CN218866346U - 一种列车自动运行控制板卡 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种列车自动运行控制板卡，包括：主控CPU；监控CPU，与主控CPU通过PWM线相连，监控CPU通过PWM线发送PWM信号至主控CPU或接收主控CPU返回的PWM信号；可编程时钟源，通过IO线与主控CPU相连，可编程时钟源通过IO线输出高频时钟信号或低频时钟信号至主控CPU；CAN隔离通信模块，通过CAN总线连接于主控CPU，主控CPU通过CAN隔离通信模块与外部系统进行通信；功率开关，连接于监控CPU与CAN隔离通信模块。本申请具有双CPU监控架构以及灵活的时钟源控制模式，能够有效提高数据可靠性并减少能耗。

Description

一种列车自动运行控制板卡

技术领域

本实用新型涉及电子信息技术领域，尤其涉及一种列车自动运行控制板卡。

背景技术

近年来地铁车辆的自动化水平全面提升，列车自动驾驶技术是城市轨道交通自动化技术的重要发展方向。列车自动运行控制板卡是一种安装于车辆上的电子控制板卡，其主要作用是控制地铁列车的自动运行，可极大的减少列车操作人员和维护人员的工作量，保障列车的安全可靠运行。

列车自动运行板卡利用获取到的车辆信息、位置信息、电子地图信息等，通过列车自动运行板卡的ATO实时运算得到当前列车的最佳控制策略，并发送给列车网络控制系统，列车网络控制系统基于控制策略实现列车的加减速控制、车门控制、故障自动处理等功能。但传统的列车自动运行板卡缺乏灵活的控制模式，在发生故障后往往会有数据丢失或输出错误数据等风险，且能耗颇高。

发明内容

本实用新型针对上述列车自动运行板卡数据可靠性低以及能耗高的技术问题，提出一种列车自动运行控制板卡，本实用新型采用的技术方案为：

一种列车自动运行控制板卡，包括：

主控CPU；

监控CPU，与所述主控CPU通过PWM线相连，所述监控CPU通过PWM线发送PWM信号至所述主控CPU或接收所述主控CPU返回的PWM信号；

可编程时钟源，通过IO线与主控CPU相连，所述可编程时钟源通过所述IO线输出高频时钟信号或低频时钟信号至所述主控CPU；

CAN隔离通信模块，通过CAN总线连接于所述主控CPU，所述主控CPU通过所述CAN隔离通信模块与外部系统进行通信；

功率开关，连接于所述监控CPU与所述CAN隔离通信模块。

在其中一些实施例中，列车自动运行控制板卡还包括：存储器阵列与SD卡，所述存储器阵列由4片Flash芯片组成，与所述主控CPU通过CAN总线相连；所述SD卡与所述监控CPU相连。

在其中一些实施例中，所述存储器阵列包括：存储可执行代码的第一存储器、存储数字地图的第二存储器、存储运行状态记录的第三存储器以及存储故障信息的第四存储器。

在其中一些实施例中，列车自动运行控制板卡还包括片选电路，所述主控CPU通过所述片选电路分别与所述第一存储器、第二存储器、第三存储器以及第四存储器相连。

在其中一些实施例中，列车自动运行控制板卡还包括隔离电源，所述隔离电源包括两路电源输出端口，分别为第一电源输出端口和第二电源输出端口，所述第一电源输出端口输出第一供电信号至所述监控CPU、所述功率开关与所述SD卡，所述第二电源输出端口输出第二供电信号至所述主控CPU、所述存储器阵列、所述可编程时钟源与所述片选电路。

在其中一些实施例中，当所述监控CPU发送高电平信号至所述功率开关时，所述功率开关导通，所述CAN隔离通信模块得电；当所述监控CPU发送低电平信号至所述功率开关时，所述功率开关关闭，所述CAN隔离通信模块失电。

在其中一些实施例中，列车自动运行控制板卡还包括CAN滤波器，所述CAN滤波器通过CAN总线连接于所述CAN隔离通信模块。

在其中一些实施例中，列车自动运行控制板卡还包括两个9针D型连接器，分别为第一连接器与第二连接器，所述第一连接器与所述CAN滤波器直接相连，所述第二连接器与所述隔离电源直接相连，所述第一连接器与所述第二连接器通过CAN总线直接相连。

在其中一些实施例中，列车自动运行控制板卡还包括数字隔离器，所述数字隔离器连接于所述监控CPU与所述第一连接器。

在其中一些实施例中，列车自动运行控制板卡还包括晶振，所述晶振连接于所述监控CPU，所述晶振用于输出固定时钟信号至所述监控CPU。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

