CN109109904A - 一种基于mvb的列车轴温检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MVB的列车轴温检测装置及检测方法，包括通信模块、电源模块、温度采集模块、机械及电气接口、FPGA主控模块及其***电路，采用SOPC技术，整合优化了温度采集处理与MVB通信协议控制，将功能实现集成在一片FPGA上且无需额外CPU辅助，使装置可直接接入以MVB作为车辆总线的列车通信网络。由上层轮询来发送含有温度数据及相应传感器地址与温度报警信息的MVB过程数据，收发部分均为双路冗余。本发明适用于以MVB作为车辆总线的列车组，大大简化了***结构，节约了***成本，同时具有响应速度快、可靠性高、稳定性强、功耗较低等优点。

Description

一种基于MVB的列车轴温检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于列车轴温检测技术领域，尤其涉及一种基于MVB的列车轴温检测装置。

背景技术

随着轨道交通的规模不断扩大，安全问题必须越来越受到重视。列车速度的大幅提升、运营时间的增长，无形中都产生了各种不安全因素，轴温检测是近来铁路***门所提出的新要求，在列车运行期间，转向机构的轴承由于各方面因素不可避免的产生热量，导致轴承寿命缩短，甚至引发安全事故。因此，在列车管理上需采取更为先进的信息化控制管理***，实时检测轴温，预防安全隐患，及时发现问题。而目前广泛使用的列车轴温检测装置存在很多不足，测温方式层面：部分列车仍使用熔断器来检测轴温，只能在出现故障后发挥作用，无法及时定位出现问题的位置，无法获取实时温度；部分列车采用的红外非接触式轴温检测装置，存在成本较高，测量误差大，可靠性差等缺点；还有部分列车采用的接触式轴温检测装置存在成本较高，响应时间长，结构复杂等问题。通信层面：现有列车的轴温检测器大多采用CAN通信，而在列车控制网络中，对于连接各车辆节点的列车总线，要求传输的数据量很大，不但要传送过程数据，也要传送消息数据，因此协议相对简单的CAN总线不适合用作列车总线，而MVB支持周期性数据传输和偶发性数据传输，能提供更佳的响应速度，更强的网络吞吐能力，适合用作车辆总线；部分列车也采用MVB作为轴温数据的传输方式，但已有轴温检测装置大多未考虑MVB数据的收发实现，而只研究了如何使用单片机采集温度数据，再将数据通过SPI或者UART等方式发送至第三方MVB网卡，由第三方MVB网卡设备负责与上层通信，存在结构复杂，成本较高，响应时间长，兼容性问题难以保证等问题。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术的列车轴温测量方式和通信方式的不足，克服现有技术成本较高、结构复杂的问题，本发明提供一种基于MVB的列车轴温检测装置。

本发明的另一目的是提供一种基于MVB的列车轴温检测方法。

技术方案：一种基于MVB的列车轴温检测装置，包括FPGA主控模块、通信模块、温度采集模块、电源模块；所述温度采集模块包括多个温度传感器，用于采集列车轴箱轴承温度和环境温度，温度采集模块通过传感器接口以I²C总线方式与FPGA主控模块相连接；FPGA主控模块用于接收和处理温度采集模块发送的温度数据，判断温度是否达到报警条件，构建并发送处理结果至通信模块，所述处理结果包括温度数据、传感器地址、温度报警信息，FPGA主控模块还用于MVB通信协议控制；所述通信模块用于将FPGA主控模块发送的处理结果由TTL电平转变为RS485电平，并通过MVB接口接入MVB网络；电源模块用于FPGA主控模块、收发模块、温度采集模块的供电。

进一步的，所述温度采集模块采用五个温度传感器，分别用于采集列车轴箱四路轴承温度和一路环境温度。

进一步的，温度传感器采用低功耗温度传感器LM75A，温度传感器包括三个可选的逻辑地址管脚，每个传感器都有唯一地址。

进一步的，电源模块采用高效率低功耗降压芯片URB1D05YMD-6W、AMS1117_3.3和AMS1117_1.2；FPGA主控模块采用Altera公司的Cyclone IV系列FPGA；收发模块采用双路MAX485芯片，用于转换电平并支持冗余校验。

进一步的，还包括机械及电气接口，机械及电气接口的主体部分使用方形全封闭铝盒，表面喷塑处理；机械及电气接口包括MVB通信接口、电源接口、传感器接口、维护接口；MVB通信接口采用DB9；电源接口采用XC14-2Z；传感器接口采用XC18-7Z；维护接口采用10针JTAG接口；所述FPGA主控模块、温度采集模块、收发模块及电源模块均安装在铝盒内，温度传感器引出的导线用尼龙软管包裹，传感器本体置于不锈钢螺纹探头内，与轴箱刚性连接。

