微型轨道车控制单元的制作方法

1.本发明属于轨道车辆智能控制技术领域，尤其涉及一种微型轨道车控制单元。


背景技术：

2.传统列车控制系统由牵引控制系统、网络控制系统、制动控制系统、车载信号控制系统等系统构成。牵引控制系统负责高压电路、牵引电机的控制、监测和保护，并可以实现电制动功能。制动控制系统负责列车的制动控制。列车网络控制系统是连接各个系统的桥梁，负责列车内部各系统的逻辑控制和保护，实现对列车牵引、制动、辅助等系统的控制、监视和诊断。车载信号系统负责列车的atp安全防护、ato自动驾驶、安全测速定位等功能，实现列车的安全高效运行。各系统功能相对独立，由不同的控制器机箱组成，分布安装在列车的不同位置。
3.微型轨道车是一种运行于悬挂式轨道的微型车辆，由车体、牵引系统、制动系统、空调、车门、旅客服务系统、转向控制系统等组成。传统的车载信号控制系统、牵引控制系统、网络控制系统、制动控制系统等控制系统均由独立的机箱组成，每个机箱内部包含电源、运算、通讯、io控制等电子板卡。各机箱间通过网络线缆连接，总体的体积和功耗较大，受限于微型轨道车有限的设备安装体积，传统的牵引、网络、制动控制机箱无法直接应用于微型轨道车辆。本发明提出的微型轨道车控制单元采用了全新的设计，将车载信号、牵引、网络、制动的控制算法进行整合，在一个安全运算板上实现整合后算法的运算，采用安全输入板、安全输出板、模拟采样板实现车辆io的统一控制管理。使用通讯板实现微型轨道车控制单元外部通讯的统一管理。具有集成度高、功能强大、安全可靠、功耗低等优点。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决前述技术问题之一，提供一种安全等级高的微型轨道车控制系统。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种微型轨道车控制单元，包括背板，所述背板上设置有运算板、输入板、输出板、模拟采样板、通讯板和供电板；
7.所述输入板与轨道车设备连接，获取车辆设备状态信息；
8.所述模拟采样板与轨道车各传感器连接，获取传感器模拟量信号；
9.所述运算板包括互为冗余的第一运算板和第二运算板，每个运算板均包括两组运算单元，所述运算单元获取输入板及模拟采样板采集的数据，进行输出控制信息计算；
10.所述输出板与列车设备连接，输出所述控制信息；
11.所述通讯板与运算板、输入板和输出板通信，进一步与轨道车设备通信；
12.所述供电板包括互为冗余的第一供电单元和第二供电单元，每个供电板均与运算板、输入板、输出板、模拟采样板、通讯板连接，为各板卡供电。
13.本实用新型一些实施例中，每个供电单元均包括：
14.防护电路：其输入端连接至供电输入，其输出端形成第一支路；
15.所述第一支路包括顺次连接的dc-dc隔离电源模块、过压过流保护电路及开关电路；所述开关电路的输出端连接至运算板、输入板、输出板、模拟采样板和通讯板连接。
16.本实用新型一些实施例中，所述防护电路的输出端进一步形成第二支路；
17.所述第二支路包括顺次连接的电阻分压网络、隔离运算放大单元和电压监测电路；所述电压检测电路的输出端输出供电单元状态信号；
18.所述过压过流保护电路的输出端进一步连接至电压监测电路。
19.本实用新型一些实施例中，每个运算单元均包括：
20.看门狗电路；
21.监控电路：连接至看门狗电路的输出端，监控电路的输出端连接至电源板；
22.处理器：与看门狗电路之间可相互通信；
23.隔离电路：与处理器之间可相互通信；
24.通讯模块：与隔离电路之间可相互通信，其输出端连接至通讯板；
25.两个运算电压的处理器之间连接第一隔离电路，一个运算单元处理的输出端经第二隔离电路连接至另一个运算板的第二隔离电路，两个运算单元中，每个监控电路的输出端分别连接至互为冗余的两块电源板。
