一种应用于列车自动运行系统的输出装置及系统论文和设计-周荣

全文摘要

本实用新型公开了一种应用于列车自动运行系统的输出装置及系统，所述输出装置包括本系输出装置与对系输出装置，所述本系输出装置与对系输出装置互为冗余，其中，所述本系输出装置与对系输出装置均包括数字量输出模块，用于数字量信号的输出与回采；模拟量输出模块，用于电压模拟量信号或电流环模拟量信号的输出与回采；PWM输出模块，用于PWM信号的输出与回采；以及，CPU模块，用于通过I\/O控制线逻辑控制数字量输出模块、模拟量输出模块以及PWM输出模块；所述数字量信号、电压模拟量信号、电流环模拟量信号以及PWM信号能够进行一种或多种组合输出。该输出装置涵盖四种输出控制方式，满足了各类型车辆的控制需求，且采用冗余交叉控制，提高系统的可靠性。

主设计要求

1.一种应用于列车自动运行系统的输出装置，包括本系输出装置与对系输出装置，其特征在于，所述本系输出装置与对系输出装置互为冗余，其中，所述本系输出装置与对系输出装置均包括，数字量输出模块，用于数字量信号的输出与回采；模拟量输出模块，用于电压模拟量信号或电流环模拟量信号的输出与回采；PWM输出模块，用于PWM信号的输出与回采；以及，CPU模块，用于通过I\/O控制线逻辑控制数字量输出模块、模拟量输出模块以及PWM输出模块；所述数字量信号、电压模拟量信号、电流环模拟量信号以及PWM信号能够进行一种或多种组合输出。

设计方案

1.一种应用于列车自动运行系统的输出装置，包括本系输出装置与对系输出装置，其特征在于，所述本系输出装置与对系输出装置互为冗余，其中，所述本系输出装置与对系输出装置均包括，

数字量输出模块，用于数字量信号的输出与回采；

模拟量输出模块，用于电压模拟量信号或电流环模拟量信号的输出与回采；

PWM输出模块，用于PWM信号的输出与回采；以及，

CPU模块，用于通过I\/O控制线逻辑控制数字量输出模块、模拟量输出模块以及PWM输出模块；

所述数字量信号、电压模拟量信号、电流环模拟量信号以及PWM信号能够进行一种或多种组合输出。

2.根据权利要求1所述的输出装置，其特征在于，所述数字量输出模块包括电源、第一隔离模块、开关模块、一个或多个第一继电器控制模块以及回采模块；

所述CPU模块通过I\/O控制线连接所述开关模块、一个或多个第一继电器控制模块以及回采模块，且所述CPU模块与所述开关模块、一个或多个第一继电器控制模块以及回采模块之间设置有第一隔离模块，所述电源通过所述开关模块与一个或多个第一继电器控制模块相连接，所述一个或多个第一继电器控制模块均连接有回采模块。

3.根据权利要求1所述的输出装置，其特征在于，所述模拟量输出模块包括第二隔离模块、DAC模块、ADC模块以及第二继电器控制模块；

所述CPU模块通过I\/O控制线连接所述第二继电器控制模块，所述CPU模块还通过通信总线分别与DAC模块的输入端、ADC模块的输出端连接，且所述CPU模块与DAC模块、ADC模块之间设有第二隔离模块，所述DAC模块的输出端、ADC模块的输入端与所述第二继电器控制模块相连接。

4.根据权利要求1所述的输出装置，其特征在于，所述PWM输出模块包括第三隔离模块、驱动电路、回采电路以及第三继电器控制模块；

所述CPU模块通过I\/O控制线连接所述第三继电器控制模块，所述CPU模块分别与所述驱动电路的输入端、回采电路的输出端连接，且所述CPU模块与驱动电路、回采电路之间设有所述第三隔离模块，所述驱动电路的输出端、回采电路的输入端与所述第三继电器控制模块相连接。

