ES2395107B1 - Módulo de entradas y salidas para sistemas de monitorización y control de vehículos ferroviarios. - Google Patents

Módulo de entradas y salidas para sistemas de monitorización y control de vehículos ferroviarios. Download PDF

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Abstract

Módulo de entradas y salidas para sistemas de monitorización y control de vehículos ferroviarios, constituido por una placa (11) de conexiones que presenta unas ranuras (12) de conexión rápida para la interconexión de una tarjeta (8) de control y comunicaciones, una tarjeta (9) de alimentación y una serie de tarjetas (10) de entradas y salidas; en donde la placa (11) de conexiones presenta un bus de comunicaciones SPI (Interfaz periférico serial) mediante el cual un controlador maestro ubicado en la tarjeta (8) de control y comunicaciones se comunica selectivamente con unos controladores esclavos ubicados en respectivas tarjetas (10) de entradas y salidas.

Description

MÓDULO DE ENTRADAS Y SALIDAS PARA SISTEMAS DE MONITORIZACIÓN Y CONTROL DE VEHÍCULOS FERROVIARIOS
Sector de la técnica
La presente invención está relacionada con los sistemas de monitorización y control de vehículos ferroviarios, tales como trenes, metros o tranvías, proponiendo un módulo de entradas y salidas que permite la conexión segura y la comunicación eficiente entre los distintos equipos que componen el vehículo ferroviario.
Estado de la técnica
El avance de las nuevas tecnologías de la información y comunicación ha provocado un cambio en diferentes campos de la técnica y el sector ferroviario no es una excepción. Hace unas décadas el equipamiento electrónico de los vehículos ferroviarios era reducido, por lo que no era necesario disponer complejos sistemas de comunicación para controlar los equipos embarcados en el vehículo.
El aumento de diferentes equipos embarcados creó la necesidad de disponer un estándar internacional de comunicaciones para interconectar los equipos embarcados de diferentes fabricantes, el estándar IEC 61375, también conocido como TCN (quot;Train Communication Networkquot;).
El objetivo del estándar TCN es permitir la compatibilidad y la comunicación entre los equipos instalados en el mismo o en diferentes vehículos, como puede ser el sistema de control de la tracción,
sistemas de apertura de puertas, alumbrado, así otros dispositivos auxiliares del tren.
La comunicación entre los sistemas embarcados se realiza mediante una arquitectura de buses jerarquizada en dos niveles, un bus de tren que conecta diferentes vehículos entre sí, y un bus de vehículo que interconecta los sistemas embarcados en un vehículo o grupo de vehículos.
El bus de comunicaciones utilizado como bus de vehículo puede estar basado en un bus MVB
( quot;Mul tifunction Vehicle Busquot;) , CAN (quot;Controller Area Networkquot;) o Ethernet. Además, independientemente del bus utilizado como bus de vehículo, en muchos casos es necesario disponer de una pasarela entre el bus de vehículo y dispositivos auxiliares del tren, pudiéndose utilizar como medio para dicha pasarela un bus CAN, RS485/422 o Ethernet.
Por lo tanto se hace necesario disponer de un módulo de entradas y salidas que permita gestionar los diferentes buses de comunicación existentes en un vehículo y que permita interconectar de una manera rápida y segura los diferentes sistemas embarcados en el vehículo.
Objeto de la invención

