机车信号电源模块的制作方法

本发明涉及铁路通信信号领域，特别涉及一种机车信号电源模块。

背景技术：

机车信号主机是处理机车从钢轨上接收到的轨道电路信号的主要部件。机车信号主机通过感应线圈从钢轨上接收轨道电路信号，经过译码处理，将灯位信息显示在信号机相应的灯位上，向司机提供行车许可。

车载信号机的主要功能是向司机显示前方铁道线路是否占用，但司机无法从车载信号机上得到机车信号主机自身发生故障的信息，在机车信号主机自身存在故障时可能向司机发出错误的前方铁道线路信息，存在行车安全隐患。

技术实现要素：

本发明提供了一种机车信号电源模块，能够在机车信号系统发生故障时关闭信号机的所有灯位，告知司机机车信号系统已发生故障，从而消除因机车信号系统故障引起的安全隐患。

一种机车信号电源模块，包括直流转换器，安全开关，驱动电路；所述直流转换器与车载直流电源连接，将车载直流电源输入的直流电进行转换并分两路输出，第一路输出向机车信号主机的主机板供电，第二路输出向安全开关供电；驱动电路接收主机板cpu的控制信号，控制安全开关通断；安全开关与驱动电路连接，由所述驱动电路发送的直流信号控制其导通或断开；主机板cpu停止向所述驱动电路发送控制信号时，所述驱动电路停止向所述安全开关发送直流信号，安全开关断开；安全开关通过主机板与串联继电器组连接，为所述串联继电器组供电。

进一步地，所述控制信号是串行通信信号；电源模块还包括电源模块cpu；电源模块cpu与主机板cpu预先设定通信协议，根据通信协议确定控制信号的正确性；电源模块cpu根据主机板cpu发送的串行通信信号进行判断，并根据与主机板cpu的通信协议判断串行通信信号是否正确，若串行通信信号正确，则电源模块cpu控制驱动电路向安全开关发送直流信号，安全开关导通；若串行通信信号错误，则电源模块cpu控制驱动电路停止向所述安全开关发送直流信号，安全开关断开。

进一步地，所述控制信号是动态波形；主机板cpu向所述驱动电路发送动态波形时，所述驱动电路向安全开关发送直流信号，控制所述安全开关导通。

进一步地，所述动态波形为方波。

进一步地，所述安全开关是安全继电器；安全继电器的线圈的第一端与驱动电路连接，其第二端接地；安全继电器的第一触点和第二触点的共同第一端与直流转换器连接，其第一触点的第二端与串联继电器组连接，其第二触点的第二端与主机板cpu连接，在第二触点接通时向主机板cpu提供电源参照信号的第二路信息。

本发明的有益效果：本发明的机车信号电源模块，能够在机车信号系统发生故障时告知司机机车信号系统已发生故障，从而消除因机车信号系统故障引起的安全隐患。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1a是本发明一个实施例的机车信号系统的示意图。

图1b是本发明一个实施例的机车信号系统的示意图。

图1c是本发明一个实施例的机车信号系统的示意图。

图2a是本发明一个实施例的安全继电器的示意图。

图2b是本发明一个实施例的安全继电器的示意图。

图3是本发明一个实施例的机车信号系统的运行过程示意图。

附图标记如下所示：

3-串联继电器组的动触点；4-串联继电器组中各继电器的控制线圈；5-串联继电器组的常闭触点；6-串联继电器组的常开触点；7-安全继电器的线圈；8-安全继电器的第一触点；9-安全继电器的第二触点；11-安全继电器的线圈的第一端；12-安全继电器的线圈的第二端；13-安全继电器的第一触点与第二触点的共同第一端；14-安全继电器的第一触点的第二端；15-安全继电器的第二触点的第二端；rl1至rl7-串联继电器组中的7个继电器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明确，下面结合实施例以及附图对本发明实施例中的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。在此，本发明的示意性实施方式及其说明主要用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明一个实施例的机车信号系统中的机车信号电源模块，如图1a所示，包括直流转换器，安全开关，驱动电路。所述直流转换器与车载直流电源连接，将车载直流电源输入的直流电进行转换并分两路输出，例如将车载直流电源的110v直流电转换为电源板和主机板工作需要的48v工作电压。直流转换器的第一路输出向机车信号主机的主机板供电。主机板将从所述直流转换器接收到的第一路输出的电压转换为主机板cpu的工作电压(在图1a中以虚线表示相应部分。作为具体实施方式，可以是将48v工作电压转换为主机板cpu需要的3.3v和1.9v的工作电压)。直流转换器的第二路输出向安全开关供电。

