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1、(10)申请公布号 CN 102231061 A (43)申请公布日 2011.11.02 CN 102231061 A *CN102231061A* (21)申请号 201110133786.0 (22)申请日 2011.05.23 G05B 19/042(2006.01) B60T 17/22(2006.01) B61H 11/06(2006.01) (71)申请人 南车株洲电力机车有限公司 地址 412001 湖南省株洲市石峰区田心高科 园 (72)发明人 高风 刘杰 罗超 刘泉 刘豫湘 方长征 (74)专利代理机构 长沙正奇专利事务所有限责 任公司 43113 代理人 卢宏 (54) 。
2、发明名称 一种用于 TAD 型系列干燥器的信息化控制单 元 (57) 摘要 本发明公开了一种用于 TAD 型系列干燥器的 信息化控制单元， 包括主控制单元和显示键盘单 元， 主控制单元的输入端与开关量输入单元相连， 主控制单元的输出端与开关量输出单元相连， 主 控制单元与模拟量输入单元、 电源管理单元连接， 主控制单元与 MVB 通讯单元及显示键盘单元双向 连接。本发明能够实时监控和诊断 TAD 干燥器工 作状态， 并能记录及实时显示， 通过机车网络， 能 够将 TAD 干燥器工作状态及故障发送到司机室监 控屏以提醒司机采取处理措施。本发明的在制板 和外观结构上充分考虑了电磁兼容性， 满足国家。
3、 相关的电磁兼容性标准。本发明所用芯片级别 都达到了工业级或工业级以上， 所以在环境温度 为 -25至 85时能正常稳定工作， 适用范围广， 抗干扰能力强。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 CN 102231063 A1/1 页 2 1. 一种用于 TAD 型系列干燥器的信息化控制单元， 包括主控制单元 (1) 和显示键盘单 元 (6)， 其特征在于， 主控制单元 (1) 的输入端与开关量输入单元 (2) 相连， 主控制单元 (1) 的输出端与开关量输出单元 (3) 相连， 主控制单元 (1)。
4、 与模拟量输入单元 (4)、 电源管理单 元 (7) 连接， 主控制单元 (1) 与 MVB 通讯单元 (5) 及显示键盘单元 (6) 双向连接， 开关量输 入单元 (2) 由电阻网络降压单元、 稳压管限幅单元、 电容滤波单元、 光电隔离单元及施密特 触发器依次连接构成， 开关量输出单元 (3) 由光电隔离耦合器、 滤波电路单元及过流保护 电路单元依次连接构成， 模拟量控制单元 (4) 包括电流型传感器、 RCV420、 滤波单元、 电压 型传感器、 OP37、 光耦单元和 A/D 转换器组成， 电流型传感器通过 RCV420 和滤波单元与 A/D 转换器连接， 电压型传感器通过 OP37 和。
5、滤波单元与 A/D 转换器连接， 两个光耦单元并联接 入 A/D 转换器， MVB 通讯单元 (5) 包括 ARM 微处理器、 RAM 单元、 FLASH 存储单元、 SDRAM 接 口单元、 通信存储器、 MVB 通信控制器、 MVB 物理层接口电路、 UART 接口电路， ARM 微处理器 是通讯设备管理器， UART接口电路、 MVB通信控制器与通信存储器通过数据线地址与ARM微 处理器相连， RAM 单元、 FLASH 存储单元、 SDRAM 接口单元分别通过总线与 MVB 通信控制器与 通信存储器相连， MVB 物理层接口电路与 MVB 通信控制器连接。 2.根据权利要求1所述的用于。