1、本申请的列车自动运行控制板卡具有主控CPU和监控CPU的双CPU架构，监控CPU监控主控CPU的工作状态，通过功率开关控制主控CPU对外传输的CAN总线，确保异常工作的主控CPU不对外输出错误数据，可确保列车自动运行控制板卡具备较高的功能安全完整性等级，确保系统工作的可靠性；

2、本申请的列车自动运行控制板卡通过SD卡存储CAN总线数据，当系统发生故障时，可通过读取SD卡中的数据快速定位故障或问题，可大幅提升系统的可维护性。

3、本申请的列车自动运行控制板卡中的可编程时钟源可根据情景输出低频时钟信号或高频时钟信号，以减少列车自动运行控制板卡的能耗。

4、本申请的列车自动运行控制板卡设置有存储器阵列，存储器阵列由4片Flash可编程存储器构成，可实现可执行代码、电子地图、状态数据、故障数据的分别存储，避免了单片存储器故障导致所有数据丢失的情况发生。

5、本申请的列车自动运行控制板卡具有2个9针D形连接器，可以对外提供2个CAN总线连接器，方便对外连线。

附图说明

图1为本实用新型提供的列车自动运行控制板卡的结构示意图；

图2为本实用新型提供的列车自动运行控制板卡的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示，在本实用新型一种列车自动运行控制板卡的结构示意图的一个示意性实施例中，该列车自动运行控制板卡安装于地铁列车的VOBC控制机柜，包括：

主控CPU，列车自动运行控制板卡含有的一个主控核心数据处理单元，用于运算列车自动控制算法的执行。

监控CPU，与所述主控CPU通过PWM线相连，是列车自动运行控制板卡的一个监控处理单元，用于监控主控CPU的运行状态、记录主控CPU的输入输出数据，在主控CPU故障时切断对外通讯；所述监控CPU可通过PWM线发送PWM信号至所述主控CPU或接收所述主控CPU返回的PWM信号；本实施例中主控CPU与监控CPU的型号为SM320F28335，但并不以此为限。

可编程时钟源，通过2根IO线与主控CPU相连，所述可编程时钟源通过所述IO线输出高频时钟信号或低频时钟信号至所述主控CPU；该时钟源有3路时钟脉冲输出，CPU可根据运行场景，通过IO控制可编程时钟源的频率输出，以实现节能运行。本实施例中的可编程时钟源的型号为5P35023，但并不以此为限。

存储器阵列，与所述主控CPU通过CAN总线相连，由4片Flash芯片组成，具体包括：存储可执行代码的第一存储器(存储器1)、存储数字地图的第二存储器(存储器2)、存储运行状态记录的第三存储器(存储器3)以及存储故障信息的第四存储器(存储器4)；CPU与存储器1、存储器2、存储器3、存储器4之间通过并行总线相连；CPU的2根IO信号线与片选电路相连；片选电路分别与存储器1、存储器2、存储器3、存储器4的CS片选信号相连。这种设计避免了单片存储器故障导致所有数据丢失的情况发生；本实施例中的每片存储器的型号为16位Nor Flash，MX29LV60DBTI，但并不以此为限。

CAN隔离通信模块，通过CAN总线连接于所述主控CPU，所述主控CPU通过所述CAN隔离通信模块与外部系统进行通信，即主控CPU通过CAN隔离通信模块实现列车自动运行控制板卡与其他控制单元之间的数据传输。本实施例中CAN隔离通信模块的型号为ADM3057，但并不以此为限。

SD卡，所述SD卡与监控CPU相连，用于实时记录CAN总线上的数据。

连接器：列车自动运行控制板卡还包括两个9针D型连接器，分别为第一连接器(连接器1)与第二连接器(连接器2)，所述连接器1与所述CAN滤波器直接相连，连接器2与所述隔离电源直接相连，连接器2与连接器1之间通过信号线直接相连，以实现CAN总线的2根信号线与连接器2和连接器1的互联。

如果列车自动运行控制板卡是CAN网络的端点位置，则在连接器1的3针、4针连接120欧姆总线匹配电阻；如果列车自动运行控制板卡在CAN网络的中间位置，则：

(1)可只使用1个连接器，将这个连接器的3针、4针串入CAN总线；

(2)可使用2个连接器，这两个连接器的3针、4针分别串入CAN总线，这样将提供更为方便的布线。

隔离电源：为DC-DC双路输出隔离电源模块，隔离电源可实现对主控CPU、监控CPU、存储器、时钟源、SD卡等芯片和设备的高精度动态负载供电，具体的，所述隔离电源包括两路电源输出端口，分别为第一电源输出端口和第二电源输出端口，所述第一电源输出端口输出第一供电信号至所述监控CPU、所述功率开关与所述SD卡，所述第二电源输出端口输出第二供电信号至所述主控CPU、所述存储器阵列、所述可编程时钟源与所述片选电路。隔离电源从连接器2的相应管脚获取输入电源能量，经过DC//DC变换，生成可供主控CPU芯片、监控CPU、时钟源、存储器、通讯模块需要的稳定的供电信号。