驱动电路接收主机板cpu的控制信号，控制安全开关通断。当主机板cpu采集到的灯位信息满足主机板cpu中设定的安全判定条件时，主机板cpu向所述驱动电路发送的控制信号是动态波形(比如方波或正弦波或三角波等，最优选方波，下同)时，驱动电路向安全开关发送直流信号控制安全开关导通；当主机板cpu采集到的灯位信息不满足主机板cpu中设定的安全判定条件时，主机板cpu停止向所述驱动电路发送控制信号(此时的控制信号可以是动态波形或串行通信信号)，此时驱动电路停止向所述安全开关发送直流信号，安全开关断开。

所述安全开关与所述驱动电路连接，由所述驱动电路发送的直流信号控制其导通或断开。所述安全开关通过主机板与所述串联继电器组连接(即在图1a中，安全开关与串联继电器组的rl1继电器的动触点3连接)，为所述串联继电器组供电，即通过安全开关的导通或断开控制所述串联继电器组的供电电源从而控制串联继电器组处于有电状态或断电状态。在安全开关未接收到驱动电路发送的直流信号而断开时，无论主机板cpu向车载信号机发出什么信号，由于安全开关断开车载信号机的电源，因此车载信号机的所有灯位均熄灭，从而通知司机机车信号系统故障；或者在有双套机车信号主机的情况下，切换到冗余备用的机车信号主机。图1a中的rl1至rl7是串联继电器组的继电器，在本实施例中是7个继电器(控制车载信号机的8个灯位，其中7个继电器全部断开/未吸合(即每个继电器的动触点与各自的常闭触点5导通而与常开触点6断开时)，在安全开关给串联继电器组供电的情况下车载信号机上的红灯灯位点亮)，这7个继电器构成的串联继电器组控制车载信号机不同灯位的切换。所述串联继电器组上每个继电器受主机板cpu的控制(通过图1a中的串联继电器组的各继电器的控制线圈4分别控制，详见下面的详细描述)，显示与接收到的轨道电路信息相应的地面信号机灯位信息，从而告知司机前方区间的占用情况。若机车信号系统发生故障而无法关断车载信号机的电源则会导致车载信号机的灯位无法切换或错误切换，将会引起车载信号机的灯位显示错误误导司机，甚至造成严重的列车安全事故。主机板cpu在检测到车载信号机的灯位信息不满足设定的安全判定条件时，通过控制信号关断安全开关(可以是重力继电器、安全继电器等)，进而使驱动车载信号机的电源断电，使其灯位全部熄灭，提醒司机关注，从而保证列车领域的“故障导向安全”原则，提高了机车的安全可靠性。

若主机板cpu发送的控制信号采用串行通信信号，则在驱动电路上增加一个电源模块cpu，主机板cpu发送的串行通信信号经过电源模块cpu解码后发送给驱动电路，用于对串行通信信号进行解码(在图1a的实施例中，电源模块cpu与驱动电路在一起，因此未单独画出)；且主机板cpu与电源模块cpu预先设定通信协议，根据通信协议确定控制信号的正确性。当电源模块cpu对串行通信信号解码后，根据与主机板cpu的通信协议判断串行通信信号是否正确；若串行通信信号正确，则电源模块cpu控制驱动电路就向安全开关发送直流信号，安全开关保持导通；否则若串行通信信号错误，则电源模块cpu控制驱动电路停止向安全开关发送直流信号，安全开关断开。

