本發(fā)明涉及軌道交通系統(tǒng)安全計(jì)算機(jī)平臺中的一個(gè)模塊，尤其涉及有關(guān)機(jī)車模擬量輸入輸出裝置。

背景技術(shù)：

在高速鐵路等交通控制系統(tǒng)中，有一種保證列車安全運(yùn)行的被稱為安全計(jì)算機(jī)的核心設(shè)備。安全計(jì)算機(jī)具體實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)控制和安全防護(hù)，確保列車按照設(shè)計(jì)路線和期望速度在允許的范圍內(nèi)運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，安全計(jì)算機(jī)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控列車的運(yùn)行速度、當(dāng)前位置、列車運(yùn)行指令、系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)等運(yùn)行參數(shù)。操作人員或系統(tǒng)維護(hù)調(diào)試人員通過這些運(yùn)行參數(shù)，能夠及時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備狀況，并以此給出后續(xù)的操控命令。

安全計(jì)算機(jī)平臺是建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)之上，符合IEC62425安全完整性SIL4級的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，具有高可靠性、高安全性、開放性、靈活性等特點(diǎn)，主要包含以下關(guān)鍵技術(shù)：

1.系統(tǒng)安全架構(gòu)

目前主流的系統(tǒng)安全架構(gòu)有三取二、二乘二取二、二者的混合結(jié)構(gòu)及派生結(jié)構(gòu)。安全架構(gòu)包括為同步與表決技術(shù)、故障-安全技術(shù)等。

2.安全I(xiàn)/O技術(shù)

安全I(xiàn)/O技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式較多，但其核心思想表現(xiàn)為：具有高覆蓋率的動態(tài)檢測(診斷)，故障后導(dǎo)向并保持在安全狀態(tài)。

3.總線技術(shù)

這部分主要體現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性、擴(kuò)展能力、響應(yīng)能力，也體現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性。主要包括若干種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)場總線技術(shù)。

4.安全通信協(xié)議

傳輸協(xié)議需滿足IEC62280標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)現(xiàn)方法可能多種多樣。

5.軟件安全技術(shù)

軟件安全技術(shù)需采用IEC62279相關(guān)規(guī)定，可能會采用不同的編碼技術(shù)與加密技術(shù)。

6.軌道信號解碼技術(shù)。

現(xiàn)有的模擬量板是機(jī)車速度傳感器、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、列車管壓力傳感器、電力機(jī)車原邊電流互感器、雙針?biāo)俣缺砼c監(jiān)控主機(jī)插件的之間的接口，把傳感器、互感器輸入的信號進(jìn)行處理后送到監(jiān)控主機(jī)插件，同時(shí)根據(jù)監(jiān)控主機(jī)插件的指令送出電流信號驅(qū)動雙針?biāo)俦怼⑺统雒}沖信號、驅(qū)動信號驅(qū)動里程計(jì)。

模擬量板本身板件無CPU系統(tǒng)、不具備信號處理功能、存在信號波動、精度等現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

以下給出一個(gè)或多個(gè)方面的簡要概述以提供對這些方面的基本理解。此概述不是所有構(gòu)想到的方面的詳盡綜覽，并且既非旨在指認(rèn)出所有方面的關(guān)鍵性或決定性要素亦非試圖界定任何或所有方面的范圍。其唯一的目的是要以簡化形式給出一個(gè)或多個(gè)方面的一些概念以為稍后給出的更加詳細(xì)的描述之序。

本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供了一種模擬量輸入輸出裝置，提供機(jī)車信號系統(tǒng)中管壓、柴速、機(jī)車原邊電流等信號的采集，并輸出里程計(jì)信號和電流環(huán)信號驅(qū)動速度表和里程計(jì)，通過FLEXRAY通信，與平臺主機(jī)插件進(jìn)行信息交互。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：本發(fā)明揭示了一種模擬量輸入輸出裝置，包括：

