CN201287733Y - 用于电力机车制动系统的同步控制通信装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，它包括主控制单元、存储单元、高速存储单元、可编程逻辑单元CPLD、CAN总线接口单元、MVB接口单元、同步RS422接口单元以及USART接口单元，存储单元和高速存储单元分别与主控制单元相连，主控制单元通过CAN总线接口单元与电空制动控制器和制动系统显示屏相连，主控制单元通过MVB接口单元与电力机车的中央控制单元相连，主控制单元通过同步RS422接口单元与电力机车的无线同步装置相连，主控制单元通过USART接口单元与电力机车的制动控制单元相连。本实用新型具有结构简单紧凑、成本低廉、具有多种总线接口、适用范围广、可扩展性好、控制精度高、抗干扰能力强等优点。

Description

用于电力机车制动系统的同步控制通信装置

技术领域

本实用新型主要涉及到电力机车上制动系统的设计领域，特指一种用于电力机车制动系统的同步控制通信装置。

背景技术

为满足长大重载货物列车运用的需要，需通过无线通讯网络实现各机车间的同步操纵。为实现各机车间的制动同步作用，要求与之配套的机车制动机应具备网络通讯功能。目前国内电力机车采用的DK-1型机车电空制动机，由于不具备网络通讯功能，因此不能适应同步控制要求。在原DK-1型机车电空制动机基础上，开发和研制出具备完善网络通讯功能的机车制动系统同步控制通信装置，使之与机车制动机配套使用，使其适应同步控制系统是非常有意义的。同时通过同步控制通信装置，使制动系统中的组成部分如电空制动控制器和制动系统显示屏能和制动控制单元通过现场总线通信，提高其先进性和信息化程度。

电力机车空气制动系统是实现列车操纵和控制的必需组成部分，它是采用电信号传递控制指令。通常所说的空气制动系统是指单节机车或1-2台机车通过内重联线或外重联线进行电气连接，通过列车管、平均管和总风管进行气路连接以实现电力机车制动功能的系统。由于目前市场上有扩大列车运能的需求，即将列车的运载能力从五千吨增加到一万吨，为了保证电力机车牵引和制动两方面的性能要求，列车采用诸如2台机车+53节车辆+2台机车+53节车辆的编组方式，这就要求后2台机车通过无线通信接收前2台机车中操纵节的指令，达到指令一致和同步控制的目的，这就要求制动系统前2台机车中操纵节首先将控制指令通过直接或间接通信方式发送到本节机车的无线设备，后2台机车中控制节接收到来自于本节机车无线设备通过直接或间接通信方式发送的指令后，执行操纵节发送的制动指令，从而实现最终的同步控制。但现有的通信系统一般间接的通信方式，即制动指令需通过其他设备中转才能才能和无线设备建立通信，通信方式的单一，造成了其具有功能单一、适用范围窄、可扩展性差等不足。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种结构简单紧凑、成本低廉、具有多种总线接口、适用范围广、可扩展性好、控制精度高、抗干扰能力强的用于电力机车制动系统的同步控制通信装置。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的解决方案为：一种用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，其特征在于：它包括主控制单元、存储单元、高速存储单元、可编程逻辑单元CPLD、CAN总线接口单元、MVB接口单元、同步RS422接口单元以及USART接口单元，所述存储单元和高速存储单元分别与主控制单元相连，所述主控制单元通过CAN总线接口单元与电空制动控制器和制动系统显示屏相连，所述主控制单元通过MVB接口单元与电力机车的中央控制单元相连，所述主控制单元通过同步RS422接口单元与电力机车的无线同步装置相连，所述主控制单元通过USART接口单元与电力机车的制动控制单元相连。

所述主控制单元包括第一微处理器和第二微处理器，所述第一微处理器用于链路层以下低层的管理与调度，第二微处理器用于与电力机车上和制动系统相关的应用层程序的处理。

所述CAN总线接口单元包括CAN控制器、光耦隔离单元和CAN收发器，所述CAN控制器的一端依次通过光耦隔离单元和CAN收发器与CAN总线相连，CAN控制器的另一端与主控制单元相连。

