1.本实用新型属于电子集成控制器技术领域，更具体地，涉及一种电力机车对开式开闭机构控制器。
背景技术：2.动车组在高速运行中为了有效减小空气阻力，头车前端采用流线型导流罩，并且专门设计了前端开闭机构用于支撑导流罩。动车组单列运行时将导流罩闭合，形成完整的列车空气动力学外形，减小风阻和风噪，同时保护前端车钩等机构；在两列车连挂运行或者检修牵引时，开闭机构将导流罩打开，露出车钩便于连挂。开闭机构为一个独立装置，可以整体装配到列车上。开闭机构由前端导流罩(活动舱门)和机械结构(支持机构、运动机构)、气动系统和电路系统等几大部分组成，可实现自动控制，且在失电状态下能实现手动操作。
3.现有的plc控制器的硬件的布置灵活性低，并且不能专门对某一特定的要求设计控制器，对于产品来说实用性太低；大部分现存的plc都只能满足-25℃至50℃的工业级要求，不能满足-40℃至70℃的高寒要求；plc基体过大，并且io接口太少，不利于产品的集成化。
4.如公开号为cn205010233u，名为一种轨道交通车辆车头开闭机构用控制箱的专利，主要公开了箱体中的布置和气动控制线路，如采用了双减压阀结构，主要是依靠驾驶员手动操作控制开闭机构。但对于远程控制、监控、报警等功能没有很好的解决。
技术实现要素：5.为解决至少一种上述存在的技术问题，本实用新型提出一种电力机车对开式开闭机构控制器，以满足开闭机构的运动控制、运动监控、报警输出要求，还能满足与电力机车内上位机的通讯需求。
6.本实用新型具体采取以下技术方案：
7.一种电力机车对开式开闭机构控制器，包括开关电源、mcu微处理器、信号输入电路、信号输出电路、数据存储单元、状态显示单元、通讯单元，所述信号输入电路与信号输出电路分别通过gpio与mcu微处理器连接，所述mcu微处理器连接还分别与数据存储单元、通讯单元和状态显示单元通信连接，所述开关电源为信号输入电路与信号输出电路供电，所述控制器通过通讯单元连接至上位机，使控制器接入以太网。
8.进一步的，所述mcu微处理器选用stm32f407芯片。
9.进一步的，所述信号输入电路依次包括整流桥、rc滤波电路、光耦隔离电路、直流—直流变换器，完成信号隔离、信号转换和信号整形功能。
10.更进一步的，所述信号输入电路设置20路dc110v电平输入。
11.进一步的，所述信号输出电路包含继电器和可恢复保险丝，用于直接驱动电磁阀和对电磁阀进行过载保护。
12.更进一步的，所述信号输出电路设置12路继电器开关输出。
13.进一步的，所述数据存储单元包括eeprom和sd卡，可在eeprom内设定开关门超时时间及开关门次数，可以在sd卡内存储运行数据和事件。
14.进一步的，所述状态显示单元包括led数码显示管和发光二极管，所述led数码显示管用于显示时间、故障代码、开关门次数，所述发光二极管用于显示输入和输出信号、故障，所述led数码显示管和发光二极管设置在同一个面板上。
15.进一步的，所述开关电源通过gpio与外部dc110v电源相连，所述开关电源通过emc抑制器后再连至相应的电源转换器。
16.进一步的，所述通讯单元设有rs232通讯接口、can通讯接口和eth通讯接口。
17.本实用新型的有益效果为：
18.(1)该控制器电路板主要用于12路继电器开关输出，20路dc110v电平输入的电源供能，提供丰富的io接口，完成dc110v emc抑制器、dc12v电源转换器和dc5v电源转换器等功能；
19.(2)该控制器电路板主要用于整个控制盒的信号检测控制，内部搭载了stm32f407主控mcu，以及以太网和各类通讯电路，通过与外部的各个通讯建立联系，带有时间显示和故障代码显示；
20.(3)据信号回路最小化原则，对各个串口信号进行差分等长布线，抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消，能有效抑制emi。
附图说明
21.图1为本实用新型电力机车对开式开闭机构控制器结构框图；
22.图2为针对图1中控制器的控制方法流程图；
23.图3为控制器信号采集板功能结构示意图；
24.图4为控制器信号控制板功能结构示意图。
具体实施方式
25.下面结合具体实施例进一步说明本实用新型。除非特别说明，本实用新型实施例中采用的原料和方法为本领域常规市购的原料和常规使用的方法。
26.emi即电磁干扰。电磁干扰分为传导电磁干扰(conducted emi)和辐射电磁干扰(radiated emi)。其中，传导电磁干扰噪声在火线、中线与地线间传播，包括火线与地线、中线与地线间的共模噪声(common-mode noise)，以及火线与中线间的差模噪声(differential-mode noise)。辐射电磁干扰噪声以辐射电磁场的形式在空间传播，包括由于非良好接地或接地反射电位不为零引起的共模噪声，以及由于没有很好控制的大信号环路引起的差模噪声。
27.eeprom(electrically erasable programmable read-only memory)，电可擦可编程只读存储器
‑‑
