基於can網絡控制的機車輔助控制單元的製作方法

2023-10-11 14:27:09 2

專利名稱：基於can網絡控制的機車輔助控制單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種機車輔助控制單元，具體涉及一種基於CAN網絡控制的機車輔助控制單元。
背景技術：
機車輔助控制單元是機車輔助控制系統的核心部分，主要用於為機車的輔助電機，風機，壓縮機等輔助系統的設備供電，同時將外圍傳感器測量得到的輔助變流櫃的電壓、電流、溫度、風量等傳感器信號，通過機車網絡傳遞到機車司機顯示屏中，方便機車司乘人員及時對各種情況進行處理。
目前，機車採用的輔助控制單元與機車主控部分的通訊大多跟隨國外技術採用 MVB總線控制技術。多功能車輛MVB主要實現同一車輛內各功能控制單元之間的數據通信。 MVB只有其中的物理層和鏈路層。MVB是一種主從方式的串行通訊總線，通信方式只能以主站輪詢的方式進行，系統的實時性、可靠性較差。發明內容
本發明要解決的技術問題採用多主方式的串行通訊總線替代主從方式的串行通訊總線，克服系統的實時性、可靠性較差的不足，滿足現代化機車的工作要求。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是一種基於CAN網絡控制的機車輔助控制單元，其特徵在於包括CAN通訊接口，CAN寄存器，FPGA控制晶片和DSP主控晶片組成；其中CAN通訊接口和CAN寄存器部分主要是處理輸入輸出模塊輸入的網絡數據，進行數據轉換和存儲；FPGA晶片用於將CAN寄存器接收到的信息進行處理和轉換，對幾個控制晶片進行驅動，保證晶片的工作，之後將處理過的CAN網絡信息輸送給DSP控制晶片來進行控制動作的處理；DSP主控晶片通過CAN總線實現控制整個輔助控制單元的啟動，停止，應急模式，對接觸器的動作的邏輯，同時向主控單元發送採集到的模擬量和數字量的值，反饋實際的接觸器動作信號，和主控單元需要的輔助控制模塊的基本工作信息，檢測故障信息， 進行相應的封鎖/啟動脈衝的動作，保護輔助控制模塊和外圍控制電路。
所述DSP主控晶片採用數位訊號處理晶片。
所述CAN通訊接口採用intel的82527CAN控制晶片D2。
所述CAN通訊接口的控制晶片D2的MODE選擇端通過上拉電阻Rl，選擇了晶片的工作在模式3下；埠 ALE通過電阻R2與+5V工作電源相接；XTAL埠連接20MHz的晶閘管Yl用來控制晶片的時鐘頻率，通過R8的0歐電阻來選通時鐘信號；地址總線上的8位地址數據CAN_bus和地址控制信號CAN_bus_ENn，DIRn,通過16-bit雙電源轉換收發器Dl， 將信號送入D2的A/D、P1數據接收處理埠 ；晶片的控制信號CAN_ctrl通過16-bit雙電源轉換收發器Dl的轉換來給出D2的控制和驅動信號，其中通過R6接到+5V電源上；P2的一系列埠將系統錯誤信號和反饋信息通過I2C總線送到FPGA控制晶片(3)中進行處理； 通過RlO和Rll將5V的電壓分壓送入RXO ；控制晶片D2的RXl信號接收端連接到D4的B端，D4通過埠 Q接電阻R4後到三極體Q1，Q1的發射極接地，集電極接發光二極體DSl的負極，發光二極體DSl的正極通過R9接+3. 3V的電源，是用來監控CAN的接收信號是否正常，如正常，發光二極體點亮；D4的C端和R端通過電容Cl連接之後經過R13接到+5V電源上；RXl通過R12連接到+5V電源，之後連接到光電耦合器D6的7腳的VO端，進過D6的隔離，2腳ANODE連接到隔離+5V電源，3腳CATHODE經過R15連接到D3上；同樣控制晶片D2 的TXl信號接收端連接到D4的B端，D4通過埠 Q接電阻R3後到三極體Q2，Q2的發射極接地，集電極接發光二極體DS2的負極，發光二極體DS2的正極通過R14接+3. 