CN213149533U - 一种硬件三取二表决电路及列车lcu控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种硬件三取二表决电路及列车LCU控制系统，硬件三取二表决电路包括第一MOS管组、第二MOS管组和第三MOS管组，六个MOS管组成两串三并连接结构，每个MOS管的漏极均与通断诊断电路相连，源极均与输出电平诊断电路相连。本实用新型通断诊断电路可以诊断MOS管关断和导通是否满足控制要求，可判断每个MOS管是否有故障，可快速实现故障定位，提高了设备可靠性和可维护性。解决了继电器故障监测困难、故障不易定位，导致被控设备故障维修成本高、时间长等问题。输出电平诊断电路可以诊断电路实际是否有输出电平，结合通断诊断电路可进一步判断负载的工作电源是否正常供电，对供电故障进行及时排查。

Description

一种硬件三取二表决电路及列车LCU控制系统

技术领域

本实用新型涉及列车LCU设计领域，特别是涉及一种硬件三取二表决电路及列车LCU控制系统。

背景技术

目前，随着城市化进展速度的不断加快，城市人口数量逐渐增多，道路交通压力逐渐增大。地铁等城市轨道交通的出现，有效缓解了城市交通的压力，提高了人们出行的便利性。控制系统是城市轨道交通系统的重要组成部分，运行过程中，如出现故障，将会对乘客的安全造成较大的影响。

近年来，为了提高列车控制系统的安全性和可靠性，动态冗余技术在列车控制系统上的应用得到了快速发展，动态冗余技术利用多硬件保障系统的可靠性，连锁机有四个计算机处理信息，按处理器不同与操作系统不同分为两类系统，大体意思就是双套系统同时工作，而每套系统采用两台相同的计算机进行数据处理，同时产生两组采集同一工作的数据，而系统又从中提取两个相同的命令信息作为最终执行。

然而，现有技术中多采用传统的基于继电器的表决端子模块，如中国专利CN203643761U公开了一种三重冗余同期控制模块，其表决端子模块由第一、第二和第三继电器构成，来自三个输出模块的控制量分别控制第一、第二和第三继电器的动作。继电器控制电路存在以下缺点：继电器采用机械式的有触点通断模式，在潮湿、振动、电磁、温度变化及负载变化环境下，继电器触点易氧化，发生继电器触点粘连、卡顿等故障；故障导致被控对象无法正常工作；由于继电器自身无故障诊断功能，故障监测困难，发生故障不能及时定位、及排除故障，导致被控设备故障原因分析、定位时间长，维修成本和费用高。对可靠性和安全要求高的使用场景，需要定周期更换继电器，导致被控设备使用成本高。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于克服现有技术的不足，提供一种硬件三取二表决电路，每个输出分支上串联的两只MOS管同时导通时，该输出分支才有输出，能提高输出安全性；三个输出分支并联，任一输出分支有效就能保证输出有效，能提高输出的可靠性。通断诊断电路可以诊断MOS管关断和导通是否满足控制要求，可判断每个MOS管是否有故障，诊断到MOS管故障，可快速实现故障定位，及时实现维修，提高设备可靠性和可维护性。输出电平诊断电路可以诊断电路实际是否有输出电平，结合通断诊断电路可进一步判断负载的工作电源是否正常供电，对供电故障进行及时排查。

本实用新型的另一个目的在于克服现有技术的不足，提供一种列车LCU控制系统，主控板、IO板采用三取二冗余设计，提高设备控制的可靠性。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种硬件三取二表决电路，包括第一MOS管组、第二MOS管组和第三MOS管组，第一MOS管组包括MOS管Q1a和MOS管Q2a，第二MOS管组包括MOS管Q1b和MOS管Q2b，第三MOS管组包括MOS管Q1c和MOS管Q2c；

MOS管Q1a和MOS管Q2a的栅极共同连接于第一信号输入端，MOS管Q1b和MOS管Q2b的栅极共同连接于第二信号输入端，MOS管Q1c和MOS管Q2c的栅极共同连接于第三信号输入端；第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端均输入MOS管开关控制命令。

MOS管Q1a、MOS管Q1b、MOS管Q1c的漏极接负载的工作电源，MOS管Q1a的源极接MOS管Q2b的漏极，MOS管Q1b的源极接MOS管Q2c的漏极，MOS管Q1c的源极接MOS管Q2a的漏极，MOS管Q2a、MOS管Q2b、MOS管Q2c的源极接负载。