进一步的，FPGA主控模块包括发送单元、接收单元、逻辑控制单元，接收单元用于接收MVB网络总线上的主帧；发送单元用于将发送数据编辑成从帧格式发送至总线；逻辑控制单元用于控制时序。

一种基于MVB的列车轴温检测装置的列车轴温检测方法，包括以下步骤：

（1）基于MVB的列车轴温检测装置上电并进行初始化；

（2）FPGA主控模块将该装置配置成MVB总线上的从设备，与上层MVB主设备之间进行数据传输；

（3）温度传感器采集温度并将采集的温度数值储存在Temp寄存器中，FPGA主控模块以I²C总线方式从Temp寄存器中读取温度数据，温度数据包括采集的温度数值和温度传感器地址；待温度数据稳定后，FPGA主控模块根据温度数值进行报警判断，并给报警状态位赋值；合并各路温度传感器的温度信息，整理成MVB从帧数据进行存储；

（4）从设备进入主帧接收状态，进行主帧起始位检测，待监测到电平由低跳变为高且信号稳定有效后，由后8位起始分界符判断是否为主帧，若不为主帧返回主帧接收状态；若为主帧则解析请求的12位从设备地址，并与从设备预置的MVB设备地址进行比较，若地址不同则返回主帧接收状态；若地址相同则响应主设备轮询，FPGA主控模块根据步骤（3）得到的MVB从帧数据构建成MVB从帧格式，通过通信模块进行电平转换后，发送至上层MVB主设备，待从帧发送完毕，重回主帧接收状态，等待下一轮数据轮询。

有益效果：本发明提供一种基于MVB的列车轴温检测装置及检测方法，采用了低功耗LM75A数字温度传感器，具有测量范围广，测量精度高，响应速度快且传感器价格低廉等特点，有效提高了温度采集时的准确性和快速性。用FPGA实现了轴温检测器与上层处理器的MVB通信，使得各个轴温检测器以地址唯一的方式接入MVB网络。MVB支持周期性数据传输和偶发性数据传输，为保证周期性实时数据通信，采用主从控制方式，由MVB主设备按照一定的规则轮询各从设备，保证确定性的介质访问。MVB是为快速的过程控制优化的总线，能提供最佳的响应速度，适合用作车辆总线。并且，随着动车组技术在中国的发展，TCN技术的推广和广泛应用是机车网络发展的必然趋势，因此，能直接接入MVB的轴温检测装置具有良好的实用价值及发展前景。

此外，***采用了SOPC技术，只使用单片FPGA完成装置全部数据处理，相比较现有的温度采集部分大多为单片机控制，而MVB网卡也大多为CPU+FPGA的方式，本发明节省了两块CPU，同时，MVB协议控制部分充分考虑了轴温检测的实际情况，整合优化了MVB协议控制与温度数据的采集处理过程，降低***响应时间，简化了***结构，节约了成本。

本发明电源模块更加集成化、转换效率高、低功耗，电气接口规范化，使其符合列车接口标准，抗干扰性强，适用于以MVB作为车辆总线的列车组，大大简化了***结构，节约了***成本，具有响应速度快、可靠性高、稳定性强、功耗较低等优点。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明应用于WTB/MVB通信的列车的总线结构示意图；

图3是本发明轴温处理与MVB协议控制主要部分流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于MVB的列车轴温检测装置，包括FPGA主控模块、通信模块、温度采集模块、电源模块；所述温度采集模块包括多个温度传感器，用于采集列车轴箱轴承温度和环境温度，温度采集模块通过传感器接口以I²C总线方式与FPGA主控模块相连接；FPGA主控模块用于接收和处理温度采集模块发送的温度数据，判断温度是否达到报警条件，构建并发送处理结果至通信模块，所述处理结果包括温度数据、传感器地址、温度报警信息，同时FPGA主控模块用于MVB通信协议控制，包括发送单元、接收单元、逻辑控制单元，接收单元用于接收MVB网络总线上的主帧；发送单元用于将发送数据编辑成从帧格式发送至总线；逻辑控制单元用于控制时序；所述通信模块用于将FPGA主控模块发送的处理结果由TTL电平转变为RS485电平，并通过MVB接口接入MVB网络。

所述温度采集模块采用五个温度传感器，分别用于采集列车轴箱四路轴承温度和一路环境温度。温度传感器采用低功耗温度传感器LM75A，温度传感器包括三个可选的逻辑地址管脚A2、A1、A0，这3个逻辑地址管脚分别连接到GND(逻辑0)或VCC(逻辑1)，它们代表了器件7位地址中的低三位，地址的高4位由LM75A内部的硬连线预先设置为1001，由于输入管脚SCL、SDA、A2-A0内部无偏置，因此不能悬空。每个传感器都有唯一地址，使得同一总线上可同时连接8个温度传感器而不发生地址冲突，故所获取的温度数据可对应相应传感器位置以实现精准定位。

