列车用输入输出装置和轨道车辆的制作方法

[0001]
本申请涉及轨道车辆控制系统技术领域，特别涉及一种列车用输入输出装置和轨道车辆。


背景技术：

[0002]
轨道车辆网络控制系统中应用最多的就是数字量的输入采集和输出控制，为达到轨道车辆网络控制安全性的要求，一般采用两块相同功能板卡进行同时采集或串联输出的方式实现。
[0003]
专利申请cn109677468a公开了一种列车用逻辑控制单元及逻辑控制方法，采用至少两个冗余设计的主控模块，通过系统自带的自诊断功能，实现各冗余电路的故障诊断和冗余切换。冗余设计的主控模块耗费的硬件资源较多，需要提供更优化的方案。


技术实现要素：

[0004]
为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。前述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。
[0005]
本公开实施例提供了一种列车用输入输出装置和轨道车辆，以在一定程度上解决上述技术问题。
[0006]
在一些实施例中，列车用输入输出装置，包括一控制器及与控制器连接的can通信模块、输入采集模块和输出控制模块，列车用输入输出装置还包括：一输入诊断模块，连接输入采集模块；一输出诊断模块，连接输出控制模块；一综合诊断模块，连接控制器，综合诊断模块进一步包括：控制器诊断单元、can通信诊断模块及mos场效应管诊断模块。
[0007]
可选的，输出控制模块包括：至少一路mos场效应管输出电路，mos场效应管的输入端与mos场效应管驱动器电连接，mos场效应管驱动器的输入端与光电耦合器电连接，光电耦合器的输入端与控制器的输出端电连接。
[0008]
可选的，输出控制模块还包括：至少一路过流检测电路，过流检测电路包括：电流检测电阻，与mos场效应管串联连接，电流检测电阻输出端连接输出控制模块的输出端口，电流检测电阻两端电压经运放调理电路后进入mos场效应管驱动芯片过流检测管脚。
[0009]
可选的，控制器诊断单元包括；一个与逻辑门电路，输入端接入看门狗电路、生命信号诊断电路和can通信诊断模块，与逻辑门电路的输出端接入电源开关。
[0010]
可选的，mos场效应管诊断模块包括；一个与逻辑门电路，输入端接入看门狗电路、生命信号诊断电路和控制器，与逻辑门电路的输出端接入光电耦合器，光电耦合器的输出端接入mos场效应管驱动器，mos场效应管驱动器的输出端接入总mos场效应管。
[0011]
可选的，输出诊断模块包括至少一路输出诊断电路，输出诊断电路包括：接入控制器输出端的光电耦合器，与光电耦合器串联连接的串并转换芯片，串并转换芯片的输出管脚连接一个或者多个比较器；输出诊断电路采集输出控制模块的输出端和电源开关负极两
端电压。
[0012]
可选的，输入采集及诊断模块包括至少一路输入采集及诊断电路，输入诊断电路包括：分压电阻，以及与其串联连接的比较器，比较器的输出端接入串并转换芯片，串并转换芯片的输出端接入光电耦合器，光电耦合器的输出端接入控制器。
[0013]
可选的，前述的列车用输入输出装置，还包括：与控制器电连接的外围电路模块，外围电路模块包括：控制器供电电路、rtc时钟电路、温度检测电路、故障记录电路和编码识别电路。
[0014]
在一些实施例中，轨道车辆包括前述的列车用输入输出装置。
[0015]
可选的，轨道车辆将两组前述的列车用输入输出装置并联冗余设置。
[0016]
本公开实施例提供的列车用输入输出装置和轨道车辆，可以实现以下技术效果：
[0017]
一方面，可以实现列车用输入输出装置的100％故障诊断和导向安全，实现单板卡满足安全完整性等级2(safety integrity level 2，简称sil2)单路带诊断的安全架构，可以提高单板卡的安全性；另一方面，与使用两块板卡满足sil2安全性要求的方法相比，可以大幅降低硬件成本。
[0018]
以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申请。
附图说明
[0019]
一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：
[0020]
图1是本公开实施例提供的列车用输入输出装置结构示意图；
[0021]
图2是本公开实施例提供的列车用输入输出装置输出控制模块结构示意图；
[0022]
图3是本公开实施例提供的列车用输入输出装置输出诊断模块结构示意图；
[0023]
图4是本公开实施例提供的列车用输入输出装置控制器诊断单元结构示意图；
[0024]
图5是本公开实施例提供的列车用输入输出装置mos场效应管诊断模块结构示意图；
[0025]
图6是本公开实施例提供的列车用输入输出装置输入诊断模块结构示意图；
[0026]
图7是本公开实施例提供的另一列车用输入输出装置结构示意图；
[0027]
图8是本公开实施例提供的另一列车用输入输出装置结构示意图。
