CN117519102A - 一种轨道交通车辆空调控制器的接口兼容及自诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种轨道交通车辆空调控制器的接口兼容及自诊断方法，属于轨道交通车辆空调技术领域，轨道交通车辆空调控制器中的MCU通过两个GPIO端口连接接口电路，接口电路包括DO电路、DI电路以及外部IO接口；当外部IO接口连接外部负载时，接口电路为输出控制模式，DI电路用作故障时的自诊断功能；当外部IO接口连接外部反馈时，接口电路为输入采集模式，DO电路用作故障时的自诊断功能。空调控制器根据连接的外部设备类型，通过软件更改接口电路的模式，减少了产品型号，缩短了开发周期，降低了物料及人力成本；运行异常时，首先空调控制器进行自诊断，判断故障位置，提升自动化程度，提高了故障处理效率，降低售后成本。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通车辆空调技术领域，特别涉及空调控制器，具体涉及一种轨道交通车辆空调控制器的接口兼容及自诊断方法。
背景技术
对于轨道交通车辆空调控制器，处理的信号有DI，DO，AI，AO：AI是模拟输入，如温度传感器等，DI是数字输入，如面板启动信号、压力开关信号，AO是模拟输出，如阀门开度等，DO是数字输出 ，如继电器控制信号输出等。
轨道交通车辆空调定制化程度高，项目需求差异很大，导致空调控制器也需要根据不同项目的需求高度定制，目前空调控制器的接口电路或具备输出信号控制，或具备输入信号采集，不能兼容两种功能，若需求改变，还需要在硬件上重新设计。
另外，一般情况下，空调控制器的接口电路能够驱动接触器、中间继电器、风阀执行器等部件的工作，同时采集数字量、模拟量信号。由于接口电路直接或间接与车辆进行电气连接，其电磁环境恶劣。虽然空调控制器接口电路在设计的时候考虑了EMC防护问题，但是现场应用时仍然存在个别电路损坏的情况，故障后无法自动定位故障点。当空调控制器接口电路对应的功能异常时，控制器不能够进行自诊断，进而判断是外部部件异常还是控制器接口电路损坏。
发明内容
针对现有技术存在的问题提出了本发明。
本发明一方面提出了空调控制器接口兼容的方法，在此基础上，另一方面，提出了空调控制器的自诊断方法。
本发明采用以下方案以实现发明目的：
一种轨道交通车辆空调控制器的接口兼容方法，关键在于，所述轨道交通车辆空调控制器中的MCU通过两个GPIO端口连接接口电路，所述接口电路包括互相连接的DO电路、DI电路以及设置在DO电路和DI电路连接处的外部IO接口。
所述两个GPIO端口分别为输出端和输入端，所述输出端连接DO电路，所述输入端连接DI电路，所述外部IO接口连接外部负载或外部反馈。
所述接口兼容方法包括：当外部IO接口连接外部负载时，MCU设置接口电路为输出控制模式，用于输出DO信号，控制外部负载工作；当外部IO接口连接外部反馈时，MCU设置接口电路为输入采集模式，用于采集外部反馈的DI信号。
进一步的，所述DO电路包括继电器Relay、二极管D5；所述输出端连接继电器Relay的管脚1，控制继电器Relay管脚3、4的断开、闭合状态，所述继电器Relay的管脚2连接电源DVCC5、管脚4连接外部电源OVCC1、管脚3连接二极管D5，所述二极管D5的另一端连接DI电路；
所述DI电路包括电阻R1、稳压二极管D1和光耦；所述电阻R1一端连接所述DO电路中的二极管D5，另一端连接稳压二极管D1，稳压二极管D1的另一端连接光耦的管脚1，所述光耦的管脚2接地、管脚4经电阻R2连接电源DVCC3.3，并经电阻R3连接所述输入端，所述光耦的管脚3接地，并经电容C2连接所述输入端；
所述二极管D5与所述电阻R1中间设置外部IO接口。
进一步的，所述继电器Relay的管脚3还连接二极管D3和瞬态抑制二极管D4，所述瞬态抑制二极管D4的另一端连接所述继电器Relay的管脚4。
进一步的，所述二极管D3的另一端连接电容C1、二极管D2和所述光耦的管脚2，所述电容C1和二极管D2的另一端连接所述电阻R1和所述稳压二极管D1的公共端。
当接口电路为输出控制模式时，MCU驱动输出端输出高低电平信号，信号通过继电器Relay的1、2号管脚，控制Relay的3、4号管脚导通或断开，使得输出端的电平信号通过Relay-D5-外部IO接口输出到外部负载，驱动外部负载动作；
当接口电路为输入采集模式时，外部信号经外部IO接口进入，通过R1-D1驱动光耦的3、4号管脚导通或断开，导致电阻R3和电容C2的公共端得电或失电，反馈给MCU的输入端。
