一种模拟量输入输出装置的制作方法

本发明涉及轨道交通系统安全计算机平台中的一个模块，尤其涉及有关机车模拟量输入输出装置。

背景技术：

在高速铁路等交通控制系统中，有一种保证列车安全运行的被称为安全计算机的核心设备。安全计算机具体实现列车运行的实时控制和安全防护，确保列车按照设计路线和期望速度在允许的范围内运行。为实现这一目标，安全计算机需要实时监控列车的运行速度、当前位置、列车运行指令、系统内部状态等运行参数。操作人员或系统维护调试人员通过这些运行参数，能够及时了解系统运行状态和设备状况，并以此给出后续的操控命令。

安全计算机平台是建立在计算机技术、通信技术、控制技术之上，符合IEC62425安全完整性SIL4级的分布式网络控制系统，具有高可靠性、高安全性、开放性、灵活性等特点，主要包含以下关键技术：

1.系统安全架构

目前主流的系统安全架构有三取二、二乘二取二、二者的混合结构及派生结构。安全架构包括为同步与表决技术、故障-安全技术等。

2.安全I/O技术

安全I/O技术实现方式较多，但其核心思想表现为：具有高覆盖率的动态检测(诊断)，故障后导向并保持在安全状态。

3.总线技术

这部分主要体现系统的灵活性、扩展能力、响应能力，也体现了系统的可靠性与可维护性。主要包括若干种实时以太网技术与现场总线技术。

4.安全通信协议

传输协议需满足IEC62280标准，但实现方法可能多种多样。

5.软件安全技术

软件安全技术需采用IEC62279相关规定，可能会采用不同的编码技术与加密技术。

6.轨道信号解码技术。

现有的模拟量板是机车速度传感器、柴油机转速传感器、列车管压力传感器、电力机车原边电流互感器、双针速度表与监控主机插件的之间的接口，把传感器、互感器输入的信号进行处理后送到监控主机插件，同时根据监控主机插件的指令送出电流信号驱动双针速表、送出脉冲信号、驱动信号驱动里程计。

模拟量板本身板件无CPU系统、不具备信号处理功能、存在信号波动、精度等现象。

技术实现要素：

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种模拟量输入输出装置，提供机车信号系统中管压、柴速、机车原边电流等信号的采集，并输出里程计信号和电流环信号驱动速度表和里程计，通过FLEXRAY通信，与平台主机插件进行信息交互。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种模拟量输入输出装置，包括：

信号采集模块，包括电压信号采集单元、电流信号采集单元和频率信号采集单元，分别对电压信号、电流信号和频率信号进行采集；

输出模块，包括电流信号输出单元和脉冲信号输出单元，分别输出电流环驱动信号和脉冲驱动信号；

通信模块，用于和外部的主机插件建立通信；

数字模块，用于和外部的计算机建立人机交互。

根据本发明的模拟量输入输出装置的一实施例，电压信号采集单元包括用于对直流电压信号进行运放调整的运放调整电路、用于将电压信号转换为频率信号的电压/频率变换器、用于进行光耦隔离的光耦隔离电路。

根据本发明的模拟量输入输出装置的一实施例，电流信号采集单元包括用于将直流电流信号转换成直流电压信号的采样电路、用于对直流电压信号进行运放调整的运放调整电路、用于将电压信号转换为频率信号的电压/频率变换器、用于进行光耦隔离的光耦隔离电路。

根据本发明的模拟量输入输出装置的一实施例，频率信号采集单元包括用于通用频率量信号输入的差分输入电路、用于进行滤波处理的滤波电路、用于进行信号比较处理的比较器、用于进行光耦隔离的光耦隔离电路。

根据本发明的模拟量输入输出装置的一实施例，电流信号输出单元包括两路电流信号输出，分别用于驱动双针表限速和实速指针，其中每一路电流信号输出均包含数字隔离电路、数字/模拟转换电路。

根据本发明的模拟量输入输出装置的一实施例，脉冲信号输出单元输出一路单脉冲的信号，用于驱动里程计，脉冲信号输出单元包括光耦隔离电路、三极管开关电路。

根据本发明的模拟量输入输出装置的一实施例，装置还包括安全电路和继电器组，通过继电器组控制两路电流信号输出、脉冲信号输出以及总线供电，当模拟插件检测到故障或运行异常后，自动切断对外的输出。

根据本发明的模拟量输入输出装置的一实施例，模拟量输入输出装置根据对比外部输入信号的值与采集的值的线性差值并记录，通过计算补偿该线性差值，避免因电路器件参数误差引起的精度问题。

根据本发明的模拟量输入输出装置的一实施例，通信模块采用双冗余的FlexRay通信总线。

根据本发明的模拟量输入输出装置的一实施例，模拟量输入输出装置采用硬件配置识别技术和加密技术。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明的模拟量输入输出装置具有如下特点：1、模拟量输入：六路0-20mA电流输入采集、两路0-10V电压信号采集、三路频率量信号。2、模拟量输出：两路电流环输出、一路里程计脉冲信号输出。3、硬件配置识别：具有硬件板本号，硬件板位识别。4、双冗余的FLEXRAY通信。5、故障时无输出保护。6、输入采集误差补偿。

