一种新型地铁车辆逻辑控制模块的制作方法

1.本发明涉及车辆控制技术领域，特别涉及一种新型地铁车辆逻辑控制模块。


背景技术：

2.近年来，随着轨道交通行业的高速发展，以太网通讯网络(英文：ethernet consist network，简称ecn)的广泛应用，以及多种新设备与新技术的引用，城轨车辆的系统功能呈现逐步增多的趋势。尤其是轨道交通实时以太网络(英文：train real-time data protocol，简称：trdp)协议的广泛应用，为新设备的引入提供了条件。
3.然而，随着各类新设备的增加，各系统设备主机进一步挤占了车辆有限的安装空间，与此同时，部分功能相近系统主机性能却未能完全发挥。这不仅为新设备的引入增加了困难，浪费了主机性能，提高了系统成本，也因为设备增加而增加了故障点，降低列车系统的可靠性。为此，对城轨车辆内部各系统主机进行整合，设计和制造一种高可靠、高融合的逻辑控制模块是十分有必要的。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种新型地铁车辆逻辑控制模块，能够整合各系统设备的功能，提高设备的融合度。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种新型地铁车辆逻辑控制模块，包括背板，背板上设置有电源模块、数字量输入输出单元、模拟量输入输出单元、火灾报警单元、智能指令采集单元、照明控制单元、广播控制单元和主控单元；
7.数字量输入输出单元，用于采集列车的数字量输入信号并输送至主控单元，且能够采集主控单元发送的指令数据，将指令数据转换为数字量输出信号；
8.模拟量输入输出单元，用于采集列车模拟量输入信号并输送至主控单元，且能够采集主控单元发送的指令数据，将指令数据抓换位模拟量输出信号；
9.火灾报警单元，用于采集列车各探测器状态信息并输送至主控单元；
10.智能指令采集单元，用于采集智能指令模块司机操作指令，并将智能指令系统指令数据通过背板传输至主控单元；
11.照明控制单元，用于采集列车感光器信号并输送至主控单元，并输出控制照明电源信号；
12.广播控制单元，用于采集列车网络指令与多媒体设备状态数据，将多媒体设备状态数据转换为列车网络数据传输至列车网络；
13.主控单元，用于采集网络控制指令，汇总与分析数字量输入输出单元、模拟量输入输出单元、火灾报警单元和照明控制单元采集的状态信息，向各单元发送控制数据。
14.优选地，数字量输入输出单元，通过电气接口将列车硬线数字量信号转换为主控单元识别的can数据，并通过背板传输至主控单元，主控单元通过背板向数字量输入输出单
元传输指令信号，数字量输入输出单元将采集的指令信号转换为数字量信号传输至列车硬线。
15.优选地，数字量输入输出单元包括多组安全输入输出板和多块接口板；每组安全输入输出板内部集成安全二取二的数字量采集通道和安全二取二的数字量输出通道，通过can通信介质与主控制单元进行数据交换；接口板用于将外部输入电信号转接到背板，并传输至对应的安全输入输出板。
16.优选地，数字量采集通道设置有自检电路，自检电路能够进行周期式自检和触发式自检。
17.优选地，模拟量输入输出单元采集列车多类型模拟量输入的状态数据，并将模拟信号转换为背板can通信传输至主控单元，主控单元将接收到的状态数据通过列车网络协议转换为列车网络数据，传输至列车网络中。
18.优选地，火灾报警单元，能够采集列车的各火灾探测器状态信息，将火灾探测器发送的状态信号转换为主控单元识别的背板can数据输送至主控单元，且能够将主控单元的控制指令转换为火灾探测器识别的控制指令，传输至列车各火灾探测器，并为火灾探测器提供供电。
19.优选地，智能指令采集模块，能够通过外部双路can接口采集司机操作指令，使用背板can通信协议，将操作指令转换为主控单元识别的背板can数据，通过背板传输至主控单元。