3V的電源， 是用來監控CAN的發送信號是否正常，如正常，發光二極體點亮；D4的C端和R端通過電容 C2連接之後經過R5接到+5V電源上；TXl通過R7到光電耦合器D5的3腳CATHODE，D5的 2腳ANODE連接到+5V電源，之後經過光電耦合器D5的隔離，7腳的VO端通過R16連接到隔離+5V電源和CAN轉接晶片D7 ；CAN控制晶片的信號通過D7的轉換再經過電感Ll送到 CAN通訊的外部DB9接頭的2和7針腳中，2針為接收端，7針為發送端。
所述Dl 為 74HCM5，D7 為 82C251。
本發明通過採用多主方式的串行通訊替代主從方式的串行通訊總線，克服系統的實時性、可靠性較差的不足，滿足現代化機車的工作要求。


圖1為機車輔助控制單元的電路框圖。
圖2的機車輔助控制單元優選方案的電路圖。
具體實施方式
如圖1所示，基於CAN網絡控制的機車輔助控制單元，包括CAN通訊接口 1，CAN寄存器2，FPGA控制晶片3和DSP主控晶片4組成；其中CAN通訊接口 1和CAN寄存器2部分主要是處理輸入輸出模塊(RIOM)輸入的網絡數據，進行數據轉換和存儲；FPGA控制晶片 3用於將CAN寄存器2中的數據，進行簡單的處理，利用程序將CAN通訊數據變換為DSP主控晶片4可以識別的形式，控制邏輯電路，將數據發送給DSP主控晶片4進行控制處理；DSP 主控晶片4通過CAN總線實現控制整個輔助控制單元的啟動，停止，應急模式，對接觸器的動作的邏輯，同時向主控單元MPU發送採集到的模擬量和數字量的值，反饋實際的接觸器動作信號，和主控單元(MPU)需要的輔助控制模塊ACU的基本工作信息，檢測故障信息，進行相應的封鎖/啟動脈衝的動作，保護輔助控制模塊ACU和外圍控制電路5。
所述DSP主控晶片4採用數位訊號處理晶片。
所述CAN通訊接口 1採用intel的82527CAN控制晶片D2。
如圖2所示，CAN的通訊接口控制晶片D2的MODE選擇端通過上拉電阻Rl，選擇了晶片的工作在模式3下；埠 ALE通過電阻R2與+5V工作電源相接；XTAL埠連接16MHz 的晶閘管Yl用來控制晶片的時鐘頻率，通過R8的0歐電阻來選通時鐘信號；地址總線上的8位地址數據CAN_bus和地址控制信號CAN_bus_ENn，DIfoi，通過16-bit雙電源轉換收發器D1，型號74HCM5，將信號送入D2的A/D、P1數據接收處理埠 ；晶片的控制信號CAN_ ctrl通過16-bit雙電源轉換收發器D1，型號74HCM5，轉換來給出D2的控制和驅動信號， 其中通過R6接到+5V電源上；P2的一系列埠將系統錯誤信號和反饋信息通過I2C總線送到FPGA中進行處理；通過RlO和Rll將5V的電壓分壓送入RXO ；控制晶片D2的RXl信號接收端連接到D4的B端，D4通過埠 Q接電阻R4後到三極體Ql，Ql的發射極接地，集電極接發光二極體DSl的負極，發光二極體DSl的正極通過R9接+3. 3V的電源，是用來監控CAN的接收信號是否正常，如正常，發光二極體點亮；D4的C端和R端通過電容Cl連接之後經過R13接到+5V電源上；RXl通過R12連接到+5V電源，之後連接到光電耦合器D6的7 腳的VO端，進過D6的隔離，2腳ANODE連接到隔離+5V電源，3腳CATHODE經過R15連接到 D3上；同樣控制晶片D2的TXl信號接收端連接到D4的B端，D4通過埠 Q接電阻R3後到三極體Q2，Q2的發射極接地，集電極接發光二極體DS2的負極，發光二極體DS2的正極通過 R14接+3. 3V的電源，是用來監控CAN的發送信號是否正常，如正常，發光二極體點亮；D4的 C端和R端通過電容C2連接之後經過R5接到+5V電源上；TXl通過R7到光電耦合器D5的 3腳CATH0DE，D5的2腳ANODE連接到+5V電源，之後經過光電耦合器D5的隔離，7腳的VO 端通過R16連接到隔離+5V電源和CAN轉接晶片D7。型號為82C251 ；CAN控制晶片的信號通過D7的轉換再經過電感Ll送到CAN通訊的外部DB9接頭的2和7針腳中，2針為接收端，7針為發送端。