5.根据权利要求2所述的输出装置，其特征在于，所述第一继电器控制模块采用固态继电器模块。

6.根据权利要求1所述的输出装置，其特征在于，所述CPU模块还用于将输出与回采的数字量信号、电压模拟量信号、电流环模拟量信号或PWM信号进行比较。

7.一种列车自动运行系统，包括本系逻辑装置、对系逻辑装置、本系输出装置、对系输出装置，且所述本系与对系的逻辑装置、输出装置互为交叉冗余，其特征在于，

所述本系与对系的逻辑装置、输出装置通过2路互为冗余第一通信总线进行组网，用于本系逻辑装置或对系逻辑装置与本系和\/或对系的输出装置进行通信；

所述本系逻辑装置与对系逻辑装置还通过第二通信总线连接，用于本系与对系逻辑装置进行主备系竞争；

所述本系逻辑装置或对系逻辑装置作为主系时，用于确定本系与对系输出装置的主备系关系，且还用于当作为主系的输出装置出现故障时，则将输出装置切换至与所述故障的输出装置相对应的备系的输出装置。

8.根据权利要求7所述的列车自动运行系统，其特征在于，

所述本系输出装置与对系输出装置包括CPU模块以及与其相连接的数字量输出模块、模拟量输出模块以及PWM输出模块；

所述本系逻辑装置与对系逻辑装置通过2路互为冗余的第一通信总线控制所述本系或对系的输出装置输出与回采数字量信号、电压模拟量信号、电流环模拟量信号以及PWM信号中的一种或多种控制指令。

9.根据权利要求7或8所述的列车自动运行系统，其特征在于，所述本系逻辑装置或对系逻辑装置作为主系时，还用于判断作为主系的输出装置是否出现故障：

作为主系的逻辑装置通过所述第一通信总线接收不到所述输出装置输出与回采的控制指令是否一致的应答信息，则判定所述输出装置故障，并停止与所述输出装置进行通信。

10.根据权利要求7所述的列车自动运行系统，其特征在于，作为主系的逻辑装置默认本系对应的输出装置为主系。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于轨道交通领域，特别涉及一种应用于列车自动运行系统的输出装置及系统。

背景技术

列车自动运行(ATO)系统为在列车自动防护(ATP)系统的防护下，接管车辆的牵引和制动功能，实现车站自动发车、区间自动运行、站内自动停车、车门自动开门、车门\/站台门联动控制等功能，列车自动运行硬件平台作为ATO系统的安全计算机平台，实现逻辑处理、对外通信、输入采集、输出控制等功能。输出控制功能主要实现列车牵引和制动的输出控制、开关车门输出控制等功能，既有系统输出方式信号种类不全，不能满足某些型号的列车，且既有列车自动运行系统当主系输出装置故障时，系统完全切换到备系，包括未故障的逻辑装置、输入装置等也切换到备系，降低系统可靠性。

现有的一种车载信号设备的冗余输入输出实现系统，输出功能包括24V 或110V数字量驱动信号、0-20mA模拟量互锁切换输出功能，缺少0-10V模拟电压输出功能、PWM输出功能等。

实用新型内容

为了解决现有技术中控制信号不全与冗余切换控制的问题，本实用新型提出了一种应用于列车自动运行系统的输出装置及系统。

一种应用于列车自动运行系统的输出装置，包括本系输出装置与对系输出装置，所述本系输出装置与对系输出装置互为冗余，其中，所述本系输出装置与对系输出装置均包括，

数字量输出模块，用于数字量信号的输出与回采；

模拟量输出模块，用于电压模拟量信号或电流环模拟量信号的输出与回采；

PWM输出模块，用于PWM信号的输出与回采；以及，

CPU模块，用于通过I\/O控制线逻辑控制数字量输出模块、模拟量输出模块以及PWM输出模块；

所述数字量信号、电压模拟量信号、电流环模拟量信号以及PWM信号能够进行一种或多种组合输出。

进一步，所述数字量输出模块包括电源、第一隔离模块、开关模块、一个或多个第一继电器控制模块以及回采模块；

进一步，所述模拟量输出模块包括第二隔离模块、DAC模块、ADC模块以及第二继电器控制模块；

所述CPU模块通过I\/O控制线连接所述第二继电器控制模块，所述CPU 模块还通过通信总线分别与DAC模块的输入端、ADC模块的输出端连接，且所述CPU模块与DAC模块、ADC模块之间设有第二隔离模块，所述DAC 模块的输出端、ADC模块的输入端与所述第二继电器控制模块相连接。