信號采集模塊，包括電壓信號采集單元、電流信號采集單元和頻率信號采集單元，分別對電壓信號、電流信號和頻率信號進(jìn)行采集；

輸出模塊，包括電流信號輸出單元和脈沖信號輸出單元，分別輸出電流環(huán)驅(qū)動信號和脈沖驅(qū)動信號；

通信模塊，用于和外部的主機(jī)插件建立通信；

數(shù)字模塊，用于和外部的計(jì)算機(jī)建立人機(jī)交互。

根據(jù)本發(fā)明的模擬量輸入輸出裝置的一實(shí)施例，電壓信號采集單元包括用于對直流電壓信號進(jìn)行運(yùn)放調(diào)整的運(yùn)放調(diào)整電路、用于將電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率信號的電壓/頻率變換器、用于進(jìn)行光耦隔離的光耦隔離電路。

根據(jù)本發(fā)明的模擬量輸入輸出裝置的一實(shí)施例，電流信號采集單元包括用于將直流電流信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號的采樣電路、用于對直流電壓信號進(jìn)行運(yùn)放調(diào)整的運(yùn)放調(diào)整電路、用于將電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率信號的電壓/頻率變換器、用于進(jìn)行光耦隔離的光耦隔離電路。

根據(jù)本發(fā)明的模擬量輸入輸出裝置的一實(shí)施例，頻率信號采集單元包括用于通用頻率量信號輸入的差分輸入電路、用于進(jìn)行濾波處理的濾波電路、用于進(jìn)行信號比較處理的比較器、用于進(jìn)行光耦隔離的光耦隔離電路。

根據(jù)本發(fā)明的模擬量輸入輸出裝置的一實(shí)施例，電流信號輸出單元包括兩路電流信號輸出，分別用于驅(qū)動雙針表限速和實(shí)速指針，其中每一路電流信號輸出均包含數(shù)字隔離電路、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換電路。

根據(jù)本發(fā)明的模擬量輸入輸出裝置的一實(shí)施例，脈沖信號輸出單元輸出一路單脈沖的信號，用于驅(qū)動里程計(jì)，脈沖信號輸出單元包括光耦隔離電路、三極管開關(guān)電路。

根據(jù)本發(fā)明的模擬量輸入輸出裝置的一實(shí)施例，裝置還包括安全電路和繼電器組，通過繼電器組控制兩路電流信號輸出、脈沖信號輸出以及總線供電，當(dāng)模擬插件檢測到故障或運(yùn)行異常后，自動切斷對外的輸出。

根據(jù)本發(fā)明的模擬量輸入輸出裝置的一實(shí)施例，模擬量輸入輸出裝置根據(jù)對比外部輸入信號的值與采集的值的線性差值并記錄，通過計(jì)算補(bǔ)償該線性差值，避免因電路器件參數(shù)誤差引起的精度問題。

根據(jù)本發(fā)明的模擬量輸入輸出裝置的一實(shí)施例，通信模塊采用雙冗余的FlexRay通信總線。

根據(jù)本發(fā)明的模擬量輸入輸出裝置的一實(shí)施例，模擬量輸入輸出裝置采用硬件配置識別技術(shù)和加密技術(shù)。

本發(fā)明對比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果：本發(fā)明的模擬量輸入輸出裝置具有如下特點(diǎn)：1、模擬量輸入：六路0-20mA電流輸入采集、兩路0-10V電壓信號采集、三路頻率量信號。2、模擬量輸出：兩路電流環(huán)輸出、一路里程計(jì)脈沖信號輸出。3、硬件配置識別：具有硬件板本號，硬件板位識別。4、雙冗余的FLEXRAY通信。5、故障時(shí)無輸出保護(hù)。6、輸入采集誤差補(bǔ)償。