De acuerdo con la presente invención se propone un módulo de entradas y salidas, de espacio reducido y bajo coste, para sistemas de monitorización y control de vehículos ferroviarios, el cual permite la gestión de los diferentes buses de comunicación y la comunicación efectiva con los diferentes sistemas
embarcados.
El módulo de entradas y salidas para sistemas de monitorización y control de vehículos ferroviarios está constituido por una placa de conexiones que presenta unas ranuras de conexión rápida, para la interconexión de una tarjeta de control y comunicaciones, una tarjeta de alimentación y una serie de tarjetas de entradas y salidas, las cuales pueden ser tarjetas de entradas digitales, tarjetas de entradas analógicas, tarjetas de salidas digitales y tarjetas de salidas analógicas. La placa de conexiones presenta un bus de comunicaciones SPI mediante el cual una controlador maestra ubicada en la tarjeta de control y comunicaciones se comunica selectivamente con unas controladores esclavas ubicadas en respectivas tarjetas de entradas y salidas.
Para que la tarjeta de control y comunicaciones pueda comunicarse con una de las tarjetas de entradas y salidas se ha previsto que cada una de estas tarjeta de entradas y salidas disponga de un comparador, en el cual se compara una señal SPI_ADD, en donde se encuentra codificada la dirección de la ranura correspondiente a la tarjeta de entradas y salidas a la que quiere acceder la controlador maestra, y una señal BP_ADD, en donde se indica la dirección de la ranura en la que está físicamente insertada la tarjeta de entradas y salidas.

De esta manera se consigue dotar de una gran flexibilidad y configurabilidad al modulo de entradas y salidas, ya que es posible colocar las tarjetas de entradas y salidas en cualquier ranura de conexión rápida de la placa de conexiones con independencia del tipo de tarjeta de entradas y salidas de que se trate.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra la arquitectura de un sistema de monitorización y control de un vehículo ferroviario.
La figura 2 es un diagrama de bloques en donde se muestran los distintos componentes que constituyen el módulo de entradas y salidas de la presente invención.
La figura 3 muestra un esquema de comunicaciones internas SPI entre los distintos componentes que forman parte del módulo de entradas y salidas.
La figura 4 muestra una vista esquemática de los bloques que constituyen la tarjeta de alimentación del módulo de entradas y salidas.
La figura 5 muestra una vista esquemática de la tarjeta de control y comunicaciones del módulo de entradas y salidas.
La
figura 6 muestra un esquema de los buses de
comunicación
del microproces ador de la tarjeta de
control
y comunicaciones.
Descripción detallada de la invención

La figura 1 muestra un diagrama de bloques con la arquitectura de un sistema de monitorización y control de un vehículo ferroviario basado en el estándar de comunicaciones de tren TCN (quot;Train Communication networkquot;), concretamente se muestra una composición ( 1) de tren que presenta unos módulos (2) de entradas y salidas que se encargan de establecer la conexión física entre el sistema de control y los distintos
sistemas (3) embarcados del tren, como pueden ser equipos de tracción, sistema de aire acondicionado, sistema de apertura de puertas, sistema de frenos, alumbrado u otros equipos auxiliares del tren.
Los módulos (2) de entradas y salidas están adaptados para enviar y recibir información de los sistemas (3) embarcados del tren, está información es enviada a una unidad (4) de control que se encarga de ejecutar la lógica de funcionamiento global del tren comandando los distintos sistemas (3) embarcados del tren. Mediante una serie de repetidores (5) de señal se va replicando puntualmente la información para mantener un nivel de señal óptimo a lo largo de todos los coches que componen una composición (1) de tren. Cuando varias composiciones (1) de tren se encuentran acopladas, la información gestionada por los módulos (2) de entradas y salidas de una de las composiciones (1) de tren puede ser enviada a otra composición (1) mediante unas pasarelas (7) de información.
La unidad (4) de control está asociada a una interfaz (6) de usuario (HMI quot;Human Machine Interfacequot;) en donde se monitoriza toda la información relacionada con el vehículo, estado de equipos, alarmas, avisos, etc.
La figura 2 muestra un diagrama de bloques con los distintos componentes del módulo (2) de entradas y salidas, en donde se observa cómo este módulo (2) está
constituido
por una tarjeta (8) de control y
comunicaciones,
una tarjeta (9) de alimentación, una
serie
de tarjetas (10) de entradas y salidas y una
placa
(11) de conexiones o quot;backplanequot;, que
interconecta
las diferentes tarjetas componentes del
módulo (2) de entradas y salidas mediante unas ranuras
(12) de conexión rápida (quot;slotsquot;), sin la necesidad de emplear ningún tipo de cableado interno, lo cual facilita el montaje, fiabilidad y mantenimiento del módulo. La placa (11) de conexiones también es la encargada de llevar la tensión de alimentación desde la tarjeta (9) de alimentación hasta las tarjetas (10) de entradas y salidas y hasta la tarjeta (8) de control y comunicaciones.
El módulo (2) de entradas y salidas va integrado en un rack que le aporta versatilidad mediante la adición o supresión de tarjetas (10) de entradas y salidas en función de las necesidades, pudiendo ser las tarjetas (10), tarjetas de entradas digitales, tarjetas de salidas digitales, tarjetas de entradas analógicas o tarjetas de salidas analógicas. Así mismo, el módulo
(2) de entradas y salidas digitales presenta una gran densidad de interfaces a buses externos, permitiendo el
intercambio
de información efectiva entre la unidad (4)
de
control y los diferentes sistemas (3) embarcados en
el
tren.
El módulo (2) de entradas y salidas hace de pasarela de información entre la unidad (4) de control del tren y los sistemas ( 3) embarcados en el tren. La comunicación entre el módulo (2) de entradas y salidas y la unidad (4) de control del tren se lleva a cabo a través del bus de vehículo del tren (por ejemplo, MVB, CAN o Ethernet). La comunicación entre el módulo (2) de entradas y salidas y los sistemas ( 3) embarcados se puede llevar a cabo a través de interfaces discretos

