本发明涉及列车工况电压采集，尤其涉及一种全时自检的列车工况电压采集电路及方法
背景技术：
对列车工况电压进行采集的方案一般由工况/自检信号切换、电压隔离以及采集电路组成。在现有技术中，一般采用如图1所示的两种方式进行工况/自检信号切换，采用如图2所示的3种电压隔离方式进行信号隔离，隔离后信号一般由处理器通过ad器件采集或直接通过并行接口读取高低状态。然而，现有技术存在以下问题：
1)工况电压采集通道自检不全面；
2)工况电压门槛值无法准确对应标准要求这两大问题。
下面结合附图说明如下。
图1a示出的是一种继电器切换方式。当继电器切换至自检电压信号对应触点闭合从而进行自检时，工况电压信号对应触点处于断开状态，此时后级电路无法获知当前工况信号，鉴于工况信号对于机车控制的重要性，继电器切换的时机、频率需要细致权衡，因此无法保证随时进行自检。图1b示出的是一种直接叠加方式。由于工况电压信号和自检电压信号直接叠加，当工况电压信号为高(如dc110v)时，无论自检电压信号施加与否，合成信号将为高，此时后级电路无法检测自检电压信号，即无法进行正常自检，因此本方式只能对外部工况信号为低的通道进行自检，无法保证自检对所有通道的全面覆盖。
图2a、图2b、图2c示出三种信号隔离方式。由于继电器线圈、光耦发光二极管以及电压互感器的参数受温度变化、器件个体差异的影响较大，因此实际使用时高低电平门槛值的偏移范围较大，无法实现准确对应标准要求，此外，图2a、图2c部分所示的隔离方式还存在器件体积过大的缺点。
技术实现要素：
为了解决现有技术中的各种缺点，本发明提供了一种全时自检的列车工况电压采集电路及方法。其改进之处在于将列车工况电压采集电路的自检方式由定期自检、部分自检改为全时全面自检，同时将工况信号隔离方式由现有的直接通过光耦、继电器或电压互感器隔离改为先电阻分压得到低电压信号后再行隔离。
本发明提供了一种全时自检的列车工况电压采集电路，其特征在于，所述电路包括：
分压电路，对工况电压信号和自检电压信号进行分压，其中所述自检电压信号可在0和v自检两个电压值之间切换；
模数采集器，对所述分压电路的输出直接或间接进行采样并进行模数转换，以得到模数采样值，当所述自检电压信号为0v时对应所述模数采样值为vad1，当所述自检电压信号为v自检时对应所述模数采样值为vad2；
处理器，被配置成当所述自检电压信号为0v时根据模数采样值vad1计算出所对应的工况电压信号v工况1，以及当所述自检电压信号为v自检时根据模数采样值vad2计算出所对应的工况电压信号v工况2，并比较v工况1与v工况2，以便在采集所述工况电压的同时进行自检判断；
隔离器，所述隔离器位于所述分压电路的输出与所述模数采集器之间或者位于所述模数采集器与所述处理器之间。
在一个实施例中，所述处理器在计算v工况1和v工况2之前先比较vad1与vad2；若vad2与vad1的差值满足一设定阈值范围，则计算v工况1和v工况2；若vad2与vad1的差值不满足设定阈值范围，则所述处理器作出采集异常的判断。
在一个实施例中，当v工况1与v工况2相同，则所述处理器作出自检正常的判断，得到正确的工况电压信号，并根据所述正确的工况电压信号与标准门槛值，确定当前工况电压信号的电平状态。
在一个实施例中，当所述自检电压信号为0v时，vad1与v工况1具有第一关系式，所述处理器根据所述第一关系式和所述模数采样值vad1计算出所述工况电压信号v工况2；当所述自检电压信号为v自检时，vad2与v工况2具有第二关系式，所述处理器根据所述第二关系式和所述模数采样值vad1以及v自检计算出所述工况电压信号v工况2。
在一个实施例中，所述分压电路包括第一电阻101(r1)、第二电阻102(r2)、第三电阻103(r3)；第一电阻101(r1)具有第一端和第二端；第二电阻102(r2)具有第一端和第二端；第三电阻103(r3)具有第一端和第二端；所述工况电压信号与第一电阻101(r1)的第一端耦接；所述自检电压信号与第二电阻102(r2)的第一端耦接；第一电阻101(r1)的第二端、第二电阻102(r2)的第二端以及第三电阻103(r3)的第一端耦接在一起作为所述分压电路的输出；第三电阻103(r3)的第二端与地耦接。