每个输出分支上串联的两只MOS管同时导通时，该输出分支才有输出，能提高输出安全性；三个输出分支并联，任一输出分支有效就能保证输出有效，能提高输出的可靠性。

每个MOS管的漏极均与通断诊断电路相连，每个MOS管的源极均与输出电平诊断电路相连。

所述的通断诊断电路包括二极管D2、电阻R1和光电耦合器U1，二极管D2的阴极与MOS管的漏极连接，二极管D2的阳极通过电阻R1连接所述的光电耦合器U1。采集反馈的工作原理：控制信号CTR控制Q1的开和关，当Q1断开时，U1的输入侧与R1、D2、Q1不能形成回路，所以U1的FB1端输出低电平；当Q1闭合时，U1的输入侧与R1、D2、Q1形成回路，所以U1的FB1端输出高电平，因此，通过FB1端的输出与CTR控制是否匹配即可判断Q1是否故障。

所述的输出电平诊断电路包括二极管D3、电阻R2和光电耦合器U2，二极管D3的阳极与MOS管的源极连接，二极管D3的阴极通过电阻R2连接所述的光电耦合器U2。U2的输入侧采集Q1的S极是否有输出电平，当Q1的S极有输出电平时，D3、R2和U2输入侧形成回路，U2导通，FB2端输出高电平；当Q1的S极无输出电平时，D3、R2和U2输入侧回路不导通，U2的FB2端输出低电平，因此，通过FB2端的输出即可判断Q1的S极是否有输出电平。

列车LCU控制系统，包括主控板模块、至少一组IO板模块、电源板模块、通信板模块、存储板模块和接口板模块，主控板模块、IO板模块、通信板模块、存储板模块之间均通过板间通信总线相连，所述的主控板模块包括主控板A、主控板B、主控板C，每组IO板模块包括IO板A、IO板B、IO板C，IO板A、IO板B、IO板C均接入板间通信总线，各主控板之间、同组的IO板之间还通过组内通信总线互连；

同组的三个IO板同步进行输入通道诊断和输入信号采集，同组三个IO板通过组内通信总线共享输入采集结果和输入通道诊断结果；同组的三个IO板对输入采集结果分别进行三取二计算。

每组中第一优先级的IO板发送其三取二计算的结果，当第一优先级IO板发送失败时，由同组第二优先级IO板发送其三取二计算的结果；当第二优先级IO板发送失败时，由同组第三优先级IO板发送其三取二计算的结果。

列车LCU控制系统，还包括前述的硬件三取二表决电路，MOS管Q1a和MOS管Q2a的栅极共同连接IO板A的处理器，MOS管Q1b和MOS管Q2b的栅极共同连接IO板B的处理器，MOS管Q1c和MOS管Q2c的栅极共同连接IO板C的处理器。

所述的板间通信总线为双冗余CAN总线。

所述的组内通信总线为双冗余CAN总线。

所述的电源板模块包括电源板A、电源板B和电源板C，电源板A为A系板卡供电，电源板B为B系板卡供电，电源板C为C系板卡供电。即，电源板A为主控板A和每组IO板模块的IO板A供电，电源板B为主控板B和每组IO板模块的IO板B供电，电源板C为主控板C和每组IO板模块的IO板C供电。电源板A、电源板B和电源板C共同为存储板、通信板供电，存储板、通信板内各设有三个供电接口。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型硬件三取二表决电路，每个输出分支上串联的两只MOS管同时导通时，该输出分支才有输出，提高了输出安全性；三个输出分支并联，任一输出分支有效就能保证输出有效，提高了输出的可靠性。

通断诊断电路可以诊断MOS管关断和导通是否满足控制要求，可判断每个MOS管是否有故障，诊断到MOS管故障，可快速实现故障定位，及时实现维修，提高了设备可靠性和可维护性。解决了继电器故障监测困难、故障不易定位，导致被控设备故障维修成本高、时间长等问题。

输出电平诊断电路可以诊断电路实际是否有输出电平，结合通断诊断电路可进一步判断负载的工作电源是否正常供电，对供电故障进行及时排查。

附图说明

图1为本实用新型硬件三取二表决电路原理框图；

图2为本实用新型通断诊断电路、输出电平诊断电路的电路原理图；

图3为本实用新型列车LCU控制系统通信关系的结构拓扑图；

图4为本实用新型列车LCU控制系统供电关系的结构拓扑图；

图5为本实用新型列车LCU控制系统接口板连接结构拓扑图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参阅图1-5，本实用新型提供一种技术方案：

如图1所示，一种硬件三取二表决电路，包括第一MOS管组、第二MOS管组和第三MOS管组，第一MOS管组包括MOS管Q1a和MOS管Q2a，第二MOS管组包括MOS管Q1b和MOS管Q2b，第三MOS管组包括MOS管Q1c和MOS管Q2c；

