CN219266504U - 一种列控设备电源监测插板 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于列控设备监测技术领域，具体涉及一种列控设备电源监测插板，所述插板上设置有电路，所述电路包括电源单元、MCU单元、FPGA单元、ADC单元和VIN单元，所述MCU单元通过FPGA单元与DMS系统底板进行通信连接，所述VIN单元通过ADC单元与MCU单元连接，所述电源单元为整个电路供电；所述电源单元用于从DMS系统底板获取工作电源并将其转化为插板的电源电压；所述MCU单元用于数据处理，所述FPGA单元用于与DMS系统底板进行RS485通讯；所述ADC单元用于将采集的电源电压模拟信号转化为数字信号；所述VIN单元用于电源电压信号调理。本实用新型电路设计简单，硬件成本低，能够实时监测列控设备供电电源，并发出异常故障指示。

Description

一种列控设备电源监测插板

技术领域

本实用新型属于列控设备监测技术领域，具体涉及一种列控设备电源监测插板。

背景技术

列控设备动态监测系统（DMS），实时监测动车组运行过程中列控车载设备和地面设备的状态、地面应答器、无线闭塞中心（RBC）报文和轨道电路等信息，将监测数据通过铁路专用网络或公众移动网络实时传回地面数据中心，经过分析处理后通过用户终端展现给用户。

因此亟需设计出一种列控设备电源监测插板，可用于供电电源（例如ATP系统）的实时监测，并将监测信息发送给DMS主机。

发明内容

为了解决DMS主机监测列控设备供电电源的问题，本实用新型提出了一种列控设备电源监测插板，电路设计简单，硬件成本低，能够实时监测列控设备供电电源，并发出异常故障指示。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下的技术方案：

本实用新型提供了一种列控设备电源监测插板，所述插板上设置有电路，所述电路包括电源单元、MCU单元、FPGA单元、ADC单元和VIN单元，所述MCU单元通过FPGA单元与DMS系统底板进行通信连接，所述VIN单元通过ADC单元与MCU单元连接，所述电源单元为整个电路供电；所述电源单元用于从DMS系统底板获取工作电源并将其转化为插板的电源电压；所述MCU单元用于数据处理，所述FPGA单元用于与DMS系统底板进行RS485通讯；所述ADC单元用于将采集的电源电压模拟信号转化为数字信号；所述VIN单元用于电源电压信号调理。

进一步地，所述插板与DMS系统底板通过DB48针插座进行连接。

进一步地，所述电源单元包括DCDC降压转换器、LDO降压器、DCDC升压模块一、DCDC升压模块二和DCDC升压模块三，所述DCDC降压转换器用于将DMS系统底板输出的15V电源转换为5V，该5V电源输出至LDO降压器和三路DCDC升压模块；所述LDO降压器输出3.3V和1.5V，为FPGA单元和MCU单元供电；所述DCDC升压模块一、DCDC升压模块二和DCDC升压模块三均输出12V，为VIN单元供电。

进一步地，所述VIN单元包括两个完全相同的通道，通道一包括输入1信号衰减及跟随电路和输入1信号隔离及跟随电路，通道二包括输入2信号衰减及跟随电路和输入2信号隔离及跟随电路；所述DCDC升压模块一为输入1信号衰减及跟随电路供电，所述DCDC升压模块二为输入1信号隔离及跟随电路和输入2信号隔离及跟随电路供电；所述DCDC升压模块三为输入2信号衰减及跟随电路供电；电源电压输入信号输入到输入1信号衰减及跟随电路和输入2信号衰减及跟随电路，由输入1信号隔离及跟随电路和输入2信号隔离及跟随电路输送至ADC单元。

进一步地，所述输入1信号衰减及跟随电路和输入2信号衰减及跟随电路均包括按信号传递方向依次连接的过流过压保护电路、衰减电路和跟随放大器一；所述输入1信号隔离及跟随电路和输入2信号隔离及跟随电路均包括按信号传递方向连接的隔离运放电路和跟随放大器二。

进一步地，所述MCU单元包括STM32F103ZET6芯片，所述STM32F103ZET6芯片通过SPI总线控制两路ADC进行数据采集。

进一步地，所述FPGA单元包括A3PN060芯片和两个RS485芯片，所述A3PN060芯片与STM32F103ZET6芯片相连接，所述A3PN060芯片通过两个RS485芯片与DMS系统底板进行RS485通讯。

进一步地，所述ADC单元包括AD转换电路、AD转换电压基准电路和SPI信号电平转换电路。

进一步地，所述插板上设置有两个输入信号采集口，所述插板上还设置有四个指示灯，用于指示插板工作状态。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型的列控设备电源监测插板能够提供两路供电电源电压检测通道，可用于供电电源（例如ATP系统）的实时监测，并将监测信息发送给DMS主机；如果监测到供电电压异常，插板上的指示灯会发出故障指示，提醒工作人员及时处置。本实用新型的插板电路设计简单，硬件成本低，工作可靠，稳定性好。