6、TAD型系列干燥器的信息化控制单元， 其特征在于， 所述 的电源管理单元 (7) 包括多个 DC/DC 变换器， 相同型号的 DC/DC 变换器两两并联。 3.根据权利要求1所述的用于TAD型系列干燥器的信息化控制单元， 其特征在于， 主控 单元采用 AT91SAM7S256ARM 芯片。 权 利 要 求 书 CN 102231061 A CN 102231063 A1/4 页 3 一种用于 TAD 型系列干燥器的信息化控制单元 技术领域 0001 本发明涉及铁路机车中制动控制系统， 特指一种用于机车用 TAD 型系列干燥器的 信息化控制单元。 背景技术 0002 铁道部装备越来越现代化， 用。
7、户对重要部件的信息化要求也越来越高。干燥器是 机车风源系统的重要部件， 它负责将压缩机过来的压缩空气处理成机车其它用风设备所需 要的干燥洁净的空气。 当干燥器出现故障时， 将影响机车管路系统的压缩空气质量， 会引起 机车用风设备的金属部件腐蚀、 橡胶老化以及冬天管路冻结等现象， 如果能及时诊断干燥 器故障原因， 并通知司机和检修人员， 这对机车安全可靠运用具有非常重要的意义。 0003 国产 TAD 型系列干燥器控制单元不具备故障自我诊断、 报警提示及网络通讯功 能。 发明内容 0004 本发明所要解决的技术问题是， 针对 TAD 干燥器原理及其故障统计与分析结果及 现有技术存在的问题， 提供。
8、一种结构简单紧凑、 价格性价比高、 具有干燥器自诊断和网络通 讯功能的信息化控制单元。 0005 为解决上述技术问题， 本发明所采用的技术方案是 ： 用于 TAD 型系列干燥器的信 息化控制单元包括主控制单元(1)和显示键盘单元(6)， 主控制单元(1)的输入端与开关量 输入单元 (2) 相连， 主控制单元 (1) 的输出端与开关量输出单元 (3) 相连， 主控制单元 (1) 与模拟量输入单元 (4)、 电源管理单元 (7) 连接， 主控制单元 (1) 与 MVB 通讯单元 (5) 及显 示键盘单元 (6) 双向连接， 开关量输入单元 (2) 由电阻网络降压单元、 稳压管限幅单元、 电 容滤波。
9、单元、 光电隔离单元及施密特触发器依次连接构成， 开关量输出单元 (3) 由光电隔 离耦合器、 滤波电路单元及过流保护电路单元依次连接构成， 模拟量控制单元 (4) 包括电 流型传感器、 RCV420、 滤波单元、 电压型传感器、 OP37、 光耦单元和 A/D 转换器组成， 电流型 传感器通过 RCV420 和滤波单元与 A/D 转换器连接， 电压型传感器通过 OP37 和滤波单元与 A/D 转换器连接， 两个光耦单元并联接入 A/D 转换器， MVB 通讯单元 (5) 包括 ARM 微处理器、 RAM 单元、 FLASH 存储单元、 SDRAM 接口单元、 通信存储器、 MVB 通信控制器。
10、、 MVB 物理层接口 电路、 UART 接口电路， ARM 微处理器是通讯设备管理器， UART 接口电路、 MVB 通信控制器与 通信存储器通过数据线地址与 ARM 微处理器相连， RAM 单元、 FLASH 存储单元、 SDRAM 接口单 元分别通过总线与 MVB 通信控制器与通信存储器相连， MVB 物理层接口电路与 MVB 通信控 制器连接。 0006 所述的电源管理单元 (7) 包括多个 DC/DC 变换器， 相同型号的 DC/DC 变换器两两 并联。 0007 主控单元采用 AT91SAM7S256ARM 芯片。 0008 以下对本发明作详细说明。 说 明 书 CN 102231。
11、061 A CN 102231063 A2/4 页 4 0009 本发明的解决方案为 ： 0010 1、 将从传感器来的 4-20mA 电流， 经过电流电压转换器转换为 0-5V 电压。由于机 车上电磁环境复杂， 会对模拟输入信号产生干扰， 因此模拟信号进行 A/D 转换器之前还必 须进行滤波 403 消除干扰。滤波器可以是无源的也可以是有源的， 在本系统中采用二阶 RC 滤波。滤波后就进行 A/D 转换， 对机车制动控制要求比较精确， 所以保证采样分辨率至少要 有 10 位， 装置共有 6 路模拟量输入通道。 0011 2、 当干燥器正常工作时， 可实时显示干燥器双塔的工作状态， 包括检测到。