进一步，所述PWM输出模块包括第三隔离模块、驱动电路、回采电路以及第三继电器控制模块；

所述CPU模块通过I\/O控制线连接所述第三继电器控制模块，所述CPU 模块分别与所述驱动电路的输入端、回采电路的输出端连接，且所述CPU 模块与驱动电路、回采电路之间设有所述第三隔离模块，所述驱动电路的输出端、回采电路的输入端与所述第三继电器控制模块相连接。

进一步，所述第一继电器控制模块采用固态继电器模块。

进一步，所述CPU模块还用于将输出与回采的数字量信号、电压模拟量信号、电流环模拟量信号或PWM信号进行比较。

一种列车自动运行系统，包括本系逻辑装置、对系逻辑装置、本系输出装置、对系输出装置，且所述本系与对系的逻辑装置、输出装置互为交叉冗余，

所述本系逻辑装置与对系逻辑装置还通过第二通信总线连接，用于本系与对系逻辑装置进行主备系竞争；

进一步，

所述本系输出装置与对系输出装置包括CPU模块以及与其相连接的数字量输出模块、模拟量输出模块以及PWM输出模块；

进一步，所述本系逻辑装置或对系逻辑装置作为主系时，还用于判断作为主系的输出装置是否出现故障：

进一步，作为主系的逻辑装置默认本系对应的输出装置为主系。

本实用新型具有以下有益的技术效果：

1、采用没有倒切(管理)装置或者没有功能类似倒切(管理)装置的热备冗余输出结构，且该冗余控车输出实现方式中，只要有一个功能正常的逻辑装置及一个功能正常的输出装置即可实现输出控制，从而提高系统的可靠性。

2、冗余控车输出涵盖数字量输出、电压模拟量输出、电流环模拟量输出、PWM输出四种方式，涵盖了高速列车、城际列车、城轨列车的控制需求。

3、数字量输出采用固态继电器模块替代机械继电器，避免继电器频繁输出导致可靠性下降，从而提升冗余输出可靠性。

4、对数字量输出、电压模拟量输出、电流环模拟量输出、PWM输出进行实时回采，对控车输出进行实时监控。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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作简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型实施例中一种列车自动运行系统结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例中一种应用于列车自动运行系统的输出装置示意图；

图3示出了本实用新型实施例中一种列车自动运行系统输出控制流程示意图；

图4示出了本实用新型实施例中一种数字量输出模块结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例中一种模拟量输出模块结构示意图；

图6示出了本实用新型实施例中一种PWM输出模块结构示意图；

图7示出了本实用新型实施例中一种输出装置运行流程示意图。

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、完整地说明，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做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，本实用新型实施例中介绍了一种列车自动运行系统，所述系统包括，接口装置、本系电源装置、本系输入装置、本系输出装置、本系通信装置、本系逻辑装置、对系逻辑装置、对系通信装置、对系输出装置、对系输入装置、对系电源装置、记录装置，其中，所述本系与对系的电源装置、输入装置、输出装置、通信装置以及逻辑装置与记录装置均连接至所述接口装置，其中，

