CN216580526U - 一种基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置，包括：用于监测功率模块中电路的电压信号的电源监控电路；用于监测功率模块的温度信号的温度传感器；用于监测功率模块中的IGBT的指令信号及状态信号的光纤收发器；用于接收并存储电压故障信号、温度故障信号以及IGBT的指令故障信号及状态故障信号的数据存储模块，数据存储模块通过脉冲缓冲电路与电源监控电路、温度传感器以及光纤收发器连接。本实用新型可在功率模块发生故障时，对故障数据进行详细记录、数据监测及下载，在后期维修维护时，维护人员可通过上位机下载故障信息，快速定位故障源头并更换故障部件，缩短功率模块维护时间，降低维护成本。

Description

一种基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置

技术领域

本申请涉及轨道车辆信号处理领域，具体是一种基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置。

背景技术

现有技术中，轨道交通车辆用功率模块脉冲分配技术负责对功率模块的控制脉冲进行简单逻辑处理与再分配给IGBT驱动器，实现IGBT的驱动与保护。脉冲分配模块仅能将功率模块的简单故障上报给控制器，控制器只会获悉功率模块的“好”或“坏”两种状态，无法对功率模块发生的故障进行详细记录、数据监测及下载。当功率模块发生故障后，由于缺少详细的故障信息，常常需要利用环境应力试验加以分析，进而造成轨道交通用功率模块维修维护的成本过高。

实用新型内容

针对现有技术中的问题，本申请提供一种基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置，可在功率模块发生故障时，对故障数据进行详细记录、数据监测及下载，在后期维修维护时，维护人员可通过上位机下载故障信息，快速定位故障源头并更换故障部件，缩短功率模块维护时间，降低维护成本。

为解决上述技术问题，本申请提供以下技术方案：

本申请提供一种基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置，包括：

用于监测功率模块中电路的电压信号的电源监控电路；

用于监测所述功率模块的温度信号的温度传感器；

用于监测所述功率模块中的IGBT的指令信号及状态信号的光纤收发器；

用于接收并存储所述电压故障信号、温度故障信号以及所述IGBT的指令故障信号及状态故障信号的数据存储模块，所述数据存储模块通过脉冲缓冲电路与所述电源监控电路、温度传感器以及所述光纤收发器连接。

一实施例中，基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置进一步包括：

用于接收并存储所述电压故障信号、温度故障信号以及所述IGBT的指令故障信号及状态故障信号的数据存储模块，所述数据存储模块通过脉冲缓冲电路与所述电源监控电路、温度传感器以及所述光纤收发器连接。

一实施例中，所述电流环电路类型为40mA电流环电路。

一实施例中，基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置进一步包括：

用于将温度传感器所发送的温度进行数模转换的AD采样芯片。

一实施例中，所述数据存储模块类型包括NAND FLASH存储器以及SDRAM存储器。

一实施例中，基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置进一步包括：

用于向所述功率模块中的FPGA提供实时时钟信号的时钟信号模块。

一实施例中，所述时钟信号模块内设置有实时时钟芯片以及电池。

一实施例中，基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置进一步包括：

用于防止功率模块中的ARM处理器死机的看门狗电路。

一实施例中，基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置进一步包括：

用于连接所述ARM处理器与所述FPGA，以实现所述ARM处理和所述FPGA之间数据传输的FSMC接口。

一实施例中，基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置进一步包括：

用于下载故障数据的以太网；以及

用于通过并行总线发送故障数据至所述FPGA的外围板卡。

针对现有技术中的问题，本申请提供的基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置，可在功率模块发生故障时，对故障数据进行详细记录、数据监测及下载，以在后期维修维护时，维护人员可通过上位机下载故障信息，快速定位故障源头并更换故障部件，缩短功率模块维护时间，降低维护成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置的硬件结构示意图；