12、的压力 数据、 转换周期、 温度、 湿度数据等。 0012 3、 开关量输入单元包括电阻网络降压单元、 稳压管限幅单元、 电容滤波单元、 光电 隔离单元以及施密特触发器， 输入信号经依次相连的电阻网络降压单元、 稳压管限幅单元、 电容滤波单元、 光电隔离单元、 施密特触发器后送至主控制单元的输入端， 装置共有 8 路开 关量输入通道。 0013 4、 所述开关量输出单元包括光电隔离耦合器、 滤波电路单元以及过流保护电路单 元， 主控制单元输出端送出的控制信号经依次相连的光电隔离耦合器、 滤波电路单元、 过流 保护电路单元后送至干燥器内部电控阀， 装置共有 4 路开关量输出通道。 0014 5、。
13、 硬件由循环定时器及信息化模块构成， 信息化模块以高速处理器为核心。 0015 本发明能够实时监控和诊断 TAD 干燥器工作状态， 并能记录及实时显示 ； 能够通 过机车网络， 将 TAD 干燥器工作状态及故障发送到司机室监控屏以提醒司机采取处理措 施。本发明的在制板和外观结构上充分考虑了电磁兼容性， 满足国家相关的电磁兼容性 标准。本发明所用的芯片级别都达到了工业级或工业级以上， 所以在环境温度为 -25至 85时能正常稳定工作， 适用范围广， 抗干扰能力强。 附图说明 0016 图 1 是本发明的框架结构示意图 ； 0017 图 2 是本发明中开关量输入单元的框架结构示意图 ； 0018 。
14、图 3 是本发明中开关量输出单元的框架结构示意图 ； 0019 图 4 是本发明中模拟量输入单元的框架结构示意图 ； 0020 图 5 是本发明中电源管理单元的框架结构示意图 ； 0021 图 6 是具体实施例中开关量输入单元的电路原理示意图 ； 0022 图 7 是具体实施例中开关量输出单元的电路原理示意图 ； 0023 图 8 是具体实施例中模拟量输入单元的电路原理示意图 ； 0024 图 9 是具体实施例中 MVB 通讯单元的框架结构示意图。 0025 其中 ： 0026 1 ： 主控制单元 ； 2 ： 开关量输入单元 ； 201 ： 电阻网络降压单元 ； 0027 202 ： 稳压管限。
15、幅单元 ； 203 ： 电容滤波单元 ； 204 ： 光电隔离单元 ； 0028 205 ： 施密特触发器 ； 3 ： 开关量输出单元 ； 301 ： 光电隔离耦合器 ； 0029 302 ： 滤波电路单元 ； 303 ： 过流保护电路单元 ； 4 ： 模拟量输入单元 ； 0030 401 ： 电流型传感器 ； 402 ： 电流电压变换 RCV420 ； 403 ： 滤波 ； 0031 404 ： 电压型传感器 ； 405 ： OP37 ； 406 ： 滤波 ； 407 ： 光藕 ； 说 明 书 CN 102231061 A CN 102231063 A3/4 页 5 0032 408 ： A。
16、/D 转换芯片 ADS8344 ； 5 ： 电源管理单元 ； 0033 701 ： 110V/24V 变换芯片 ； 702 ： 24V/15V 变换芯片 ； 0034 703 ： 15V/5V 变换芯片。 具体实施方式 0035 以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。 0036 本发明包括主控制单元 (1)、 开关量输入单元 (2)、 开关量输出单元 (3)、 模拟量输 入单元 (4)、 MVB 通讯单元 (5)、 显示键盘单元 (6) 以及为上述各组件供电的电源管理单元 (7)， 用来输入开关量控制信号的开关量输入单元 (2) 与主控制单元 (1) 的输入端相连， 用 于输出开关。
