技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種列車設(shè)備，特別地，涉及一種在列車上使用的固定輸入輸出通道數(shù)目的軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入輸出模塊。

背景技術(shù)：

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)執(zhí)行對列車的控制、監(jiān)測與診斷功能，是一種基于微處理器的網(wǎng)絡(luò)互連的分布式智能控制與診斷系統(tǒng)。全球的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的機車車輛大部分采用列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN(Train Communication Network)總線標準。具有TCN總線的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通常由中央控制單元CCU(Central Control Unit)、具有多功能車載總線MVB(Multi-function Vehicle Bus)接口的輸入/輸出I/O(Input/Output)設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、中繼器及具有MVB接口的子系統(tǒng)控制器所組成。

研究TCN列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是軌道機車車輛領(lǐng)域中一個熱點?，F(xiàn)有技術(shù)中，TCN列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采集和控制自身不具有MVB接口控制器的繼電器、開關(guān)及手柄等元器件的輸入輸出信號通常由中央控制單元CCU直接完成。這使得CCU的硬件變得非常龐大和復(fù)雜，而且靈活性不足，比較難于擴展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提出一種軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入輸出模塊，包括：電源子板電路，用于提供電力；以及主板電路，其進一步包括輸入通道電路和輸出通道電路，其用于軌道交通車輛上的二進制數(shù)字輸入輸出點的信號的采樣和控制；以及主CPU電路，其用于讀取所述輸入通道電路的二進制數(shù)字輸入和電源診斷及所述輸出通道的狀態(tài)并轉(zhuǎn)發(fā)到軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；以及接收來自軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)二進制數(shù)字輸出，并轉(zhuǎn)發(fā)到所述輸出通道電路。

進一步地，如上所述的軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入輸出模塊，其中所述電源子板電路是小型可插入的獨立電源模塊，向所述輸入通道電路和輸出通道電路直接提供電力，向所述主CPU電路間接提供電力。

進一步地，如上所述的軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入輸出模塊，其中所述主CPU電路包括與其通信的MVB通信模塊，所述MVB通信模塊的地址可通過硬件輸入接口進行現(xiàn)場配置。

進一步地，如上所述的軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入輸出模塊，其中主板電路，其進一步包括電源電路，其包括電源濾波和保護電路和次級電源轉(zhuǎn)換電路。

進一步地，如上所述的軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入輸出模塊，其中所述輸入通道電路和輸出通道電路采用了電源供電分組管理和保護策略，分別包括限流和短路保護電路。

進一步地，如上所述的軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入輸出模塊，其中所述主板電路包括電源診斷輸入電路和輸出診斷電路。

進一步地，如上所述的軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入輸出模塊，其中所述主CPU電路包括復(fù)位電路，使得系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，整個系統(tǒng)進行完全的復(fù)位，二進制輸出導(dǎo)向安全輸出。

進一步地，如上所述的軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入輸出模塊，其中二進制數(shù)字輸入輸出點是自身不具有MVB接口控制器的元器件。

進一步地，如上所述的軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入輸出模塊，其中所述主CPU電路讀取MVB接收端口的輸出數(shù)據(jù)并驅(qū)動二進制輸出硬件通道，然后讀取二進制輸入通道、高速二進制輸入通道的硬件輸入、電源供電診斷輸入和輸出通道診斷輸入，并寫入到MVB網(wǎng)卡相應(yīng)的緩存中發(fā)送數(shù)據(jù)；其中，電源供電診斷狀態(tài)和輸出通道診斷狀態(tài)提供給接收所述輸入輸出模塊數(shù)據(jù)的設(shè)備進行診斷。

進一步地，如上所述的軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入輸出模塊，其中所述主CPU電路對所述MVB模塊的接收端口有宿端口時間監(jiān)視功能，故障時導(dǎo)向安全；如果所述MVB模塊的接收端口在一定時間內(nèi)不被更新時，則觸發(fā)宿端口時間監(jiān)視錯誤，所有的二進制輸出通道輸出一直為0并有故障指示。

附圖說明

下面，將結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行進一步詳細的說明，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的輸入輸出模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；以及

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的輸入輸出模塊工作流程示意圖。

具體實施方式

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)100包括通過MVB總線相互通信的中央控制單元CCU101、人-機顯示器102、子系統(tǒng)控制器103以及輸入輸出模塊104。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可以包括多個子系統(tǒng)控制器103。各個子系統(tǒng)控制器103也通過MVB總線連接，可以相互傳輸數(shù)據(jù)。

中央控制單元CCU101與輸入輸出模塊104通過MVB接口進行數(shù)據(jù)交換。輸入輸出模塊104采集例如開關(guān)的狀態(tài)、手柄編碼信息等數(shù)據(jù)傳輸給中央控制單元CCU101以用于整車的控制。中央控制單元CCU101的處理的結(jié)果也可以通過MVB總線傳輸?shù)捷斎胼敵瞿K104，通過控制輸入輸出模塊104的二進制輸出通道而驅(qū)動外部的元器件工作，例如：繼電器閉合，或點亮某個指示燈。