进一步的，当接口电路为输出控制模式时，输出端的电平信号还通过R1-D1驱动光耦的3、4号管脚导通或断开，导致电阻R3和电容C2的公共端得电或失电，反馈给MCU的输入端，MCU判断输入端得到的信号是否与输出端的输出信号是否一致，实现实时诊断。
另一方面，本发明还提出了一种轨道交通车辆空调控制器的自诊断方法，基于上述的轨道交通车辆空调控制器中的MCU通过两个GPIO端口连接接口电路实现，所述自诊断方法包括：当空调控制器判断工作异常时，所述MCU通过输出端发送电平信号，经DO电路和DI电路进入输入端，MCU接收进入的电平信号，判断发出和接收的信号是否一致，如果不一致，则判断为控制器内部电路异常，否则，判断为外部的连接设备异常。
本发明还提出了用于实现上述两种方法的轨道交通车辆空调控制器。
有益效果：空调控制器可以根据连接接口电路的外部设备类型，通过软件更改接口电路的模式，减少了产品型号，缩短了开发周期，降低了物料及人力成本；运行异常时，首先空调控制器进行自诊断，判断故障位置，提升自动化程度，提高了故障处理效率，降低售后成本。
附图说明
图1为本发明的接口电路组成示意图，
图2为接口电路的原理图。
具体实施方式
轨道交通车辆空调控制器是成熟的产品，诸多专利申请都披露了其功能和电路结构，这里不再冗述。
本发明是对空调控制器中的接口电路进行了改进，参看图1，轨道交通车辆空调控制器中的MCU通过两个GPIO端口连接接口电路，所述接口电路包括互相连接的DO电路、DI电路以及设置在DO电路和DI电路连接处的外部IO接口；
所述两个GPIO端口分别为输出端和输入端，所述输出端连接DO电路，所述输入端连接DI电路，所述外部IO接口连接外部负载或外部反馈。
本发明使用MCU的两个GPIO端口控制一个接口电路，提供一个对外的外部IO接口。目前常用的MCU的GPIO端口非常丰富，不会对MCU造成硬件资源方面的影响。
本实施例采用意法半导体的STM32F103ZE，32位ARM微控制器作为MCU，有多达112个快速I/O端口。
当外部IO接口连接外部负载时，MCU设置接口电路为输出控制模式，用于输出DO信号：MCU通过输出端输出电平信号，经接口电路的外部IO接口控制外部负载工作；当外部IO接口连接外部反馈时，MCU设置接口电路为输入采集模式，用于采集外部反馈的DI信号：外部反馈的DI信号经外部IO接口和接口电路进入MCU的输入端，MCU对信号进行采集处理。
MCU设定接口电路的模式后，按照设定的模式工作。
本实施例提供了一种接口电路的具体实现，电路参看图2，MCU的两个管脚1和2分别定义为GPIO/OUT和GPIO/IN，请注意，这里只是示意，并不代表MCU上的具体管脚，MCU的任何GPIO管脚都可以使用。
GPIO/OUT为输出端，GPIO/IN为输入端。
本实施例中提供了三种电源，分别为外部电源OVCC1、电源DVCC3.3和DVCC5。DVCC3.3和DVCC5是内部电源，分别为3.3V和5V直流电源，用于驱动不同电压需求的器件，MCU根据型号连接相应的内部电源。OVCC1是外部提供的电源，用于驱动接触器等外部负载，功率要求较高。IOGND是外部电源OVCC1对应的地，DGND是内部电源的地。
DO电路包括继电器Relay、二极管D5；输出端GPIO/OUT连接继电器Relay的管脚1，控制继电器Relay管脚3、4的断开、闭合状态，继电器Relay的管脚2连接电源DVCC5、管脚4连接外部电源OVCC1、管脚3连接二极管D5，二极管D5的另一端连接DI电路。
继电器Relay的管脚3还连接二极管D3和瞬态抑制二极管D4，瞬态抑制二极管D4的另一端连接所述继电器Relay的管脚4。
本实施例中，继电器Relay采用松下的APAN3105。
DI电路包括电阻R1、稳压二极管D1和光耦；所述电阻R1一端连接DO电路中的二极管D5，另一端连接稳压二极管D1，稳压二极管D1的另一端连接光耦TLP781的管脚1，光耦TLP781的管脚2接地、管脚4经电阻R2连接电源DVCC3.3，并经电阻R3连接输入端GPIO/IN，光耦的管脚3接地，并经电容C2连接所述输入端GPIO/IN。
二极管D5与电阻R1中间即公共端设置外部IO接口。
二极管D3的另一端连接电容C1、二极管D2和光耦的管脚2，电容C1和二极管D2的另一端连接电阻R1和稳压二极管D1的公共端。