所述预先设定的通信协议可以是串口通信协议，此时主机板cpu与电源模块cpu之间通过串口连接，比如通过can，sci，rs232等方式，这种方式安全性很高。主机板cpu与电源模块cpu之间还可以通过两个io口连接，主机板cpu通过两个io口发送串行通信信号，第一个io口发送高电平，第二个io口发送低电平；或者第一个io口是高电平或低电平，第二个io口是动态波形，这样安全性相对于一个io口更高。电源模块cpu可以是fpga，dsp，或者单片机等。

电源模块cpu通过判断其接收到的串行通信信号是否符合其与主机板cpu之间的通信协议来实现主机板cpu对驱动电路的控制，比如，如果通信协议预先设定了通信数据0x55aa即表示正常，那么电源模块cpu通过上述can、sci、rs232(不限于此三种通信方式)的任意一种方式，只要收到数据为0x55aa即表示数据正确，此时驱动安全开关导通。

所述控制信号是动态波形或串行通信信号，可以避免主机板cpu输出的控制信号固0或固1的故障(这类故障是“固定型故障”(stuck-atfaults)，主要反映电路或系统中某根信号线(如门的输入线、连接导线等)上的不可控制，即电路中某一信号线永远固定在某一个值上。固0时，信号线永远固定于低电平；固1时，信号线永远固定于高电平)。固0、固1的故障表现是电平不会跳变；而动态波形比如方波的电平是跳变的，因此用驱动电路接收方波，当发现电平不跳变的时候就判定为故障，不对外输出直流信号，从而使安全开关断开。同样的，由于串行通信信号需要主机板cpu与电源模块cpu之间预先设定通信协议，并根据通信协议确定串行通信信号的正确性，因此通过串行通信信号能完全避免上述固0或固1的“固定型故障”的隐患。

若主机板cpu发送的控制信号是动态波形，则驱动电路可以采用单只三极管、或门电路、或由分立的三极管(包括npn及pnp)组成的otl电路驱动安全开关的通断。单只三极管驱动的效率较低；门电路驱动的电流较低；分立三极管组成的otl(outputtransformerless，输出变压器的功率放大电路)电路效率较高，还可以采用mos管代替三极管组成otl电路。

为了提高机车信号系统的安全性，优选安全继电器作为安全开关。

安全继电器作为安全开关的机车信号系统如图1b所示。安全继电器的工作过程如图1b和图2a所示。驱动电路通过安全继电器的线圈7的第一端11向其发送直流信号，安全继电器的线圈7的第二端12接地；直流转换器通过安全继电器的第一触点8和第二触点9的共同第一端13向安全继电器供电；安全继电器的第一触点8的第二端14与串联继电器组连接，其第二触点9的第二端15与主机板cpu连接，在第二触点9接通时向主机板cpu提供电源参照信号。电源参照信号是主机板cpu从安全继电器直接和间接获取的两路信息。主机板cpu通过采集车载信号机的灯位信息间接获得串联继电器组导通或断开的信息，而串联继电器组的导通或断开实际上反映了安全继电器的第一触点8的第二端14是否输出电源的信息，因此主机板cpu通过采集车载信号机的灯位信息判断出安全继电器的第一触点8的第二端14是否输出电源，这作为电源参照信号的第一路信息；另一方面，安全继电器的第二触点9的第二端15向主机板cpu直接提供了电源参照信号的第二路信息。主机板cpu通过比较电源参照信号的这两路信息可以判断安全继电器的第一触点8与第二触点9是否同时导通或同时断开，以及是否一路导通一路断开。主机板cpu采集车载信号机的灯位信息和电源参照信号，并进行比较判断，只有如下两个条件同时满足，主机板cpu才会向驱动电路发出向安全继电器发送直流信号驱动安全继电器导通的控制信号：a)当灯位信息有且仅有一个灯位有效(此处有效指灯位有正常电压输出)；b)电源参照信号有效(此处有效指电源参照信号的两路信息比较值符合要求)。当驱动电路向安全继电器发出直流信号使其线圈7通电起磁时，其线圈7同时吸合两个独立簧片使其各自相应的第一触点8和第二触点9均闭合导通；而当驱动电路停止向安全继电器发出直流信号(即安全继电器断电)时，其线圈7断电消磁，正常情况下，其第一触点8和第二触点9均应断开(即第一触点8和第二触点9按照预先设计的方式同时导通或同时断开，即为上述的电源参照信号的两路信息比较值符合要求)；若第一触点8或第二触点9之一发生熔结(或称粘连，在短路时易发生)，若线圈7断电，未发生熔结的触点断开，但发生熔结的触点不断开从而保持导通状态，此时触点9的第二端15输出的电源参照信号的第二路信息与主机板cpu收到的电源参照信号的第一路信息必然不同，此时主机板cpu停止向驱动电路发出控制信号，使驱动电路停止向安全继电器发出直流信号，从而使安全继电器断开，这样就使得串联继电器组断电、车载信号机的灯位全熄灭，从而告知司机机车信号主机故障。安全继电器具有强制导向结构，使用安全继电器作为安全开关，万一安全开关发生触点熔结(粘连)现象，能确保触点断开，使设备无法运转，从而保证安全。

