一种用于实现过分相不断电功能的通讯板卡及通讯系统的制作方法

本实用新型涉及机车技术领域，尤其涉及一种用于实现过分相不断电功能的通讯板卡及通讯系统。

背景技术：

我国电气化铁路采用单相工频交流电供电方式，一条线路上会由多个变电站进行分段供电，每个变电站的相序不同，为了避免相间短路，在两个变电所供电的交界处会存在一段无电区，称为分相区。为确保安全通过分相区，电力机车需要进行适当的操作。目前辅助系统、列供系统直接由电网供电的电力机车，由于无电区的存在，辅助系统与列供系统通常在经过分相区时段里暂停供电，为实现辅助系统与列供系统在经过分相区时段里持续供电，在进入分相区时需要在电网供电与牵引回馈供电之间切换。在出分相区时需要在牵引回馈供电与电网供电之间切换。切换之前，辅助系统、列供系统的供电相位、幅值如何调整到与牵引系统或电网一致是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型提供一种用于实现过分相不断电功能的通讯板卡及通讯系统，技术方案如下：

一种用于实现过分相不断电功能的通讯板卡，包括三个双向的传输通道，每个双向的传输通道包括实现控制信号与差分信号相互转换的电压转换电路、电源转换电路以及数字隔离电路，电源转换电路为数字隔离电路和电压转换电路供电，数字隔离电路连接在控制芯片与电压转换电路之间。

数字隔离电路设置控制电信号传输方向的使能输入端Ⅰ与控制电信号传输方向的使能输出端Ⅰ，电压转换电路设置控制电信号传输方向的使能端，使能端与使能输出端Ⅰ相连；数字隔离电路还设置数字信号接收端Ⅰ、数字信号发送端Ⅰ、数字信号接收端Ⅱ与数字信号发送端Ⅱ，数字信号接收端Ⅰ是数字信号接收端Ⅱ的隔离输出，数字信号发送端Ⅱ是数字信号发送端Ⅰ的隔离输出，电压转换电路还设置数字信号接收端Ⅲ、数字信号发送端Ⅲ与差分信号传输端，数字信号接收端Ⅱ与数字信号接收端Ⅲ相连，数字信号发送端Ⅱ与数字信号发送端Ⅲ相连。

进一步地，电源转换电路包括DC-DC转换器U1，设置输入端5V_in、输出端+5V_ISO及中间输出端5V，数字隔离电路选用芯片ADuM1401， ADuM1401的第3引脚作为使能输入端Ⅰ，ADuM1401的第14引脚作为使能输出端Ⅰ，ADuM1401的第5引脚作为数字信号发送端Ⅰ，ADuM1401 的第6引脚作为数字信号接收端Ⅰ，ADuM1401的第12引脚作为数字信号发送端Ⅱ，ADuM1401的第11引脚作为数字信号接收端Ⅱ，ADuM1401 的第7引脚经电阻R4与中间输出端5V连接，ADuM1401的第10引脚经电阻R3与输出端+5V_ISO连接。

电压转换电路包括电压转换模块与保护模块，电压转换模块包括芯片 SN65176BDR，SN65176BDR的第3引脚与第4引脚并联作为使能端， SN65176BDR的第3引脚与第4引脚并联后经电阻R2接地，使能端的电平为高电平时，电压转换模块为发送模式，使能端的电平为低电平时，电压转换模块为接收模式。SN65176BDR的第1引脚作为数字信号接收端Ⅲ， SN65176BDR的第4引脚作为数字信号发送端Ⅲ，SN65176BDR的第6、 7引脚作为差分信号传输端。

