EA000205B1

EA000205B1 - Входная ячейка постоянного тока для цепей сбора данных

Info

Publication number: EA000205B1
Application number: EA199700236A
Authority: EA
Inventors: Жан-Пьер Франкарт; Анри Юссон; Пьер Менье
Original assignee: Гек Алстом Асек Транспорт С.А.
Priority date: 1995-04-19
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 1998-12-24
Also published as: AP9701070A0; AU5262796A; AU709978B2; DK0822908T3; SK284293B6; CA2218525A1; HUP9802638A2; JPH11504588A; OA10526A; CN1182392A; HUP9802638A3; DE69606528T2; GR3033057T3; CZ292986B6; PL323040A1; AP743A; CZ322197A3; DE69606528D1; PL180311B1; WO1996033087A1

Description

Настоящее изобретение главным образом относится к входной ячейке постоянного тока, предназначенной для цепей сбора данных, в частности для применения в железнодорожном транспорте.

В настоящее время входные ячейки постоянного тока, предназначенные для цепей сбора данных, главным образом состоят из механических надежных реле, которые соединяются вместе простым кабелем.

Ближайший аналог заявляемой ячейки постоянного тока для цепей сбора данных описан в заявке США № 4091292, где представлено устройство, предназначенное для поддержания потенциала постоянного тока в определенном диапазоне критической величины. Эта цепь выдает сигнал безаварийного отказа, если потенциал выходит из допустимого диапазона. В этой цепи используются два диода Зенера и два оптрона. Если потенциал постоянного тока остается в критическом интервале, то тестовый сигнал переменного тока на положительной полуволне смещает один оптрон в обратном направлении, а второй оптрон - в прямом направлении; на отрицательной полуволне смещает второй оптрон в обратном направлении, а первый - в прямом направлении. Таким образом, два оптрона проводят при разных полуволнах тестового сигнала переменного тока. Если потенциал постоянного тока выходит из требуемого диапазона, то чередующаяся проводимость через оптроны прекращается и выдается сигнал о неисправности. Если любой из диодов Зенера выходит из строя таким образом, что меняются его характеристики и цепь не может обнаружить выход напряжения за пределы допустимого диапазона, то выдается сигнал о неисправности.

Настоящее изобретение имеет целью предложить ячейку для входных элементов постоянного тока, предназначенную для цепей сбора данных, в частности на железнодорожном транспорте, которая, по крайней мере, также ведет себя в смысле надежности, как и ячейкапрототип, имея, в то же время, присущие ей преимущества, заключающиеся в компактности, более легком обслуживании и установке, а также большей долговечности.

Более конкретно, настоящее изобретение имеет целью предоставить ячейку, в которой неправильное считывание всегда ведет к безопасному срабатыванию.

Настоящее изобретение также имеет целью обнаружение многократных срабатываний, которые могут произойти в различных составляющих элементах ячейки.

Кроме того, настоящее изобретение имеет целью минимизацию влияния изменений характеристик используемых компонентов, возникающих под действием внешнего фактора, такого, например, как повышение температуры.

Настоящее изобретение в сущности относится к входной ячейке постоянного тока, предназначенной для цепей сбора данных, в частности на железнодорожном транспорте, состоящей из электронных компонентов и включающей в себя, по крайней мере, две линии идентичных элементов. Каждая линия в сущности состоит из диода Зенера, коммутатора, в предпочтительной реализации полученного из оптоэлектронного ключа, и второго оптоэлектронного ключа, включающего светодиод.

Задание порогового значения напряжения осуществляется путем сравнения входного напряжения с опорным напряжением на диоде Зенера, в то время как изоляция по постоянному току обеспечивается оптоэлектронными ключами.

В соответствии с первой реализацией два оптоэлектронных ключа, включающих светодиод, установлены параллельно таким образом, что происходит обмен данными между двумя линиями с тем, чтобы контролировать целостность системы.

В соответствии с другой предпочтительной реализацией два оптоэлектронных ключа, установлены последовательно друг за другом, причем каждый из них установлен параллельно с диодом, два диода имеют обратные смещения относительно соответствующего оптоэлектронного ключа для того, чтобы дать возможность току протекать тогда, когда соответствующий оптоэлектронный ключ не является проводящим.

В соответствии с еще одной предпочтительной реализацией каждый диод, включенный параллельно оптоэлектронному ключу, включающему светодиод, заменен первым резистором, причем два первых резистора, присутствующих в каждой из линий, строго идентичны.