本发明一个具体实施例的机车信号系统，如图1a所示，包括车载天线、车载直流电源、机车信号主机、车载信号机。所述机车信号主机包括电源板、主机板。所述电源板包括上述的机车信号电源模块；所述主机板包括主机板cpu、串联继电器组(在图1a中由继电器rl1至rl7构成)。

所述直流转换器与车载直流电源连接，将车载直流电源输入的直流电进行转换并分两路输出(例如将车载直流电源的110v直流电转换为电源板和主机板工作需要的48v工作电源)，第一路输出向机车信号主机的主机板供电。主机板将从所述直流转换器接收到的第一路输出的电压转换为主机板cpu的工作电压(比如将48v工作电压转换为主机板cpu需要的3.3v和1.9v的工作电压)，第二路输出向安全开关供电；如图1a所示。

车载天线接收轨道电路信息(对应于地面信号机的信号)，传输给机车信号主机的主机板cpu，由主机板cpu通过控制串联继电器组点亮车载信号机的相应灯位(具体可参见图1a所示，主机板cpu与串联继电器组中各继电器的控制线圈4分别连接，并根据轨道电路信息接通需要点亮的灯位相对应的继电器的控制线圈4，使控制线圈4带电起磁吸合相应继电器，即该继电器的动触点与其常开触点6导通，使相应继电器导通从而点亮车载信号机上相对应的灯位)，从而向司机显示前方区间占用情况，保证安全行车(所述车载信号机的相应灯位是与轨道电路信息相对应的灯位信息，比如机车前方区间被占用，地面信号机显示红灯，则图1a中的车载信号机显示红灯或红黄灯(地面信号机的信号与车载信号机的相应灯位之间的具体对应关系较复杂，可参考tb/t3060-2016的规定))。例如，当主机板cpu接收到的轨道电路信息需要点亮的灯位为红黄灯，对应于图1a中的串联继电器组中的rl2继电器吸合，而其它继电器断开，则在安全开关导通从而对串联继电器组正常供电的情况下，rl2的控制线圈4起磁吸合继电器rl2，使其动触点与常开触点导通，点亮红黄灯。

所述主机板cpu还与车载信号机和所述电源模块的驱动电路分别连接，所述主机板cpu采集所述车载信号机的灯位信息(例如图1a所示，主机板cpu与车载信号机的各灯位分别连接，分别采集各灯位信息)，并判断所述灯位信息是否满足设定的安全判定条件：若主机板cpu采集到的灯位信息满足主机板cpu中设定的安全判定条件，主机板cpu向所述驱动电路发送的控制信号是动态波形时，驱动电路向安全开关发送直流信号，安全开关导通；否则若主机板cpu采集到的灯位信息不满足主机板cpu中设定的安全判定条件，主机板cpu停止向所述驱动电路发送控制信号(此时的控制信号可以是动态波形(比如方波或正弦波或三角波等)或串行通信信号)，此时驱动电路停止向所述安全开关发送直流信号，安全开关断开。

