号异常，则监控CPU将检测结果反馈至控制CPU电路，并切断PWM输出使能信号。
对于PWM输出控制及状态监控电路，其电路结构如图6所示，PWM输出控制及状态监控电路包括第二驱动电路、整流电路、继电器组；控制CPU电路通过光耦隔离后，经过第二驱动电路、整流电路生成直流电源信号传输至继电器组以供电；同时监控CPU电路通过光耦隔离后输出继电器动作使能信号至继电器组控制继电器组工作，并接收继电器组反馈的继电器组状态反馈信号。本实施例中继电器组包括第一继电器、第二继电器，正常工作状态下，控制CPU电路发出看门狗信号，看门狗信号经光耦隔离输出，经第二驱动电路和整流电路后生成直流电源信号，直流电源信号使得第一继电器线圈得电，常开触点闭合，PWM输出继电器线圈电源得电。若监控CPU电路输出使能信号有效，则第二继电器线圈得电后其常开触点闭合，使得PWM信号有效输出；若监控CPU电路输出使能信号无效，则第二继电器的常开触点断开，PWM信号不能有效输出。若控制CPU电路发出看门狗信号无效，也就是保持低电平或者高电平，则经整流电路输出的直流电源电压为0，第一继电器线圈不动作，使得PWM输出继电器线圈电源不得电，从而无论监控CPU电路输出使能信号是否有效，第二继电器的常开触点均无法闭合，PWM信号不能有效输出。监控CPU电路实时监控PWM输出继电器线圈电源，若状态反馈信号有效，则说明控制CPU电路输出的看门狗信号有效，经整流电路后的直流电源有效，电路工作正常，否则电路工作不正常，监控CPU电路通过与控制CPU电路之间的通信硬线将电路状态信息反馈至控制CPU进行故障逻辑处理。监控CPU输出的输出使能信号在PWM编码器无故障的条件下有效，当发生故障时为了保证列车运行安全性，切断PWM输出信号，需使得输出使能信号无效。
对于电源输出及检测电路，电路结构如图7所示，本实施例中电源输出及检测电路包括采用冗余设置，隔离电源电路为PWM编码器提供供电电源，电压检测电路实时检测隔离电源电路的欠过压状态并反馈至监控CPU电路进行电源监控。
对于数据记录电路，其结构如图8所示，数据记录电路与CPU电路通信，用于记录PWM编码器的故障及状态数据，控制CPU通过通信总线访问所述数据记录电路中的Flash。
对于PWM编码器的软件逻辑设计部分，其软件逻辑示意图如图9所示，包括：
PWM编码器初上电后自检，当自检正常后进入正常工作模式：即，开关量采集电路、模拟量采集电路、电源输出及检测电路分别进行自检测，当检测均通过后PWM编码器进入正常工作模式。
当正常工作模式下，PWM编码器进行列车的模式开关量信号采集，根据采集的模式开关量信号判断列车当前是否处于牵引、制动或ATO工作模式，牵引、制动或ATO工作模式互斥，若判断三种模式均不存在，则关断PWM输出信号，PWM编码器导向安全侧。
若判断出列车处于牵引、制动或ATO工作模式，则根据当前采集的模式级位模拟量信号以及预设的模式级位模拟量信号与PWM占空比关系曲线，计算PWM输出信号占空比并输出PWM输出信号。同时，判断PWM输出信号与PWM输出反馈信号是否满足预设的PWM输出信号正常状态判断条件，若满足则认为输出正常，否则导向故障状态；同时对PWM输出继电器线圈电源状态进行状态判断，若状态不正常则导向故障状态。正常状态是PWM输出控制信号使能，看门狗信号有效输出，则继电器常开触点闭合，PWM信号能够有效输出；故障状态是PWM输出控制信号不使能、释放看门狗信号，则继电器常开触点断开，PWM信号不能够有效输出，PWM编码器宕机，同时记录故障状态下的故障及状态数据。
综上，本发明提供PWM编码器采用控制CPU+监控CPU的架构，将控制逻辑与监控逻辑分开，有效提高了PWM编码器的设计安全性；同时，开关量采集电路和模拟量采集电路采用多路采集的方式，并具备电路自检测功能，CPU电路对采集结果和诊断结果进行比较判断，提高了开关量采集和模拟量采集的安全性与可靠性。同时，本发明电源电路采用冗余设计架构，并具有电源检测功能，能够实时检测各个电源轨是否有过压或者欠压故障，当发生故障时能够导向安全侧，提高了PWM编码器的可用性和安全性。本发明通过动态看门狗信号进行PWM信号输出控制，并对PWM输出信号、状态信号进行反馈检测，当发生故障时能够导向安全侧，提高了PWM编码器的安全性；本发明还能够通过数据记录电路对故障数据和状态数据进行记录，有利于PWM编码器故障发生时的故障分析，提高了系统的可维护性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种PWM编码器，其特征在于，包括：信号采集电路、CPU电路、PWM输出电路；