(entradas digitales 1 analógicas, salidas digitales 1 analógicas), o a través de buses de comunicación auxiliares Ethernet, RS485/422 o CAN.
El intercambio de información entre la tarjeta de control y comunicaciones y las tarjetas (10) de entradas y salidas, se realiza a través de un bus (13) de comunicaciones SPI (quot;Serial Peripheral Interfacequot; o interfaz periférico serial) presente en la placa (11) de conexiones, este bus (13) se comunica por una lado con un controlador SPI maestro (14) ubicado en la tarjeta (8) de control y comunicaciones y por otro lado con unos controladores SPI esclavos (15) ubicados en respectiva tarjetas (10) de entradas y salidas.
Cuando el controlador SPI maestro (14) quiere establecer comunicación con algún controlador SPI esclavo (15) envía a través del bus (13) de comunicaciones una señal SPI ADD con la dirección de la ranura (12) correspondiente a la tarjeta (10) de entradas y salidas a la que quiere acceder. La señal SPI ADD se envía a un comparador (16) de cada tarjeta

(10) de entradas y salidas y se compara con una señal BP_ADD que indica la dirección de la ranura (12) en la que está insertada cada tarjeta (10) . Cuando la señal SPI ADD coincide con una señal BP ADD se activa una señal SS que habilita la comunicación SPI entre el controlador SPI maestro (14) y el controlador SPI esclavo (15) seleccionado. El resto de tarjetas (10) tendrán la comunicación SPI deshabilitada. La comunicación de datos a través del bus (13) de comunicación SPI se realiza por medio de tres señales, una señal MISO mediante la cual los controladores SPI esclavos (15) envían información al controlador SPI maestro (14), una señal MOSI mediante la cual el controlador SPI maestro (14) envía información al controlador SPI esclavo (15) seleccionado y una señal de reloj CLK mediante las cuales se sincronizan las señales del bus (13) de comunicación SPI.
De esta manera cualquier tarjeta (10) de entradas y salidas puede ir colocada en cualquiera de las ranuras (12) de conexión rápida del módulo (2) de entradas y salidas, dotando al mismo de gran configurabilidad y flexibilidad. En el momento de arranque del módulo (2) , la tarjeta (8) de control y
comunicaciones
comprueba a través del bus (13) de
comunicaciones
SPI que la configuración de tarjetas
(10)
presente en el módulo (2) coincide con la
configuración cargada en software. En el caso de que existan tarjetas (10) de entrada y salida cuya posición no coincida con la configuración software cargada, o en caso de ausencia de algunas de las tarjetas (10) en el módulo (2) respecto a la configuración software cargada, la tarjeta (8) de control y comunicaciones dejará de comunicarse con dichas tarjetas (10), manteniendo la comunicación con el resto.
Por otro lado la placa (11) de conexiones proporciona la posibilidad de conectar en serie a través de JTAG todas las tarjetas (10) de entradas y salidas presentes en el módulo (2), de forma que a través un único punto de acceso situado en la tarjeta
(9) de alimentación se puede cargar el programa ejecutable de las tarjetas (10) de entradas y salidas.
La tarjeta (9) de alimentación del módulo (2) de entradas y salidas dispone en su parte frontal un led