电源模块用于将DC110V(波动范围DC77-138V）降压至5V、3.3V、1.2V给温度采集模块、FPGA主控模块、通信模块等模块供电，电源模块采用高效率低功耗降压芯片URB1D05YMD-6W、AMS1117_3.3和AMS1117_1.2；使用0欧电阻分割数字地与模拟地，以提高噪声信号在信号回流路径上的阻抗，从而减少信号干扰。

FPGA主控模块采用Altera公司的Cyclone IV系列EP4CE6E22C8型号，其***电路还包括复位电路、时钟电路、JTAG下载配置电路等。

通信模块用于转换电平并采取了双路MAX485芯片来支持冗余校验，使得信号以双绞线形式，RS485电平输出。当采用ESD作为传输介质时，由国际标准IEC61375-1规定，可以选用RS485电平输出，本发明的收发模块选用MAX485作为接口芯片，各方面皆符合要求，同时为了支持冗余介质，采用双路MAX485，通过一个DB9接口引出，每路各占4条线，若后续需扩展至EMD传输介质，只需增加MVB0类设备实现电气隔离即可，升级十分方便。

机械及电气接口用于规范接口，屏蔽干扰信号。机械及电气接口包括MVB通信接口、电源接口、传感器接口、维护接口；机械及电气接口的主体部分使用方形全封闭铝盒，表面喷塑处理；MVB通信接口采用DB9；电源接口采用XC14-2Z；传感器接口采用XC18-7Z；维护接口采用10针JTAG接口；所述FPGA主控模块、温度采集模块、收发模块及电源模块均安装在铝盒内，温度传感器引出的导线用尼龙软管包裹，传感器本体置于不锈钢螺纹探头内，在轴箱内壁选取适当位置开螺纹孔，其深度要适中，再将传感器探头旋入该孔刚性连接。轴温检测装置安装在列车转向架附近的底板上，安装位置便于日常维护，使用4颗M10六角螺栓进行固定，防护等级达到IP67。

图2是本发明应用于WTB/MVB通信的列车的总线结构示意图，即使用MVB作为车辆总线，负责单节车厢内各节点的通信，使用WTB作为列车总线，负责全车各节点的通信。每节车厢安装两个轴温检测装置，分别置于车厢的前后转向架上，通过螺栓固定主体部分，传感器引出与轴箱通过螺纹孔刚性连接。图中所示的MVB总线管理器负责轮询各MVB从设备，获取从设备反馈的数据，可实现过程数据与消息数据的收发、用户可编程以及总线管理器功能，具有MVB4类以上设备的功能。轴温检测装置可实现过程数据的收发，具有MVB1类设备的功能。FPGA主控模块通过JTAG接口配置好信息及下载程序完成后对温度进行采集和处理，配置该模块为MVB总线上的从设备，由上层主设备轮询来发送包含各路传感器地址及相应温度数据与报警信息的过程数据。

如图3所示，基于MVB的列车轴温检测方法，包括以下步骤：

（1）基于MVB的列车轴温检测装置上电，并进行初始化。初始化过程中，FPGA主控模块内各状态机进入初态，各计数器、标志位、变量赋初值，设置延时等待温度采集模块初始化完成；

（2）FPGA主控模块配置该模块为MVB总线上的从设备，与上层MVB主设备之间进行数据传输；

（3）温度传感器采集温度并将采集的温度数值储存在Temp寄存器中，FPGA主控模块以I²C总线方式从Temp寄存器中读取温度数据，温度数据包括采集的温度数值和温度传感器地址，其温度数据为11位；待温度数据稳定后，FPGA主控模块根据温度数值进行报警判断，并给报警状态位赋值；合并五路温度传感器的温度信息，整理成128位有效数据的MVB从帧数据进行存储，每64位后为CRC校验码。

（4）从设备进入主帧接收状态，进行主帧起始位检测，待监测到电平由低跳变为高且信号稳定有效后，由后8位起始分界符判断是否为主帧，若不为主帧返回主帧接收状态；若为主帧则解析请求的12位从设备地址，并与从设备预置的MVB设备地址进行比较，若地址不同则返回主帧接收状态；若地址相同则响应主设备轮询，FPGA主控模块根据步骤（3）得到的MVB从帧数据构建成MVB从帧格式，该MVB从帧格式由FPGA主控模块内的曼切斯特编码单元、位控制单元、CRC生成单元、并串转换单元组成的发送单元按标准构建而成。MVB从帧通过通信模块进行电平转换后，发送至上层MVB主设备，待从帧发送完毕，重回主帧接收状态，等待下一轮数据轮询。