ACU為輔助控制單元，是機車上將中間直流電壓轉換為三相380V交流電，用來對各種輔助設備進行供電的控制裝置，包括油泵，水泵，牽引風機，照明，空調等用電設備。
A⑶的各種工作狀態和啟停控制都是通過主控制單元MPU發出控制指令，經過輸入輸出模塊RIOM送入A⑶中，而這幾個模塊間的通訊就是通過CAN網絡來完成的，A⑶中的控制命令的輸入輸出都是通過CAN通訊電路和控制電路來進行解析和發出接受控制命令的。
整個CAN網絡由CAN的通訊接口，CAN寄存器和外圍控制電路，FPGA控制晶片和 DSP主控晶片所組成。
CAN接口和寄存器部分主要是處理輸入輸出的CAN網絡數據，進行數據轉換和存儲。
FPGA晶片用於將CAN寄存器接收到的信息進行處理和轉換，對幾個控制晶片進行驅動，保證晶片的工作，之後將處理過的CAN網絡信息輸送給DSP控制晶片來進行控制動作的處理FPGA控制晶片用於將CAN寄存器中的數據，進行簡單的處理，利用程序將CAN通訊數據變換為DSP可以識別的形式，控制邏輯電路，將數據發送給DSP進行控制處理。
在DSP晶片中編程，通過CAN總線實現控制整個輔助控制單元的啟動，停止，應急模式，對接觸器的動作的邏輯，同時向主控單元發送採集到的模擬量和數字量的值，反饋實際的接觸器動作信號，和主控單元需要的輔助控制模塊的基本工作信息，檢測故障信息，進行相應的封鎖/啟動脈衝的動作，保護ACU和變流櫃及外圍設備。
採用CAN2. 0接口，採用intel的82527CAN控制晶片D2，採用FPGA來控制CAN通訊。
CAN控制晶片有四種工作方式，通過對modeO和model的針腳採用上拉電阻，選擇了工作在模式3。
控制器的時鐘是20MHz的晶振或是FPGA控制，是通過電阻來選擇。
FPGA的控制信號如CLOCK，Ε, Rffn, . CSn, INT, RESETn等需要通過的D3進行電平轉換，同時8位地址總線上的數據也通過Dl來進行通訊。Dl也是通過FPGA控制。
D5和D6是用來隔離CAN總線的通訊信號和電路板上其他控制信號的。5V的電源轉化器用來為隔離部分的CAN總線供電。
採用D7作為CAN控制器和外部物理總線的數據轉接口。
CAN通信的輸入輸出狀態可以通過LED燈來判斷，LED燈通過D4來與輸入輸出信號連接。
權利要求
1.基於CAN網絡控制的機車輔助控制單元，其特徵在於包括CAN通訊接口(1)，CAN寄存器(2)，FPGA控制晶片(3)和DSP主控晶片⑷組成；其中CAN通訊接口(1)和CAN寄存器(2)部分主要是處理輸入輸出模塊(RIOM)輸入的網絡數據，進行數據轉換和存儲；FPGA控制晶片(3)用於將CAN寄存器⑵中的數據，進行簡單的處理，利用程序將CAN 通訊數據轉化為DSP主控晶片(4)可以識別的形式，控制邏輯電路，將數據發送給DSP主控晶片(4)進行控制處理；DSP主控晶片(4)通過CAN總線的數據命令實現控制整個輔助控制單元的啟動，停止， 應急模式，對接觸器的動作的邏輯，同時向主控單元(MPU)發送採集到的模擬量和數字量， 反饋實際的接觸器動作信號，和主控單元(MPU)需要的輔助控制模塊(ACU)的基本工作信息，檢測故障信息，進行相應的封鎖/啟動脈衝的動作，保護輔助控制模塊(ACU)和外圍控制電路(5)。