所述MVB接口单元包括处理器模块、通信存储器模块、通信控制器模块和存储器模块，所述处理器模块通过数据线、地址线分别与通信存储器模块、通信控制器模块和存储器模块相连，所述通信控制器模块与MVB总线单元相连。

所述同步RS接口单元包含数据发送模块和数据接收模块，所述接收模块用于将通信总线差分电压转换成数字量传送至主控制单元，数据发送模块用于将主控制单元发送的数字量转换成差分电压输出。

所述主控制单元与一看门狗电路单元相连。

与现有技术相比，本实用新型的优点就在于：

1、本实用新型的用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，由第一微处理器和第二微处理器双CPU协调调度控制，具有响应时间快、延时较小的优点；整个装置可制作成一块电路板的形式嵌入制动控制单元中使用，也可制作成单独的一个外置装置，通过接口、连线和制动控制单元相连。由于具有CAN总线接口单元、MVB接口单元、RS422接口单元、USART接口单元等多种总线接口、适用范围广、可作为系统配置时的通用件等优点；

2、本实用新型的用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，由于具有USART接口单元、可与国内电力机车上主要使用的DK-1型制动机等产品通过USART总线进行通信；

3、本实用新型的用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，由于具有MVB接口单元，可与电力机车中央处理单元通过MVB总线进行通信；

4、本实用新型的用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，由于具有RS422接口单元，可与无线设备通过RS-422总线进行通信，实现数据同步收发；

5、本实用新型的用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，其可编程逻辑单元CPLD、主控制单元和高速存储单元的使用，可对来自制动系统和无线设备的数据进行拆包解析，数据筛选，数据帧重新组合，传送帧文的翻译，逻辑判断，数据类型转换并打包发送；

6、本实用新型的用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，在芯片选用和电路设计方面满足与电力机车相同的环境要求，包括海拔高度、温度、湿度、振动和冲击、浪涌和静电放电、电磁兼容性。

