一种车载集总式电子控制平台的制作方法

1.本发明涉及列车控制技术领域，尤其涉及一种车载集总式电子控制平台。


背景技术：

2.近几年来，我国高铁、地铁、机车车辆需求猛增，轨道交通行业发展迅速，列车以及列车设备的制造水平也在逐渐提高，已经能成功制造出各种功能的列车。国外的列车控制系统平台技术主要掌握在西门子、庞巴迪、克诺尔以及阿尔斯通等大公司手中，国内这几年也越来越重视相关技术的研究，能够提供列车控制设备的公司越来越多，市场竞争非常激烈。
3.现有列车网络控制系统大多使用列车通信网络(tcn)，tcn采用两级总线结构：绞线式列车总线(wtb)和多功能车辆总线(mvb)。tcn网络主要实现重要设备的控制、状态监视和故障诊断，从而保证列车安全可靠的运行，并为司机或机械师提供故障处理指南，为检修维护提供数据支持。wtb总线用于不同牵引单元之间的数据传输，物理上采用两根冗余的双绞线，wtb总线的传输速率为1mbit/s，两个牵引单元之间的网关通过wtb总线连接，通过网关与本单元的mvb总线相连进行数据交换。车辆总线采用mvb总线，物理层上采用两对冗余的双绞线总线结构，传输速率为1.5mbit/s，用于本牵引单元内部的数据传输，所有具有mvb通讯接口的子系统都能可靠接入。tcn网络拓扑结构如图1所示，包括：gw(网关)、rep(mvb中继器)、ccu(中央控制单元)、wtd(无线传输装置)、iom(输入输出模块)、tcu(牵引控制单元)、bcu(制动控制单元)。
4.虽然当前列车控制系统在国内的应用相对成熟，但是其总拓扑结构较为复杂，wtb总线和mvb总线传输速率较慢，信号链路冗长，在列车复杂的运行环境下，容易出现通信故障，一旦出现故障通常会导致请客下线，严重时还需等待救援。此外，上述总线拓扑结构涉及的产品和板卡种类较多。因此，现有列车控制系统对系统的实时性、可靠性、可维护性和控制系统总成本提出了巨大的挑战。