(9.1), un conector (9.2) de alimentación y un conector auxiliar (9. 3) para una unidad de programación (9. 4) JTAG (quot;Join Test action Groupquot;), y en su parte trasera presenta un conector (9. 5) para la transmisión de una tensión (VCC) de alimentación y una señal de programación en JTAG hacía la respectiva ranura (12) de conexión rápida de la placa (11) de conexiones.
A través del conector (9.2) se introduce una tensión (Vbat) de alimentación de entrada la cual es procesada mediante un bloque (9. 6) de filtrado. Dicho bloque (9.6) realiza en primer lugar una protección ante inversión de polaridad y ante sobretensiones, para a continuación realizar un filtrado de la tensión de alimentación en modo común y en modo diferencial. Asimismo a continuación en dicho bloque (9. 6) se realiza una etapa de quot;hold upquot; de forma que el módulo
(2) de entradas y salidas siga funcionando correctamente ante una interrupción en su alimentación externa de 10ms de duración (de acuerdo a la clase 82 de la norma EN50155) . Posteriormente un bloque (9. 7) DC/DC convierte la tensión (Vbat) de alimentación de entrada en la tensión (VCC) de alimentación de 5 voltios y realiza un aislamiento galvánico superior a 1000 voltios, así como una protección frente a
sobretensiones. Por último, la tensión (VCC) de
alimentación de 5 voltios pasa por un filtro (9. 8) EMC (compatibilidad electromagnética) para cumplir con la normativa EN50121.3.2 en cuanto a interferencias electromagnéticas, antes de salir por el conector (9.5) de la tarjeta (9) hacia la placa (11) de conexiones.
La tarjeta (8) de control y comunicaciones alberga el controlador SPI maestro (14), permitiéndola el intercambio de datos con cada una de las tarjetas (10) de entradas y salidas disponibles en el módulo (2). Por otro lado, esta tarjeta proporciona acceso a distintos buses de comunicación MVB, CAN, RS485/422, SPI y Ethernet, pudiendo realizar tareas de administración de dichos buses en el caso que fuese necesario. La tarjeta

(8) de control y comunicaciones tiene la capacidad necesaria para poder llevar a cabo tareas de control, de forma que mediante esta tarjeta ( 8) el módulo ( 2)
puede llevar a cabo pasarelas bidireccionales entre los diferentes buses de comunicación, incluyendo las tarjetas (10) de entradas y salidas, y ejecutar una lógica de procesamiento de las señales y una lógica de control del sistema en el que está integrado el módulo
(2).
Dicha tarjeta (8) de control y comunicaciones controla los interfaces de comunicación con el bus MVB, bus CAN, bus SPI, bus Ethernet, y bus RS485/422. En la
figura
4 se muestra un diagrama de bloques de esa
tarjeta
(8), la cual está compuesta por una
arquitectura
formada por un microprocesador (8.1), una
FPGA (8. 2) (Field Programable Gate Array), una memoria Flash (8. 3) y una memoria SDRAM (8. 4) (memoria dinámica de acceso aleatorio con interfaz síncrona). Con esta arquitectura la mayoría de los controladores (8.5, 8.6, 8.7, 14) de los distintos interfaces de comunicación se puedan implementar en la FPGA (8.2), liberando al microprocesador ( 8 .1) al máximo para realizar únicamente tareas de control y movimiento de variables entre los distintos interfaces de comunicación.
Las comunicaciones a través del bus Ethernet y a través de las líneas serie RS232 están gestionadas directamente desde el microprocesador (8. 1) , el resto de interfaces hacia el exterior pueden ser administrados a través de la FPGA (8.2), implementando las controladores de estos buses, incluso hasta el nivel de capa de aplicación, en la propia FPGA (8.2), y liberando al microprocesador (8. 1) para la realización del movimiento de las variables entre buses y para el procesamiento de la lógica de control.