20.优选地，照明控制单元，能够通过电气接口采集列车的感光传感器状态数据，并将状态数据转换为主控单元识别的背板can数据，通过背板传输至主控单元，主控单元逻辑运算后通过背板向照明控制单元传输指令信号，照明控制单元将采集的指令信号转换为pwm信号传输至照明电源。
21.优选地，主控单元包括通信网关板、数据记录板和两个中央处理板，通信网关板包含双归属以太网通信接口，能够以冗余的以太网总线与背板的两路can总线互联；通信网关板能够将can总线数据打包处理成以太网协议数据，输送至列车总线，同时能够从列车总线接收信号，输送至相应的can总线上；两个中央处理板采取2取2的cpu冗余架构并具有冗余控制线，能够检测所有板卡的冗余控制线状态，实现冗余切换功能。
22.优选地，电源模块包含两块互为冗余的电源板，能够为向背板提供两路独立的电源，电源板的前端和后端均设有保护和检测电路。
23.与现有技术对比，本发明的有益效果为：
24.通过将传统的可编程逻辑控制单元、火灾报警系统、智能照明系统、智能指令采集系统、广播控制系统等主机设备与主机融合，设计为插在背板上的电源模块、数字量输入输出单元、模拟量输入输出单元、火灾报警单元、智能指令采集单元、照明控制单元、广播控制单元和主控单元，使得主控单元能够统一调度多个系统，充利用装置的硬件接口与软件性能，减节约了设备安装空间；主控单元使用冗余设计，使用具有冗余功能的电源模块进行供电，提高了系统可靠性，降低了系统成本。
附图说明
25.图1为本发明实施例的结构示意图
26.图2为本发明实施例提供的电源模块的一种结构示意图；
27.图3为本发明实施例提供的主控单元的一种结构示意图；
28.图4为本发明实施例提供的数字量输入输出单元的一种结构示意图；
29.图5为本发明实施例提供的模拟量输入输出单元的一种结构示意图；
30.图6为本发明实施例提供的火灾报警单元模块的一种结构示意图；
31.图7为本发明实施例提供的智能指令采集单元的一种结构示意图；
32.图8为本发明实施例提供的照明控制单元的一种结构示意图；
33.图9为本发明实施例提供的广播控制单元的一种结构示意图；
34.图10为本发明实施例提供的背板的一种结构示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明实施中的技术方案进行清楚，完整的描述，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.图1为本发明多网关功能的交换机实施例的结构示意图，如图1所示，本实施例的装置包括：背板、电源模块、主控单元、数字量输入输出单元(vio)、模拟量输入输出单元(ax)、火灾报警单元、智能指令采集单元、照明控制单元、广播控制单元；
37.电源模块、主控单元、数字量输入输出单元(vio)、模拟量输入输出单元(ax)、火灾报警单元、智能指令采集单元、照明控制单元、广播控制单元分别设置在背板上。
38.电源模块通过背板分别向主控单元、数字量输入输出单元(vio)、模拟量输入输出单元(ax)、火灾报警单元、智能指令采集单元、照明控制单元、广播控制单元提供电源。
39.图2为本发明实施例提供的电源模块结构示意图，所述的电源模块包含两块互为冗余的电源板，电源板设计为dc110v电压输入，为整个机箱提供两路独立的dc5v电源。电源板前端和后端都加了保护和监测电路，采用冗余的电源设计，两路电源共同为机箱板卡供电，互不影响。
40.其中，数字量输入输出单元(vio)，通过电气接口将列车硬线数字量信号转换为主控单元识别的can数据，通过背板传输至主控单元，主控单元通过背板向数字量输入输出单元传输指令信号，数字量输入输出单元将采集的指令信号转换为数字量信号传输至列车硬线。