因此，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：a)采用V/F轉(zhuǎn)換，保證高精度的信號采集；b)雙冗余的FlexRay通信總線設(shè)計(jì)，保證通信的可靠性；c)硬件配置識別和加密技術(shù)，真正意義上解決插件誤插，提高安全性；d)安全無輸出，保證裝置故障時(shí)，不會誤輸出；e)誤差補(bǔ)償，解決器件參數(shù)識差，引起的精度問題，提高了信號采集的精度。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明的模擬量輸入輸出裝置的較佳實(shí)施例的原理圖。

圖2示出了本發(fā)明的電壓信號采集單元的原理圖。

圖3示出了本發(fā)明的電流信號采集單元的原理圖。

圖4示出了本發(fā)明的頻率信號采集單元的原理圖。

圖5示出了本發(fā)明的電流信號輸出單元的原理圖。

圖6示出了本發(fā)明的脈沖信號輸出單元的原理圖。

圖7示出了本發(fā)明的用于故障無輸出的電路的原理圖。

具體實(shí)施方式

在結(jié)合以下附圖閱讀本公開的實(shí)施例的詳細(xì)描述之后，能夠更好地理解本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)。在附圖中，各組件不一定是按比例繪制，并且具有類似的相關(guān)特性或特征的組件可能具有相同或相近的附圖標(biāo)記。

圖1示出了本發(fā)明的模擬量輸入輸出裝置的較佳實(shí)施例的原理，請參見圖1，本實(shí)施例的裝置包括：信號采集模塊1、輸出模塊2、通信模塊3和數(shù)字模塊4。

通信模塊3采用雙冗余的FlexRay通信總線(FlexRay是一種應(yīng)用于汽車的高速、可確定性的、具備故障容錯(cuò)能力的總線技術(shù))，負(fù)責(zé)與平臺主機(jī)插件進(jìn)行信息交互，將模擬輸入信號的情況反饋給主機(jī)插件，同時(shí)接收主機(jī)插件指令，控制輸出模塊2輸出速度和里程計(jì)信號。

信號采集模塊1分別包括如圖2所示的電壓信號采集單元、圖3所示的電流信號采集單元、圖4所示的頻率信號采集單元。

電壓信號采集單元最大支持兩路直流電壓信號采集，電壓的范圍為0～10V。電壓信號采集單元包括運(yùn)放調(diào)整電路、電壓/頻率變換器和光耦隔離電路，先通過運(yùn)放調(diào)整，再經(jīng)過電壓/頻率變換(V/F變換)轉(zhuǎn)換成頻率信號后，再通過光耦隔離，輸出至CPU進(jìn)行采樣。

電流信號采集單元最大支持六路直流電流信號采集，輸入電流的范圍為0～20mA，電流信號接收端的采樣總電路應(yīng)小于50Ω。電流信號采集單元包括采樣電路、運(yùn)放調(diào)整電路、電壓/頻率變換器、光耦隔離電路。對于輸入的每一路0～20mA電流信號，先通過采樣電路轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，經(jīng)運(yùn)放調(diào)整后，輸出信號再經(jīng)電壓/頻率變換器轉(zhuǎn)換成頻率信號，最后經(jīng)光耦隔離后送至CPU采樣。電壓/頻率變換器選用AD7740。

頻率信號采集單元最大支持三路頻率量信號采集，頻率為0～5kHz，有一路支持信號的最大峰值為100V，其他為峰值10V的信號。頻率信號采集單元包括差分輸入電路、濾波電路、比較器和光耦隔離電路。通用頻率量信號先經(jīng)過差分輸入電路，然后進(jìn)行濾波處理，濾波后經(jīng)比較器輸出與柴轉(zhuǎn)信號頻率一致的方波，經(jīng)光耦隔離后送給CPU采樣。