所述本系逻辑装置与对系逻辑装置还通过2路互为冗余的第二通信总线进行通信，且通过主系状态信号进行主备系状态监控，用于所述本系逻辑装置与对系逻辑装置进行主备系竞争，以及当所述本系逻辑装置或对系逻辑装置竞争为主系时，用于控制其他装置的通信，并输出主系状态信号。其中，所述本系逻辑装置与对系逻辑装置能够输出、并采集对系输出的主系状态信号，优选地，所述主系状态信号为PWM生命动态信号。进一步，作为主系的逻辑装置实时采集作为备系的逻辑装置的主系状态信号，若采集到的主系状态信号的频率与预设频率一致，则表明作为备系的逻辑装置为主系。

所述接口装置包括2路电源总线、互为冗余的2路第一通信总线、板卡标识，用于电源互联、内部通信互联以及本系与对系的逻辑装置通过板卡标识获取各自装置的板卡识别号。其中，所述2路电源总线分别为24V 与5V，所述互为冗余的2路第一通信总线为CAN0与CAN1通信总线。进一步，作为备系的逻辑装置通过CAN0或CAN1通信总线连接输出装置、输入装置、通信装置，只接收上述装置的通信信息，但不发送数据。

所述本系逻辑装置与对系逻辑装置还用于进行以下一种或多种主备系竞争：

所述本系逻辑装置与对系逻辑装置均为主系，则所述本系与对系逻辑装置为故障模式，所述本系逻辑装置与对系逻辑装置均执行宕机。

所述本系逻辑装置与对系逻辑装置均为备系时，则所述本系逻辑装置与对系逻辑装置通过板卡标识，即自身的板卡识别号进行主备系竞争；其中，默认本系逻辑装置的板卡识别号对应主系，则本系逻辑装置为主系。优选地，所述主系对应的板卡识别号为0001，备系对应的板卡识别号为0010，则若所述本系逻辑装置的板卡识别号为0001时，则系统默认所述本系逻辑装置为主系。

所述本系逻辑装置为备系，所述本系逻辑装置无法判断对系逻辑装置的主备系状态时，所述本系逻辑装置判断与对系逻辑装置之间的通信是否中断，若所述本系逻辑装置与对系逻辑装置之间的通信未中断，则所述本系逻辑装置重新执行主备系竞争。具体的，所述本系逻辑装置重新获取与对系的通信信息；若所述本系逻辑装置与对系逻辑装置的之间的通信中断，则所述本系逻辑装置检测对系逻辑装置是否输出主系状态信号，若所述本系逻辑装置检测到对系逻辑装置输出的主系状态信号，则所述对系逻辑装置为主系，所述本系逻辑装置为备系；若未检测到对系逻辑装置输出的主系状态信号，则本系逻辑装置升级为主系。

在进行主备系竞争之前，所述本系逻辑装置与对系逻辑装置还用于分别获取本系的一种或多种运行信息，首先，所述本系逻辑装置与对系逻辑装置分别获取本系的板卡识别号，其次，所述本系逻辑装置与对系逻辑装置分别获取与对系的通信信息，然后，所述本系逻辑装置与对系逻辑装置对本系进行自检，其中，所述本系逻辑装置和\/或对系逻辑装置对本系的自检不通过，则所述本系逻辑装置和\/或对系逻辑装置切除输出与通信，并执行宕机。

所述本系逻辑装置与对系逻辑装置的初始化状态均为备系。

进一步，所述本系与对系的电源装置、输入装置、输出装置、通信装置以及逻辑装置互为交叉冗余，当作为主系的任一装置出现故障时，则作为主系的逻辑装置将故障的装置切换至备系与其相对应的装置继续执行工作。

本实施例中，以所述本系逻辑装置、本系输出装置、对系逻辑装置以及对系输出装置互为交叉冗余为示例性说明，但不限于逻辑装置与输出装置，其余各装置也适用。

如图2所示，所述本系逻辑装置与对系逻辑装置通过两路互为冗余的第一通信总线CAN0与CAN1同时连接所述本系输出装置与对系输出装置。所述本系逻辑装置与对系逻辑装置还用于分别控制本系输出装置与对系输出装置的输出及回采；其中，所述本系输出装置与对系输出装置均能够对所述数字量信号、电压模拟量信号、电流环模拟量信号、PWM信号中一种或多种控制指令进行输出及回采，从而所述本系逻辑装置与对系逻辑装置通过2路互为冗余的第一通信总线实现对车辆系统的控制，并且能够根据不同型号的车辆对四种信号输出进行任意组合。优选地，所述数字量信号为24V或110V数字量信号；所述电压模拟量信号为0～10V电压模拟量信号；所述电流环模拟量信号为0～20mA电流环模拟量信号。

