本實用新型涉及安全信號采集技術(shù)，尤其是涉及一種閾值可調(diào)的安全信號采集裝置。

背景技術(shù)：

隨著高速鐵路、城軌、有軌等軌道交通方式的不斷發(fā)展，相應(yīng)的信號控制設(shè)備也有了長足進步。目前信號類設(shè)備的種類繁多，結(jié)構(gòu)不一，車載軌旁使用場景雖然各有不同，但功能卻往往較為相似，一般信號設(shè)備需實時監(jiān)控多組安全信號量，而由于負載不同，這些信號量的電平標準也不盡相同，信號設(shè)備研發(fā)人員需根據(jù)需求定制不同的硬件板卡，分別生產(chǎn)及維護，給生產(chǎn)管理及現(xiàn)場維護帶來了很多不便，也提高了信號商運營的成本，信號采集板卡閾值不可調(diào)是這種現(xiàn)狀的主要原因。

安全信號采集硬件由于設(shè)計限制，一般不具備錯誤檢測功能，無法得知硬件電路是否出現(xiàn)故障，而在出現(xiàn)故障的情況下，電路很可能會將錯誤的信息送給系統(tǒng)，無法正確識別出車輛當(dāng)前狀態(tài)，進而降低系統(tǒng)可用性，甚至影響行車安全。

現(xiàn)有安全采集電路有很大一部分依靠模擬分離元器件搭建而成，分立元器件抗干擾能力強，結(jié)構(gòu)簡單，但由于器件參數(shù)漂移，往往形成較大的采集模糊區(qū)段，在模糊區(qū)段內(nèi)，被采集信號是無法被可靠識別的，對應(yīng)用場合造成了極大限制，提高了被監(jiān)測對象的性能要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種閾值可調(diào)的安全信號采集裝置。

本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種閾值可調(diào)的安全信號采集裝置，包括電壓轉(zhuǎn)換電路、AD轉(zhuǎn)換電路、CPU、FPGA和DA轉(zhuǎn)換電路，所述的電壓轉(zhuǎn)換電路通過AD轉(zhuǎn)換電路與CPU連接，所述的CPU與FPGA連接，所述的FPGA通過DA轉(zhuǎn)換電路與電壓轉(zhuǎn)換電路連接。

所述的電壓轉(zhuǎn)換電路包括變壓器T1、電阻R1、MOS管Q1和電阻R2；

所述的變壓器T1的原邊一端與外部輸入電壓的正極連接，原邊另一端通過電阻R1與MOS管Q1的漏極連接，所述的MOS管Q1的源極與外部輸入電壓的負極連接，所述的電阻R2兩端與變壓器T1的副邊連接。

所述的電阻R1的阻值為電阻R2的10至20倍。

所述的CPU通過SPI總線與AD轉(zhuǎn)換電路連接。

所述的CPU采用雙CPU。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點：

1、利用歸一化的設(shè)計理念，為安全信號采集提供統(tǒng)一的安全設(shè)計技術(shù)，可兼容不同輸入電壓范圍，可集成入不同的應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，縮減采集板卡種類，提高可復(fù)用性，從而降低研發(fā)生產(chǎn)維護的難度；

2、可實時檢出板卡故障狀態(tài)，避免因硬件故障導(dǎo)致的錯誤采集輸出，有效提高了安全信號采集的可靠性和安全性；

3、本設(shè)計利用先進的高精度模擬采集技術(shù)，實現(xiàn)了滯環(huán)采集功能，消除了模糊區(qū)段的影響，在被測信號發(fā)生波動時，能有效抑制該波動對采集結(jié)果帶來的影響。

附圖說明

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型電壓轉(zhuǎn)換電路具體電路圖；

圖3為本實用新型電壓轉(zhuǎn)換電路功能簡化圖；

圖4為本實用新型采集鏈路示意圖；

圖5為本實用新型測試鏈路示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細說明。本實施例以本實用新型技術(shù)方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍不限于下述的實施例。

實施例

如圖1所示，一種閾值可調(diào)的安全信號采集裝置，包括電壓轉(zhuǎn)換電路1、AD轉(zhuǎn)換電路2、CPU3、FPGA4和DA轉(zhuǎn)換電路5，所述的電壓轉(zhuǎn)換電路1通過AD轉(zhuǎn)換電路2與CPU3連接，所述的CPU3與FPGA4連接，所述的FPGA4通過DA轉(zhuǎn)換電路5與電壓轉(zhuǎn)換電路1連接；