该轴温检测装置在通信方面实现了符合IEC61375-1标准的MVB通信协议，可直接将轴温检测装置作为MVB从设备接入列车总线，装置可接收MVB主设备发送的主帧并解析。在上层MVB总线管理器的轮询下，发送含有温度数据及相应传感器地址与温度报警信息的MVB过程数据，收发部分均为双路冗余。同时以单片FPGA无需额外CPU辅助的形式实现了MVB通信协议控制，使其具备MVB1类设备的功能，具体内部实现包括曼切斯特编解码单元、逻辑控制单元、差错检验单元等，并将MVB协议控制与温度数据的采集处理过程整合优化，简化***结构，降低***响应时间。

Claims (7)

1.一种基于MVB的列车轴温检测装置，其特征在于，包括FPGA主控模块、通信模块、温度采集模块、电源模块；所述温度采集模块包括多个温度传感器，用于采集列车轴箱轴承温度和环境温度，温度采集模块通过传感器接口以I²C总线方式与FPGA主控模块相连接；FPGA主控模块用于接收和处理温度采集模块发送的温度数据，判断温度是否达到报警条件，构建并发送处理结果至通信模块，所述处理结果包括温度数据、传感器地址、温度报警信息，FPGA主控模块还用于MVB通信协议控制；所述通信模块用于将FPGA主控模块发送的处理结果由TTL电平转变为RS485电平，并通过MVB接口接入MVB网络；电源模块用于FPGA主控模块、收发模块、温度采集模块的供电。

2.根据权利要求1所述的基于MVB的列车轴温检测装置，其特征在于，所述温度采集模块采用五个温度传感器，分别用于采集列车轴箱四路轴承温度和一路环境温度。

3.根据权利要求1所述的基于MVB的列车轴温检测装置，其特征在于，温度传感器采用低功耗温度传感器LM75A，温度传感器包括三个可选的逻辑地址管脚，每个传感器都有唯一地址。

4.根据权利要求1所述的基于MVB的列车轴温检测装置，其特征在于，电源模块采用高效率低功耗降压芯片URB1D05YMD-6W、AMS1117_3.3和AMS1117_1.2；FPGA主控模块采用Altera公司的Cyclone IV系列FPGA；收发模块采用双路MAX485芯片，用于转换电平并支持冗余校验。

5.根据权利要求1所述的基于MVB的列车轴温检测装置，其特征在于，还包括机械及电气接口，机械及电气接口的主体部分使用方形全封闭铝盒，表面喷塑处理；机械及电气接口包括MVB通信接口、电源接口、传感器接口、维护接口；MVB通信接口采用DB9；电源接口采用XC14-2Z；传感器接口采用XC18-7Z；维护接口采用10针JTAG接口；所述FPGA主控模块、温度采集模块、收发模块及电源模块均安装在铝盒内，温度传感器引出的导线用尼龙软管包裹，传感器本体置于不锈钢螺纹探头内，与轴箱刚性连接。

6.根据权利要求1所述的基于MVB的列车轴温检测装置，其特征在于，FPGA主控模块包括发送单元、接收单元、逻辑控制单元，接收单元用于接收MVB网络总线上的主帧；发送单元用于将发送数据编辑成从帧格式发送至总线；逻辑控制单元用于控制时序。

7.一种使用权利要求1所述的基于MVB的列车轴温检测装置的列车轴温检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）基于MVB的列车轴温检测装置上电并进行初始化；

（2）FPGA主控模块将该装置配置成MVB总线上的从设备，与上层MVB主设备之间进行数据传输；

（3）温度传感器采集温度并将采集的温度数值储存在Temp寄存器中，FPGA主控模块以I²C总线方式从Temp寄存器中读取温度数据，温度数据包括采集的温度数值和温度传感器地址；待温度数据稳定后，FPGA主控模块根据温度数值进行报警判断，并给报警状态位赋值；合并各路温度传感器的温度信息，整理成MVB从帧数据进行存储；

（4）从设备进入主帧接收状态，进行主帧起始位检测，待监测到电平由低跳变为高且信号稳定有效后，由后8位起始分界符判断是否为主帧，若不为主帧返回主帧接收状态；若为主帧则解析请求的12位从设备地址，并与从设备预置的MVB设备地址进行比较，若地址不同则返回主帧接收状态；若地址相同则响应主设备轮询，FPGA主控模块根据步骤（3）得到的MVB从帧数据构建成MVB从帧格式，通过通信模块进行电平转换后，发送至上层MVB主设备，待从帧发送完毕，重回主帧接收状态，等待下一轮数据轮询。