В соответствии с еще одной предпочтительной реализацией второй диод Зенера предусмотрен в каждой линии, где он установлен параллельно с первым диодом Зенера, за которым следует оптоэлектронный ключ, выполняющий функцию коммутатора.

Этот второй диод Зенера имеет целью предотвращение достижения обратным напряжением на одном из светодиодов оптоэлектронных ключей его минимального напряжения пробоя.

В соответствии с еще одной предпочтительной реализацией последовательно с оптоэлектронным ключом, включающим светодиод, и параллельно с первым резистором включен второй резистор, причем два вторых резистора, присутствующих в каждой из двух линий также строго идентичны.

В соответствии с еще одной предпочтительной реализацией - одна из двух линий имеет буферный каскад с транзистором, который дает возможность инвертировать уровень выходных импедансов для того, чтобы позволить обнаружение расхождения между разными линиями обработки данных в случае, когда выходы множества идентичных ячеек паразитными элемен3 тами установлены в параллель. В этом случае эта конфигурация делает возможным обнаружение расхождения в случае, когда различные ячейки находятся в разных состояниях.

Настоящее изобретение более подробно будет описано с помощью следующих чертежей.

На фиг. 1 - 4 представлены схемы, которые показывают основные элементы, составляющие устройство в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 5 - одна реализацию устройства в соответствии с настоящим изобретением, осуществленная с применением принципов, описанных на фиг. 1 - 4;

на фиг. 6 и 8 - последовательность команд переключения и считывания в иллюстративной реализации программы, анализирующей устройство в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 7 и 9 - типовые блок-схемы программ обработки для последовательностей команд, приведенных на фиг. 6 и 8 соответственно.

Для того, чтобы понять принципы, лежащие в основе разработки устройства в соответствии с настоящим изобретением, сделаем, главным образом, ссылки на фиг. 1 - 4, которые включают основные характерные элементы.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением, обычно упоминаемое как входная ячейка постоянного тока, в сущности, как показано на фиг.1, состоит из двух параллельных линий идентичных элементов, установленных последовательно.

Первая линия, упоминаемая как линия А, включает диод Зенера DZ1; коммутатор SW1, который в предпочтительной реализации является оптоэлектронным ключом; второй оптоэлектронный ключ U3, включающий светодиод, а также резистор R18; в то время, как вторая линия, упоминаемая как линия В, включает диод Зенера DZ2; коммутатор SW2, который в предпочтительной реализации является оптоэлектронным ключом; второй оптоэлектронный ключ U4, включающий светодиод, а также резистор R2.

В соответствии с этой конфигурацией диоды Зенера DZ1 и DZ2 являются элементами, делающими возможным определение опорной пороговой величины. Главный недостаток этого устройства заключается в том факте, что потребление, гарантированное на уровне порога, сильно зависит от чувствительности оптоэлектронных ключей U3 и U4.

Это является причиной того, что предложено разделить линии элементов. В соответствии с частной конфигурацией, представленной на фиг. 1 , два оптоэлектронных ключа U3 и U4 установлены параллельно, таким образом, что существует непрерывный обмен данными между двумя линиями с тем, чтобы контролировать целостность системы.

В соответствии с другой реализацией, которая более детально представлена на фиг. 2, два оптоэлектронных ключа больше не установлены параллельно, а установлены друг за другом. В этом случае ясно, что было необходимо установить диод параллельно каждому из оптоэлектронных ключей U3 и U4. В частности, диод D1 установлен параллельно оптоэлектронному ключу U3, в то время как диод D2 - параллельно оптоэлектронному ключу U4. Также ясно, что два диода установлены в противоположных направлениях.

В соответствии с другой дополнительной предпочтительной реализацией диоды D1 и D2 были заменены резисторами.

Для объяснения этого в случае схемы, включающей диоды, следует отметить, что ток не достигает порогового значения для эмиссии светодиода. Хотя, конечно, диод имеет темновой ток, он не может быть использован.

Как показано на фиг. 3, за счет предложения убрать диоды D1 и D2, показанные на фиг. 2, и заменить их строго идентичными первыми резисторами R5 и R12, обеспечивается гарантия минимального потребления тока на пороговом значении для минимального напряжения в 1 В на контактах светодиодов в U3 и U4 при переключении последних. Это означает, что для того, чтобы диод излучал, требуется, чтобы напряжение достигало порогового значения в 1 В, и ток будет протекать через резистор противоположной линии. При этом не будет ненормально высокого напряжения.