所述的電壓轉(zhuǎn)換電路1將外部輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成需要的電壓信號后通過AD轉(zhuǎn)換電路2發(fā)送給CPU3，所述的CPU3對AD轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換后發(fā)送給上位機，所述的FPGA4根據(jù)CPU3的控制指令在指定時刻通過DA轉(zhuǎn)換電路5發(fā)送測試數(shù)據(jù)給電壓轉(zhuǎn)換電路1。

如圖2所示，所述的電壓轉(zhuǎn)換電路Input Circuit包括變壓器T1、電阻R1、MOS管Q1和電阻R2；所述的變壓器T1的原邊一端與外部輸入電壓的正極連接，原邊另一端通過電阻R1與MOS管Q1的漏極連接，所述的MOS管Q1的源極與外部輸入電壓的負極連接，所述的電阻R2兩端與變壓器T1的副邊連接。

圖2中變壓器T1的采用磁導(dǎo)率很高的磁性材料做變壓器的心子，而在保持匝數(shù)比n:1不變的情況下，增加線圈的匝數(shù)，并盡量緊密耦合，使耦合因數(shù)接近于1，同時使變壓器兩側(cè)線圈的自感和互感很大，這樣變壓器T1可以近似獲得理想變壓器的特性。

對于理想變壓器，有以下特性：

圖2中，MOS管Q1的柵源電壓為U sin(wt)，顯然當(dāng)U sin(wt)大于MOS管的閾值電壓V_th時，MOS管導(dǎo)通；當(dāng)U sin(wt)小于MOS管的閾值電壓V_th時，MOS管截止。采集電壓Us與Q1結(jié)合在一起可以得到交流電壓u_s，而交流電壓u_s的峰值即為采集電壓Us，這樣功能示意圖可以簡化為圖3。

顯然u_s是一個周期信號，而我們知道周期信號可以由一系列諧波分量疊加而成，因此在圖3中，可以對u_s按照正弦諧波進行分析。

圖3中變壓器T1右側(cè)的等效輸入電阻為：

因此

在電路設(shè)計時，選取R1的阻值遠大于n²R₂，所以有

如圖1所示，采集功能的實現(xiàn)主要依賴幾個關(guān)鍵部分:CPU、A/D、Input Circuit(模擬接口)、D/A和FPGA。各部分負責(zé)的功能如下。

1.CPU：負責(zé)整體功能實現(xiàn)，對A/D輸出數(shù)字量進行判斷后發(fā)送給上位機。

2.A/D：負責(zé)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換功能，把從輸入電路接收到的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送給CPU使用。

3.Input Circuit：將外部輸入的直流電壓通過變壓器轉(zhuǎn)換成小電壓直流供A/D使用。

4.D/A：數(shù)字量模擬量轉(zhuǎn)換器，根據(jù)FPGA發(fā)過來的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量送給Input circuit，目的是測試Input circuit。

5.FPGA：根據(jù)CPU的控制命令，在指定時刻發(fā)送數(shù)字量給D/A，對Input circuit進行測試。

采集鏈路主要包含CPU、A/D和Input circuit(圖4)，外部輸入首先進入Input circuit處理，轉(zhuǎn)變成一個較小的電壓值，這個電壓值被A/D轉(zhuǎn)換成能夠被CPU識別的數(shù)字量，CPU把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)進行傳輸。

為了保證采集功能的安全，所有采集鏈路需要進行安全測試，來保證在檢測到故障時進行安全處理和報警。為了保證安全，CPU、A/D和Input circuit都需要進行測試。為了不影響電路的正常功能，測試應(yīng)在不進行采集的空閑時間進行，也就是需要進行工作時，整條采集鏈路(Input circuit→A/D→CPU)進行采集工作，如圖5所示。當(dāng)板卡進行測試時，測試鏈路如下(CPU→FPGA→D/A→Input circuit→A/D→CPU),CPU最終獲得了測試數(shù)據(jù)，并根據(jù)返回的測試數(shù)據(jù)判斷是否所有電路工作正常，不存在故障的器件。

由于測試結(jié)果是可預(yù)知的，所以CPU完全能夠根據(jù)接收到的測試數(shù)據(jù)來判斷是否電路存在故障，當(dāng)接收到的測試數(shù)據(jù)不符合預(yù)期時，立即報警并進行安全處理。

為了確保板卡的采集功能能夠達到SIL4級安全要求，對整個采集鏈路的檢測覆蓋率要求如下：①CPU的檢測覆蓋率需要達到90％；②A/D的檢測覆蓋率需要達到99％；③Input circuit的檢測覆蓋率需要達到99％。