技术实现要素：

5.本发明针对上述的当前列车控制系统拓扑结构复杂、信息传输速率慢以及涉及的产品和板卡种类繁多的技术问题，提出一种车载集总式电子控制平台，能够提高列车控制系统信息传输速率和通信的可靠性，同时可以有效的提高系统的可维护性，并且降低系统的总成本。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种车载集总式电子控制平台，其中，包括中央处理单元和执行单元，所述中央处理单元之间采用实时以太网通讯，所述中央处理单元与所述执行单元之间采用全双工光纤通信。
7.上述车载集总式电子控制平台，其中，所述中央处理单元包括中央处理单元系统电源板，中央处理单元cpu板和具有相同背板连接器的若干io板卡。
8.上述车载集总式电子控制平台，其中，所述中央处理单元cpu板采用fpga dsp arm
架构，fpga接收所述io板卡采集的数据，并对所述数据进行预处理，通过fpga内部的共享内存将预处理后的所述数据传递至dsp和arm。
9.上述车载集总式电子控制平台，其中，所述io板卡根据自身种类信息以及背板槽位id与所述fpga发送的can通信节点进行通信。
10.上述车载集总式电子控制平台，其中，所述执行单元包括电源板、执行单元cpu板、运算采集板、光纤接口板和具有相同背板连接器的若干io板卡。
11.上述车载集总式电子控制平台，其中，所述电源板包括为所述执行单元cpu板、运算采集板、通信观测板和io板卡供电的执行单元系统电源板、为所述光纤接口板供电的驱动电源板、为io板卡外接的传感器供电的传感器电源板。
12.上述车载集总式电子控制平台，其中，所述执行单元cpu板采用fpga arm架构，fpga接收所述io板卡采集的数据，并对所述数据进行预处理，通过fpga内部的共享内存将预处理后的所述数据上传至arm，所述arm对上传的数据进行逻辑处理后将处理结果返回至所述fpga。
13.上述车载集总式电子控制平台，其中，所述fpga通过机箱内部高速总线与所述运算采集板进行通信，接收所述运算采集板上传的信息，根据所述信息下发对应参数对电压电流进行快速保护以及控制所述运算采集板进行igbt脉冲输出和斩波控制。
14.上述车载集总式电子控制平台，其中，所述执行单元还包括仅在调试时使用的通信观测板，用于接收所述运算采集板发送的待观测变量，并通过以太网口与pc进行通信，将所述待观测变量在上位机上以波形的形式实时显示。
15.上述车载集总式电子控制平台，其中，所述运算采集板采用fpga dsp架构，当所述执行单元作为牵引控制器使用时，光纤接口板将所述运算采集板输出的四象限脉冲或逆变器脉冲由电信号转换为光信号并输出到所述执行单元的外部；当所述执行单元作为网络控制器或制动控制器使用时，根据实际应用需求，选择不使用或使用一块所述运算采集板。
16.与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
17.1.本发明集总式电子控制平台的通信系统中将种类繁多的mvb子设备简化为中央处理单元和执行单元，可以有效的提高系统的可维护性，并且降低系统的总成本。
18.2.中央处理单元之间以及中央处理单元与执行单元之间运用实时以太网和光纤通信技术替代原来的wtb总线和mvb总线，在提高系统信息传输速率的同时提高了通信的可靠性。
19.3.本发明中的每种io板卡都具有板卡种类信息，并具备读取背板槽位信息的功能，且所有io板卡的背板连接器具有相同的硬件设计，因此只要配置信息允许，io板卡插入背板的位置和数量不受限制，最大程度的保证了io板卡的灵活性和通用性。
附图说明
20.图1为现有的列车网络控制系统中的tcn网络拓扑结构示意图；
21.图2为本发明提供的集总式电子控制平台拓扑结构示意图；
22.图3为本发明提供的中央处理单元板卡配置示意图；
23.图4为本发明提供的执行单元板卡配置示意图。
具体实施方式
24.为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
25.显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
26.在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
27.除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
28.下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
29.参照图2所示，车载集总式电子控制平台由本地中央处理单元和执行单元组成。各车本地中央处理单元之间采用高速实时以太网通讯，本地中央处理单元和执行单元之间采用高速全双工光纤通信。本发明集总式电子控制平台将种类繁多的mvb子设备(ccu、iom、tcu和bcu等)简化为中央处理单元和执行单元，可以有效的提高系统的可维护性，并且降低系统的总成本；本发明集总式电子控制平台的通信系统中运用实时以太网和光纤通信技术替代原来的wtb总线和mvb总线，在提高系统信息传输速率的同时提高了通信的可靠性。
30.中央处理单元主要负责牵引、制动、网络各系统的逻辑控制；负责故障判断和记录；具有容错处理机制和单点故障允许功能；负责提供维护接口，为列车健康管理提供便捷
条件。