保护模块包括电阻R1、双向二极管TVS1、双向二极管TVS2、双向二极管TVS3、肖特基二极管D2及肖特基二极管D3，电阻R1的第一端与SN65176BDR的第7引脚相连，电阻R1的第二端与SN65176BDR的第 6引脚相连，双向二极管TVS1的第一端接地，双向二极管TVS1的第二端与电阻R1的第一端相连，双向二极管TVS3的第一端接地，双向二极管TVS3的第二端与电阻R1的第二端相连，双向二极管TVS2与电阻R1 并联，肖特基二极管D2的第1引脚与肖特基二极管D3的第1引脚均接地，肖特基二极管D2的第2引脚与肖特基二极管D3的第2引脚均与输出端+5V_ISO连接，肖特基二极管D2的第3引脚与肖特基二极管D3的第3引脚分别连接在电阻R1的两端。

一种使用所述通讯板卡的通讯系统，包括牵引系统的控制单元TCU、辅助系统的控制单元ACU、列供系统的控制单元LGU、装配在控制单元 TCU的第一通讯板卡，装配在控制单元ACU的第二通讯板卡及装配在控制单元LGU的第三通讯板卡；所述第一通讯板卡的第一传输通道与所述第二通讯板卡的第一传输通道相连，所述第二通讯板卡的第三传输通道与所述第三通讯板卡的第一传输通道相连；

所述控制单元TCU将第一通讯板卡的第一传输通道的数字隔离电路的使能输入端Ⅰ置为高电平，所述第一通讯板卡的第一传输通道为发送模式；所述控制单元ACU将所述第二通讯板卡的第一传输通道的数字隔离电路的使能输入端Ⅰ置为低电平，所述第二通讯板卡的第一传输通道为接收模式，所述控制单元ACU将所述第二通讯板卡的第三传输通道的数字隔离电路的使能输入端Ⅰ置为高电平，所述第二通讯板卡的第三传输通道为发送模式；所述控制单元LGU将所述第三通讯板卡的第一传输通道的数字隔离电路的使能输入端Ⅰ置为低电平，所述第三通讯板卡的第一传输通道为接收模式。

本实用新型提供的一种用于实现过分相不断电功能的通讯板卡及通讯系统，用于牵引系统的控制单元TCU与辅助系统的控制单元ACU、列供系统的控制单元LGU之间进行信号传输以实现电压幅值及相位的同步变换。电源转换电路采用DC-DC变压器对输入电源进行隔离处理。数字隔离电路对通讯信号进行隔离处理，有效的抑制了恶劣环境下各节点之见共模电压的产生，降低的硬件电路的损坏率，提高系统的稳定性。电压转换电路可以实现双向电平转换，既可以将待发送的信号由电平传输方式转换为差分传输方式，也可以将接收的信号由差分传输方式转换为电平传输方式。

通讯板卡包括三个独立的通道，每个通道的数字隔离电路与各控制单元(包括TCU、ACU及LGU)的控制芯片FPGA相连，FPGA可以对每个通道通过设置数字隔离电路的使能输入端Ⅰ的电平高低，使能电平经数字隔离电路传输至电压转换电路的使能端，实现信号传输方向的选择，既可以配置为接收模式也可以配置为发送模式，由FPGA选择接通接收端或发送端，既可以将待发送信号由电平传输方式转换为差分传输方式发送出去，也可以将接收的信号由差分传输方式转换为电平传输方式传送给控制芯片，过分相区期间将牵引系统回馈电能的电压幅值与相位在牵引系统、辅助系统及列供系统之间实时传送，为各系统准确同步调整电压的幅值、相位提供信息保障，使供电切换前后各系统连续工作。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的通讯板卡传输通道的电气结构框图；