輸出模塊2包括如圖5所示的電流信號輸出單元、圖6所示的脈沖信號輸出單元。電流信號輸出單元需要輸出兩路電流信號，用于驅(qū)動雙針表限速和實(shí)速指針，電流輸出范圍為0～20mA，負(fù)載電阻的最大阻值可達(dá)250Ω。電流信號輸出單元的兩路電流信號輸出中的每一路均包含數(shù)字隔離電路和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換電路(例如DAC芯片)。

從CPU輸出串行信號通過數(shù)字隔離電路后，再由DAC芯片轉(zhuǎn)換為0～20mA電流信號，驅(qū)動雙針表實(shí)速和限速指針。DAC芯片采用AD420，單通道、16位，串行輸入，可選擇0～24mA，0～20mA，4～20mA輸出。

脈沖信號輸出單元輸出一路單脈沖的信號，用于驅(qū)動里程計(jì)，輸出脈沖幅值為DC(24±2)V，脈沖寬度≥200ms。脈沖信號輸出單元包括光耦隔離電路和三極管開關(guān)電路，CPU輸出對應(yīng)的脈沖信號，經(jīng)過光耦隔離、電壓轉(zhuǎn)換后，驅(qū)動里程計(jì)。

較佳的，除此之外，在本發(fā)明的裝置發(fā)生故障時(shí)，切除對外的信號輸出，包括驅(qū)動雙針表的電流信號輸出和驅(qū)動里程計(jì)的脈沖信號輸出。如圖7所示，采用繼電器控制兩路電流信號輸出、脈沖信號輸出以及總線供電。當(dāng)模擬量輸入輸出裝置檢測到故障或運(yùn)行異常后，自動切斷對外的輸出。

另一種較佳的設(shè)計(jì)是本發(fā)明的裝置在出廠調(diào)試時(shí)，可根據(jù)對比外部輸入信號的值與采集值的線性差值并記錄下來，再通過計(jì)算補(bǔ)償該線性差值，避免因電路器件參數(shù)誤差而引起的精度問題。

為了增加安全性，模擬量輸入輸出裝置還可以采用硬件配置識別技術(shù)和加密技術(shù)。

總的來說，本發(fā)明具有如下的特點(diǎn)：

1)自帶數(shù)字處理系統(tǒng)，可進(jìn)行初步信號處理，自身監(jiān)測功能。

2)通信模塊，采用雙冗余的FlexRay通信總線。

3)電壓信號和電流信號采集，支持最大6路電流信號、2路電壓信號采集，采用V/F轉(zhuǎn)換的方式，將電壓信號轉(zhuǎn)換為CPU可識別信號，實(shí)現(xiàn)高精度采集。

4)頻率信號采集，最大支持3路頻率通道，分別支持10V或100V級別，0-5kHz的頻率信號。

5)故障無輸出安全措施。

6)硬件配置識別，具有硬件板本號，硬件板位識別。

7)信號采集誤差補(bǔ)償技術(shù)，可解決器件參數(shù)誤差引起的精度問題。

盡管為使解釋簡單化將上述方法圖示并描述為一系列動作，但是應(yīng)理解并領(lǐng)會，這些方法不受動作的次序所限，因?yàn)楦鶕?jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，一些動作可按不同次序發(fā)生和/或與來自本文中圖示和描述或本文中未圖示和描述但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他動作并發(fā)地發(fā)生。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將進(jìn)一步領(lǐng)會，結(jié)合本文中所公開的實(shí)施例來描述的各種解說性邏輯板塊、模塊、電路、和算法步驟可實(shí)現(xiàn)為電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件、或這兩者的組合。為清楚地解說硬件與軟件的這一可互換性，各種解說性組件、框、模塊、電路、和步驟在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此類功能性是被實(shí)現(xiàn)為硬件還是軟件取決于具體應(yīng)用和施加于整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約束。技術(shù)人員對于每種特定應(yīng)用可用不同的方式來實(shí)現(xiàn)所描述的功能性，但這樣的實(shí)現(xiàn)決策不應(yīng)被解讀成導(dǎo)致脫離了本發(fā)明的范圍。