26.本实用新型一些实施例中，每个输入板均包括多路输入电路，每路输入电路均包括顺次连接的光耦隔离单元及自诊断电路，所述光耦隔离单元的输入端连接至轨道车辆设备，输出端连接至一个运算单元；所述自诊断电路的输入端与第一光耦隔离单元的输入端连接，输出端与一个运算单元之间互相通信。
27.本实用新型一些实施例中，输出板包括：
28.第一光电隔离单元和第一控制电路：第一光电隔离单元与第一控制电路及一个控制单元的处理器之间均可相互通信；
29.第二光电隔离单元和第二控制电路：第二光电隔离单元与第而控制电路及另一个控制单元的处理器之间均可相互通信；
30.输出板还包括开关电路，开关电路的输入端连接第一控制电路和第二控制电路的输出端，开关电路的输出端连接至轨道车设备。
31.本实用新型一些实施例中，通讯板包括:
32.第一can模块和第二can模块，第一can模块与运算板通信，第二can模块与轨道车控制系统通信，所述控制系统包括车门控制器、牵引控制系统、制动控制系统、转向控制器和旅客信息系统控制器；
33.互为冗余的第一以太网模块和第二以太网模块，与轨道车以太网通讯设备通信；
34.互为冗余的第一隔离rs422模块和第二隔离rs422模块，与二维码阅读器、信标阅读器通信；
35.互为冗余第一无线通讯模块和第二无线通讯模块，与地面控制中心通信。
36.本实用新型一些实施例中，所述模拟采样板包括多路模拟采样支路，每路模拟采样支路均包括顺次连接的信号调理电路、ad采样电路和隔离电路，所述信号调理电路的输入端连接至轨道车各传感器，所述隔离电路的输出端连接至运算单元。
37.本发明提供的微型轨道车控制系统，其有益效果在于：
38.1、采用了集成板卡设计，体积小，适用于微型轨道车。
39.2、采用安全冗余供电设计、双安全运算板冗余设计，采用安全输入板、安全输出板、模拟采样板，此设计具有较高的安全性和可用性。在单供电模块、单安全运算板发生故障的情况下，微型轨道车控制单元可以正常运行，其整体功能不受影响，微型轨道车控制单元的安全完整性等级达到sil4级，可根据不同需求灵活配置板卡种类和数量，在保证系统安全的同时，具有较高的灵活性、适用性和可靠性。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1为微机控制单元结构示意图；
42.图2为供电板结构示意图；
43.图3为安全运算板结构示意图；
44.图4为安全输入板结构示意图；
45.图5为安全输出板结构示意图；
46.图6为通讯板结构示意图；
47.图7为模拟采样板结构示意图；
48.图8为微型轨道车控制单元对外连接示意图；
49.图9为微机控制单元冗余结构示意图。
具体实施方式
50.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
51.需要说明的是，当元件被称为“设置在”，“连接”，另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，不用于暗指相对重要性。
52.本实用新型提供一种微型轨道车控制单元，用于微型轨道车的综合控制。微型轨道车控制单元实现微型轨道车的安全测速和定位、列车运行的安全防护、列车的自动运行控制、列车牵引制动控制、列车和地面控制中心的双向无线通讯、列车的故障诊断和保护。其功能安全完整性等级可以达到sil4级。
53.参考图1，微型轨道车控制单元包括背板，背板上设置有运算板、输入板、输出板、模拟采样板、通讯板和供电板等。
54.输入板与轨道车设备连接，获取车辆设备状态信息；
55.模拟采样板与轨道车各传感器连接，获取传感器模拟量信号；
56.运算板包括互为冗余的第一运算板和第二运算板，每个运算板均包括两组运算单
元，所述运算单元获取输入板及模拟采样板采集的数据，进行输出控制信息计算；
57.输出板与列车设备连接，输出所述控制信息；
58.通讯板与运算板、输入板和输出板通信，进一步与轨道车设备通信；