图2为本实用新型的传输通道的信号流向示意图；

图3为本实用新型的电源转换电路的电路图；

图4为本实用新型的数字隔离电路的电路图；

图5为本实用新型的电压转换电路的电路图；

图6为本实用新型的通讯系统电气关系框图。

附图中各部件的标记为：1-电压转换电路、2-电源转换电路、3-数字隔离电路、11-使能端、12-数字信号接收端Ⅲ、13-数字信号发送端Ⅲ、14- 差分信号传输端、33-数字信号接收端Ⅰ、31-使能输入端Ⅰ、32-使能输出端Ⅰ、34-数字信号发送端Ⅰ、35-数字信号接收端Ⅱ、36-数字信号发送端Ⅱ。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种用于实现过分相不断电功能的通讯板卡，包括三个双向的传输通道，每个传输通道包括实现控制信号与差分信号相互转换的电压转换电路1、电源转换电路2以及数字隔离电路3，电源转换电路2 为数字隔离电路3和电压转换电路1供电，数字隔离电路3连接在控制芯片4与电压转换电路1之间。

数字隔离电路3设置控制电信号传输方向的使能输入端Ⅰ31与控制电信号传输方向的使能输出端Ⅰ32，电压转换电路1设置控制电信号传输方向的使能端11，使能端11与使能输出端Ⅰ32相连；数字隔离电路3还设置数字信号接收端Ⅰ33、数字信号发送端Ⅰ34、数字信号接收端Ⅱ35与数字信号发送端Ⅱ36，数字信号接收端Ⅰ33是数字信号接收端Ⅱ35的隔离输出，数字信号发送端Ⅱ36是数字信号发送端Ⅰ34的隔离输出，电压转换电路1还设置数字信号接收端Ⅲ12、数字信号发送端Ⅲ13与差分信号传输端14，数字信号接收端Ⅱ35与数字信号接收端Ⅲ12相连，数字信号发送端Ⅱ36与数字信号发送端Ⅲ13相连。

本实用新型提供的一种用于实现过分相不断电功能的通讯板卡及通讯系统，用于牵引系统的控制单元TCU与辅助系统的控制单元ACU、列供系统的控制单元LGU之间进行信号传输以实现电压幅值及相位的同步变换。电源转换电路采用DC-DC变压器对输入电源进行隔离处理。数字隔离电路对通讯信号进行隔离处理，有效的抑制了恶劣环境下各节点之见共模电压的产生，降低的硬件电路的损坏率，提高系统的稳定性。电压转换电路可以实现双向电平转换，既可以将待发送的信号由电平传输方式转换为差分传输方式，也可以将接收的信号由差分传输方式转换为电平传输方式，其保护模块将AN65175BDR的输出端子的电压限制在芯片耐压范围之内，确保电压转换电路的安全。各个传输通道中的差分信号传输端可以双向传输，各个作为接收或发送的数字信号端单向传输，由控制单元选择接通接收端或发送端(见图2)。

通讯板卡包括三个独立的通道，每个通道的数字隔离电路与各控制单元(包括TCU、ACU及LGU)的控制芯片FPGA相连，FPGA可以通过对每个通道设置电压转换电路的使能端的电平高低，实现信号传输方向的选择。FPGA发出的使能电平经数字隔离电路隔离处理后传输至电压转换电路的使能端，既可以配置为接收模式也可以配置为发送模式，既可以将待发送信号由电平传输方式转换为差分传输方式发送出去，也可以将接收的信号由差分传输方式转换为电平传输方式传送给控制芯片，过分相区期间将牵引系统回馈电能的电压幅值与相位、电网的电压幅值与相位在牵引系统、辅助系统及列供系统之间实时传送，为准确调整使供电切换前后的电压幅值、相位一致提供信息保障。

进一步地，如图3、图4、图5所示，电源转换电路包括DC-DC转换器U1，设置输入端5V_in、输出端+5V_ISO及中间输出端5V，数字隔离电路选用芯片ADuM1401，ADuM1401的第3引脚作为使能输入端Ⅰ，

ADuM1401的第14引脚作为使能输出端Ⅰ，ADuM1401的第5引脚作为数字信号发送端Ⅰ，ADuM1401的第6引脚作为数字信号接收端Ⅰ，

ADuM1401的第12引脚作为数字信号发送端Ⅱ，ADuM1401的第11引脚作为数字信号接收端Ⅱ，ADuM1401的第7引脚经电阻R4与中间输出端 5V连接，ADuM1401的第10引脚经电阻R3与输出端+5V_ISO连接。