本发明一个具体实施例的机车信号系统，主机板cpu中设定的安全判定条件为车载信号机的灯位有且仅有一个灯位点亮；进一步地，还可以在此基础上设定所点亮的灯位与车载天线接收到的轨道电路信息所应点亮的灯位一致。因此，当主机板cpu检测到车载信号机的灯位均灭或有超过一个灯位同时点亮，判断为不满足上述安全判定条件，主机板cpu停止输出控制信号，此时驱动电路不再输出直流信号，安全开关断开。进一步地，主机板cpu检测到有且仅有一个灯位处于点亮状态，但点亮的灯位与车载天线接收到的轨道电路信息所应点亮的灯位不一致，也会判断为不满足上述安全判定条件，主机板cpu停止输出控制信号，此时驱动电路不再输出直流信号，安全开关断开。通过主机板cpu判断安全判定条件，保证车载信号机显示的灯位与轨道电路信息所对应的地面信号机的信号相一致。避免了由机车信号主机故障引起的车载信号机显示灯位与车载天线接收到的轨道电路信息不一致的隐患，保证了行车安全。

所述安全开关与所述驱动电路连接，安全开关根据是否接收到驱动电路发送的直流信号导通或断开。安全开关通过主机板与串联继电器组连接(在图1a中，表示为安全开关与串联继电器组的rl1继电器的动触点3连接)，控制所述串联继电器组的供电，即通过安全开关的导通或断开控制所述串联继电器组的供电电源从而控制串联继电器组处于上电工作状态或断电状态，并由主机板cpu控制串联继电器组上的继电器的控制线圈4，使需要显示信息的相应灯位点亮(即，使相应继电器的动触点与常开触点6导通)。只有在安全开关导通使串联继电器组的rl1继电器的动触点3导通时(上电工作状态)，主机板cpu才能控制串联继电器组导通车载信号机的相应灯位(由于7个继电器可以控制8个灯位，因此控制线圈4可以均不导通，此时对应于车载信号机的红灯灯位，如图1a所示；允许的情况是最多只有一个继电器导通，即车载信号机同时最多点亮一个灯位，根据该要求在主机板cpu中设定安全判定条件)。因此，可以通过安全开关关闭串联继电器组的电源进而使车载信号机灯位熄灭。在安全开关未接收到驱动电路发送的直流信号而断开时，无论主机板cpu向车载信号机发出什么信号，由于安全开关断开车载信号机的电源，因此车载信号机的所有灯位均熄灭，从而通知司机机车信号系统发生故障；或者在有双套机车信号主机的情况下，切换到冗余备用的机车信号主机。

本发明一个具体实施例的机车信号系统，机车信号系统包括两套热备的机车信号主机，两个主机板cpu分别输出控制信号通过各自的驱动电路控制各自的安全开关从而控制各自的串联继电器组通过争权电路实现车载信号机的灯位切换。当某套机车信号主机发生故障导致其安全开关断电，而另一套机车信号主机仍在工作，继续控制车载信号机的灯位切换。在图1a中，以安全开关到主机板之间的虚线代表上述争权电路。

机车信号系统工作过程中，主机板cpu检测车载信号机的灯位信息(例如通过图1a中的“采集灯位信息”线路检测灯位信息)，并判断是否满足设定的安全判定条件：若检测到的串联继电器组的输出信息(即车载信号机的灯位信息)满足设定的安全判定条件时，主机板cpu保持输出控制信号；否则，主机板cpu停止输出控制信号，安全开关处于断开状态，断开车载信号机的供电电源，使车载信号机的所有灯位均熄灭，从而达到提醒司机关注机车信号系统本身故障的目的。图3示出了控制信号为动态波形时的机车信号系统运行示意图。

本发明一个实施例的机车信号系统，采用动态波形(比如方波等)作为所述控制信号，经过驱动电路后转换为直流信号，避免了主机板cpu输出的控制信号固0或固1的故障(这类故障是“固定型故障”(stuck-atfaults)，主要反映电路或系统中某根信号线(如门的输入线、连接导线等)上的不可控制，即电路中某一信号线永远固定在某一个值上。固0时，信号线永远固定于低电平；固1时，信号线永远固定于高电平)。固0、固1的故障表现是电平不会跳变；而方波的电平是跳变的；因此用驱动电路接收方波，当发现电平不跳变的时候就判定为故障，不对外输出直流信号，从而使安全开关断开。