图2为本申请实施例中电源监控电路的结构示意图；

图3为本申请实施例中基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置的硬件结构示意图二。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1，为了克服现有技术中的技术痛点，即现有设备只能将功率模块的“好”或“坏”两种简单状态信息上报给控制器，控制器或者模块无法获知具体的故障信息，后期维护时难以寻找到故障根源，导致维护时间以及人工成本大大提高。本申请提供一种基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置，包括：

用于监测功率模块中电路的电压信号的电源监控电路；

参见图2，电源监控电路包括：电源监控芯片(如TI公司LM809系列)及两个分压电阻构成，+V代表监控所需的电源电压信号，经过电阻分压后所得电压介入电源监控芯片VCC引脚，如果该引脚电压低于电源监控芯片内部设置的阈值电压，则报警，输出故障信号。

用于监测功率模块的温度信号的温度传感器；

温度传感器(temperature transducer)是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

用于监测功率模块中的IGBT的指令信号及状态信号的光纤收发器；

光纤收发器，是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元。光纤收发器通常具有以下基本特点：

1.提供超低时延的数据传输。

2.对网络协议完全透明。

3.采用专用ASIC芯片实现数据线速转发。可编程ASIC将多项功能集中到一个芯片上，具有设计简单、可靠性高、电源消耗少等优点，能使设备得到更高的性能和更低的成本。

4.机架型设备可提供热拔插功能，便于维护和无间断升级。

5.可网管设备能提供网络诊断、升级、状态报告、异常情况报告及控制等功能，能提供完整的操作日志和报警日志。

6.设备多采用1+1的电源设计，支持超宽电源电压，实现电源保护和自动切换。

7.支持超宽的工作温度范围。

8.支持齐全的传输距离(0～120公里)。

用于接收并存储电压故障信号、温度故障信号以及IGBT的指令故障信号及状态故障信号的数据存储模块，数据存储模块通过脉冲缓冲电路与电源监控电路、温度传感器以及光纤收发器连接。参见图2，脉冲缓冲电路用于对输入信号缓冲以及隔离的作用；优选地，由一处理器将电压故障信号、温度故障信号以及IGBT的指令故障信号及状态故障信号转发至数据存储模块，优选地，该处理器可以为FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)或者其他类型的处理器。

一实施例中，基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置进一步包括：

用于接收功率模块中的控制器总线上的脉冲电流信号，并将其转换成IGBT的指令故障信号及状态故障信号的电流环电路，电流环电路发送IGBT的指令故障信号及状态故障信号至光纤收发器。

参见图1，故障数据包括：欠压信号、温度信号、功率模块中的IGBT的指令信号及状态信号、功率模块指令状态信号。

一实施例中，参见图1，电流环电路类型为40mA电流环电路。

一实施例中，参见图2，基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置进一步包括：用于将温度传感器所发送的温度进行数模转换的AD采样芯片。

一实施例中，可以由FPGA发送故障数据至数据存储模块，首先PFGA接收电压故障信号、温度故障信号以及IGBT的指令故障信号及状态故障信号，并将其转发至数据存储模块，接着，参见图2，该数据存储模块类型包括NAND FLASH存储器以及SDRAM存储器。NANDFLASH存储器是ARM处理器的一种外设，用于故障数据掉电不丢失存储；SDRAM存储器是ARM处理器的另一种外设，用于缓存故障数据。

一实施例中，基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置进一步包括：

用于向功率模块中的FPGA提供实时时钟信号的时钟信号模块。可由时钟芯片(RTC芯片)实现，该模块可以连接FPGA，并通过I2C总线向FPGA提供实时时钟信号；以太网输入输出接口从人机交互设备接收信号获取指令并传输至控制器；控制器将信号获取指令转发至FPGA。