电压转换电路包括电压转换模块与保护模块，电压转换模块包括芯片 SN65176BDR，SN65176BDR的第3引脚与第4引脚并联作为使能端，

SN65176BDR的第3引脚与第4引脚并联后经电阻R2接地，SN65176BDR 的第1引脚作为数字信号接收端Ⅲ，SN65176BDR的第4引脚作为数字信号发送端Ⅲ，SN65176BDR的第6、7引脚作为差分信号传输端。

保护模块包括电阻R1、双向二极管TVS1、双向二极管TVS2、双向二极管TVS3、肖特基二极管D2及肖特基二极管D3，电阻R1的第一端与SN65176BDR的第7引脚相连，电阻R1的第二端与SN65176BDR的第 6引脚相连，双向二极管TVS1的第一端接地，双向二极管TVS1的第二端与电阻R1的第一端相连，双向二极管TVS3的第一端接地，双向二极管TVS3的第二端与电阻R1的第二端相连，双向二极管TVS2与电阻R1 并联，肖特基二极管D2的第1引脚与肖特基二极管D3的第1引脚均接地，肖特基二极管D2的第2引脚与肖特基二极管D3的第2引脚均与输出端+5V_ISO连接，肖特基二极管D2的第3引脚与肖特基二极管D3的第3引脚分别连接在电阻R1的两端。

如图6所示，一种使用所述通讯板卡的通讯系统，一种使用所述通讯板卡的通讯系统，包括牵引系统的控制单元TCU、辅助系统的控制单元 ACU、列供系统的控制单元LGU、装配在控制单元TCU的第一通讯板卡，装配在控制单元ACU的第二通讯板卡及装配在控制单元LGU的第三通讯板卡；所述第一通讯板卡的第一传输通道与所述第二通讯板卡的第一传输通道相连，所述第二通讯板卡的第三传输通道与所述第三通讯板卡的第一传输通道相连；

所述控制单元TCU将第一通讯板卡的第一传输通道的数字隔离电路的使能输入端Ⅰ置为高电平，所述第一通讯板卡的第一传输通道为发送模式；所述控制单元ACU将所述第二通讯板卡的第一传输通道的数字隔离电路的使能输入端Ⅰ置为低电平，所述第二通讯板卡的第一传输通道为接收模式，所述控制单元ACU将所述第二通讯板卡的第三传输通道的数字隔离电路的使能输入端Ⅰ置为高电平，所述第二通讯板卡的第三传输通道为发送模式；所述控制单元LGU将所述第三通讯板卡的第一传输通道的数字隔离电路的使能输入端Ⅰ置为低电平，所述第三通讯板卡的第一传输通道为接收模式。

本实施例的技术方案为辅助系统、列供系统直接由电网供电的电力机车的牵引控制单元、辅助控制单元、列供控制单元各配置一个通讯板卡，机车过分相区期间将牵引系统回馈电能的电压幅值与相位在牵引系统、辅助系统及列供系统之间实时传送，避免因过压、过流故障而停机，最终实现辅助、列供系统过分相不断电功能。

将通讯板卡集成在辅助系统、列供系统直接由电网供电的电力机车的牵引系统、辅助系统和列供系统中，实现了辅助系统过分相不断电的功能。消除了过分相期间由于辅助系统和列供断电造成的风机过热等不利影响，提高乘客的乘车体验。此外，动车组每小时大约经过10个分相区，每天按运行12小时计算，则每天经过120个分相区，实现辅助系统过分相不断电后牵引系统、辅助系统和列供接触器的放电接触器、预充电接触器和工作接触器接触器每天少动作240次，大大的延长了接触器的使用寿命，减小了运行维护的成本。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。