MOS管Q1a和MOS管Q2a的栅极共同连接于第一信号输入端，MOS管Q1b和MOS管Q2b的栅极共同连接于第二信号输入端，MOS管Q1c和MOS管Q2c的栅极共同连接于第三信号输入端；第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端均输入MOS管开关控制命令。

MOS管Q1a、MOS管Q1b、MOS管Q1c的漏极接负载的工作电源（图1中端Ⅰ），MOS管Q1a的源极接MOS管Q2b的漏极，MOS管Q1b的源极接MOS管Q2c的漏极，MOS管Q1c的源极接MOS管Q2a的漏极，MOS管Q2a、MOS管Q2b、MOS管Q2c的源极接负载（图1中端Ⅱ）。

每个输出分支上串联的两只MOS管同时导通时，该输出分支才有输出，能提高输出安全性；三个输出分支并联，任一输出分支有效就能保证输出有效，能提高输出的可靠性。

每个MOS管的漏极均与通断诊断电路相连，每个MOS管的源极均与输出电平诊断电路相连。

具体的，作为一种实施例，如图2所示，所述的通断诊断电路包括二极管D2、电阻R1和光电耦合器U1，二极管D2的阴极与MOS管的漏极连接，二极管D2的阳极通过电阻R1连接所述的光电耦合器U1。采集反馈的工作原理：控制信号CTR控制Q1的开和关，当Q1断开时，U1的输入侧与R1、D2、Q1不能形成回路，所以U1的FB1端输出低电平；当Q1闭合时，U1的输入侧与R1、D2、Q1形成回路，所以U1的FB1端输出高电平，因此，通过FB1端的输出与CTR控制是否匹配即可判断Q1是否故障。

通断诊断电路可以诊断MOS管关断和导通是否满足控制要求，可判断每个MOS管是否有故障，诊断到MOS管故障，可快速实现故障定位，及时实现维修，提高了设备可靠性和可维护性。解决了继电器故障监测困难、故障不易定位，导致被控设备故障维修成本高、时间长等问题。

具体的，作为一种实施例，如图2所示，所述的输出电平诊断电路包括二极管D3、电阻R2和光电耦合器U2，二极管D3的阳极与MOS管的源极连接，二极管D3的阴极通过电阻R2连接所述的光电耦合器U2。U2的输入侧采集Q1的S极是否有输出电平，当Q1的S极有输出电平时，D3、R2和U2输入侧形成回路，U2导通，FB2端输出高电平；当Q1的S极无输出电平时，D3、R2和U2输入侧回路不导通，U2的FB2端输出低电平，因此，通过FB2端的输出即可判断Q1的S极是否有输出电平。Q1的S极还与二极管D1的阳极连接，二极管D1阴极连接Out-端，二极管D1用于防止Out-端反电势回流。

输出电平诊断电路除了可诊断电路是否有故障，还可以诊断电路实际是否有输出电平，结合通断诊断电路可进一步判断负载的工作电源是否正常供电，对供电故障进行及时排查。需要说明的是，输出电平诊断电路只有在有工作电源时，才能诊断，并且一种工作电源需要匹配一种对应的电平采集电路。

每只MOS管设计两个诊断采集电路，一个用于诊断MOS管关断和导通是否满足控制要求，另一个用于诊断输出电平是否满足控制要求。输出电平诊断与输出电路的工作电源等级强相关，每组采集参数只能匹配一种电源电压等级，比如，适用于DC110V输出电源电压的输出电平采集参数不适用于DC24V输出电源电压的输出电平采集。MOS管输出通断诊断与输出通道输出电源电压等级不相关，一组采集参数可以适应不同种类的输出电源电压等级，通用性好。另外：输出通道没有工作电源时，MOS管的导通和关断是否满足控制要求，只能通过通断诊断电路实现诊断。再者，输出电路自检时，输出通道对外不能有真实的输出，这时同一输出分支上的两只MOS管不能同时闭合，只能导通一只、断开一只，这时需使用通断诊断电路诊断MOS管是否能按控制要求动作。

当通断诊断电路检测到MOS管正常时，如果输出电平诊断电路检测到输出电平异常，则可推断为负载的工作电源供电异常，可实现对供电故障的及时排查。

列车LCU控制系统，包括主控板模块、一组IO板模块（支持多组）、电源板模块、通信板模块、存储板模块和接口板模块，主控板模块、IO板模块、通信板模块、存储板模块之间均通过板间通信总线相连，所述的主控板模块包括主控板A、主控板B、主控板C，每组IO板模块包括IO板A、IO板B、IO板C，IO板A、IO板B、IO板C均接入板间通信总线，各主控板之间、同组的IO板之间还通过组内通信总线互连；如图5所示，主控板A、主控板B、主控板C、各IO板均通过开关量输入输出硬连线与接口板相连。