一实施例中，时钟信号模块内设置有实时时钟芯片以及电池。电池为实时时钟芯片供电。

一实施例中，用于防止功率模块中的ARM处理器死机的看门狗电路。

在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成各种寄存器和内存的数据混乱，会导致程序指针错误，不在程序区，取出错误的程序指令等，都有可能会陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续正常工作，导致整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果。看门狗，又叫watchdog，从本质上来说就是一个定时器电路，一般有一个输入和一个输出，其中输入叫做喂狗，输出一般连接到另外一个部分的复位端，一般是连接到单片机。看门狗的功能是定期的查看芯片内部的情况，一旦发生错误就向芯片发出重启信号。看门狗命令在程序的中断中拥有最高的优先级。

看门狗电路本质上是一种监控系统的运行状况的手段，通过软硬件结合的方式实现对系统运行状况的监控。稳定运行的软件会在执行完特定指令后进行喂狗，若在一定周期内看门狗没有收到来自软件的喂狗信号，则认为系统故障，会进入中断处理程序或强制系统复位。系统上电后根据不同的工作模式可以选择使能看门狗的时机，若看门狗被使能则计数器开始计数，如果在设定的时间内没有及时喂狗则会发生看门狗超时。看门狗主要由寄存器、计数器和狗叫模块构成:通过寄存器对看门狗进行基本设置，计数器计算狗叫时间，狗叫模块决定看门狗超时后发出的中断或复位方式。

一实施例中，参见图3，基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置进一步包括：用于连接ARM处理与FPGA，以实现ARM处理和FPGA之间数据传输的FSMC接口。可以理解的是，该FSMC接口可以实现ARM处理器与FPGA之间的高速数据传输。

一实施例中，参见图3，基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置进一步包括：用于下载故障数据的以太网；以及用于通过并行总线发送故障数据至FPGA的外围板卡。

一实施例中，实时时钟信号模块包括实时时钟芯片及电池。电池为实时时钟芯片供电。

一实施例中，本申请提供的基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置还包括：FLASH，用于存储使FPGA实现信号输入输出的程序。

一实施例中，本申请提供的基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置，还包括：外围板卡，可以通过并行总线或IO硬线发送故障信号记录指令至FPGA。

一实施例中，本申请提供的基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置还包括：FMC模块，连接控制器与FPGA。

一实施例中，输入输出接口为以太网输入输出接口。

一实施例中，本申请提供的基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置还包括：供电模块，上位机以及电平转换芯片。

一实施例中，AD采样芯片采用ADI公司的AD7606高性能模数转换芯片实现，内部集成8路同步采集16bit采样通道，配置保持缓存区，输入前级具有双极性输入1MΩ阻抗。输入次级具有二级滤波。输出为16bit并行总线读写，电路设计方便简单。对于程序编写方便快捷。被采集信号进入板卡后，经过通带滤波，滤掉干扰信号，芯片采集量程±10V，采集10V电压时，得到的数据为满量程；如果采集14.5V时，得到的数据也是满量程，则无法识别出10V和14.5V的区别，所以需要进行衰减得到识别的电压值，例如衰减1.45倍。将14.5V衰减为10V，再进入ADC采集芯片。ADC芯片外部提供高精度低噪声的2.5V基准芯片。电压精度3mV，温度漂移百万分之十/度。

一实施例中，数据存储模块芯片采用EVERSPN公司MR8A16B高性能掉电不丢失RAM芯片实现。该芯片具有16bit，读写速度可以35ns，不限读写次数。掉电保存时间大于20年。存储芯片内设置4个片区(Bank1～Bank4)，每次上电时MCU从NVRAM中读出上一次记录的Bank地址，按照模3循环加1后，写入该寄存器中，用于设定上电后从此Bank初始地址开始做记录。

其中，每个数据区域的状态指示区域的大小设定为256Byte，从起始的偏移地址开始存储信息。此区域的状态信息只保留与数据存储区对应的状态信息，发生触发后数据存储区和对应的状态信息去更新。日志区会保存所有触发状态的日志信息。