本發(fā)明的輸入輸出模塊是一個具有MVB接口，固定輸入和輸出通道數(shù)的智能I/O設(shè)備，設(shè)備外型尺寸較小，結(jié)構(gòu)緊湊。該輸入輸出模塊有2個DC24V的電源輸出，2×16個/組輸入通道，8個輸出通道和2×10位/組的高速輸入通道。該輸入輸出模塊的標稱輸入供電電壓是DC110V，所有輸入和輸出通道的工作電壓采用模塊自身轉(zhuǎn)換的DC24V。模塊對輸入和輸出通道的DC24V供電進行分組管理，具有限流和過流保護能力。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的輸入輸出模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，輸入輸出模塊200主要分為兩部分：電源子板電路和主板電路。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，電源子板電路是小型可插入的獨立電源模塊，對應(yīng)于圖1中的DC/DC變換模塊201。該獨立電源模塊與主CPU電路相連，將DC110V輸入轉(zhuǎn)換為DC24V輸出，并具有100W的額定功率。

主板電路包括主CPU電路(包括MVB通信模塊)、輸入通道電路、輸出通道電路和電源電路。輸入通道電路和輸出通道電路用于軌道交通車輛上的二進制數(shù)字輸入輸出點的信號的采樣和控制。主CPU電路讀取輸入通道電路的二進制數(shù)字輸入和電源診斷及所述輸出通道的狀態(tài)并轉(zhuǎn)發(fā)到軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；接收來自軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)二進制數(shù)字輸出，并轉(zhuǎn)發(fā)到輸出通道電路。

具體而言，主CPU電路可以包括微控制單元MCU(Micro Controller Unit)202。MCU202采用的是16位單片機，具有16MHz時鐘，通過擴展PC104總線接口。主CPU電路包括MVB通信模塊，如MVB網(wǎng)卡203。MCU202通過擴展PC104總線實現(xiàn)與MVB通信模塊及輸入輸出通道電路的連接。

MCU202通過16位的PC104總線寫或讀MVB網(wǎng)卡203上相關(guān)的寄存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。CPU讀取輸入通道電路的相應(yīng)的輸入緩存204和205獲得二進制輸入的數(shù)據(jù)和高速二進制輸入數(shù)據(jù)，再通過MVB網(wǎng)卡203發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。在輸出通道電路中，利用MVB網(wǎng)卡203從MVB總線接收的二進制輸出數(shù)據(jù)被MCU202寫到二進制輸出的鎖存器206，然后鎖存器206的輸出通過驅(qū)動電路207在相應(yīng)的通道上輸出24V電壓，驅(qū)動外部的設(shè)備。

主CPU電路的輸入通道電路包括由二進制輸入緩存204和二進制輸入采樣電路209組成的二進制輸入通道和由高速二進制輸入緩存205和高速二進制輸入采樣電路208組成的高速二進制輸入通道。二進制輸入通道實現(xiàn)了DC24V轉(zhuǎn)換為CPU可以采集的電平信號。高速二進制信號實現(xiàn)了10位DC24V輸入編碼信號的同時采集。由二進制輸出鎖存器206和驅(qū)動電路207組成的二進制輸出通道實現(xiàn)了DC24V信號的輸出。

該型輸入輸出模塊主板電路上的電源電路包括兩部分，一部分是DC110V輸入的前級電路，即110V電源濾波和保護電路213，實現(xiàn)前級電源輸入的保護和濾波；另一部分是次級電源DC24V轉(zhuǎn)換DC5V的電源電路。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，次級電源DC24V轉(zhuǎn)換DC5V的電源電路可以是DC/DC變換電路201的一部分。

本發(fā)明的輸入輸出模塊具有MVB接口以及固定輸入和輸出通道數(shù)的智能I/O設(shè)備，適用于具有TCN網(wǎng)絡(luò)的軌道機車車輛。本發(fā)明的輸入輸出模塊的2個DC24V的電源輸出，2×16個/組輸入通道，8個輸出通道和2×10位/組的高速輸入通道完全能夠?qū)崿F(xiàn)對二進制數(shù)字輸入輸出點的控制和手柄信號的采樣。