對于不同器件的檢測方式存在不同，下面對幾個關(guān)鍵器件的檢測進行描述。

CPU的檢測，CPU一般被定義為復(fù)雜器件，所以檢測覆蓋率很難達到99％，基于此情況下，對CPU的檢測覆蓋率定義為90％，對CPU的檢測項目為RAM測試、寄存器測試、時鐘測試、CPU內(nèi)核的解碼功能測試、CPU內(nèi)核的地址尋址功能測試、CPU的全指令集測試和CPU的代碼存儲器的有效性測試。

對于A/D的測試和Input circuit的測試可以合并到一起，測試方式為接收測試鏈路發(fā)來的測試點電壓，然后轉(zhuǎn)換成指定的數(shù)字量，這個轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量代表了這個電路的有效性，只有這個電路能夠正常的輸出數(shù)據(jù)給CPU，電路才被認為是有效地，整個電路才能夠正常工作。為了保證對采集鏈路檢測的有效性，F(xiàn)PGA會每隔1mS發(fā)出一個測試電壓，直到所有測試點位測試完成。測試點位分布情況為：D/A器件最小2個LSB逐步遞增，從D/A器件的最小值開始，直到覆蓋D/A的最大量程。

根據(jù)可靠性分析工具計算(RAMCOMMAND)，采集電路的危險側(cè)概率THR<10-11，滿足SIL4級安全要求。

Input Circuit實施舉例如下

參數(shù)設(shè)置為：

匝數(shù)比n＝0.5

R₁＝1.1KΩ

R₂＝100Ω

此時，可以得到

當(dāng)Input Circuit用于110V采集時：

采集端口的狀態(tài)由截止態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通態(tài)的閾值設(shè)定為69V，對應(yīng)u₂的峰值為3.13V；

采集端口的狀態(tài)由導(dǎo)通態(tài)轉(zhuǎn)換到截止態(tài)的閾值設(shè)定為46V，對應(yīng)u₂的峰值為2.09V；

當(dāng)Input Circuit用于96V采集時：

采集端口的狀態(tài)由截止態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通態(tài)的閾值設(shè)定為60V，對應(yīng)u₂的峰值為2.73V；

采集端口的狀態(tài)由導(dǎo)通態(tài)轉(zhuǎn)換到截止態(tài)的閾值設(shè)定為40V，對應(yīng)u₂的峰值為1.82V；

當(dāng)Input Circuit用于72V采集時：

采集端口的狀態(tài)由截止態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通態(tài)的閾值設(shè)定為45V，對應(yīng)u₂的峰值為2.05V；

采集端口的狀態(tài)由導(dǎo)通態(tài)轉(zhuǎn)換到截止態(tài)的閾值設(shè)定為30V，對應(yīng)u₂的峰值為1.36V；

當(dāng)Input Circuit用于48V采集時：

采集端口的狀態(tài)由截止態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通態(tài)的閾值設(shè)定為30V，對應(yīng)u₂的峰值為1.36V；

采集端口的狀態(tài)由導(dǎo)通態(tài)轉(zhuǎn)換到截止態(tài)的閾值設(shè)定為20V，對應(yīng)u₂的峰值為0.91V；

當(dāng)Input Circuit用于36V采集時：

采集端口的狀態(tài)由截止態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通態(tài)的閾值設(shè)定為22.5V，對應(yīng)u₂的峰值為1.02V；

采集端口的狀態(tài)由導(dǎo)通態(tài)轉(zhuǎn)換到截止態(tài)的閾值設(shè)定為15V，對應(yīng)u₂的峰值為0.68V；

當(dāng)Input Circuit用于24V采集時：

采集端口的狀態(tài)由截止態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通態(tài)的閾值設(shè)定為15V，對應(yīng)u₂的峰值為0.68V；

采集端口的狀態(tài)由導(dǎo)通態(tài)轉(zhuǎn)換到截止態(tài)的閾值設(shè)定為10V，對應(yīng)u₂的峰值為0.45V；

因此當(dāng)Input Circuit用于不同的采集端口電壓時，不需要對Input Circuit硬件電路進行任何更改，只需要通過CPU對不同的u₂峰值進行判斷即可

CPU通過AD對電壓的值進行采集，把采集的值轉(zhuǎn)化為輸入狀態(tài)，根據(jù)轉(zhuǎn)化好的輸入狀態(tài)獲得一個表示輸入狀態(tài)的冗余碼字。為了安全，板卡需要雙CPU對輸入狀態(tài)進行采集，獲得冗余碼字后，雙CPU交互采集到的結(jié)果，最終獲得安全的采集狀態(tài)。完成采集后，CPU通過安全通信鏈路把輸入狀態(tài)傳遞給系統(tǒng)。

以上所述，僅為本實用新型的具體實施方式，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。因此，本實用新型的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護范圍為準。