41.其中，火灾报警单元，通过采集列车各火灾探测器状态信息，将火灾探测器发送的状态信号(rs232/485数据或can数据)转换为主控单元识别的背板can数据，输出采集的状态信息至主控单元，同时还为火灾探测器提供24v供电；
42.主控单元根据采集到的列车网络数据，将火灾探测器控制指令通过背板can通信传输至火灾报警单元，火灾报警单元将控制指令转换为火灾探测器识别的控制指令，传输至列车各火灾探测器。
43.其中，智能指令采集模块，通过外部双路can接口采集司机操作指令，使用背板can通信协议，将操作指令转换为主控单元识别的背板can数据，通过背板传输至主控单元。
44.其中，照明控制单元，通过电气接口采集感光传感器状态数据，将状态数据转换为
主控单元识别的背板can数据，通过背板传输至主控单元，主控单元逻辑运算后通过背板向照明控制单元传输指令信号，照明控制单元将采集的指令信号转换为pwm信号传输至照明电源。
45.其中，广播控制单元，用于采集列车网络指令与多媒体设备状态数据，将多媒体设备状态数据转换为列车网络数据传输至列车网络。
46.其中，主控单元，通过背板与数字量输入输出单元、模拟量输入输出单元、火灾报警单元、智能指令采集单元和照明控制单元连接，采集列车网络控制数据，分析数字量输入输出单元、模拟量输入输出单元、火灾报警单元、智能指令采集单元以及照明控制单元传输的状态信息，在分析与运算后向各单元发送控制数据，将汇总的状态数据转换后传输至列车网络。
47.具体实现过程为，火灾报警系统、照明控制系统将硬线数字信号输出至列车硬线，数字量输入单元通过对外接口采集列车硬线信号，使用can协议将电信号转换为主控单元识别的背板can数据，传输至主控单元。
48.主控单元通过背板采集与汇总各通信接口状态数据，转换为列车网络的以太网数据，传输至列车网络。
49.主控单元会根据预先制定的逻辑控制与采集到的状态数据，输出控制数据。通过can协议将控制数据转换为其它单元识别的背板can通信数据，通过背板传输至其它单元，并传输至数字量输入输出单元、模拟量输入输出单元、火灾报警单元、智能指令采集单元、照明控制单元，执行控制指令。
50.图3为本发明实施例提供的主控单元结构示意图，所述的主控单元包含一块通信网关板、一块数据记录板和两块中央处理板。
51.其中，通信网关板具备双归属以太网通信接口，可以实现冗余的以太网总线和背板两路can总线互联。通信网关板可以将can总线的数据打包处理成以太网协议，传输到车辆总线；同时通信网关板从车辆总线接收信号，传送到相应的can总线上。
52.其中，记录板卡具备数据记录功能，能够采集装置采集与发送的状态数据。记录板卡能够实时记录过程数据和故障诊断数据，记录数据的响应时间小于20ms，可满足32g的记录需求。
53.其中，主控单元采用2取2的cpu设计，具有2路独立can通信接口。主控单元的主控板具有冗余控制线，cpu板卡出现故障时，会第一时间通过背板硬线，通知备用cpu板卡切换为主。此切换过程不大于10ms。同时，cpu板卡能够检测所有板卡的冗余控制线状态，实现冗余切换功能。
54.图4为本发明实施例提供的数字量输入输出单元结构示意图，所述的数字量输入输出单元包含六组安全输入输出板卡和三块接口板卡。
55.其中，每组安全输入输出板卡包含有两块vio板卡，采用二取二的cpu设计，背板采用二路独立can通信接口。内部集成六路110v安全二取二的数字量采集通道和六路安全二取二的数字量输出通道，通过can通信介质与主控制单元进行数据交换。
56.其中，接口板用于将外部输入电信号转接到背板，传输至对应的vio板卡。
57.具体实现过程为：列车硬线信号通过接口板将硬线信号传输至对应的vio板卡，vio板卡诊断输入信号后，通过背板can总线将自检结果上传给主控单元。