所述CPU电路包括控制CPU电路、监控CPU电路，所述控制CPU电路和所述监控CPU电路通过硬线交互数据；
所述信号采集电路采集列车的模式开关量信号、模式级位模拟量信号并传输至所述控制CPU电路，所述控制CPU电路根据采集的模式开关量信号判断列车的当前工作模式，并根据采集的模式级位模拟量信号以及预设的模式级位模拟量信号，生成PWM输出信号；
所述监控CPU电路根据所述控制CPU电路输出的PWM输出信号、及所述PWM输出电路反馈的PWM输出反馈信号，监控所述控制CPU电路、所述PWM输出电路的工作状态，并在判断为正常工作状态时有效输出PWM输出控制信号；
所述信号采集电路包括开关量采集电路和模拟量采集电路；
所述开关量采集电路包括开关量自检测电路，以及多路开关量隔离采集电路；每一个模式开关量信号由多路开关量采集电路进行采集后输出至所述控制CPU电路；所述开关量自检测电路对所述开关量采集电路进行自检测；当采集的开关量信号有效且自检测信号无效时，输出采集的开关量信号；当采集开关量信号无效且自检测信号有效时，输出自检测信号；
所述模拟量采集电路包括依次连接的模拟量自检测电路、控制选择开关、多路模拟量采集电路；所述模拟量自检测电路生成多路基准信号，通过所述控制选择开关对模式级位模拟量信号和多路基准信号进行选通控制；每一个模式级位模拟量信号由多路模拟量采集电路进行采集后输出至所述控制CPU电路。
2.根据权利要求1所述的PWM编码器，其特征在于，当PWM编码器初上电时，所述控制选择开关分别选通所有路基准信号进行模拟量采集电路的校验检查，在校验检查结果正确时，PWM编码器进入正常工作状态，所述控制选择开关选通至模式级位模拟量信号。
3.根据权利要求1所述的PWM编码器，其特征在于，所述PWM输出电路包括PWM输出及信号采集回路，所述PWM输出及信号采集回路包括第一驱动电路，所述第一驱动电路同时与所述控制CPU电路、监控CPU电路通过光耦隔离通信；
所述控制CPU电路输出的PWM输出信号经光耦隔离后经过所述第一驱动电路后输出，所述第一驱动电路输出的信号经光耦隔离采集生成PWM输出反馈信号反馈至所述监控CPU电路，与所述控制CPU电路输出的PWM输出信号根据预设的PWM输出信号正常状态判断条件进行判断，若判断为PWM输出信号异常，则监控CPU将检测结果反馈至所述控制CPU电路。
4.根据权利要求1或3所述的PWM编码器，其特征在于，所述PWM输出电路还包括PWM输出控制及状态监控电路，所述PWM输出控制及状态监控电路包括第二驱动电路、整流电路、继电器组；
所述控制CPU电路通过光耦隔离后，经过所述第二驱动电路、整流电路生成直流电源信号传输至所述继电器组以供电；
同时所述监控CPU电路通过光耦隔离后输出继电器动作使能信号至所述继电器组控制所述继电器组工作，并接收所述继电器组反馈的继电器组状态反馈信号。
5.根据权利要求4所述的PWM编码器，其特征在于，进一步包括电源输出及检测电路，所述电源输出及检测电路包括冗余设置的隔离电源电路，以及电压检测电路；所述隔离电源电路为PWM编码器提供供电电源，所述检测电路实时检测所述隔离电源电路的欠过压状态并反馈至所述监控CPU电路进行电源监控。
6.根据权利要求1所述的PWM编码器，其特征在于，进一步包括数据记录电路，所述数据记录电路与所述CPU电路通信，用于记录PWM编码器的故障及状态数据，所述控制CPU通过通信总线访问所述数据记录电路中的Flash。
7.一种PWM编码方法，采用权利要求1-6任一项所述的PWM编码器，其特征在于，包括：
PWM编码器初上电后自检，当自检正常后进入正常工作模式；
正常工作模式下，PWM编码器进行列车的模式开关量信号采集，根据采集的模式开关量信号判断列车当前是否处于牵引、制动或ATO工作模式；
若判断出列车处于牵引、制动或ATO工作模式，则根据当前采集的模式级位模拟量信号以及预设的模式级位模拟量信号与PWM占空比关系曲线，计算PWM输出信号占空比并输出PWM输出信号；
判断PWM输出信号与PWM输出反馈信号是否满足预设的PWM输出信号正常状态判断条件，若满足则有效输出PWM输出控制信号。
8.根据权利要求7所述的PWM编码方法，其特征在于，若判断列车均不处于牵引、制动或ATO工作模式，则关断PWM输出信号，PWM编码器导向安全侧。
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