安全继电器作为安全开关的工作过程参见上面相关描述，此处不再赘述。需要注意的是，此时主机板cpu也需要与安全继电器连接并有信息传输关系，参见图1b和图2a。主机板cpu对安全继电器发送的电源参照信号进行判断，确定是否发生错误。具体判断方式为，若安全继电器的第二触点9断开而第一触点8熔结，则主机板cpu从安全继电器的第二触点9接收到的电源参照信号为“断开状态”，而主机板cpu从车载信号机的灯位信息接收到的信息显示安全继电器的第一触点8必然是“导通状态”，主机板cpu发现两个触点的信息矛盾，停止向驱动电路发送控制信号；若安全继电器的第一触点8断开而第二触点9熔结，则主机板cpu从安全继电器的第二触点9接收到的电源参照信号为“导通状态”，而由于第一触点8断开使得车载信号机的灯位信息为“灯位全熄灭”即接收到不到信息，可逆推出安全继电器的第一触点8必然是“断开状态”，主机板cpu发现两个触点的信息矛盾，停止向驱动电路发送控制信号；这两种情况都会导致驱动电路停止向安全继电器发送直流信号，控制车载信号机的灯位全熄灭。

本发明一个实施例的机车信号系统，主机板cpu发送的控制信号采用串行通信信号，则在驱动电路上增加一个电源模块cpu，主机板cpu发送的串行通信信号经过电源模块cpu解码后发送给驱动电路，用于对串行通信信号进行解码(在图1a的实施例中，电源模块cpu与驱动电路在一起，因此未单独画出)；且主机板cpu与电源模块cpu预先设定通信协议，根据通信协议确定控制信号的正确性。当电源模块cpu对串行通信信号解码后，根据与主机板cpu的通信协议判断串行通信信号是否正确，若串行通信信号正确则电源模块cpu控制驱动电路向安全开关发送直流信号，安全开关保持导通；否则若串行通信信号错误，驱动电路停止向安全开关发送直流信号，安全开关断开。

由于串行通信信号需要主机板cpu与电源模块cpu之间预先设定通信协议，并根据通信协议确定串行通信信号的正确性，因此通过串行通信信号能完全避免上述固0或固1的“固定型故障”的隐患。

在图1a中，安全开关到串联继电器组的连线在进入主机板之后还会由主机板内部的其它模块(主机板cpu、串联继电器组之外的功能模块或功能电路)根据功能需求加以控制。由于主机板内部的其它模块及其功能与本发明的目的不相关，因此没有具体列出。因此安全开关到串联继电器组的连线在进入主机板之后以虚线表示。类似地，直流转换器向主机板供电，经主机板向其内部的主机板cpu供电经过了转换(比如由48v转换为主机板cpu需要的3.3v和1.9v工作电压)，因此在图1a中向主机板cpu供电部分在主机板内部也以虚线表示。类似地，车载天线将接收到的轨道电路信息向主机板cpu发送过程中会经过主机板其它功能模块或功能电路的转换或控制，因此其进入主机板后也以虚线表示。

本发明一个具体实施例的机车信号系统，当主机板cpu采集到的灯位信息不满足主机板cpu中设定的安全判定条件时，主机板cpu向司机发出报警声音和/或灯光等报警信息。主机板cpu还可以经安全计算机与dmi(drivermachineinterface，人机界面)连接，如图1c所示。所述报警信息可以经安全计算机向dmi发送，以引起司机对于机车信号系统故障的注意，避免安全隐患。所述报警信息也可以文字的形式显示在dmi上。

本发明的机车信号电源模块及机车信号系统，能够在机车信号系统发生故障时告知司机机车信号系统已发生故障，从而消除因机车信号系统自身故障引起的安全隐患。

当然，本发明并不仅限于上述具体实施方式。所有本领域技术人员能够想到的能实现上述的功能效果的具体实施方式均在本发明的保护范围之内。