本实施例中，如图3所示，所述本系逻辑装置与对系逻辑装置用于首先获取本系的逻辑装置与输出装置的板卡识别号，其次，所述本系逻辑装置与对系逻辑装置进行主备系竞争，然后，确认主备系的逻辑装置后，作为主系的逻辑装置默认与其相对应的本系的输出装置为主系输出装置，对系的输出装置为备系输出装置，然后，判断所述主系的输出装置是否故障，若出现故障，则作为主系的逻辑装置切断与所述主系输出装置通信，并将备系输出装置升级为主系输出装置；若无故障，则主系输出装置继续运行。所述本系逻辑装置与对系逻辑装置进行主备系关系竞争与上述所述主备系竞争过程一致，不再进行赘述。

所述本系逻辑装置或对系逻辑装置作为主系时，还用于判断作为主系的输出装置是否出现故障：作为主系的逻辑装置通过第一通信总线接收不到所述输出装置应答信息，则判定输出装置故障，停止与所述输出装置进行通信。其中，所述应答信息为所述输出装置输出与回采的控制指令是否一致。

所述本系逻辑装置或对系逻辑装置作为主系时，还用于将主系输出装置的板卡标识号通过第二通信总线告知备系逻辑装置，从而当备系逻辑装置升级为主系时，直接接管主系输出装置，并进行控制，同时与备系输出装置进行周期状态通信(无控制输出通信)。所述第二通信总线为SBP通信总线。

所述本系输出装置与对系输出装置包括CPU模块以及与其相连接的数字量输出模块、模拟量输出模块以及PWM输出模块；其中，

如图4所示，所述本系输出装置与对系输出装置的数字量输出模块包括电源(未示出)、隔离模块、MOSFET开关模块、一个或多个固态继电器模块以及回采模块；所述CPU模块通过I\/O控制线连接所述开关模块、一个或多个固态继电器模块以及回采模块，且所述CPU模块与所述 MOSFET开关模块、一个或多个固态继电器模块以及回采模块之间设置有隔离模块，用于实现CPU模块与所述MOSFET开关模块、一个或多个固态继电器模块以及回采模块之间的电信号的隔离；所述电源模块通过所述开关模块与一个或多个固态继电器模块相连接，用于提供110V\/24V电源；所述一个或多个固态继电器模块均连接有回采模块。作为主系的输出装置，所述主系输出装置的CPU模块驱动所述MOSFET开关模块闭合，提供 110V\/24V电源给所述固态继电器模块，当本系作为备系时断开上述电源，从而切断了数字量输出的电源，无数字量信号输出；所述固态继电器模块接收CPU模块的IO控制指令，当有输出时，所述固态继电器模块闭合，且当所述MOSFET开关模块提供电源时，所述固态继电器模块输出数字量信号，如果接入电源为110V输出的数字量信号为110V，如果接入电源为 24V输出的数字量信号为24V；所述回采模块用于采集所述固态继电器模块输出情况，当有输出时，所述回采模块进行输出量回采，所述CPU模块读取回采模块的采集量，当输出和回采的数字量信号比较不一致时，输出装置上报主系逻辑装置，并记录故障数据，由逻辑装置进行逻辑控制。本系数字量信号输出与对系数字量信号输出相互独立，互为冗余关系，主备系的输出装置通过MOSFET开关模块决定是否输出数字量。