附图说明

图1是本实用新型的框架结构示意图；

图2是本实用新型中主控制单元的框架结构示意图；

图3是本实用新型中CAN总线接口单元的框架结构示意图；

图4是本实用新型中MVB接口单元的框架结构示意图；

图5是本实用新型中同步RS422接口单元的框架结构示意图；

图6是具体实施例中主控制单元的电路原理示意图；

图7是具体实施例中CAN总线接口单元的电路原理示意图；

图8是具体实施例中MVB接口单元的电路原理示意图；

图9是具体实施例中同步RS422接口单元的电路原理示意图；

图10是具体实施例中USART接口单元的电路原理示意图。

图例说明

1、主控制单元

101、第一微处理器               102、第二微处理器

2、存储单元                     3、高速存储单元

4、可编程逻辑器件               5、CAN总线接口单元

501、CAN控制器                  502、光耦隔离单元

503、CAN收发器                504、CAN总线

6、MVB接口单元                601、处理器模块

602、通信存储器模块           603、通信控制器模块

604、存储器模块               605、MVB总线单元

7、同步RS422接口单元          701、数据发送模块

702、数据接收模块             8、USART接口单元

801、高速光耦隔离单元         9、电空制动阀

10、制动系统显示屏            11、中央控制单元

12、无线同步装置              13、制动控制单元

14、看门狗电路单元

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型是一种用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，它包括主控制单元1、存储单元2、高速存储单元3、可编程逻辑单元CPLD4、CAN总线接口单元5、MVB接口单元6、同步RS422接口单元7以及USART接口单元8，所述存储单元2和高速存储单元3分别与主控制单元1相连，所述主控制单元1通过CAN总线接口单元5与电空制动控制器9和制动系统显示屏10相连，所述主控制单元1通过MVB接口单元6与电力机车的中央控制单元11相连，所述主控制单元1通过同步RS422接口单元7与电力机车的无线同步装置12相连，所述主控制单元1通过USART接口单元8与电力机车的制动控制单元13相连。本实用新型可以用于与DK-1型电空制动机升级产品通过USART总线进行通信，从而配套使用的全新产品。如图1和图2所示，主控制单元1包括第一微处理器101和第二微处理器102，所述第一微处理器101用于链路层以下低层的管理与调度，第二微处理器102用于与电力机车上和制动系统相关的应用层程序的处理。两个微处理器均可采用ATMEL公司的AT91R40008芯片，其采用32位RSIC结构，特点在于有256K在片SRAM，既可以作为高速缓存，也可以作为片内存储器使用，其响应速度快，适用于实时响应和同步控制。系统通过配置AT91R40008集成的内存控制器模块的控制寄存器和片选CS控制寄存器来实现访问相应存储器的信号和逻辑。主控制单元1的第一微处理器101与一看门狗电路单元14相连，该看门狗电路单元14采用Xicor公司的X5045芯片，由于它内部自带有512字节的EEPROM，故本设计中直接利用了X5045的EEPROM用来存放各种现场总线接口的网络相关参数配置信息。存储单元2采用双口RAM，在本实施例中采用MACH公司的IDT70V24S25PFI芯片，用于通信过程中各网络的接收和发送缓冲区，网络节点的接收和发送缓冲区以及微处理器数据缓冲。高速存储单元3采用Lattice公司的IDT70V24S25PFI芯片，具有512个macrocells，最大400MHz的运行频率，2.5ns传输延时，用以作为数据的存储和交换空间，供主控制单元1和可编程逻辑单元CPLD4双向读取数据。

如图3和图7所示，本实施例中，CAN总线接口单元5包括CAN控制器501、光耦隔离单元502和CAN收发器503，CAN控制器501的一端依次通过光耦隔离单元502和CAN收发器503与CAN总线504相连，CAN控制器501的另一端与主控制单元1相连。CAN总线接口单元5和电力机车制动系统其他部件进行通信，可获得电力机车当前的电空制动控制器的位置和级位，并发送位置、级位信息、各种压力和流量数值、报警信息给显示屏用于显示。本实施例中，CAN控制器模块中选用Microchip公司的MCP2515作为CAN控制器501，两块光耦隔离单元502选用6N137，CAN收发器503的芯片选用TJA1050T。CAN控制器501所选用的MCP2515是一种独立的CAN总线通信控制器，仅需要CPU给出必要的指令，控制器就可以自动完成链路层以下的收发工作，并通知CPU总线的工作状态。其标准串行外设接口(SPI)与微处理器的P1口相连。MCP2515提供了一个多用途中断引脚，提高了系统的灵活性，能用于指示有效报文是否被接收并载入接收缓冲器，该中断输出与微处理器的IRQ0相连，当CAN控制器501出错或有数据接受/发送时向微处理器申请中断，微处理器在中断服务程序中通过读状态寄存器来决定中断源类型并执行相应中断操作。该器件上有状态寄存器(通过SPI接口访问)也可用来确定何时接收了有效报文和何时出错。接于CAN总线控制器501和CAN收发器503间的为高速光耦，用于隔离微处理器与CAN总线504的数据，以提高系统的抗干扰能力。两根CAN总线504接入端与地之间分别反接一个保护二级管，当CAN总线504有较高的电压时通过二极管的击穿而接地，能起到过压保护的作用，这样可以提高节点的稳定性和安全性。

如图4和图8所示，本实施例中，MVB接口单元6包括第二微处理器102、通信控制器模块601、通信存储器模块602、和存储单元2，所述第二微处理器102通过数据线、地址线分别与通信存储器模块602、通信控制器模块601和存储单元2相连，所述通信控制器模块601与MVB总线单元603相连。本设计中存储单元2选用大小为4MB的FLASH为系统提供程序存储空间。使用第二微处理器102的地址线、数据线以及相应的片选、读/写、时钟线完成对存储单元2的寻址。通信存储器模块602地址空间保存MVBC01的所有数据和信息，既可以被通信控制器模块601访问又可以被第二微处理器102访问。通信存储器模块602分别通过数据线，地址线和第二微处理器102以及通信控制器模块601相连，从而实现数据交换和地址寻址。MVB通信控制器模块601采用MVBC01 ASIC专用芯片，它采用16位数据总线，提供了丰富的接口控制信号，简化了与各种宿主CPU以及通信存储器的接口设计，支持MVB协议中链路层及以下的功能。