具体实施方式
[0028]
为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。
[0029]
下面对本公开实施例中涉及的概念进行说明，金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，简称mos场效应管)。
[0030]
控制器局域网络(controller area network，简称can)。
[0031]
图1是本公开实施例提供的列车用输入输出装置结构示意图。如图1所示，本公开实施例提供了一种列车用输入输出装置，包括：控制器10及与控制器10连接的can通信模块11、输入采集模块17和输出控制模块13，列车用输入输出装置还包括：一输入诊断模块15，连接输入采集模块17；一输出诊断模块14，连接输出控制模块13；一综合诊断模块19，连接控制器10，综合诊断模块19进一步包括：控制器诊断单元12、can通信诊断模块18及mos场效应管诊断模块16。
[0032]
控制器实现can通信控制、输入信号采集、输出信号控制和故障诊断等功能。can通信模块包括两路冗余的can通信电路，输入采集数据或者输出控制命令通过can通信模块对外通信。
[0033]
本公开实施例提供的列车用输入输出装置，一方面，可以实现列车用输入输出装置的100％故障诊断和导向安全，实现单板卡满足sil2单路带诊断的安全架构，可以提高单板卡的安全性；另一方面，与使用两块板卡满足sil2安全性要求的方法相比，可以大幅降低硬件成本。
[0034]
图2是本公开实施例提供的列车用输入输出装置输出控制模块结构示意图。如图2所示，在一些实施例中，输出控制模块包括：至少一路mos场效应管输出电路，mos场效应管133的输入端与mos场效应管驱动器132电连接，mos场效应管驱动器132的输入端与光电耦合器131电连接，光电耦合器131的输入端与控制器10的输出端电连接。其中，输出控制模块可以设置为8路的mos场效应管输出电路，mos场效应管输出电路可以为高边开关电路，电路安全导向为断开，mos场效应管输出电路发生任何故障后，需要保证输出处于断开的状态。控制器10接收到can传输的输出控制指令cmd后，输出mos场效应管开关指令，开关指令经光电耦合器131后进入mos场效应管驱动器132，mos场效应管驱动器132控制mos场效应管133的打开和关闭。
[0035]
在一些实施例中，输出控制模块还包括：至少一路过流检测电路，过流检测电路包括：电流检测电阻，与mos场效应管串联连接，电流检测电阻输出端连接输出控制模块的输出端口，电流检测电阻两端电压经运放调理电路后进入mos场效应管驱动芯片过流检测管脚。在mos场效应管输出电路发生过流故障的情况下，mos场效应管驱动芯片过流检测管脚的检测值超过检测阈值，mos场效应管驱动芯片自动断开mos场效应管开关，并将过流状态信号传输至控制器，保证发生过流故障时导向安全。
[0036]
图3是本公开实施例提供的列车用输入输出装置输出诊断模块结构示意图。如图3所示，在一些实施例中，输出诊断模块包括至少一路输出诊断电路，输出诊断电路包括：接入控制器10输出端的光电耦合器141，与光电耦合器141串联连接的串并转换芯片142，串并转换芯片142的输出管脚连接一个或者多个比较器143；输出诊断电路采集输出控制模块的输出端和电源开关负极两端电压。当mos场效应管处于闭合的状态下，采集到的输出控制模块输出端和电源开关负极两端电压为1，表示输出控制模块正常工作；当mos场效应管处于断开的状态下，采集到的输出控制模块输出端和电源开关负极两端电压为0，表示输出控制模块正常工作。输出诊断模块可以实时采集mos场效应管的实际开闭状态，并和mos场效应管驱动器的输出指令进行比较，判断输出控制模块是否发生故障。
[0037]
图4是本公开实施例提供的列车用输入输出装置控制器诊断单元结构示意图。如图4所示，在一些实施例中，控制器诊断单元包括；一个与逻辑门电路121，输入端接入看门
狗电路122、生命信号诊断电路123和can通信诊断模块125，与逻辑门电路121的输出端接入电源开关124。
[0038]
看门狗电路检测控制器输出喂狗信号以及控制器电源故障，输出看门狗指示信号，控制器工作正常时，看门狗指示信号为高电平信号，否则为低电平信号。
[0039]
生命信号诊断电路需要控制器输出高频脉冲信号，将高频脉冲信号转换为高电平信号，即生命信号诊断信号，当生命信号输出正常时，生命信号诊断信号为高电平信号，否则为低电平信号。
[0040]
can通信诊断模块功能由控制器软件实现，当can通信正常时，can通信诊断电路输出的can故障诊断信号为高电平信号，当控制器检测到can错误寄存器超过一定数值后，输出的can故障诊断信号为低电平信号。
[0041]