本發(fā)明的輸入輸出模塊對輸入輸出通道采用了電源供電分組管理和保護策略。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，輸入和輸出通道電路上分別包括限流和短路保護電路211和207(圖2中輸出驅(qū)動電路可以和限流和短路保護電路整合，因此都用附圖標記207表示)。輸入輸出通道電源分組管理有利于本分組通道的過流及短路故障不影響其它分組通道的正常工作，有利于設(shè)備最大限度地正常工作。輸入輸出通道由硬件實現(xiàn)了限流和短路保護功能，過流消除后，電路能夠自動恢復(fù)正常工作。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，主板電路分別包括電源診斷輸入緩存210和二進制輸出診斷輸入緩存212。由此，輸入輸出模塊通過MVB輸出端口把各分組電源供電的狀態(tài)以及二進制輸入輸出狀態(tài)傳輸?shù)組VB網(wǎng)絡(luò)上，供上層中央控制單元用于診斷。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，輸入輸出模塊對輸出通道的MVB數(shù)據(jù)輸入有宿端口監(jiān)視功能，且故障導(dǎo)向安全。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，輸入輸出模塊的MVB設(shè)備地址可通過硬件輸入接口進行現(xiàn)場配置，內(nèi)嵌軟件無須進行現(xiàn)場修改，采用DIN軌安裝模式，便于現(xiàn)場的安裝和配置使用。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，輸入輸出模塊包括復(fù)位電路，使得系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，整個系統(tǒng)進行完全的復(fù)位，二進制輸出導(dǎo)向安全輸出。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的輸入輸出模塊的工作流程示意圖。如圖所示，該方法300，首先要在步驟310初始化MCU芯片，在步驟320讀取由現(xiàn)場決定在外部配置的MVB設(shè)備地址，然后在步驟330初始化看門狗，在步驟340，發(fā)送MVB復(fù)位信號，初始化MVB網(wǎng)卡。接著，進入主循環(huán)。在循環(huán)體內(nèi)完成以下工作：

在步驟350，判斷是否接收到新的輸出數(shù)據(jù)，如果是，則在步驟360然后讀取MVB接收端口的輸出數(shù)據(jù)；在步驟370，若輸出數(shù)據(jù)在一定時間內(nèi)不被更新(例如MVB網(wǎng)絡(luò)通道故障等)，則觸發(fā)宿端口監(jiān)視功能，在步驟380，故障導(dǎo)向安全，所有的二進制輸出通道輸出一直為0并點亮故障燈。否則，在步驟371，驅(qū)動二進制輸出硬件通道。

接下來，在步驟390，讀取二進制輸入通道和高速二進制輸入通道的硬件輸入，并在步驟391寫入到MVB網(wǎng)卡相應(yīng)的緩存中用于源端口的數(shù)據(jù)發(fā)送；并在步驟392復(fù)位看門狗。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，設(shè)定看門狗使得系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，整個系統(tǒng)進行完全的復(fù)位，并且二進制輸出導(dǎo)向安全輸出。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該方法進一步包括讀取電源分組管理的電源診斷和二進制輸出通道的診斷輸入，并寫入到MVB網(wǎng)卡相應(yīng)的緩存用于源端口的數(shù)據(jù)發(fā)送，供上層的中央控制單元診斷該型輸入輸出模塊的輸入和輸出。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，本發(fā)明的輸入輸出模塊通過殼體和結(jié)構(gòu)設(shè)計，達到《GB/T 25119-2010軌道交通機車車輛電子裝置》中的高低溫、濕熱、振動、沖擊和電磁兼容要求。

本發(fā)明通過殼體和結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足：

1)具有一定的強度，并且是標準的導(dǎo)軌安裝，安裝可靠牢固，能夠滿足鐵路標準規(guī)定的振動和沖擊的要求。容易安裝和拆卸。

2)符合電磁兼容的標準，能夠忍受標準規(guī)定的惡劣的電磁環(huán)境。

3)可以為電源的散熱提供路徑。

綜上所述，本發(fā)明的輸入輸出模塊作為一個具有固定通道數(shù)的智能信號采集模塊，結(jié)構(gòu)緊湊，具有以下一些特點：

1)具有MVB接口，輸出和輸入根據(jù)實際需要可以配置為高實時性；

2)電源分組供電，且各組的電源都具有限流和過流保護，具有過流斷開和延時重試功能；

3)各組輸入通道的電源具有診斷反饋輸入，二進制輸出通道也具有診斷輸入，有利用于CCU進行輸入/輸出通道的故障診斷；

4)設(shè)有宿端口時間監(jiān)視功能，發(fā)生宿端口時間監(jiān)視錯誤時，二進制輸出通道導(dǎo)向安全輸出。

5)設(shè)有復(fù)位電路，使得系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，整個系統(tǒng)進行完全的復(fù)位，二進制輸出通道導(dǎo)向安全輸出。

本發(fā)明的輸入輸出模塊可以應(yīng)用在具有TCN列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，采集和控制自身不具有MVB接口控制器的繼電器、開關(guān)及手柄等元器件的輸入輸出信號。本發(fā)明的輸入輸出模塊有利于中央控制單元只專注于整車邏輯功能的控制，對于大量的信息采集工作分配給輸入輸出模塊完成，充分發(fā)揮分布式系統(tǒng)和MVB總線的功能，中央控制單元的硬件功能不用擴展到很龐大。通過應(yīng)用智能的輸入輸出模塊，中央控制單元通過MVB總線獲取其它器件的狀態(tài)信息，有利于提高列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制準確度，增加系統(tǒng)自診斷功能的診斷廣度，加強列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)適應(yīng)不同應(yīng)用需求的靈活性。

上述實施例僅供說明本發(fā)明之用，而并非是對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此，所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)屬于本發(fā)明公開的范疇。