在一个实施例中，所述第一电阻为多个电阻的等效电阻，所述第二电阻为多个电阻的等效电阻，所述第三电阻也多个电阻的等效电阻。
在一个实施例中，所述第一关系式为vad1＝v工况1*r3/(r1+r3)；所述第二关系式为vad2＝(r2*r3*v工况2+r1*r3*v自检)/(r1*r2+r2*r3+r1*r3)。
在一个实施例中，所述模数采集器包括模数转换器或者压频转换器。
本发明还提供了一种全时自检的列车工况电压采集电路的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：提供分压电路，其中分压电路的输入为工况电压信号和自检电压信号；
步骤2：对所述分压电路的输出信号进行模数转换并得到采样值；
步骤3：设置自检电压信号为0v，并获取采样值为vad1；
步骤4：根据第一关系式，使用vad1计算当前工况电压信号v工况1；
步骤5：设置自检电压为v自检，并获取采样值为vad2；
步骤6：根据第二关系式，使用vad2计算当前工况电压信号v工况2；
步骤7：判断vad1与vad2的差值是否满足一设定阈值范围？若满足该设定阈值范围，则执行步骤8；若不满足该设定阈值范围，则执行步骤9；
步骤8：比较v工况1与v工况2；若两者相等，则执行步骤9；若两者不相等，则执行步骤10；
步骤9：判断为自检或采集异常；
步骤10：判断为自检正常，并得到正确的工况电压信号v工况；
步骤11：根据正确的工况电压信号v工况与标准门槛值，确定当前工况电压信号的电平状态。
在一个实施例中，所述分压电路包括第一电阻101(r1)、第二电阻102(r2)、第三电阻103(r3)；第一电阻101(r1)具有第一端和第二端；第二电阻102(r2)具有第一端和第二端；第三电阻103(r3)具有第一端和第二端；所述工况电压信号与第一电阻101(r1)的第一端耦接；所述自检电压信号与第二电阻102(r2)的第一端耦接；第一电阻101(r1)的第二端、第二电阻102(r2)的第二端以及第三电阻103(r3)的第一端耦接在一起作为所述分压电路的输出；第三电阻103(r3)的第二端与地耦接。
在一个实施例中，所述第一电阻为多个电阻的等效电阻，所述第二电阻为多个电阻的等效电阻，所述第三电阻也多个电阻的等效电阻。
在一个实施例中，所述第一关系式为vad1＝v工况1*r3/(r1+r3)；所述第二关系式为vad2＝(r2*r3*v工况2+r1*r3*v自检)/(r1*r2+r2*r3+r1*r3)。
在一个实施例中，对分压电路的输出进行模数转换之前，先对分压电路的输出进行隔离，再执行步骤2-11。
在一个实施例中，在获取采样值之后对采样值进行隔离，并对隔离后的信号执行步骤4、6－11。
本发明的列车工况电压采集电路及方法具有以下有益效果：
1)高精度采集。采用电阻分压将高电压信号按比例转化为低电压信号后，通过线性隔离和ad采样后计算得到工况电压的具体数值，再根据对应标准的门槛值确定当前工况为高电平或低电平。相比于采用光耦、继电器或电压互感器对工况电压信号直接进行隔离的方式，一方面通过计算工况电压数值可实现与标准门槛值的严格对应，避免光耦或继电器参数漂移带来的实际取样门槛值浮动；另一方面计算得到的工况电压具体数值，可以作为处理、记录的素材。
2)全时全面自检。通过处理器控制自检电压的切换，实现后级ad采样值的变化，处理器根据ad采样值的变化不仅可获知当前工况电压输入值，还可同步确认对应通道工作是否正常，即在进行正常采样功能的同时完成自检功能。相比于采用继电器切换和直接叠加的方式，本发明可实现工况电压采样、工况采集通道自检同时进行，实现全时全面自检功能。
3)与处理器接口灵活可变。本电路中ad采集芯片与处理器的接口可根据处理器的需求选用带并行或串行总线接口的芯片，接口类型灵活可变。其中，选用串行总线接口的ad采集芯片与处理器通信时，可节约处理器的并行接口资源和电路板的布线空间，由于串行通信不受处理器并行处理总线宽度的影响，因此可实现单个处理器可采样工况电压信号数量的最大化。