58.由于列车在运用中可能会出现的各种状况，输入通道有高压串入的情况也偶有发生。当高压串入通道后，往往造成输入通道元件烧损，从而引发输入通道失效造成故障。为避免由于上述情况造成的故障，除了在输入通道采取加强抗高压措施外，还采用诊断电路对板卡进行自检。自检电路采用周期式自检和触发式自检两种工作模式。
59.触发式自检方案：在数字量采集过程中，主控板周期性比对冗余的两个vio板卡的输入信号，若不一致，则触发输入通道自检。自检数据和实际输入数据不相匹配的一组判定为故障，主控板触发冗余切换，故障板降备，正常板卡升为主用。
60.周期式自检方案：当板卡收到周期自检指令后，开始进行周期性自检，并通过can总线将自检结果周期性上传给主控板，主控板根据通道采集结果和自检结果判断输入状态。周期式自检的结果和触发自检结果判定方式一致。
61.主控单元根据采集到的列车网络数据与背板采集数据，经逻辑运算后通过背板传输至vio板卡，vio板卡的输出通道具有过流保护功能，当单个通道过流时自动切断该通道，发送短路信号由cpu主控板处理，实施冗余切换功能。
62.图5为本发明实施例提供的模拟量输入输出单元，模拟量输入输出板卡采用冗余的cpu实现多路模拟量输入输出采集功能。板卡包含电流模拟量输入采集功能、电压模拟量输入采集功能，电流/电压模拟量二选一输入功能，电流/电压模拟量二选一输出功能。
63.具体实现过程为，使用模拟量输入输出单元采集列车多类型模拟量输入，模拟量输入输出单元将模拟信号转换为背板can通信，并通过背板传输至主控单元，主控单元将采集到的状态数据通过列车网络协议转换为列车网络数据，传输至列车网络中。
64.主控单元采集与汇总列车网络指令数据，通过背板can协议将主网指令数据转换背板can数据，并传输至模拟量输入输出单元，模拟量输入输出单元根据采集到的指令，对外发送模拟量指令。
65.其中，模拟量输入输出单元通过外部接线的方式实现电流/电压模拟量二选一输入功能、电流/电压模拟量二选一输出功能。
66.图6为本发明实施例提供的火灾报警单元，包含一块火灾报警通信板卡和一块火灾传感器电源板，其中：火灾报警通信板卡含有1个rs485接口、1个rs232/rs485可选接口和1个can接口，可用于采集不同类型探测器数据，将相关的报警及故障信息上传至车辆中线。
67.火灾传感器电源板设计为dc110v电压输入，为火灾报警传感器提供24v电源，单侧智能逻辑控制单元提供1路对外24v电压接口。具备输出过欠压保护、过温保护、输出过载保护、短路保护和故障自恢复保护功能，当电源中断不超过10ms时，不会影响系统的正常运行。
68.图7为本发明实施例提供的智能指令采集单元，含有两路电气隔离的can接口，用于采集智能指令模块司机操作指令，并通过背板传输至主控单元，建立智能指令模块与主控单元的通信。
69.具体实现过程为，智能指令采集单元通过两路独立can通信接口，同时采集智能指令模块传输的相同的can通信数据，为避免因外部设备干扰而对装置内网产生影响，智能指令采集单元的两路can通信接口与背板采用电气隔离的设计方式，将外网数据通过背板传输至主控单元，主控单元根据数据可信度选择数据，并根据指令分别向数字量输入单元数据、模拟量输入输出单元数据和列车网传输数据。同时，主控单元采集列车网数据、数字量
输入单元数据、模拟量输入输出单元数据汇总后，传输至智能指令采集单元，由智能指令采集单元将数据传输至两路独立的can通信接口，实现智能指令采集单元与装置的通信功能。
70.图8为照明控制单元，照明控制单元内含有pwm输出功能以及模拟量采集功能，可通过模拟量采集接口采集感光传感器数据，并通过背板传输给主控单元。主控单元根据采集数据，通过pwm输出模块向照明电源发送指令，实现照明控制功能。
71.自动感光控制基于一种恒定照度的负反馈控制技术，智能逻辑控制模块的调光输出总是极力平衡外界环境光对客室照明的影响，从而使平面光源的照度能够稳定在设定值。