59.供电板包括互为冗余的第一供电单元和第二供电单元，每个供电板均与运算板、输入板、输出板、模拟采样板、通讯板连接，为各板卡供电。
60.以下，对各单元的结构进行详述。
61.参考图2，本实用新型一些实施例中，每个供电单元均包括：
62.防护电路：其输入端连接至供电输入，其输出端形成第一支路；
63.第一支路包括顺次连接的dc-dc隔离电源模块、过压过流保护电路及开关电路；所述开关电路的输出端连接至运算板、输入板、输出板、模拟采样板和通讯板连接。
64.更进一步的，本实用新型一些实施例中，防护电路的输出端进一步形成第二支路；
65.第二支路包括顺次连接的电阻分压网络、隔离运算放大单元和电压监测电路；所述电压检测电路的输出端输出供电单元状态信号；过压过流保护电路的输出端进一步连接至电压监测电路。电压监测电路负责对监测电压、输出电压，当输入电压欠压或过压、输出电电压欠压或过压时，保护控制信号输出低电平，禁止供电输出；同时电压监测电路控制供电状态信号输出低电平，并发送给安全运算板卡。安全运算板卡在收到单个供电单元异常时，进行供电故障记录，在收到两个供电单元均异常时，执行保护动作，导向安全侧输出。
66.具体的说，安全冗余供电板具有双路冗余供电单元，两个供电单元完全独立。安全冗余供电板对安全处理单元、通讯单元、速度采集单元、安全输出单元、安全输入单元提供内部低压冗余供电。当一路供电单元出现故障无法正常输出时，另一路供电单元可提供微型轨道车控制单元的正常供电，此冗余设计可提高微型车辆控制单元的可靠性。安全冗余供电板具有自检测电路，通过背板供电状态信号发送给安全运算板。可实现输入电压过压和欠压、输出电压过压和欠压的检测。
67.结合参考图1和图3。微型轨道车控制单元包含2块安全运算板(安全运算板a和安全运算板b)。每个安全运算板由两组运算单元组成，每组运算单元可实现独立的数据接收、运算、数据发送。安全运算板的安全完整性等级可达sil4级。
68.本实用新型一些实施例中，每个运算单元均包括：
69.看门狗电路；
70.监控电路：连接至看门狗电路的输出端，监控电路的输出端连接至电源板；
71.处理器：与看门狗电路之间可相互通信；处理器在每个控制周期向看门狗输出翻转电平喂狗信号，当处理器死机时，看门狗输出复位信号，强制处理器处于复位状态；
72.隔离电路：与处理器之间可相互通信；
73.通讯模块：与隔离电路之间可相互通信，其输出端连接至通讯板；
74.两个运算电压的处理器之间连接第一隔离电路，一个运算单元处理的输出端经第二隔离电路连接至另一个运算板的第二隔离电路。两个运算单元中，每个监控电路的输出端分别连接至互为冗余的两块电源板。
75.两组运算单元之间通过隔离电路连接，以实现两组运算单元之间的同步信号传输。监控电路实时检测看门狗服务信号、电源供电状态、处理器状态，当检测到复位信号使能、供电异常、处理器状态信号输出异常时，控制电源控制信号输出低电平并保持，以关闭
电源，禁止供电输出。此时处理器将保持失电状态，不会对外输出任何控制命令。直至整个微型轨道车控制单元重新上电。
76.安全运算板的工作流程如下。上电后两个处理器先进行各自的初始化。此时监控电路开始持续对板卡进行自检测，检测板卡的供电是否正常、看门狗的工作状态是否正常、处理器的状态信号是否正常变化，如果自检通过，则不采取任何动作，如果自检不通过，监控电路将在规定的时间内切断处理器的供电，并保持此状态，直至下次整个机箱重新上电。
77.两个处理器完成初始化后，开始执行自检测程序，检测处理器是否工作正常、故障变量是否超过最大限值、通讯是否正常。如果状态正常则执行喂狗程序，否则停止喂狗，看门狗电路将复位处理器。监控电路将在规定的时间内切断处理器的供电，并保持此状态，直至下次整个机箱重新上电。