附图说明
本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。
图1a示出现有技术的继电器切换示意图；
图1b示出现有技术的工况电压信号与自检电压信号直接叠加不切换的示意图；
图2a示出现有技术的采用继电器隔离的示意图；
图2b示出现有技术的采用光耦隔离的示意图；
图2c示出现有技术的采用电压互感器隔离的示意图；
图3示出根据本发明一实施例的全时自检的列车工况电压采集电路的示意图；
图4示出根据本发明一实施例的全时自检的列车工况电压采集方法的流程图。
具体实施方式
以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
图3示出根据本发明一实施例的列车工况电压采集电路。术语“列车工况”表示有关列车运行状态的信息(例如：向前、牵引、制动、卸载等)，一般以直流电压信号的形式体现，如列车控制手柄置于向前位置时，对应的工况信号“向前”为dc110v，否则为dc0v。
如图3所示，该列车工况电压采集电路包括分压电路106、隔离器104、模数采集器105、处理器107。在一个实施例中，分压电路106包括第一电阻101(r1)、第二电阻102(r2)、第三电阻103(r3)。第一电阻101(r1)具有第一端和第二端。第二电阻102(r2)具有第一端和第二端。第三电阻103(r3)具有第一端和第二端。工况电压信号v工况与第一电阻101(r1)的第一端耦接。自检电压信号与第二电阻102(r2)的第一端耦接。第一电阻101(r1)的第二端、第二电阻102(r2)的第二端以及第三电阻103(r3)的第一端耦接在一起。第三电阻103(r3)的第二端与地耦接。
在一个实施例中，隔离器104可以位于分压电路106的输出与模数采集器105之间，此时隔离器104的一端与第三电阻103(r3)的第一端耦接，另一端与模数采集器105的一端耦接。模数采集器105的另一端与处理器107耦接。隔离器104可以是线性隔离器或者隔离放大器。
在一个实施例中，隔离器可以位于模数采集器与处理器之间，此时模数采集器的一端与第三电阻103的第一端耦接，模数采集器的另一端与隔离器的一端耦接，而隔离器的另一端与处理器107耦接。隔离器除光耦外，还可使用磁隔离器件、电容隔离等方式。
自检电压信号可由控制器控制，可在0和v自检(如dc24v或dc110v)两个电压值之间切换。
处理器107可被配置成当所述自检电压信号为0v时计算出所对应的工况电压信号v工况1，以及当所述自检电压信号为v自检时计算出所对应的工况电压信号v工况2，并比较v工况1和v工况2，以便在对所采集到的所述工况电压进行高低电平判断的同时进行自检判断。
进一步，图3的具体工作原理分析如下。
工况电压采集
工况电压信号v工况由第一电阻101(r1)和第三电阻103(r3)进行分压，然后经隔离器104(例如，可使用1:1的线性隔离器件)隔离后，由模数采集器105(ad采集器)采样得到数字量值发送给处理器107进行计算。
通过选用高精度器件(例如：电阻r1、r3和线性隔离器件)，当自检电压信号为0v时，处理器107计算出进入ad采集器105的电压vad1与v工况的关系为如以下第一关系式：
vad1＝v工况*r3/(r1+r3)(公式1)
因此，处理器107可根据ad采样值vad1计算得到当前工况电压值v工况，再根据对应标准判断当前工况信号为高电平或低电平。
自检
在图3中，自检电压为0时的电路原理与前述的“工况电压采集”部分所描述的一致；自检电压为v自检时，进入ad采集器的电压vad2与v工况、v自检的关系可根据节点电流定律计算，具体关系如以下第二关系式所示：
vad2＝(r2*r3*v工况+r1*r3*v自检)/(r1*r2+r2*r3+r1*r3)(公式2)
根据公式2，若实际电路中取r1＝100kω、r2＝10kω、r3＝1kω，v工况＝110v，v自检＝24v，自检电压在0和v自检切换时，进入ad采集芯片的电压值将分别为
vad1＝v工况/101＝1.089v(公式3)