一实施例中，本实用新型实施例所采用的看门狗监控电路采用TI公司TPS3823-33DBVT高性能芯片实现，具有控制器供电电压监测及看门狗复位功能，用于监测MCU的运行状态，一旦发生硬件死机或者软件程序跑飞，可以实现控制器的自动复位。FPGA的看门狗监控采用MAX6369KA高性能芯片实现，该芯片可对FPGA供电电路的电压监测以及FPGA异常后看门狗复位功能，用于监测FPGA的运行状态，起到异常复位的作用。

在电源设计上，本实用新型所采用的外围板卡具有延时上电、电压监测、快速放电、防电压倒灌等功能。板卡供电为5V±5％，板卡电源入口具有电源监控芯片，默认设置的监控电压阈值为4.5V(阈值电压可调)。如果外部输入电压高于4.5V时，芯片经过设置的延时功能(延时时间可调)，开启使能信号驱动后级开关，开关导通后电压输入到板卡内部，板卡开始工作。板卡内部每类电源对地具有卸放电压的MOS管，板卡上电的情况下，MOS管处于关闭状态，对地不卸放电压。板卡掉电MOS管对地导通，将剩余的电压卸放到地。

从上述描述可知，本申请提供的基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置，包括：用于监测功率模块中电路的电压信号的电源监控电路；用于监测功率模块的温度信号的温度传感器；用于监测功率模块中的IGBT的指令信号及状态信号的光纤收发器；用于接收并存储电压故障信号、温度故障信号以及IGBT的指令故障信号及状态故障信号的数据存储模块，数据存储模块通过脉冲缓冲电路与电源监控电路、温度传感器以及光纤收发器连接。本实用新型可在功率模块发生故障时，对故障数据进行详细记录、数据监测及下载，以在后期维修维护时，维护人员可通过上位机下载故障信息，快速定位故障源头并更换故障部件，缩短功率模块维护时间，降低维护成本。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实现方法的实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

虽然本说明书实施例提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于轨道车辆功率模块的故障数据记录装置，其特征在于，包括：

用于监测功率模块中电路的电压信号的电源监控电路；

用于监测所述功率模块的温度信号的温度传感器；

用于监测所述功率模块中的IGBT的指令信号及状态信号的光纤收发器；

用于接收并存储电压故障信号、温度故障信号以及所述IGBT的指令故障信号及状态故障信号的数据存储模块，所述数据存储模块通过脉冲缓冲电路与所述电源监控电路、温度传感器以及所述光纤收发器连接。

2.根据权利要求1所述的故障数据记录装置，其特征在于，进一步包括：

用于接收所述功率模块中的控制器总线上的脉冲电流信号，并将其转换成所述IGBT的指令故障信号及状态故障信号的电流环电路，所述电流环电路发送所述IGBT的指令故障信号及状态故障信号至所述光纤收发器。

3.根据权利要求2所述的故障数据记录装置，其特征在于，所述电流环电路类型为40mA电流环电路。

4.根据权利要求1所述的故障数据记录装置，其特征在于，进一步包括：用于将温度传感器所发送的温度进行数模转换的AD采样芯片。

5.根据权利要求1所述的故障数据记录装置，其特征在于，所述数据存储模块类型包括NAND FLASH存储器以及SDRAM存储器。

6.根据权利要求1所述的故障数据记录装置，其特征在于，进一步包括：

用于向所述功率模块中的FPGA提供实时时钟信号的时钟信号模块。

7.根据权利要求6所述的故障数据记录装置，其特征在于，所述时钟信号模块内设置有实时时钟芯片以及电池。

8.根据权利要求7所述的故障数据记录装置，其特征在于，进一步包括：

用于防止功率模块中的ARM处理器死机的看门狗电路。

9.根据权利要求8所述的故障数据记录装置，其特征在于，进一步包括：

用于连接所述ARM处理器与所述FPGA，以实现所述ARM处理和所述FPGA之间数据传输的FSMC接口。

10.根据权利要求9所述的故障数据记录装置，其特征在于，进一步包括：

用于下载故障数据的以太网；以及

用于通过并行总线发送故障数据至所述FPGA的外围板卡。

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