CAN滤波器，所述CAN滤波器通过CAN总线与所述CAN隔离通信模块直接相连，CAN滤波器还与2个9针连接器依次相连，该CAN滤波器用于实现CAN总线上的电磁干扰滤波，当列车自动运行控制板卡所处的电磁环境较为恶劣时，CAN滤波器可高速吸收CAN总线上大于6V的电磁干扰信号，确保CAN总线的通讯质量。

功率开关，连接于所述监控CPU与所述CAN隔离通信模块，当监控CPU发现主控CPU工作异常时，通过控制功率开关切断CAN通讯模块的供电，确保列车自动运行控制板卡不对外输出异常数据，具体地，当所述监控CPU发送高电平信号至所述功率开关时，所述功率开关导通，所述CAN隔离通信模块得电；当所述监控CPU发送低电平信号至所述功率开关时，所述功率开关关闭，所述CAN隔离通信模块失电。

数字隔离器，连接于所述监控CPU与所述第一连接器，用于实现监控CPU对外的状态输出和控制指令输入。

晶振，连接于所述监控CPU，所述晶振用于输出固定时钟信号至所述监控CPU。

以下结合图2，说明列车自动运行控制板卡的工作原理如下：

1、隔离电源通过连接器2得到供电，输出两路隔离供电信号：PWR1和PWR2，PWR2给主控CPU、存储器、可编程时钟源、片选电路等芯片和电路供电。PWR1给监控CPU、功率开关、SD卡供电。

2、可编程时钟源输出默认30MHz低频时钟信号至主控CPU。监控CPU从晶振获取稳定的工作时钟。

3、主控CPU收到时钟线1信号后，开始自检测程序。校验内部寄存器状态、存储器阵列状态、CAN隔离通信模块状态，如果检测到以上模块工作异常，则主控CPU停止工作。可知，列车自动运行控制板卡具备完善的自检测和状态检测功能，在自检测不通过的情况下，主控CPU停止工作，避免向列车输出错误控制命令。

4、如果自检测程序没有检测到异常，说明各功能单元状态正常。主控CPU通过控制线输出给可编程时钟源控制信号，控制可编程时钟源输出60MHz高频信号。CPU进入高性能运行模式。

5、监控CPU收到时钟信号线2信号后，开始执行自检程序。校验内部寄存器状态、SD卡状态、CAN总线接收状态，如果检测到以上工作正常，则向主控CPU通过PWM线输出方波信号。主控CPU收到监控CPU方波信号后，在规定的时间T1时间内向监控CPU发送PWM信号。如果监控CPU在T1+T2时间内收到主控CPU的PWM信号，则通过DO输出供电控制高电平信号，控制功率开关导通，并使CAN隔离通信模块得电，此时主控CPU将通过CAN总线与外部系统通信。如果监控CPU在T1+T2时间内没有收到主控CPU的PWM信号，则通过DO输出供电控制低电平信号，控制功率开关关闭，并使CAN隔离通信模块失电，此时主控CPU将无法通过CAN总线与外部系统通信。

也就是说，监控CPU向主控CPU发起检测PWM信号，主控CPU需在规定时间内向监控CPU发送PWM信号，以确保主控CPU的正常工作状态。此设计可确保系统工作的可靠性。监控CPU实时监控主控CPU的工作状态，当主控CPU工作异常时，监控CPU使用功率开关切断主控CPU对外传输的CAN总线，确保异常工作的主控CPU不对外输出错误数据。此设计可确保列车自动运行控制板卡具备较高的功能安全完整性等级。

6、主控CPU读取存储器2的电子地图数据是否完整，如果不完整，则主控CPU将数据记录到存储器4，同时主控CPU将异常情况通过CAN总线发送给外部系统，控制可编程时钟源输出低频信号，主控CPU将停止工作，并进入低功耗待机模式。如果电子地图数据完整则向下执行。

7、主控CPU通过CAN总线向列车网络控制系统发送请求帧，并等待。如果主控CPU没有在200ms内收到回复的数据帧，则通讯异常，主控CPU记录故障信息到存储器4，并重复发送请求帧。如果在200ms收到数据帧，则主控CPU将根据收到的位置、速度、车辆状态信息，以及从存储器2中获取电子地图信息，开始ATO计算，最终得到车辆控制命令。

8、主控CPU将车辆控制命令通过CAN数据帧发送给车辆网络控制系统。至此完成一个周期的控制过程。

9、监控CPU在确保收到主控CPU正常的PWM信号的前提下，实时监控CAN总线数据，并将接收到的CAN总线数据记录到SD卡中存储。当SD卡中内容记录满时，最新接收到的CAN总线数据将不断覆盖记录的最旧的CAN数据，以确保记录的CAN总线数据是最新的。当系统发生故障时，可通过读取SD卡中的数据快速定位故障或问题。此设计可大幅提升系统的可维护性。