如图5和图9所示，本实施例中，同步RS422接口单元7包含数据发送模块701、数据接收模块702和锁存器703，所述接收模块702用于将通信总线差分电压转换成数字量传送至主控制单元1，数据发送模块701用于将主控制单元1发送的数字量转换成差分电压输出。在同步RS-422的设计中，其核心芯片可编程逻辑器件4选用了LC4512-75T176C芯片，用于扩展功能。数据发送模块701和数据接收模块702采用了Maxim公司的MAX1490芯片，其功能包括通信装置和无线设备间的接口隔离和数字信号与差分信号间的转换。锁存器的作用在于根据数据线的繁忙与否的状态，孔子数据收发/等待过程。

如图10所示，本实施例中，USART接口单元的实现，由第一微处理器101自带的全双工通用异步收发器通过高速光耦隔离器件801和制动控制单元13完成。

本实用新型的用于电力机车制动系统的同步控制通信装置可以实现下列功能：

1、发送和接收CAN信号。接收来自电空制动控制器的位置和级位，并发送位置、级位信息、各种压力和流量数值、报警信息给显示屏用于显示。

2、发送和接收MVB信号。实现机车制动系统和中央控制单元CCU之间的数据传输，用以实现机车制动系统和牵引系统的协调控制作用。

3、发送和接收同步RS422信号。用于将操纵节机车命令通过无线电台发送给远端从控机车，同时将非操纵节机车的状态信息通过无线电台反馈给操纵节机车，达到指令同步执行的目的。

4、分析接收数据并发送分析结果。输出制动系统工作状态和报警信号，可与制动显示屏用CAN总线通讯，报警与显示，可与制动控制单元通过USART进行通信，实现系统安全导向与保护。

Claims (7)

1、一种用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，其特征在于：它包括主控制单元(1)、存储单元(2)、高速存储单元(3)、可编程逻辑单元CPLD(4)、CAN总线接口单元(5)、MVB接口单元(6)、同步RS422接口单元(7)以及USART接口单元(8)，所述存储单元(2)和高速存储单元(3)分别与主控制单元(1)相连，所述主控制单元(1)通过CAN总线接口单元(5)与电空制动控制器(9)和制动系统显示屏(10)相连，所述主控制单元(1)通过MVB接口单元(6)与电力机车的中央控制单元(11)相连，所述主控制单元(1)通过同步RS422接口单元(7)与电力机车的无线同步装置(12)相连，所述主控制单元(1)通过USART接口单元(8)与电力机车的制动控制单元(13)相连。

2、根据权利要求1所述的用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，其特征在于：所述主控制单元(1)包括第一微处理器(101)和第二微处理器(102)，所述第一微处理器(101)用于链路层以下低层的管理与调度，第二微处理器(102)用于与电力机车上和制动系统相关的应用层程序的处理。

3、根据权利要求1或2所述的用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，其特征在于：所述CAN总线接口单元(5)包括CAN控制器(501)、光耦隔离单元(502)和CAN收发器(503)，所述CAN控制器(501)的一端依次通过光耦隔离单元(502)和CAN收发器(503)与CAN总线(504)相连，CAN控制器(501)的另一端与主控制单元(1)相连。

4、根据权利要求2所述的用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，其特征在于：所述MVB接口单元(6)包括第二微处理器(102)、通信存储器模块(602)、通信控制器模块(601)和存储器模块(2)，所述处理器模块(102)通过数据线、地址线分别与通信存储器模块(602)、通信控制器模块(601)和存储器模块(2)相连，所述通信控制器模块(601)与MVB总线单元(603)相连。

5、根据权利要求2所述的用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，其特征在于：所述同步RS422接口单元(7)包含数据发送模块(701)和数据接收模块(702)，所述接收模块(702)用于将通信总线差分电压转换成数字量传送至第二微处理器(102)，数据发送模块(701)用于将第二微处理器(102)发送的数字量转换成差分电压输出。

6、根据权利要求1或4或5所述的用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，其特征在于：所述主控制单元(1)与一看门狗电路单元(14)相连。

7、根据权利要求2所述的用于电力机车制动系统的同步控制通信装置，其特征在于：所述主控制单元(1)的第一微处理器(101)与一看门狗电路单元(14)相连。

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