Поэтому первые резисторы R5 и R1 2 имеют задачу гарантировать минимальное потребление тока на пороговом уровне.

Другое усовершенствование состоит в снабжении дополнительными элементами в виде диодов Зенера DZ3 и DZ4, включенными параллельно диоду Зенера DZ1 и коммутатору SW1 с одной стороны и диоду Зенера DZ2 и коммутатору SW2 с другой стороны. Для объяснения этого следует отметить, что гарантия минимального потребления основана на присутствии резисторов R5 и R12, и, что рост величины одного из двух резисторов приводит к возрастанию порогового напряжения ячейки. Полный обрыв одного из резисторов R5 или R12 обычно обнаруживается тем фактом, что соответствующий оптоэлектронный ключ U3 или U4 не может включиться.

Тем не менее, в случае, когда входное напряжение превышает некоторый порог, который соответствует минимальному напряжению пробоя светодиода оптоэлектронного ключа U3 или U4, можно, в том случае, когда светодиод оптоэлектронного ключа, управляемый в обратном направлении, начинает проводить благодаря пробою, наблюдать работу, как если бы она была правильной.

Роль диодов Зенера DZ3 и DZ4 поэтому заключается в том, чтобы предотвращать достижение обратным напряжением на одном из светодиодов оптоэлектронных ключей U3 и U4 минимального напряжения пробоя светодиодов оптоэлектронных ключей. Присутствие и значение диодов Зенера DZ3 и DZ4 определяются оптоэлектронными ключами U3 и U4 во время фаз анализа тогда, когда SW2 и SW1 оба находятся в открытом состоянии.

Другое усовершенствование, представленное на фиг. 4, состоит в обеспечении присутствия в каждой из линий А и В второго резистора, включенного последовательно с каждым из двух оптоэлектронных ключей U3 и U4, включающих в себя светодиод. Понятно, что эти вторые резисторы R21 и R25 параллельны первым резисторам R5 и R12. И опять, вторые резисторы R21 и R25 строго идентичны. Присутствие этих вторых резисторов делает возможной гарантию того, что обратное напряжение, которое может возникнуть на контактах светодиода, всегда меньше, чем его напряжение пробоя. Это происходит потому, что, если резистор R12 выходит из строя, работа ветви детектирования может наблюдаться линиями обработки данных как правильная, если светодиод из U2 входит в область пробоя (на практике обратные напряжения, которые могут выдерживать светодиоды оптоэлектронных ключей, являются очень малыми и редко превышают несколько вольт).

При условии присутствия вторых резисторов R21 и R25 для максимальных входных напряжений, обратное напряжение, которое может вырасти на выводах светодиода, всегда наверняка меньше, чем его напряжение пробоя.

Фиг. 5 представляет устройство в соответствии с изобретением, которое практически реализует принципы, описанные на предшествующих чертежах.

Устройство, описанное на фиг. 5 в сущности состоит из двух функциональных блоков, установленных в каскадном включении.

Блок 1 обеспечивает минимальную защиту от повышенных напряжений и в сущности состоит из резистора R3, который ограничивает амплитуду выбросов тока возможных разрядов в VR1, и двуханодный стабилитрон TRZ1, который обрезает броски напряжения, возникающие во время возможных разрядов.

Второй блок (блок II) в сущности выполняет функцию задания порогового напряжения ячейки и развязки по постоянному току между входом и выходами линий обработки данных так, как описано выше.

В соответствии с конфигурацией, представленной на фиг. 5, коммутаторы SW1 и SW2, описанные на предыдущих чертежах, являются в этом случае оптоэлектронными ключами U1 и U2, в то время как резисторы R18 и R2 были заменены инжекторами I1 и I2. Инжектор I1 изготовлен с использованием элементов R17,

Q6, Q5, DZ4 и R18, а инжектор I2 состоит из элементов R19, Q1, Q2, DZ3 и R2.

Диод Зенера DZ1 , оптоэлектронный ключ U3 и инжектор тока I1 задают первый опорный порог, в то время, как второй опорный порог создается диодом Зенера DZ2, оптоэлектронным ключом U4 и инжектором тока I2.

Оптоэлектронные ключи запрограммированы таким образом, что на каждый цикл опроса входа по постоянному току линии обработки данных работают совместно так, чтобы управлять U1 и U2 в следующей последовательности:

	U1	U2
Шаг 1	ВКЛ	ВЫКЛ¹
Шаг 2	ВЫКЛ	ВКЛ
Шаг 3	ВКЛ	ВКЛ
Шаг 4	ВЫКЛ	ВЫКЛ¹

В конце цикла опроса один из двух оптоэлектронных ключей U1 или U2 поочередно оставляется включенным.