如图5所示，所述本系输出装置与对系输出装置的模拟量输出模块包括隔离模块、DAC模块、ADC模块以及继电器控制模块；所述CPU模块通过I\/O控制线连接所述继电器控制模块，所述CPU模块还通过SPI通信总线分别与DAC模块的输入端、ADC模块的输出端连接，且所述CPU模块与DAC模块、ADC模块之间设有隔离模块，所述DAC模块的输出端、 ADC模块的输入端与所述继电器控制模块相连接。其中，所述隔离模块实现CPU模块与DAC、ADC模块之间的SPI信号隔离功能；所述DAC模块通过SPI通信总线接收CPU模块的配置数据及控制指令，输出0～10V范围电压模拟量信号与0～20mA范围电流环模拟量信号；所述继电器控制模块接收CPU模块的IO控制指令，对电压模拟量、电流环模拟量输出进行卡控，作为主系的输出装置，所述主系输出装置的CPU模块驱动继电器控制模块闭合，输出电压模拟量信号或电流环模拟量信号，当输出装置作为备系时继电器控制模块处于断开状态，无电压模拟量信号、电流环模拟量信号输出；所述ADC模块主要功能为对电压模拟量信号和电流环模拟量信号的输出进行回采，所述CPU模块通过SPI通信总线读取回采值，当输出和回采的模拟量信号比较不一致时，所述输出装置上报逻辑装置，并记录故障数据，由逻辑装置进行逻辑控制。本系输出装置的模拟量输出与对系输出装置的模拟量输出相互独立，互为冗余关系，主备系的输出装置通过控制所述继电器控制模块决定是否输出电压模拟量信号、电流环模拟量信号。

如图6所示，所述本系输出装置与对系输出装置的PWM输出模块包括隔离模块、驱动电路、回采电路以及继电器控制模块；所述CPU模块通过 I\/O控制线连接所述继电器控制模块，所述CPU模块分别与所述驱动电路的输入端、回采电路的输出端连接，且所述CPU模块与驱动电路、回采电路之间设有所述隔离模块，所述驱动电路的输出端、回采电路的输入端与所述继电器控制模块相连接。其中，所述隔离模块实现CPU模块与驱动电路、回采电路之间的PWM信号的隔离功能；所述驱动电路对PWM信号进行放大，输出24V、频率可调、占空比可调的PWM信号；所述继电器控制模块接收CPU模块的IO控制指令，对PWM信号输出进行卡控。作为主系的输出装置，所述主系输出装置的CPU模块驱动继电器控制模块闭合，输出PWM信号，当输出装置作为备系时，所述继电器控制模块断开，无PWM 信号输出；所述回采电路主要功能为对输出的PWM信号进行回采，所述 CPU模块采集PWM信号的频率及占空比，当输出和回采的PWM信号频率及占空比比较不一致时，输出装置上报逻辑装置，并记录故障数据，由逻辑装置进行逻辑控制。本系输出装置的PWM输出与对系输出装置的 PWM输出相互独立，互为冗余关系，主备系的输出装置通过所述继电器控制模块决定是否输出PWM信号。

上述图4、图5以及图6中的CPU模块均为复用的同一个上述所述的 CPU模块。

如图7所示，所述本系输出装置或对系输出装置在执行工作时，还用于：首先，获取自身的板卡标识号，其次，接收逻辑装置的通信数据，然后，所述本系或对系输出装置响应逻辑装置的控制指令，然后，所述本系或对系的输出装置判断自身是否故障，若出现故障则切断数字量信号、模拟量信号以及PWM信号的输出，并继续切断对所述数字量输出模块中MOSFET开关模块、所述模拟量输出模块中第二继电器控制模块，以及所述PWM输出模块中第三继电器控制模块的控制。其中，所述第二继电器控制模块与所述第三继电器控制模块均为所述继电器控制模块。

尽管参照前述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精神和范围。

设计图

一种应用于列车自动运行系统的输出装置及系统论文和设计

一种应用于列车自动运行系统的输出装置及系统论文和设计-周荣

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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