因此，本发明的优点在于：a)采用V/F转换，保证高精度的信号采集；b)双冗余的FlexRay通信总线设计，保证通信的可靠性；c)硬件配置识别和加密技术，真正意义上解决插件误插，提高安全性；d)安全无输出，保证装置故障时，不会误输出；e)误差补偿，解决器件参数识差，引起的精度问题，提高了信号采集的精度。

附图说明

图1示出了本发明的模拟量输入输出装置的较佳实施例的原理图。

图2示出了本发明的电压信号采集单元的原理图。

图3示出了本发明的电流信号采集单元的原理图。

图4示出了本发明的频率信号采集单元的原理图。

图5示出了本发明的电流信号输出单元的原理图。

图6示出了本发明的脉冲信号输出单元的原理图。

图7示出了本发明的用于故障无输出的电路的原理图。

具体实施方式

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了本发明的模拟量输入输出装置的较佳实施例的原理，请参见图1，本实施例的装置包括：信号采集模块1、输出模块2、通信模块3和数字模块4。

通信模块3采用双冗余的FlexRay通信总线(FlexRay是一种应用于汽车的高速、可确定性的、具备故障容错能力的总线技术)，负责与平台主机插件进行信息交互，将模拟输入信号的情况反馈给主机插件，同时接收主机插件指令，控制输出模块2输出速度和里程计信号。

信号采集模块1分别包括如图2所示的电压信号采集单元、图3所示的电流信号采集单元、图4所示的频率信号采集单元。

电压信号采集单元最大支持两路直流电压信号采集，电压的范围为0～10V。电压信号采集单元包括运放调整电路、电压/频率变换器和光耦隔离电路，先通过运放调整，再经过电压/频率变换(V/F变换)转换成频率信号后，再通过光耦隔离，输出至CPU进行采样。

电流信号采集单元最大支持六路直流电流信号采集，输入电流的范围为0～20mA，电流信号接收端的采样总电路应小于50Ω。电流信号采集单元包括采样电路、运放调整电路、电压/频率变换器、光耦隔离电路。对于输入的每一路0～20mA电流信号，先通过采样电路转换成直流电压信号，经运放调整后，输出信号再经电压/频率变换器转换成频率信号，最后经光耦隔离后送至CPU采样。电压/频率变换器选用AD7740。

频率信号采集单元最大支持三路频率量信号采集，频率为0～5kHz，有一路支持信号的最大峰值为100V，其他为峰值10V的信号。频率信号采集单元包括差分输入电路、滤波电路、比较器和光耦隔离电路。通用频率量信号先经过差分输入电路，然后进行滤波处理，滤波后经比较器输出与柴转信号频率一致的方波，经光耦隔离后送给CPU采样。

输出模块2包括如图5所示的电流信号输出单元、图6所示的脉冲信号输出单元。电流信号输出单元需要输出两路电流信号，用于驱动双针表限速和实速指针，电流输出范围为0～20mA，负载电阻的最大阻值可达250Ω。电流信号输出单元的两路电流信号输出中的每一路均包含数字隔离电路和数字/模拟转换电路(例如DAC芯片)。

从CPU输出串行信号通过数字隔离电路后，再由DAC芯片转换为0～20mA电流信号，驱动双针表实速和限速指针。DAC芯片采用AD420，单通道、16位，串行输入，可选择0～24mA，0～20mA，4～20mA输出。

脉冲信号输出单元输出一路单脉冲的信号，用于驱动里程计，输出脉冲幅值为DC(24±2)V，脉冲宽度≥200ms。脉冲信号输出单元包括光耦隔离电路和三极管开关电路，CPU输出对应的脉冲信号，经过光耦隔离、电压转换后，驱动里程计。

较佳的，除此之外，在本发明的装置发生故障时，切除对外的信号输出，包括驱动双针表的电流信号输出和驱动里程计的脉冲信号输出。如图7所示，采用继电器控制两路电流信号输出、脉冲信号输出以及总线供电。当模拟量输入输出装置检测到故障或运行异常后，自动切断对外的输出。

另一种较佳的设计是本发明的装置在出厂调试时，可根据对比外部输入信号的值与采集值的线性差值并记录下来，再通过计算补偿该线性差值，避免因电路器件参数误差而引起的精度问题。

为了增加安全性，模拟量输入输出装置还可以采用硬件配置识别技术和加密技术。

总的来说，本发明具有如下的特点：

1)自带数字处理系统，可进行初步信号处理，自身监测功能。

2)通信模块，采用双冗余的FlexRay通信总线。

3)电压信号和电流信号采集，支持最大6路电流信号、2路电压信号采集，采用V/F转换的方式，将电压信号转换为CPU可识别信号，实现高精度采集。

4)频率信号采集，最大支持3路频率通道，分别支持10V或100V级别，0-5kHz的频率信号。

5)故障无输出安全措施。

6)硬件配置识别，具有硬件板本号，硬件板位识别。

7)信号采集误差补偿技术，可解决器件参数误差引起的精度问题。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。