На каждом шаге цикла опроса линии обработки данных опрашивают логическое состояние выходного вывода U3 и U4.

В зависимости от рабочего состояния ячейки и логического состояния входного напряжения решения принимаются таким образом, как проиллюстрировано следующей таблицей:

	Случай 1 U3	U4
Шаг 1	ВЫКЛ	ВЫКЛ¹
Шаг 2	ВЫКЛ	ВЫКЛ¹
Шаг 3	ВЫКЛ	ВЫКЛ¹
Шаг 4	ВЫКЛ	ВЫКЛ¹

Вход находится в состоянии логического 0.

	Случай 2 U3	U4
Шаг 1	ВКЛ	ВЫКЛ¹
Шаг 2	ВЫКЛ	ВКЛ
Шаг 3	ВЫКЛ	ВЫКЛ¹
Шаг 4	ВЫКЛ	ВЫКЛ¹

Вход находится в состоянии логической 1 .

На практике программное обеспечение действует следующим образом: один раз за цикл процессоры опрашивают входы в течение 20 мс. Они берут 32 выборки, разнесенных на 625 мкс. За пределами этой фазы опроса для того, чтобы гарантировать неизменное потребление, один из коммутаторов удерживается в закрытом состоянии, а другой - в открытом. Состояния коммутаторов меняются в каждом цикле, и каждая линия подключается поочередно.

В соответствии с предпочтительной реализацией предусмотрены две отдельные последовательности команд опроса, где в каждом цикле линии обработки данных изменяют последовательность команд опроса. Каждая последовательность команд опроса разбита на две фазы:

первая длится 15 мс, а вторая - 5 мс. Используется следующая система обозначений:

Р - число выборок, считанных в состоянии с высоким уровнем на выходе оптоэлектронного ключа линии A (U1) в течение 15 мс фазы;

N - число выборок, считанных в состоянии с высоким уровнем на выходе оптоэлектронного ключа линии В (U2) в течение 15 мс фазы;

Р' - число выборок, считанных в состоянии с высоким уровнем на выходе оптоэлектронного ключа линии А (U1) в течение 5 мс фазы;

N' = число выборок, считанных в состоянии с высоким уровнем на выходе оптоэлектронного ключа линии В (U2) в течение 5 мс фазы.

Последовательность команд 1.

Фиг. 6 показывает команды, подаваемые на два коммутатора, а также вывод считываемой информации на выходе соответствующего оптоэлектронного ключа. Когда команда имеет состояние высокого уровня - коммутатор замкнут. Если вывод считываемой информации имеет состояние низкого уровня, то оптоэлектронный ключ включен.

Для каждой фазы фиг. 6 дает число выборок в состоянии высокого уровня, которые считывают линии обработки.

Фиг. 7 представляет блок-схему обработки выборок для последовательности команд 1 , на которой в течение 1 5 мс фазы включена только линия А. Если входное напряжение превышает пороговое значение, то оптоэлектронный ключ U1, соединенный с линией А, должен быть включенным в течение всей этой фазы. Это дает Р = 0 и N = 24. В течение 5 мс фазы два коммутатора одновременно замкнуты. Оптоэлектронные ключи не могут проводить сигнал. В этом случае Р' = N' = 8.

После каждой последовательности команд опроса длительностью 20 мс и на базе числа выборок в состоянии высокого уровня, счет которых ведет микропроцессор, переменные VALUE и STATUS обновляются заново. Переменная VALUE показывает имеет ли приложенное к ячейке напряжение величину меньшую или большую, чем пороговое значение:

[VALUE = 0 ^U_m < порогового U ί

Lvalue = 1 ^u_m > порогового u

Переменная STATUS является индикатором правильной работы входной ячейки:

[status = 0 обнаружен сбой ί

Lstatus = 1 ячейка работает правильно

Двоичной переменной, которую программа принимает в расчет в оставшейся части процесса обработки, является VALUE*STATUS. Поэтому всегда входные данные не могут быть включены в рассмотрение в случае сбоя.

Знак ? указывает на то, что переменная не является модифицированной.

Как показано на фиг. 7, допускаются некоторые отклонения от идеального числа выборок. Эти отклонения существенно важны для того, чтобы гарантировать правильную работу ячейки при учете времени реакции компонентов (оптоэлектронных ключей, транзисторов и т. д.) при изменении команды, подаваемой на коммутатор.