72.具体实现过程为：
73.若外界环境光为0lux。没有外界环境光的情况下，客室的灯具需要提供300lux的照度；
74.若外界环境光大于0lux并且小于300lux。如外界环境光有100lux，这时客室的灯具需要提供200lux的照度；
75.外界的环境光大于300lux。如外界环境光大于300lux或更强，这时客室的灯具光源将提供最低的照度或者关闭。
76.在设定值大于感光器采集值时，逐步增大输出pwm占空比；在设定值小于感光器采集值时，逐步减小输出pwm占空比；
77.其中，勒克斯(lux)是照度(luminance)的单位。被光均匀照射的物体，在1平方米面积上所得的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。
78.图9为广播控制单元，通过接口板采集多媒体设备数据，并传输至广播控制单元控制板，通过双归属以太网通信接口将多媒体数据传输至列车网络。通过以太网接口采集列车网络指令数据，并将指令数据传输至广播控制单元控制板，广播控制单元控制板根据列车网络数据控制多媒体设备。
79.图10为本发明实施例提供的背板的一种结构示意图。如图10所示，本实施例中的背板包括电源板槽、主控单元板槽、数字量输入输出单元板槽、火灾报警单元板槽、智能指令采集模块板槽、照明控制单元板槽、模拟量输入输出单元板槽、广播控制单元板槽，预留板槽可以用于后续增加的板卡连接。
80.电源板槽包含两个4te宽度的电源板槽，可用于连接电源板卡；主控单元板槽包含两个4te宽度的主控单元板槽，可用于连接主控单元板卡；数字量输入输出单元板槽含有15个4te宽度的板槽，可用于连接数字量输入输出单元板卡；模拟量输入输出单元板槽含有2个4te板槽，可用于连接模拟量输入输出板卡；火灾报警单元板槽含有2个8te的板槽，可用于连接火灾报警单元板卡；智能指令采集模块板槽含有1个4te板槽，可用于连接智能指令采集模块；照明控制单元板槽含有2个4te板槽，可用于连接照明控制单元板卡；广播控制单元板槽含有1个36te板槽，可用于连接广播控制单元。其中，1te的大小为5.08mm。本实施例提供的背板采用cpci总线与上述各板连接，从而具有总线速率高，集成性强、可热插拔(hot swap)、高开放性、高可靠性等优点。
81.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权
利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
82.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种新型地铁车辆逻辑控制模块，其特征在于，包括背板，所述背板上设置有电源模块、数字量输入输出单元、模拟量输入输出单元、火灾报警单元、智能指令采集单元、照明控制单元、广播控制单元和主控单元；所述数字量输入输出单元，用于采集列车的数字量输入信号并输送至主控单元，且能够接收主控单元发送的指令数据，将指令数据转换为数字量输出信号；所述模拟量输入输出单元，用于采集列车模拟量输入信号并输送至主控单元，且能够接收主控单元发送的指令数据，将指令数据转换为模拟量输出信号；所述火灾报警单元，用于采集列车各探测器状态信息并输送至主控单元；所述智能指令采集单元，用于采集智能指令模块司机操作指令，并将司机操作指令通过背板传输至主控单元；所述照明控制单元，用于采集列车感光器信号并输送至主控单元，并输出控制照明电源信号；所述广播控制单元，用于采集列车网络指令与多媒体设备状态数据，将多媒体设备状态数据转换为列车网络数据传输至列车网络；所述主控单元，用于采集列车网络指令，汇总与分析数字量输入输出单元、模拟量输入输出单元、火灾报警单元、广播控制单元和照明控制单元采集的状态信息，向各单元发送控制数据。2.