附图说明

图1是本实用新型实施例的列控设备电源监测插板的原理框图；

图2是本实用新型实施例的列控设备电源监测插板的工作流程图；

图3是本实用新型实施例的电源单元的原理框图；

图4是本实用新型实施例的FPGA单元的原理框图；

图5是本实用新型实施例的MCU单元的原理框图；

图6是本实用新型实施例的VIN单元其中一个通道的原理框图；

图7是本实用新型实施例的ADC单元的原理框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例的列控设备电源监测插板，该插板上设置有电路，电路包括电源单元、MCU单元、FPGA单元、ADC单元和VIN单元，MCU单元通过FPGA单元与DMS系统底板进行通信连接，VIN单元通过ADC单元与MCU单元连接，电源单元为整个电路供电。电源单元用于从DMS系统底板获取工作电源并将其转化为插板的电源电压，MCU单元用于数据处理，FPGA单元用于与DMS系统底板进行RS485通讯，ADC单元用于将采集的电源电压模拟信号转化为数字信号，VIN单元用于电源电压信号调理。

插板上设置有两个输入信号采集口；插板与DMS系统底板通过DB48针插座进行连接，其中2-485-N和2-485-P管脚为从板高速总线接收数据通道，1-485-N和1-485-P为从板高速总线发送数据通道，A0-A5管脚为插座地址，INT管脚为从板共用的中断信号线。

如图3所示，电源单元包括DCDC降压转换器、LDO降压器、DCDC升压模块一、DCDC升压模块二和DCDC升压模块三。DCDC降压转换器用于将DMS系统底板输出的15V电源转换为5V，该5V电源输出至LDO降压器和三路DCDC升压模块。LDO降压器输出3.3V和1.5V，单路输出电流最大为300mA，用作FPGA单元和MCU单元的供电电源。DCDC升压模块一和DCDC升压模块三均输出+/-12V，参考地为SGND_A或者SGND_B，分别供给两个检测通道的信号调理电路。DCDC升压模块二输出+/-12V ，参考地为GND，主要为信号隔离后的运放电路提供电源。

VIN单元包括两个完全相同的输入检测通道，通道一包括输入1信号衰减及跟随电路和输入1信号隔离及跟随电路，通道二包括输入2信号衰减及跟随电路和输入2信号隔离及跟随电路；DCDC升压模块一为输入1信号衰减及跟随电路供电，DCDC升压模块二为输入1信号隔离及跟随电路和输入2信号隔离及跟随电路供电；DCDC升压模块三为输入2信号衰减及跟随电路供电。

输入1信号衰减及跟随电路和输入2信号衰减及跟随电路均包括按信号传递方向依次连接的过流过压保护电路、衰减电路和跟随放大器一；输入1信号隔离及跟随电路和输入2信号隔离及跟随电路均包括按信号传递方向连接的隔离运放电路和跟随放大器二。如图6所示，输入信号由输入信号采集口进入，经过过流过压保护电路、衰减电路、跟随放大器一、隔离运放电路和跟随放大器二，最后送至ADC单元。过流保护额定值为0.5A，当电流超过0.5A时，保护电路中的自恢复保险丝会起作用。过压保护额定值为AC140V、DC180V，超过额定值以上，过压保护电路会起作用，压敏电压为220V@1mA。隔离运放增益为1倍，额定隔离电压为1500V。

由于后级ADC单元的最大输入电压为±10V，考虑到衰减系数1：21，隔离运放增益为1倍，以及兼顾过压保护的额定电压，插板的输入信号采集口允许的正常采集电压范围为AC140V或者DC0~180V。

MCU单元是插板的控制、显示、数据处理、与DMS系统底板通信的核心电路。如图5所示，MCU单元包括STM32F103ZET6芯片、调试接口、编程接口、4个指示灯、电源去耦电路、复位电路以及由8MHz晶振组成的时钟电路，4个指示灯用于指示插板工作状态。STM32F103ZET6芯片通过SPI总线控制两路ADC进行数据采集，并对采集到的数据进行处理。STM32F103ZET6芯片通过FPGA单元与DMS系统底板实现高速通信。

如图4所示，FPGA单元包括A3PN060芯片、两个RS485芯片、编程接口、运行LED显示、时钟电路、电源去耦电路和板卡ID编码检测。从板高速总线采用两个RS485芯片作为总线收发器，最高通信速率为2.5Mbps，采用A3PN060芯片作为总线控制器，总线通信协议使用STM32F103ZET6芯片编程实现。 A3PN060芯片与STM32F103ZET6芯片相连接，A3PN060芯片通过两个RS485芯片与DMS系统底板进行RS485通讯。

从板的FPGA高速总线实现如下：

FPGA单元内有两个处理流程，一个是发送，一个是接收。485-2对于从设备来说只作为接收。而当从设备有数据需要发送时，需要将共用中断线拉低。主设备检测到中断线为低时，通过485-1对从设备从地址1开始进行遍历。如果需要发数据的从设备接收到主设备对自己的遍历，则开始通过485-1发送数据，主设备暂时中断遍历。