本实施例中，瞬态抑制二极管D4使用SMBJ160A，电阻R1、R2、R3的阻值分别为68K、3.3K和3，3K，电容C1为100pF、C2为1uF，光耦采用TLP781。
光耦的管脚2连接外部电源OVCC1对应的地IOGND，光耦的管脚3连接内部电源的地DGND。
图2中的“对外连接器”为接线装置，空调控制器通过“对外连接器”与外部连接，本实施例中，空调控制器接口电路的IO端口连接“对外连接器”，并通过“对外连接器”连接外部负载或外部反馈以及外部电源OVCC1和地IOGND。
“对外连接器”的IO既可以连接外部输入信号也可以连接对外输出信号，即控制器同样一个点位既可以用作信号采集也可以用作对外输出驱动。
“对外连接器”的OVCC1、IOGND连接外部电源、地，同时与接口电路连接，IO连接外部设备，同时连接接口电路。
当外部IO接口连接外部负载时，MCU设置接口电路为输出控制模式；当外部IO接口连接外部反馈时，MCU设置接口电路为输入采集模式。
当接口电路为输出控制模式时，MCU驱动输出端GPIO/OUT输出高低电平信号，信号通过继电器Relay的1、2号管脚，控制Relay的3、4号管脚导通或断开，使得输出端GPIO/OUT的电平信号通过Relay-D5-外部IO接口输出到外部负载，驱动外部负载动作。
当输出端GPIO/OUT输出高电平时，Relay的3、4号管脚导通，外部电源OVCC1通过经继电器Relay、D5到外部IO接口，经对外连接器输出到外部负载。外部电源OVCC1等效输出端GPIO/OUT的高电平，且电源功率可以保证驱动外部负载。
当输出端GPIO/OUT输出低电平时，Relay的3、4号管脚断开，外部IO接口为低电平。
当接口电路为输入采集模式时，外部信号经外部IO接口进入，通过R1-D1驱动光耦的3、4号管脚导通或断开，导致电阻R3和电容C2的公共端得电或失电，反馈给MCU的输入端。
当外部信号为高电平时，外部信号经R1、D1驱动光耦的3、4号管脚导通，电阻R3和电容C2的公共端OIN1得电，MCU的输入端GPIO/IN得到高电平。
当外部信号为低电平时，外部信号经R1、D1驱动光耦的3、4号管脚断开，电阻R3和电容C2的公共端OIN1失电，MCU的输入端GPIO/IN得到低电平。
本实施例中，MCU的两个GPIO管脚分别作为输出和输入，功能简单，容易实现。
由于接口电路中包括DI电路和DO电路，本发明还提出以下实施例：当接口电路为输出控制模式时，输出端的电平信号还通过R1-D1驱动光耦的3、4号管脚导通或断开，导致电阻R3和电容C2的公共端得电或失电，反馈给MCU的输入端，MCU判断输入端得到的信号是否与输出端的输出信号是否一致，实现实时诊断。
当接口电路为输出控制模式时，MCU驱动输出端GPIO/OUT输出高低电平信号，信号通过继电器Relay的1、2号管脚，控制继电器Relay的3、4号管脚导通或断开，使得输出端GPIO/OUT的电平信号通过Relay-D5-外部IO接口输出到外部负载，驱动外部负载动作；同时，电平信号通过R1-D1驱动光耦的3、4号管脚导通或断开，导致电阻R3和电容C2的公共端OIN1得电或失电，反馈给MCU的输入端GPIO/IN。
以上实施例实现了当接口电路为输出控制模式时的实时诊断，及时发现空调控制器内部电路的异常。
基于上述电路结构，本发明还提出一种轨道交通车辆空调控制器的自诊断方法：当空调控制器判断工作异常时，所述MCU通过输出端发送电平信号，经DO电路和DI电路进入输入端，MCU接收进入的电平信号，判断发出和接收的信号是否一致，如果不一致，则判断为控制器内部电路异常，否则，判断为外部的连接设备异常。
当接口电路用于输入采集模式时，DO电路可以用作故障时的自诊断功能；当接口电路用于输出控制模式时，DI电路可以用作故障时的自诊断功能。
当接口电路用于输入采集模式，采集的输入信号异常时，为了判断是外部信号异常还是内部电路异常，MCU驱动GPIO/OUT输出高低电平信号，信号通过继电器Relay的1/2号管脚，导致Relay的3/4号管脚导通/断开，从而使得OVCC1的电信号通过Relay-D5-R1-D1驱动光耦的4/3号管脚导通/断开，导致OIN1得电/失电，反馈给MCU的GPIO/IN，此时若内部电路正常则GPIO/OUT输出高电平时，GPIO/IN反馈高电平，GPIO/OUT输出低电平时，GPIO/IN反馈低电平，否则为内部电路异常。
当接口电路用于输出控制模式，外部负载控制异常时，同样使用上述方法进行判断。
本实施例可以在空调运行异常时，判断故障位置是空调控制器内部还是外部设备，提高故障处理效率。