如权利要求1所述的一种新型地铁车辆逻辑控制模块，其特征在于，所述数字量输入输出单元，通过电气接口将列车硬线数字量信号转换为主控单元识别的can数据，并通过背板传输至主控单元，所述主控单元通过背板向数字量输入输出单元传输指令信号，所述数字量输入输出单元将采集的指令信号转换为数字量信号传输至列车硬线。3.如权利要求1或2所述的一种新型地铁车辆逻辑控制模块，其特征在于，所述数字量输入输出单元包括多组安全输入输出板和多块接口板；每组所述安全输入输出板内部集成安全二取二的数字量采集通道和安全二取二的数字量输出通道，通过can通信介质与主控制单元进行数据交换；所述接口板用于将外部输入电信号转接到背板，并传输至对应的安全输入输出板。4.如权利要求3所述的一种新型地铁车辆逻辑控制模块，其特征在于，所述数字量采集通道设置有自检电路，所述自检电路能够进行周期式自检和触发式自检。5.如权利要求1所述的一种新型地铁车辆逻辑控制模块，其特征在于，所述模拟量输入输出单元采集列车多类型模拟量输入的状态数据，并将模拟信号转换为背板can数据传输至主控单元，所述主控单元将接收到的状态数据通过列车网络协议转换为列车网络数据，传输至列车网络中。6.如权利要求1所述的一种新型地铁车辆逻辑控制模块，其特征在于，所述火灾报警单元，能够采集列车的各火灾探测器状态信息，将火灾探测器发送的状态信号转换为主控单元识别的背板can数据输送至主控单元，且能够将主控单元的控制指令转换为火灾探测器识别的控制指令，传输至列车各火灾探测器，并为火灾探测器提供供电。7.如权利要求1所述的一种新型地铁车辆逻辑控制模块，其特征在于，所述智能指令采集模块，能够通过外部双路can接口采集司机操作指令，使用背板can通信协议，将操作指令转换为主控单元识别的背板can数据，通过背板传输至主控单元。
8.如权利要求1所述的一种新型地铁车辆逻辑控制模块，其特征在于，所述照明控制单元，能够通过电气接口采集列车的感光传感器状态数据，并将状态数据转换为主控单元识别的背板can数据，通过背板传输至主控单元，所述主控单元逻辑运算后通过背板向照明控制单元传输指令信号，所述照明控制单元将采集的指令信号转换为pwm信号传输至照明电源。9.如权利要求1所述的一种新型地铁车辆逻辑控制模块，其特征在于，所述主控单元包括通信网关板、数据记录板和两个中央处理板，所述通信网关板包含双归属以太网通信接口，能够以冗余的以太网总线与背板的两路can总线互联；所述通信网关板能够将can总线数据打包处理成以太网协议数据，输送至列车总线，同时能够从列车总线接收信号，输送至相应的can总线上；两个所述中央处理板采取2取2的cpu冗余架构并具有冗余控制线，能够检测所有板卡的冗余控制线状态，实现冗余切换功能。10.如权利要求1所述的一种新型地铁车辆逻辑控制模块，其特征在于，所述电源模块包含两块互为冗余的电源板，能够为向背板提供两路独立的电源，所述电源板的前端和后端均设有保护和检测电路。

技术总结
本发明公开了一种新型地铁车辆逻辑控制模块，涉及车辆控制技术领域，包括背板、电源模块、数字量输入输出单元、模拟量输入输出单元、火灾报警单元、智能指令采集单元、照明控制单元、广播控制单元和主控单元。本发明通过将传统的可编程逻辑控制单元、火灾报警系统、智能照明系统、智能指令采集系统、广播控制系统等主机设备与主机融合，使得主控单元能够统一调度多个系统，充利用装置的硬件接口与软件性能，减节约了设备安装空间；主控单元使用冗余设计，使用具有冗余功能的电源模块进行供电，提高了系统可靠性，降低了系统成本。降低了系统成本。降低了系统成本。


技术研发人员：茅迿 谢炜 洪天华 陈志 潘夏宁 戴鹏程
受保护的技术使用者：中车南京浦镇车辆有限公司
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/7/27