Tal y corno se observa en la figura 6, en la
tarjeta ( 8) de control y comunicaciones el microprocesador dispone de un bus de datos (8. 11) 1 un bus de direcciones (8. 12) y un bus de control (8. 13) 1 para poder acceder a los distintos periféricos de la tarjeta (8) de control y comunicaciones 1 FPGA (8. 2) 1 memoria FLASH (8. 3) y memoria SDRAM (8. 4) . Durante el diseño de la tarjeta (8) se han priorizado aspectos de robustez e integridad de las señales transmitidas por los buses de direcciones (8.12) y de datos (8.11) 1 penalizando en parte la velocidad de transmisión que se podría obtener.

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-. Módulo de entradas y salidas para sistemas de monitorización y control de vehículos ferroviarios, caracterizado porque está constituido por una placa
    (
    11) de conexiones que presenta unas ranuras (12) de conexión rápida para la interconexión de una tarjeta
    (
    8) de control y comunicaciones, una tarjeta ( 9) de alimentación y una serie de tarjetas (10) de entradas y salidas; en donde la placa (11) de conexiones presenta un bus (13) de comunicaciones SPI (Interfaz periférico serial) mediante el cual un controlador maestro (14) ubicado en la tarjeta ( 8) de control y comunicaciones se comunica selectivamente con unos controladores esclavos (15) ubicados en respectivas tarjetas (10) de entradas y salidas.
  2. 2.-. Módulo de entradas y salidas para sistemas de monitorización y control de vehículos ferroviarios, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque cada tarjeta (10) de entradas y salidas presenta un comparador (16) en donde se compara una señal SPI ADD con la dirección de la ranura (12) correspondiente a la tarjeta (10) de entradas y salidas a la que quiere acceder la unidad (14) de control maestra y una señal BP_ADD que indica la dirección de la ranura (12) en la que está insertada la tarjeta (10) de entradas y salidas.
  3. 3.-. Módulo de entradas y salidas para sistemas de monitorización y control de vehículos ferroviarios, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque las de tarjetas (10) de entradas y salidas, son tarjetas de entradas digitales, tarjetas de entradas analógicas, tarjetas de salidas digitales y tarjetas de
    salidas analógicas.
  4. 4.-. Módulo de entradas y salidas para sistemas de monitorización y control de vehículos ferroviarios, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque la tarjeta (9) de alimentación presenta en su parte frontal un conector auxiliar (9. 3) para una unidad de programación (9. 4) JTAG que hace de único punto de acceso para la programación de las tarjetas
    (10) de entrada y salida, y un conector (9. 2) para una tensión (Vbat) de alimentación de entrada, la cual es procesada por un bloque (9.6) de filtrado y protección frente a inversión de polaridad y sobretensiones, por un bloque (9. 7) conversor de tensión y por un filtro
    (9.8) de compatibilidad electromagnética.
  5. 5.-. Módulo de entradas y salidas para sistemas de monitorización y control de vehículos ferroviarios, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque la tarjeta (8) de control y comunicaciones
    integra
    un microprocesador (8. 1) , una FPGA (8. 2) (Field
    Programable
    Gate Array), una memoria Flash (8.3) y una
    memoria
    SDRAM (8. 4) (memoria dinámica de acceso
    aleatorio
    con interfaz síncrona) .
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