空调控制器连接的外部设备都是带反馈的部件，当接口电路用于输出控制模式（接口电路为DO使用）时，外部设备工作异常或内部电路异常则反馈异常，当接口电路用于输入采集模式（接口电路为DI使用）时，外部设备正常时反馈高电平，否则反馈变为低电平。
本发明还提出了一种轨道交通车辆空调控制器，设置前述的接口电路，实现前述的兼容方法及自诊断方法。
Claims (9)
1.一种轨道交通车辆空调控制器的接口兼容方法，其特征在于，所述轨道交通车辆空调控制器中的MCU通过两个GPIO端口连接接口电路，所述接口电路包括互相连接的DO电路、DI电路以及设置在DO电路和DI电路连接处的外部IO接口；
所述两个GPIO端口分别为输出端和输入端，所述输出端连接DO电路，所述输入端连接DI电路，所述外部IO接口连接外部负载或外部反馈；
所述接口兼容方法包括：当外部IO接口连接外部负载时，MCU设置接口电路为输出控制模式，用于输出DO信号，控制外部负载工作；当外部IO接口连接外部反馈时，MCU设置接口电路为输入采集模式，用于采集外部反馈的DI信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述DO电路包括继电器Relay、二极管D5；所述输出端连接继电器Relay的管脚1，控制继电器Relay管脚3、4的断开、闭合状态，所述继电器Relay的管脚2连接电源DVCC5、管脚4连接外部电源OVCC1、管脚3连接二极管D5，所述二极管D5的另一端连接DI电路；
所述DI电路包括电阻R1、稳压二极管D1和光耦；所述电阻R1一端连接所述DO电路中的二极管D5，另一端连接稳压二极管D1，稳压二极管D1的另一端连接光耦的管脚1，所述光耦的管脚2接地、管脚4经电阻R2连接电源DVCC3.3，并经电阻R3连接所述输入端，所述光耦的管脚3接地，并经电容C2连接所述输入端；
所述二极管D5与所述电阻R1中间设置外部IO接口。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述继电器Relay的管脚3还连接二极管D3和瞬态抑制二极管D4，所述瞬态抑制二极管D4的另一端连接所述继电器Relay的管脚4。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述二极管D3的另一端连接电容C1、二极管D2和所述光耦的管脚2，所述电容C1和二极管D2的另一端连接所述电阻R1和所述稳压二极管D1的公共端。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当接口电路为输出控制模式时，MCU驱动输出端输出高低电平信号，信号通过继电器Relay的1、2号管脚，控制Relay的3、4号管脚导通或断开，使得输出端的电平信号通过Relay-D5-外部IO接口输出到外部负载，驱动外部负载动作；
当接口电路为输入采集模式时，外部信号经外部IO接口进入，通过R1-D1驱动光耦的3、4号管脚导通或断开，导致电阻R3和电容C2的公共端得电或失电，反馈给MCU的输入端。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当接口电路为输出控制模式时，输出端的电平信号还通过R1-D1驱动光耦的3、4号管脚导通或断开，导致电阻R3和电容C2的公共端得电或失电，反馈给MCU的输入端，MCU判断输入端得到的信号是否与输出端的输出信号是否一致，实现实时诊断。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述接口电路还包括外部连接器，所述外部连接器连接外部电源OVCC1、外部负载或外部反馈。
8.一种轨道交通车辆空调控制器的自诊断方法，基于权利要求1所述的轨道交通车辆空调控制器中的MCU通过两个GPIO端口连接接口电路实现，其特征在于，所述自诊断方法包括：当空调控制器判断工作异常时，所述MCU通过输出端发送电平信号，经DO电路和DI电路进入输入端，MCU接收进入的电平信号，判断发出和接收的信号是否一致，如果不一致，则判断为控制器内部电路异常，否则，判断为外部的连接设备异常。
9.一种轨道交通车辆空调控制器，其特征在于，所述控制器实现权利要求1-7任一所述的接口兼容方法及权利要求8所述的自诊断方法。
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