78.参考图4。本实用新型一些实施例中，每个输入板均包括多路输入电路，每路输入电路均包括顺次连接的光耦隔离单元及自诊断电路，光耦隔离单元的输入端连接至轨道车辆设备，输出端连接至一个运算单元；自诊断电路的输入端与第一光耦隔离单元的输入端连接，输出端与一个运算单元之间互相通信。
79.安全输入板包含两个输入采集单元，两个输入采集单元完全独立。与外部连接器连接的某一路输入信号会被两个输入采集单元同步采样，并对采样结果进行比对，如果采样结果一致则采用，如采样结果不一致则抛弃采样结果并输出故障信息，确保采集数据的正确性。图4所示的为一个控制单元与输入板之间的连接示意图。每个运算单元的两个独立的处理器a和处理器b分别连接一个输入板的光耦隔离单元和自诊断电路。两组输入采集单元之间通过隔离电路c连接，以实现两组输入采集单元处理器a和处理器b之间的同步信号传输。
80.参考图5。本实用新型一些实施例中，输出板包括：
81.第一输出板：第一光电隔离单元和第一控制电路：第一光电隔离单元与第一控制电路及一个控制单元的处理器之间均可相互通信；
82.第二输出板：第二光电隔离单元和第二控制电路：第二光电隔离单元与第而控制电路及另一个控制单元的处理器之间均可相互通信；
83.两个输出板之间还设置有开关电路，开关电路的输入端连接第一控制电路和第二控制电路的输出端，开关电路的输出端连接至轨道车设备。
84.参考图6，本实用新型一些实施例中，通讯板包括:
85.第一can模块和第二can模块，第一can模块与运算板通信，第二can模块与轨道车控制系统通信，控制系统包括车门控制器、牵引控制系统、制动控制系统、转向控制器和旅客信息系统控制器；
86.互为冗余的第一以太网模块和第二以太网模块，与轨道车以太网通讯设备通信；
87.互为冗余的第一隔离rs422模块和第二隔离rs422模块，与二维码阅读器、信标阅读器通信；
88.互为冗余第一无线通讯模块和第二无线通讯模块，与地面控制中心通信。通讯板有两个冗余的无线通讯模块，可提供微型轨道车控制单元和地面控制中心的无线冗余通讯，当一路无线通讯发生异常时，另一路无线通讯模块可确保无线通讯正常工作。
89.此外，通讯板还包括存储模块，负责记录微型轨道车控制单元的运行状态信息和
故障信息。
90.参考图7，本实用新型一些实施例中，模拟采样板由两个模拟采样单元组成，所个模拟采样单元均包括多路模拟采样支路，每路模拟采样支路均包括顺次连接的信号调理电路、ad采样电路和隔离电路，信号调理电路的输入端连接至轨道车各传感器，隔离电路的输出端连接至运算单元。采样支路之间完全独立。某一路模拟量输入信号会被两个模拟采集电路同步采样，处理器a将获得模拟量采样数据data-a，处理器b将获得采样数据data-b，通过隔离电路b发送给处理器a。处理器a比对data-a和data-b两个数据，如果采样结果一致则采用，并通过隔离电路a、通讯模块向安全运算板发送采样结果。如果采样结果不一致则抛弃本次采样结果并输出故障信息，处理器a通过隔离电路a、通讯模块发送故障信息。
91.微型轨道车控制单元的工作流程如下。系统上电后首先进行各板卡的初始化设置，初始化成功后进行各板卡的自检测，自监测成功后通讯板开始与地面控制中心建立连接；通信正常后，使用安全输入板开始对速度传感器、车门、转向系统、牵引系统、制动系统、烟火报警系统等外部系统的工作状态进行检测；使用模拟采样板对重量传感器、牵引系统工作状态进行检测；安全运算板进行车辆的atp安全防护计算、ato自动驾驶计算、安全测速定位计算、车辆逻辑运算、车辆远程控制逻辑运算等处理，如果安全运算板运行正常，则通过安全输出板执行安全输出动作；通过通讯板将控制命令发生给车辆控制系统，如列车牵引控制系统、制动控制系统、车门控制器、pis系统、专项控制器，通过通讯板的无线通道向控制中心发送车辆的状态信息和资源请求信息，至此完成一个控制周期的动作。
92.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。