vad2＝(v工况/111+v自检/11.1)＝3.16v(公式4)
两者的差值达到2.16v，因此可将之作为自检的依据；同时，根据公式2，处理器同样可以根据ad采样值计算得到当前工况电压值v工况，与根据公式1计算得到的v工况进行印证，综合以上分析，图3所示的电路可用于对工况电压高精度的采集，并通过随时切换自检电压信号对工况采集通道进行自检。
需要指出的是，本发明的列车工况电压采集电路结构并不限于如图3所示的实施例。例如，可以将图3中的分压电路进行修改，如将r1、r2、r3分割为更多的电阻单元，以降低电阻器件精度不高带来的分压比例不准确度的问题。又例如，图3中用到的线性隔离器件，可使用隔离放大器代替。又例如，图3中用到的ad采集器(ad采集芯片)可使用压频转换器件替代。压频转换器件可将电压信号转换为频率量信号，处理器根据频率量信号的频率，同样可获知对应电压信息。又例如，图3中线性隔离器件+ad采集的组合可使用ad采集+隔离器件的组合进行替代，此时隔离器件除光耦外，还可使用磁隔离器件、电容隔离等方式。
对应以上的替换变化，本领域技术人员应理解第一关系式和第二关系式会有所变化，并能做出相应调整，以获得相应的vad1与v工况的第一关系式以及vad2与v工况的第二关系式。因此，虽然在本发明的上述实施例中，第一关系式为上述公式1，第二关系式为上述公式2，但第一关系式和第二关系式并不限于公式1和公式2。
图4示出根据本发明一实施例的列车工况电压采集方法的流程图。所述方法包括以下步骤。
步骤401：设置自检电压为0v；
步骤402：取ad采集器的采样值vad1；
步骤403：根据第一关系式，使用vad1计算当前工况电压信号v工况1；
步骤404：设置自检电压为v自检；
步骤405：取ad采集器的采样值vad2；
步骤406：根据第二关系式，使用vad2计算当前工况电压信号v工况2；
步骤407：判断vad1与vad2的差值是否满足一设定阈值范围？若满足该设定阈值范围，则执行步骤408；若不满足该设定阈值范围，则执行步骤409；
步骤408：比较v工况1与v工况2；若两者相等，则执行步骤410；若两者不相等，则执行步骤409；
步骤409：判断为自检或采集异常；
步骤410：判断为自检正常，并得到正确的v工况。
步骤411：根据v工况与标准门槛值，确定当前工况电压信号的电平状态。
其中，第一关系式为自检电压为0v时根据图3所获得的vad1与v工况的关系式。第二关系式为自检电压为v自检时根据图3所获得的vad2与v工况的关系式。
本发明的技术方案具有以下有益效果：
1)高精度采集。采用电阻分压将高电压信号按比例转化为低电压信号后，通过线性隔离和ad采样后计算得到工况电压的具体数值，再根据对应标准的门槛值确定当前工况为高电平或低电平。相比于采用光耦、继电器或电压互感器对工况电压信号直接进行隔离的方式，一方面通过计算工况电压数值可实现与标准门槛值的严格对应，避免光耦或继电器参数漂移带来的实际取样门槛值浮动；另一方面计算得到的工况电压具体数值，可以作为处理、记录的素材。
2)全时全面自检。通过处理器控制自检电压的切换，实现后级ad采样值的变化，处理器根据ad采样值的变化不仅可获知当前工况电压输入值，还可同步确认对应通道工作是否正常，即在进行正常采样功能的同时完成自检功能。相比于采用继电器切换和直接叠加的方式，本发明可实现工况电压采样、工况采集通道自检同时进行，实现全时全面自检功能。
3)与处理器接口灵活可变。本电路中ad采集芯片与处理器的接口可根据处理器的需求选用带并行或串行总线接口的芯片，接口类型灵活可变。其中，选用串行总线接口的ad采集芯片与处理器通信时，可节约处理器的并行接口资源和电路板的布线空间，由于串行通信不受处理器并行处理总线宽度的影响，因此可实现单个处理器可采样工况电压信号数量的最大化。
这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。
同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。