17、量控制信号的开关量输出单元 (3) 与主控制单元 (1) 的输出端相连， 主控制单 元 (1) 通过 MVB 通讯单元 (4) 与机车制动系统内部设备节点间、 制动系统或其他机车设备 间的进行通信连接， 主控制单元(1)通过模拟量输入端元(4)采集传感器送来的电流信号， 主控制单元 (1) 输入输出端与显示键盘单元相连。 0037 主控单元是装置的控制核心， 负责开关量的输入采集、 开关量的输出控制、 模拟量 的采集， 键盘显示控制， 及相关的逻辑运算。采用高速单片机或者嵌入式微处理器。 0038 如图2和图6所示， 具体实施例中， 开关量输入单元2包括电阻网络降压单元201、 稳压管限幅单元。
18、202、 电容滤波单元203、 光电隔离单元204以及施密特触发器205。 输入信 号经依次相连的电阻网络降压单元 201、 稳压管限幅单元 202、 电容滤波单元 203、 光电隔离 单元 204、 施密特触发器 205 后送至主控制单元 1 的输入端。IN1 表示输入的 110V 开关量 信号， 其负端为 110V 地， DIN1 表示接到 CPU 板上的数字信号。当 IN1 有输入时， 由于 R2 和 R3的分压， 会在R3上产生压降。 如果这个电压大于稳压管的稳压值， 稳压二极管被击穿， 光 耦导通。根据光耦 TLP624-4 的导通特性可知， 当 Vf 电压大于 0.9V 时， 就会。
19、有正向的电流 产生， 使光耦导通。由于机车控制 110V 电压是有波动的， 根据技术要求， 当输入在 0-70V 时 认为输入为 0， 当输入在 90-130V 时， 认为输入为 1。在设计中， 通过调整稳压管和分压电阻 R3 的值来改变光耦的导通临界值。在光耦输出端， 通过 1K 电阻连接施密特触发器。经查 TLP624 的器件手册可知， 光祸开启和关断时间分别为 100ms 和 300ms， 有比较大的时延。所 以用施密特触发器来优化输出波形， 使信号的边沿跳变时间大于 ns 级， 并把信号送给 CPU， 以保证信号的完整性。这种电路可靠性很高， 抗干扰能力强， 能适应机车上的恶劣工作环 。
20、境。控制单元共有 8 路开关量输入。 0039 如图 3 和图 7 所示， 具体实施例中， 开关量输出单元 3 包括光电隔离耦合器 301、 滤波电路单元 302 以及过流保护电路单元 303。主控制单元 1 输出端送出的控制信号经依 次相连的光电隔离耦合器 301、 滤波电路单元 302、 过流保护电路单元 303 后送至电控制动 机的电控阀。数字量输出为 32 路， 输出通道中， 主控制单元 1 接收背板总线信号， 处理输出 某一个通道的开关信号， 由于主控制单元 1 输出信号为 TTL 电平， 负载能力较低， 为了与其 外部的110V直流工作系统相连接， 并具有足够的驱动能力， 所以采用。
21、MOSFET作为功率放大 元件， 并利用主控制单元1发出高频调制控制信号通过脉冲隔离变压器耦合控制MOSFET通 断， 输出额定电流为 0.9A/110V。输出具有短路保功能， 短路保护整定值为 6A， MOSFET 保护 电路可以迅速关断出现问题的MOSFET。 图7a所示， DO1接收主控制单元1发出的信号后， 经 过 74HC04 非门增强驱动能力后， 来控制 Q1 的通断。由于脉冲变压器采用的是异名端接法， 说 明 书 CN 102231061 A CN 102231063 A4/4 页 6 所以当三极管导通时， 变压器的原边将磁能储存起来。 当三极管关断时， 变压器通过副边的 整流电。
22、路释放能量。图 7b 所示， 经过脉冲变压器后， 在正向驱动脉冲最初的极短时间内， 由 于 R2 和 C2 的存在， U2 被箝位在较低的电位而使 D4 截止， Q2 由于没有基极电流保持截止状 态， 电压几乎全部加在 MOSFET 上， 给输入电容迅速充电。随着栅源电压的建立， MOSFET 管 开通， 漏源极间的电压减小， 二极管 D7 正向偏置而导通， U1 被箝位， D4 及 Q2 由于反偏而继 续可靠的截止。当 MOSFET 过流时， 漏极电压迅速升高， 二极管 D7 反偏截止， U2 开始升高。 当 U2 升至高于稳压管 D4 与三极管 Q2 的门值电压之和时， Q2 导通， 栅极。