看门狗指示信号、生命信号诊断信号和can故障诊断信号三个信号输入与逻辑门电路进行与操作，当有一个信号为低电平信号时，切断can协议芯片电源，保证在控制器或can故障的情况下，完全切断can通信，导向安全。
[0042]
图5是本公开实施例提供的列车用输入输出装置mos场效应管诊断模块结构示意图。如图5所示，在一些实施例中，mos场效应管诊断模块包括：一个与逻辑门电路161，输入端接入看门狗电路122、生命信号诊断电路123和控制器10，与逻辑门电路161的输出端接入光电耦合器162，光电耦合器162的输出端接入mos场效应管驱动器163，mos场效应管驱动器163的输出端接入总mos场效应管164。
[0043]
控制器输出总mos场效应管的控制指令，正常情况下为高电平信号。总mos场效应管控制指令、看门狗指示信号和生命信号诊断信号输入另一与逻辑门电路进行与操作，当有一个信号为低电平信号时，总mos场效应管的开关断开，输出控制模块中的所有mos场效应管均不工作。这样，当输出诊断模块判断某路mos场效应管发生无法闭合的故障，或者当控制器出现故障时，将总mos场效应管断开，可以保证输出导向安全。
[0044]
图6是本公开实施例提供的列车用输入输出装置输入诊断模块结构示意图。如图6所示，在一些实施例中，输入诊断模块包括至少一路输入诊断电路，输入诊断电路包括：分压电阻151，以及与其串联连接的比较器152，比较器152的输出端接入串并转换芯片153，串并转换芯片153的输出端接入光电耦合器154，光电耦合器154的输出端接入控制器10。其中，比较器的输入端为输入信号和基准电压，基准电压由自诊断电路进行控制。
[0045]
在一些实施例中，可以将输入采集及诊断模块设置为16路输入采集及诊断电路。每路输入采集及诊断电路的输入信号经过分压电阻分压后进入比较器，输入信号与基准电压进行比较。基准电压由自诊断电路进行控制，正常采集时，基准电压为2.5v，当有输入信号时，比较器输出为1，当没有输入信号时，比较器输出为0。输入采集及诊断模块在采集的每个周期内进行自诊断，控制基准电压为0v或者5v；当基准电压为0v时，不论是否有输入信号输入，比较器输出都为1，当基准电压为5v时，不论是否有输入信号输入，比较器输出都为0，从而对输入采集电路进行实时自诊断。比较器的输出值经过串并转换芯片后，经过光电耦合器接入控制器，控制器将采集的信号和自诊断信号通过can上传，上层应用可以根据自诊断信号进行取信和安全导向。
[0046]
在一些实施例中，前述的列车用输入输出装置还包括与控制器电连接的外围电路模块，外围电路模块包括：控制器供电电路、rtc时钟电路、温度检测电路、故障记录电路和
编码识别电路。外围电路模块实现时钟记录、故障记录和温度检测等功能，编码识别电路识别背板板卡编码，可以实现模块的通用性。
[0047]
图7是本公开实施例提供的另一列车用输入输出装置结构示意图。如图7所示，列车用输入输出装置，包括：控制器10以及与其电连接的can通信模块11、输入采集模块17和输出控制模块13，还包括：一输入诊断模块15，连接输入采集模块17；一输出诊断模块14，连接输出控制模块13；一综合诊断模块，连接控制器10，综合诊断模块进一步包括：控制器诊断单元、can通信诊断模块及mos场效应管诊断模块；以及与控制器电连接的控制器供电电路24、rtc时钟电路23、温度检测电路22、故障记录电路20和编码识别电路21。
[0048]
本公开实施例提供了一种轨道车辆，包括前述的列车用输入输出装置。
[0049]
图8是本公开实施例提供的另一列车用输入输出装置结构示意图。如图8所示，在一些实施例中，将两组列车用输入输出装置并联冗余设置于轨道车辆。其中，第一组列车用输入输出装置包括：第一控制器，及与其电连接的第一输入采集及诊断模块、第一综合诊断模块、两路can通信输出、第一输出控制模块和第一输出诊断模块。第二组列车用输入输出装置包括：第二控制器，及与其电连接的第二输入采集及诊断模块、第二综合诊断模块、两路can通信输出、第二输出控制模块和第二输出诊断模块。第一综合诊断模块和第二综合诊断模块均包括：mos场效应管诊断模块及控制器诊断单元。对于安全性和可用性要求特别高的信号，还可将上述两组列车用输入输出装置并联在一起冗余使用，两组列车用输入输出装置对外共享一个连接器，共用输入和输出信号，构成双路带诊断架构。输入由两个冗余板卡的两路输入采集电路进行采集，输出由两个冗余板卡的两路mos场效应管输出电路并联输出。当两路输入采集信号不一致时根据输入自诊断结果进行取信。当输出mos场效应管出现无法闭合故障时，可切换到冗余的mos场效应管输出电路进行闭合，进一步提高系统的安全性和可用性。
[0050]
前述内容，仅是本实用新型的较佳实施例，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其他领域，但是，凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。