結(jié)合本文所公開的實(shí)施例描述的各種解說性邏輯板塊、模塊、和電路可用通用處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或其它可編程邏輯器件、分立的門或晶體管邏輯、分立的硬件組件、或其設(shè)計(jì)成執(zhí)行本文所描述功能的任何組合來實(shí)現(xiàn)或執(zhí)行。通用處理器可以是微處理器，但在替換方案中，該處理器可以是任何常規(guī)的處理器、控制器、微控制器、或狀態(tài)機(jī)。處理器還可以被實(shí)現(xiàn)為計(jì)算設(shè)備的組合，例如DSP與微處理器的組合、多個(gè)微處理器、與DSP核心協(xié)作的一個(gè)或多個(gè)微處理器、或任何其他此類配置。

結(jié)合本文中公開的實(shí)施例描述的方法或算法的步驟可直接在硬件中、在由處理器執(zhí)行的軟件模塊中、或在這兩者的組合中體現(xiàn)。軟件模塊可駐留在RAM存儲器、閃存、ROM存儲器、EPROM存儲器、EEPROM存儲器、寄存器、硬盤、可移動盤、CD-ROM、或本領(lǐng)域中所知的任何其他形式的存儲介質(zhì)中。示例性存儲介質(zhì)耦合到處理器以使得該處理器能從/向該存儲介質(zhì)讀取和寫入信息。在替換方案中，存儲介質(zhì)可以被整合到處理器。處理器和存儲介質(zhì)可駐留在ASIC中。ASIC可駐留在用戶終端中。在替換方案中，處理器和存儲介質(zhì)可作為分立組件駐留在用戶終端中。

在一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例中，所描述的功能可在硬件、軟件、固件或其任何組合中實(shí)現(xiàn)。如果在軟件中實(shí)現(xiàn)為計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，則各功能可以作為一條或更多條指令或代碼存儲在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上或藉其進(jìn)行傳送。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括計(jì)算機(jī)存儲介質(zhì)和通信介質(zhì)兩者，其包括促成計(jì)算機(jī)程序從一地向另一地轉(zhuǎn)移的任何介質(zhì)。存儲介質(zhì)可以是能被計(jì)算機(jī)訪問的任何可用介質(zhì)。作為示例而非限定，這樣的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盤存儲、磁盤存儲或其它磁存儲設(shè)備、或能被用來攜帶或存儲指令或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式的合意程序代碼且能被計(jì)算機(jī)訪問的任何其它介質(zhì)。任何連接也被正當(dāng)?shù)胤Q為計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。例如，如果軟件是使用同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數(shù)字訂戶線(DSL)、或諸如紅外、無線電、以及微波之類的無線技術(shù)從web網(wǎng)站、服務(wù)器、或其它遠(yuǎn)程源傳送而來，則該同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、DSL、或諸如紅外、無線電、以及微波之類的無線技術(shù)就被包括在介質(zhì)的定義之中。如本文中所使用的盤(disk)和碟(disc)包括壓縮碟(CD)、激光碟、光碟、數(shù)字多用碟(DVD)、軟盤和藍(lán)光碟，其中盤(disk)往往以磁的方式再現(xiàn)數(shù)據(jù)，而碟(disc)用激光以光學(xué)方式再現(xiàn)數(shù)據(jù)。上述的組合也應(yīng)被包括在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的范圍內(nèi)。

提供對本公開的先前描述是為使得本領(lǐng)域任何技術(shù)人員皆能夠制作或使用本公開。對本公開的各種修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說都將是顯而易見的，且本文中所定義的普適原理可被應(yīng)用到其他變體而不會脫離本公開的精神或范圍。由此，本公開并非旨在被限定于本文中所描述的示例和設(shè)計(jì)，而是應(yīng)被授予與本文中所公開的原理和新穎性特征相一致的最廣范圍。