从板的STM32总线通信实现如下：

STM32与FPGA连接使用D0-D15数据总线，占用片选信号NE1，使用其地址线A0-A10，读写方向受控于nOE和nWE。FPGA收到一包完整数据后在PB6上产生一个中断信号，通知主控MCU读取数据，同时保存数据，并不再响应底板总线上的中断；MCU读完数据后通过PB8对其产生一个应答信号，FPGA可再次响应总线中断；主控MCU有数据要发送时，则直接向FPGA写入数据，写完后改变PB9的状态，通知FPGA要发送数据，等待其发送，FPGA发送完毕后通过PB5产生中断，告知已发送完毕。MCU通过PG15对FPGA产生复位信号，使其初始化。

ADC单元包含两个相同的通道，以下就其中一个通道进行介绍。如图7所示，ADC单元包括AD转换电路、AD转换电压基准电路和SPI信号电平转换电路，采集信号进入AD转换电路，被转换为数字信号，由于AD转换电路的供电电源为5V，AD转换电路的SPI总线电平为5VCMOS电平，需要经过SPI信号电平转换电路进行电平转换，转换为3.3V，才能与MCU单元进行互联。AD转换电压基准电路采用2.5V电压参考电路，2.5V电压参考电路分别为两个通道的AD转换电路提供电压参考。AD转换电路采用AD7894-10，输入电压最大为+/-10V，最大位数为14bit，完成一次数据采集的最小时间约为6.25uS。

插板的工作流程为：如图2所示，信号在进入两个输入检测通道后，先衰减，再隔离，最后送至ADC单元，ADC单元将经过信号调理的信号进行模数转换后传输到MCU单元，以作进一步分析判断，MCU单元将电源电压监测数据通过FPGA单元转发至DMS主机。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的 “一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

最后需要说明的是：以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，仅用于说明本实用新型的技术方案，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种列控设备电源监测插板，其特征在于，所述插板上设置有电路，所述电路包括电源单元、MCU单元、FPGA单元、ADC单元和VIN单元，所述MCU单元通过FPGA单元与DMS系统底板进行通信连接，所述VIN单元通过ADC单元与MCU单元连接，所述电源单元为整个电路供电；所述电源单元用于从DMS系统底板获取工作电源并将其转化为插板的电源电压；所述MCU单元用于数据处理，所述FPGA单元用于与DMS系统底板进行RS485通讯；所述ADC单元用于将采集的电源电压模拟信号转化为数字信号；所述VIN单元用于电源电压信号调理。

2.根据权利要求1所述的列控设备电源监测插板，其特征在于，所述插板与DMS系统底板通过DB48针插座进行连接。

3.根据权利要求1所述的列控设备电源监测插板，其特征在于，所述电源单元包括DCDC降压转换器、LDO降压器、DCDC升压模块一、DCDC升压模块二和DCDC升压模块三，所述DCDC降压转换器用于将DMS系统底板输出的15V电源转换为5V，该5V电源输出至LDO降压器和三路DCDC升压模块；所述LDO降压器输出3.3V和1.5V，为FPGA单元和MCU单元供电；所述DCDC升压模块一、DCDC升压模块二和DCDC升压模块三均输出12V，为VIN单元供电。

4.根据权利要求3所述的列控设备电源监测插板，其特征在于，所述VIN单元包括两个完全相同的通道，通道一包括输入1信号衰减及跟随电路和输入1信号隔离及跟随电路，通道二包括输入2信号衰减及跟随电路和输入2信号隔离及跟随电路；所述DCDC升压模块一为输入1信号衰减及跟随电路供电，所述DCDC升压模块二为输入1信号隔离及跟随电路和输入2信号隔离及跟随电路供电；所述DCDC升压模块三为输入2信号衰减及跟随电路供电；电源电压输入信号输入到输入1信号衰减及跟随电路和输入2信号衰减及跟随电路，由输入1信号隔离及跟随电路和输入2信号隔离及跟随电路输送至ADC单元。

5.根据权利要求4所述的列控设备电源监测插板，其特征在于，所述输入1信号衰减及跟随电路和输入2信号衰减及跟随电路均包括按信号传递方向依次连接的过流过压保护电路、衰减电路和跟随放大器一；所述输入1信号隔离及跟随电路和输入2信号隔离及跟随电路均包括按信号传递方向连接的隔离运放电路和跟随放大器二。

6.根据权利要求1所述的列控设备电源监测插板，其特征在于，所述MCU单元包括STM32F103ZET6芯片，所述STM32F103ZET6芯片通过SPI总线控制两路ADC进行数据采集。

7.根据权利要求6所述的列控设备电源监测插板，其特征在于，所述FPGA单元包括A3PN060芯片和两个RS485芯片，所述A3PN060芯片与STM32F103ZET6芯片相连接，所述A3PN060芯片通过两个RS485芯片与DMS系统底板进行RS485通讯。

8.根据权利要求1所述的列控设备电源监测插板，其特征在于，所述ADC单元包括AD转换电路、AD转换电压基准电路和SPI信号电平转换电路。

9.根据权利要求1所述的列控设备电源监测插板，其特征在于，所述插板上设置有两个输入信号采集口，所述插板上还设置有四个指示灯，用于指示插板工作状态。

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