Последовательность команд 2.

Последовательность команд 2, как представлено на фиг. 8, является дополнением последовательности команд 1 . В течение первых 1 5 мс управляется только линия В. В течение последних 5 мс обе линии отсечены.

Фиг. 9 представляет собой блок-схему обработки выборок. Для того чтобы программа считала входное напряжение превышающим пороговое значение напряжения, необходимо, чтобы в течение 4 успешных опросов (Последовательность 1 , Последовательность 2, Последовательность 1 , Последовательность 2) результат обработки давал

VALUE*STATUS = 1.

Использование последовательности команд опроса этого типа делает возможной гарантию того, что ячейка нечувствительна к любому переменному напряжению частотой 50 Гц.

Основной критерий выбора для двух оптоэлектронных ключей U1 и U2, выполняющих функцию коммутаторов, заключается в работе с минимально возможным током светодиода, что дает возможность гарантировать правильную работу при переключении. Другим критерием, являющимся существенным для выбора оптоэлектронных ключей, является получение минимальной развязки между входом и выходом.

Полезные сигналы на выходе ячейки, естественно, присутствуют на выводах выходных оптоэлектронных ключей с высоким уровнем выходного импеданса для электрического состояния 1 и с низким уровнем импеданса для электрического состояния 0. Эта характеристика создает риск выдачи логической функции ИЛИ (касается состояния входов) для двух линий обработки в случае дефектов, состоящих в возникновении короткозамкнутой цепи между выходными сигналами различных ячеек. Одна мера предосторожности состоит, как представлено на фиг. 5, в использовании только для линии обработки А буферного каскада с транзистором, инвертирующим уровень выходного импеданса таким образом, что в это время существует низкий уровень импеданса для электрического состояния 1 и высокий уровень импеданса для электрического состояния 0. Этот каскад состоит из следующих элементов: R9, Q3, R10 и Q4.

За счет создаваемой таким образом асимметрии между линиями А и В в случае возникновения многочисленных цепей с паразитной проводимостью, возможно воздействующих на одни и те же ячейки для двух линий обработки, используется следующее поведение: эквивалент передаваемой функции ИЛИ (на электрическом уровне) создается на ячейках линии А, в то время как эквивалент передаваемого И (на электрическом уровне) создается на ячейках линии В.

Это приводит к расхождению между линиями обработки, обнаруживаемому как только состояния двух ячеек, на которые воздействуют цепи с паразитной проводимостью, становятся разными.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Входная ячейка постоянного тока, предназначенная для цепей сбора данных, в частности для применения в железнодорожном транспорте, включающая две параллельные линии идентичных элементов, причем каждая линия элементов включает, по крайней мере, один диод Зенера (DZ1 или DZ2), коммутатор (SW1 или SW2), в предпочтительной реализации состоящий из оптоэлектронного ключа (U1 или U2), и включает резистивный элемент (R2 или R18), отличающаяся тем, что две линии соединены двумя оптоэлектронными ключами (U3 или U4), каждый из которых включает светодиод.
2. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что два оптоэлектронных ключа (U3 и U4), включающих светодиод, установлены параллельно в противоположных направлениях.
3. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что два оптоэлектронных ключа (U3 и U4), включающих светодиод, установлены последовательно в противоположных направлениях, причем каждый из двух оптоэлектронных ключей (U3 или U4) установлен параллельно с диодом (D1 или D2).
4. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что два оптоэлектронных ключа (U3 и U4), включающих светодиод, установлены последовательно друг за другом, причем каждый из светодиодов двух оптоэлектронных ключей (U3 и U4) установлен параллельно с первым резистором (R5 или R12).
5. Ячейка по п.4, отличающаяся тем, что последовательно с каждым из двух оптоэлектронных ключей (U3 или U4), включающих светодиод, установлен второй резистор (R21 или R25), причем эти вторые резисторы параллельны первым резисторам (R5 или R1 2).
6. Ячейка по любому п. с 1 по 4, отличающаяся тем, что в каждой из линий параллельно диоду Зенера (DZ1 или DZ2), за которым следует коммутатор (SW1 или SW2), присутствует второй диод Зенера (DZ3 или DZ4).
7. Ячейка по любому предшествующему пункту, отличающаяся тем, что только на одной из линий (А) она включает в себя буферный каскад с транзистором (R9, Q3, R10, R11 и Q4), инвертирующий уровень выходных импедансов.