同组的三个IO板同步进行输入通道诊断和输入信号采集，同组三个IO板通过组内通信总线共享输入采集结果和输入通道诊断结果；同组的三个IO板对输入采集结果分别进行三取二计算。

每组中第一优先级的IO板发送其三取二计算的结果，当第一优先级IO板发送失败时，由同组第二优先级IO板发送其三取二计算的结果；当第二优先级IO板发送失败时，由同组第三优先级IO板发送其三取二计算的结果。

作为上述硬件三取二表决电路的一种具体应用，列车LCU控制系统，还包括前述的硬件三取二表决电路，MOS管Q1a和MOS管Q2a的栅极共同连接IO板A的处理器（作为第一信号输入端），MOS管Q1b和MOS管Q2b的栅极共同连接IO板B的处理器（作为第二信号输入端），MOS管Q1c和MOS管Q2c的栅极共同连接IO板C的处理器（作为第三信号输入端）。

所述的板间通信总线为双冗余CAN总线，所述的组内通信总线为双冗余CAN总线。双冗余CAN总线可进一步提高系统可靠性。

如图4所示，所述的电源板模块包括电源板A、电源板B和电源板C，电源板A为A系板卡供电，电源板B为B系板卡供电，电源板C为C系板卡供电。即，电源板A为主控板A和每组IO板模块的IO板A供电，电源板B为主控板B和每组IO板模块的IO板B供电，电源板C为主控板C和每组IO板模块的IO板C供电。电源板A、电源板B和电源板C共同为存储板、通信板供电，存储板、通信板内各设有三个供电接口。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种硬件三取二表决电路，其特征在于：包括第一MOS管组、第二MOS管组和第三MOS管组，第一MOS管组包括MOS管Q1a和MOS管Q2a，第二MOS管组包括MOS管Q1b和MOS管Q2b，第三MOS管组包括MOS管Q1c和MOS管Q2c；

MOS管Q1a和MOS管Q2a的栅极共同连接于第一信号输入端，MOS管Q1b和MOS管Q2b的栅极共同连接于第二信号输入端，MOS管Q1c和MOS管Q2c的栅极共同连接于第三信号输入端；

MOS管Q1a、MOS管Q1b、MOS管Q1c的漏极接负载的工作电源，MOS管Q1a的源极接MOS管Q2b的漏极，MOS管Q1b的源极接MOS管Q2c的漏极，MOS管Q1c的源极接MOS管Q2a的漏极，MOS管Q2a、MOS管Q2b、MOS管Q2c的源极接负载；

每个MOS管的漏极均与通断诊断电路相连，每个MOS管的源极均与输出电平诊断电路相连。

2.根据权利要求1所述的一种硬件三取二表决电路，其特征在于：所述的通断诊断电路包括二极管D2、电阻R1和光电耦合器U1，二极管D2的阴极与MOS管的漏极连接，二极管D2的阳极通过电阻R1连接所述的光电耦合器U1。

3.根据权利要求1或2所述的一种硬件三取二表决电路，其特征在于：所述的输出电平诊断电路包括二极管D3、电阻R2和光电耦合器U2，二极管D3的阳极与MOS管的源极连接，二极管D3的阴极通过电阻R2连接所述的光电耦合器U2。

4.列车LCU控制系统，其特征在于：包括主控板模块、至少一组IO板模块、电源板模块、通信板模块、存储板模块和接口板模块，主控板模块、IO板模块、通信板模块、存储板模块之间通过板间通信总线相连，所述的主控板模块包括主控板A、主控板B、主控板C，每组IO板模块包括IO板A、IO板B、IO板C，IO板A、IO板B、IO板C均接入板间通信总线，各主控板之间、同组的IO板之间还通过组内通信总线互连；

还包括如权利要求1-3中任一项所述的硬件三取二表决电路，MOS管Q1a和MOS管Q2a的栅极共同连接IO板A的处理器，MOS管Q1b和MOS管Q2b的栅极共同连接IO板B的处理器，MOS管Q1c和MOS管Q2c的栅极共同连接IO板C的处理器。

5.根据权利要求4所述的列车LCU控制系统，其特征在于：所述的板间通信总线为双冗余CAN总线。

6.根据权利要求4或5所述的列车LCU控制系统，其特征在于：所述的组内通信总线为双冗余CAN总线。

7.根据权利要求4所述的列车LCU控制系统，其特征在于：所述的电源板模块包括电源板A、电源板B和电源板C，电源板A为主控板A和每组IO板模块的IO板A供电，电源板B为主控板B和每组IO板模块的IO板B供电，电源板C为主控板C和每组IO板模块的IO板C供电。

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