31.中央处理单元为标准的3u机箱，主要由系统电源板、cpu板和io板卡组成。中央处理单元的板卡配置如图3所示：
32.系统电源板负责为cpu板和io板卡供电。
33.cpu板为中央处理单元的核心，该板卡采用fpga dsp arm架构，三者之间通过fpga内部的共享内存进行通信。其中fpga主要负责can主的功能，与io板卡进行通信，接收io板卡采集的数据，并下发对应的指令信息到io板卡；负责数据的预处理，然后通过共享内存传递给dsp和arm；负责对外的高速全双工光纤通信。dsp主要负责执行牵引、网络或者制动的算法功能，并将结果发送至fpga和arm处理器。arm主要负责执行牵引、网络或者制动的逻辑功能；负责故障条件的判断和故障数据的记录功能；负责对外的实时以太网通信功能；负责提供调试和维护接口等。
34.io板卡负责数字量、模拟量及pwm信号的输入和输出功能，io板卡对于中央控制单元为可选配置。每种io板卡都具有板卡种类信息，并具备读取背板槽位信息的功能，io板卡根据自身种类信息以及背板槽位id与fpga处理器发送的can通信节点进行通信。所有io板卡的背板连接器具有相同的硬件设计，因此只要配置信息允许，io板卡可以插入到背板的任何槽位，并且理论上不受io板卡数量的限制，最大程度的保证了io板卡的灵活性和通用性。
35.执行单元采用模块化设计，负责原牵引、制动、网络控制单元的信号采集和命令执行。可实现原牵引变流器传感器信号的高速采样、igbt的控制、传感器和驱动板供电等；可实现原制动执行单元阀门控制、传感器供电和采样等功能；可实现原网络执行单元di、ai和pwm输入的采样，do、ao和pwm输出，传感器供电和采样等功能。
36.执行单元为标准的6u机箱，主要由电源板、cpu板、运算采集板、光纤接口板和io板卡等组成。执行单元的板卡配置如图4所示：
37.上述电源板包括：系统电源板、驱动电源板、传感器电源板。其中，系统电源板负责为cpu板、运算采集板、通信观测板和io板卡供电；驱动电源板负责为光纤接口板供电；传感器电源板负责为io板卡外接的传感器供电。
38.cpu板为执行单元的核心，该板卡采用fpga arm架构，两者之间通过fpga内部的共享内存进行通信。其中fpga主要负责can主的功能与io板卡进行通信，接收io板卡采集的数据，并下发对应的指令信息到io板卡；负责数据的预处理，然后通过共享内存传递给arm；负责通过机箱内部高速总线与运算采集板进行通信，接收采集板上传的电压电流值、速度值和快速保护故障位等信息，下发保护值和周期值/比较值等参数对电压电流进行快速保护以及控制运算采集板进行igbt脉冲输出和斩波控制；负责对外的高速全双工光纤通信。arm主要负责对fpga上传的数据进行简单的逻辑处理并将结果返回给fpga；负责故障条件的判断和故障数据的记录功能；负责提供调试和维护接口等。
39.通信观测板仅在调试时使用，接收运算采集板发送的待观测变量，并通过以太网口与pc通信，将待观测变量在上位机上以波形的形式实时显示。正式产品不包含此板卡。
40.运算采集板将传统的运算板和采集板合二为一，采用fpga dsp架构，在降低成本的同时，运算处理能力和数据通信可靠性得到了大幅度提升。当执行单元做牵引控制器使用时，运算采集板1和运算采集板2分别实现四象限和逆变器的功能，其中fpga实现模拟量
数据采集、速度采集、有效值计算、快速故障保护、四象限/逆变器脉冲输出和斩波控制等功能；dsp实现四象限/逆变器算法功能。当执行单元做网络或制动控制器使用时，可根据实际应用需求，选择不使用或使用其中一块运算采集板。
41.光纤接口板主要在执行单元做牵引控制器时使用，用来将运算采集板输出的四象限/逆变器脉冲由电信号转换为光信号输出到执行单元外部。根据项目实际需求，光纤接口板的数量可以灵活配置。
42.执行单元的io板卡实现的功能与中央控制单元的io板卡类似，主要负责数字量、模拟量及pwm信号的输入和输出功能，且执行单元和中央处理单元的io板卡不做区分，可以互换使用，最大程度的保证了io板卡的灵活性和通用性。
43.本发明中的每种io板卡都具有板卡种类信息，并具备读取背板槽位信息的功能，io板卡根据自身种类信息以及背板槽位id与can主进行通信，且所有io板卡的背板连接器具有相同的硬件设计，因此只要配置信息允许，io板卡插入背板的位置和数量不受限制。此外，中央处理单元和执行单元的io板卡不做区分，可以互换使用，最大程度的保证了io板卡的灵活性和通用性。
44.本发明中的中央处理单元和执行单元均具有丰富的调试接口和故障数据存储功能，能够为调试人员提供有效依据，提高了系统可维护性。
45.本发明提供的一种车载集总式电子控制平台，在其通信系统中运用实时以太网和光纤通信技术替代原来的wtb总线和mvb总线，在提高系统信息传输速率的同时提高了通信的可靠性。此外，集总式电子控制平台将种类繁多的mvb子设备(ccu、iom、tcu和bcu等)简化为中央处理单元和执行单元，通过将牵引、制动、网络、信号系统的深度融合，可简化控制系统组成，提高控制系统集成度，提高控制系统整体实时性，降低系统总体成本，降低系统维护难度。为实现整车设备的智能运维提供更为详实的数据支撑。
46.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
47.以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。