2.根據權利要求1所述的基於CAN網絡控制的機車輔助控制單元，其特徵在於所述 DSP主控晶片(4)採用數位訊號處理晶片。
3.根據權利要求1所述的基於CAN網絡控制的機車輔助控制單元，其特徵在於所述 CAN通訊接口(1)採用intel的82527CAN控制晶片D2。
4.根據權利要求3所述的基於CAN網絡控制的機車輔助控制單元，其特徵在於所述 CAN通訊接口(1)的控制晶片D2的MODE選擇端通過上拉電阻R1，選擇了晶片的工作在模式 3下；埠 ALE通過電阻R2與+5V工作電源相接；XTAL埠連接20MHz的晶閘管Yl用來控制晶片的時鐘頻率，通過R8電阻來選通時鐘信號；地址總線上的8位地址數據CAN_bus和地址控制信號CAN_buS_ENn，DIfoi，通過16-bit雙電源轉換收發器Dl，將信號送入D2的A/ D、Pl數據接收處理埠 ；晶片的控制信號CAN_ctrl通過16-bit雙電源轉換收發器Dl的轉換來給出D2的控制和驅動信號，其中通過R6接到+5V電源上；P2的一系列埠將系統錯誤信號和反饋信息通過I2C總線送到FPGA控制晶片⑶中進行處理；通過RlO和Rll將 5V的電壓分壓送入RXO ；控制晶片D2的RXl信號接收端連接到D4的B端，D4通過埠 Q 接電阻R4後到三極體Ql，Ql的發射極接地，集電極接發光二極體DSl的負極，發光二極體 DSl的正極通過R9接+3. 3V的電源，是用來監控CAN的接收信號是否正常，如正常，發光二極體點亮；D4的C端和R端通過電容Cl連接之後經過R13接到+5V電源上；RXl通過R12 連接到+5V電源，之後連接到光電耦合器D6的7腳的VO端，進過D6的隔離，2腳ANODE連接到隔離+5V電源，3腳CATHODE經過R15連接到D3上；同樣控制晶片D2的TXl信號接收端連接到D4的B端，D4通過埠 Q接電阻R3後到三極體Q2，Q2的發射極接地，集電極接發光二極體DS2的負極，發光二極體DS2的正極通過R14接+3. 3V的電源，是用來監控CAN 的發送信號是否正常，如正常，發光二極體點亮；D4的C端和R端通過電容C2連接之後經過R5接到+5V電源上；TXl通過R7到光電耦合器D5的3腳CATHODE，D5的2腳ANODE連接到+5V電源，之後經過光電耦合器D5的隔離，7腳的VO端通過R16連接到隔離+5V電源和CAN轉接晶片D7 ；CAN控制晶片的信號通過D7的轉換再經過電感Ll送到CAN通訊的外部DB9接頭的2和7針腳中，2針為接收端，7針為發送端。
5.根據權利要求3所述的基於CAN網絡控制的機車輔助控制單元，其特徵在於所述Dl 為 74HC245, D7 為 82C251。
全文摘要
本發明公開了一種基於CAN網絡控制的機車輔助控制單元，包括CAN通訊接口，CAN寄存器，FPGA控制晶片和DSP主控晶片組成；其中CAN通訊接口和CAN寄存器部分主要是處理輸入輸出模塊輸入的網絡數據，進行數據轉換和存儲；FPGA晶片用於將CAN寄存器接收到的信息進行處理和轉換，對幾個控制晶片進行驅動，保證晶片的工作；DSP主控晶片通過CAN總線實現控制整個輔助控制單元的啟動，停止，應急模式，保護輔助控制模塊和外圍控制電路。本發明通過採用多主方式的串行通訊總線替代主從方式的串行通訊總線，克服系統的實時性、可靠性較差的不足，滿足現代化機車的工作要求。
文檔編號G05B19/418GK102495613SQ201110438829
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者叢巍, 李 東, 閆春輝 申請人:中國北車集團大連機車研究所有限公司