10、主控CPU每隔20ms将自身状态写入到存储器3，用于板卡自身故障排查。

11、如果列车完成当天自动运行，并完成停车入库动作。列车自动运行控制板卡将保留当天的运行状态数据到存储器3，并控制可编程时钟源输出低频时钟信号，主控CPU进入低功耗待机模式，完成当天运行。

上述实施例中，主控CPU通过IO控制可编程时钟源，在主控CPU自检不通过、电子地图数据不完整、完成当天运行任务的情况下，控制可编程时钟源输出低频时钟信号，以减少列车自动运行控制板卡的能耗。

综上所述，本申请提出的列车自动运行控制板卡具有双CPU监控架构、灵活的时钟源控制模式、灵活的供电控制模式、4个独立的数据存储阵列，具有更好的能耗管理功能和数据可靠性；

具体地说，采用CPU处理芯片，具备较高运算处理能力；CPU与可编程时钟源相连，可控制时钟源输出不同频率的工作时钟，输出的高频时钟可以满足列车自动运行控制板卡正常运行时的高性能需求；输出的低频时钟可以在待机情况下，实现列车自动运行控制板卡的低功耗运行；列车自动运行控制板卡具有采用4片Flash可编程存储器构成的存储器阵列，实现可执行代码、电子地图、状态信息、故障信息的分区域存储，有效避免了单片存储器故障导致的全部数据丢失；列车自动运行控制板卡具有2个对外连接器，可以实现两路CAN总线对外通讯互联。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种列车自动运行控制板卡，其特征在于，包括：

主控CPU；

监控CPU，与所述主控CPU通过PWM线相连，所述监控CPU通过PWM线发送PWM信号至所述主控CPU或接收所述主控CPU返回的PWM信号；

可编程时钟源，通过IO线与主控CPU相连，所述可编程时钟源通过所述IO线输出高频时钟信号或低频时钟信号至所述主控CPU；

CAN隔离通信模块，通过CAN总线连接于所述主控CPU，所述主控CPU通过所述CAN隔离通信模块与外部系统进行通信；

功率开关，连接于所述监控CPU与所述CAN隔离通信模块。

2.根据权利要求1所述的列车自动运行控制板卡，其特征在于，还包括：存储器阵列与SD卡，所述存储器阵列由4片Flash芯片组成，与所述主控CPU通过CAN总线相连；所述SD卡与所述监控CPU相连。

3.根据权利要求2所述的列车自动运行控制板卡，其特征在于，所述存储器阵列包括：存储可执行代码的第一存储器、存储数字地图的第二存储器、存储运行状态记录的第三存储器以及存储故障信息的第四存储器。

4.根据权利要求3所述的列车自动运行控制板卡，其特征在于，还包括片选电路，所述主控CPU通过所述片选电路分别与所述第一存储器、第二存储器、第三存储器以及第四存储器相连。

5.根据权利要求4所述的列车自动运行控制板卡，其特征在于，还包括隔离电源，所述隔离电源包括两路电源输出端口，分别为第一电源输出端口和第二电源输出端口，所述第一电源输出端口输出第一供电信号至所述监控CPU、所述功率开关与所述SD卡，所述第二电源输出端口输出第二供电信号至所述主控CPU、所述存储器阵列、所述可编程时钟源与所述片选电路。

6.根据权利要求5所述的列车自动运行控制板卡，其特征在于，当所述监控CPU发送高电平信号至所述功率开关时，所述功率开关导通，所述CAN隔离通信模块得电；当所述监控CPU发送低电平信号至所述功率开关时，所述功率开关关闭，所述CAN隔离通信模块失电。

7.根据权利要求5所述的列车自动运行控制板卡，其特征在于，还包括CAN滤波器，所述CAN滤波器通过CAN总线连接于所述CAN隔离通信模块。

8.根据权利要求7所述的列车自动运行控制板卡，其特征在于，还包括两个9针D型连接器，分别为第一连接器与第二连接器，所述第一连接器与所述CAN滤波器直接相连，所述第二连接器与所述隔离电源直接相连，所述第一连接器与所述第二连接器通过CAN总线直接相连。

9.根据权利要求8所述的列车自动运行控制板卡，其特征在于，还包括数字隔离器，所述数字隔离器连接于所述监控CPU与所述第一连接器。

10.根据权利要求1所述的列车自动运行控制板卡，其特征在于，还包括晶振，所述晶振连接于所述监控CPU，所述晶振用于输出固定时钟信号至所述监控CPU。

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