23、电位被下拉至接近 OV， 从而使 MOSFET 可靠的关断， 主电路电流被切断， 过电流得到了遏制。 0040 通过自动检测每个通道的输出电流来实现对输出通道过电流、 长时间输出短路以 及接地故障的保护功能。每个输出通道都具有过流保护功能， 主控制单元 1 输出板设计总 的输出点数为 32 点， 每点的输出电流最大为 8A。每块输出板为 8 点， 各输出通道均有对应 的状态指示灯指示该通道的工作状态。控制单元共有 4 路开关量输出。 0041 如图 4 和图 8 所示， 具体实施例中， 模拟量输入单元 4 主要用来采集传感器送来的 电流信号， 4 20mA 的电流信号， 经过整形转换成 0 1。
24、0V 的电压信号， 再通过限幅、 滤波 403 等处理后送到 ADS8344 芯片 4010 进行模数转换。电路采用 16 位精度的采样芯片， 通过 隔离将模拟信号转换成数字信号到主控制单元 (1) 进行运算。单块模拟板包含 14 路 4 20mA 电流信号输入通道和 2 路 0 10V 电压信号输入通道。从传感器来的 4-20mA 电流， 经 过 RCV420(402) 转换为 0-5V 电压。0-10V 电压信号经过 OP37(407) 转换为 0-5V 电压。由 于机车上电磁环境复杂， 会对模拟输入信号产生干扰， 因此模拟信号进行 A/D 转换器之前 还必须进行滤波 403 消除干扰。滤。
25、波器可以是无源的也可以是有源的， 在本系统中采用二 阶 RC 滤波。滤波后就进行 A/D 转换， 对机车制动控制要求比较精确， 所以保证采样分辨率 至少要有 10 位。为了满足精度要求， 采用 16 位的 A/D 芯片 ADS8344， ADS8344 是一个高速、 低功耗、 16位逐次逼近型ADC， 采用2.7V至5V单电源供电， 最大采样速率为100KHz， 信噪比 达 84dB， 带有串行接口， 它包含 8 个单端模拟输入通道， 也可合成为 4 个差分输入。采用 20 引脚 QSDP 封装或 20 引脚 SSOP 封装， 工作温度范围为 -40 -+85。单片机的 P1 口控制 信号经过。
26、光耦 6N136(408) 后， 控制 ADS8344(4010) 进行 A/D 转换， 模拟量从 AINO-AIN7 输 入。控制单元共有 6 路模拟量输入。 0042 如图 5 所示， 具体实施例中， BCU 电源管理单元 8 采用 DC/DC 全隔离模块电源， 输 入电源 +110V 经过滤波后进入 DC/DC 模块转换成 +24V(701)， 转换后的 +24V 电源经过同样 的方式转换成 15V(702)， 转换后的 +15V 电源经过同样的方式转换成 +5V(703)。由图可 知， 每一种 DC/DC 转换模块均采用两电源供电方式， 互为冗余备份， 当其中一路电源出现故 障使， 自。
27、动转换到另外一路。两电源工作方式提高了主控制单元 1 工作的可靠性。键盘显 示单元采用专用控制芯片和通用液晶显示屏。 说 明 书 CN 102231061 A CN 102231063 A1/4 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102231061 A CN 102231063 A2/4 页 8 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102231061 A CN 102231063 A3/4 页 9 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 102231061 A CN 102231063 A4/4 页 10 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 102231061 A 。