一种掉电后数据不丢失的存储芯片。eeprom可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。一般用在即插即用。
28.gpio(general-purpose input/output)，通用输入输出端口的简称，功能类似
8051的p0-p3，其接脚可以供使用者由程控自由使用，pin脚依现实考量可作为通用输入(gpi)或通用输出(gpo)或通用输入与输出(gpio)。每个gpio端口可通过软件分别配置成输入或输出。
29.实施例1
30.本实施例公开一种电力机车对开式开闭机构控制器，如图1所示，包括开关电源、mcu微处理器、信号输入电路、信号输出电路、数据存储单元、状态显示单元、通讯单元，信号输入电路与信号输出电路分别通过gpio与mcu微处理器连接，mcu微处理器连接还分别与数据存储单元、通讯单元和状态显示单元通信连接，开关电源为信号输入电路与信号输出电路供电，控制器通过通讯单元连接至上位机，使控制器接入以太网。控制器先采集外部数字输入信号输出给mcu微处理器，通过mcu微处理器内部程序进行逻辑判断分析确定输出信号的状态，通过输出侧的中间继电器对气路电磁阀完成控制，并通过输出侧的led显示灯确认输出侧中间继电器的状态。各线路与控制器外壳设置的禁止布线区域为4mm；earth与板间线路层采用分层布局交错设计，满足绝缘耐压要求。本实施例的元器件选型都是满足高寒条件的，使该控制器极限耐温性能提高。
31.mcu微处理器选用stm32f407芯片，是控制板的核心，完成所有的控制器时序控制、通讯、存储、报警等功能。
32.数据存储单元包括eeprom和sd卡，采用sd卡循环存储记录过程数据、报警信息、操作记录等，控制器将功能性故障(fault)信息(message)记录并存储，通过上位机软件可以读取相关故障信息，故障代码通过led数码管显示。可在eeprom内设定开关门超时时间及开关门次数。
33.数据存储为csv文件，能直接用excel软件打开。每天存一个文件，如果文件大于50m，则再创建一个文件。数据文件包括系统日志及运行数据，文件名需包含序列号(可以通过上位机写到eerom里存储)、文件创建时间。
34.信号输入模块完成信号隔离、信号转换及信号整形功能，能将外部送至的数字信号转换成mcu微处理器能识别采集的信号类型。电平信号通过整流桥和rc滤波电路通过光耦隔离转换为弱电信号，光耦隔离能够调节电流的状态，对电路起到一定的保护作用，对内部电路起到了非常好的控制和稳压作用；信号转换与整形：直流—直流变换器是将直流电先逆变(升压或降压)成交流电，然后再整流变换成另一种直流电压的直流变换装置。常用的直流—直流变换设备一般是由直流—直流变换模块、监控模块以及与之配套的用户接口板和直流配电单元等组成的一个完整的电源系统。
35.控制器需要采集的数字输入信号共计12路，设置20位dc110v电平输入，信号类型主要为电平信号及开关量信号。从车体收到的信号有三种：分别为开启信号(open、59c1)、关闭信号(close、56n1)、重置信号(reset、58a1)。
36.信号输出电路包含继电器和可恢复保险丝，用于直接驱动电磁阀和对电磁阀进行过载保护，能完成规定数字信号的输出总共12路，即设置12路继电器开关输出。发送给车体信号有六种，开到位并锁到位(open in palce、56d)、关到位锁到位(loked in place、56e)、故障常开信号(fault no、56b)、故障常闭信号(fault nc、t4070)、开到位并锁到位(open in palce、t4071)、关到位锁到位(loked in place、t4072)。
37.信号输出电路的所有故障信息都会触发驾驶台上的故障指示灯(hafb)亮起，没有
故障时故障指示灯灭灯，发生故障时开始闪烁(1hz)，这时按一次故障复位按钮5s就会执行重置功能(reset)，重置功能不成功时故障指示灯将持续发光状态。
38.状态显示单元包括led数码显示管和发光二极管，led数码显示管用于显示时间、故障代码、开关门次数，发光二极管用于显示输入和输出信号、故障，led数码显示管和发光二极管设置在同一个面板上，方便查看。
39.如图3所示，开关电源的系统供电为dc 110v，波动范围为-30％～+25％。开关电源通过gpio与外部dc 110v电源相连，电源电压通过保险丝和ntc，防反接二极管以及压敏和emc抑制器后，再由电源转换器将dc110v的电源变转换为dc12v的内部主电路电源与dc5v的继电器开关输出电源。
40.如图4所示，通讯单元设有rs232通讯接口、can通讯接口和eth通讯接口。控制器连接至上位机通过eth端口进行通讯连接，使控制器接入到以太网，采用硬件协议栈的方式使应用快速高效的连接到互联网，实现tcp/ip的通信与mcu微处理器连接，实现上层应用层协议。
41.控制器与上位机连接后，更新自身系统的运行时间，且每小时需要校准一次时钟，以确保系统自身的时间与上位机时间一致。上位机界面至少包括主界面、调试界面、程序更新、数据记录、事件记录：
42.主界面应显示上位机名称和版本信息，帮助信息，中英文切换按钮。还应显示设备信息，包括网关、子网掩码、ip地址、端口、序列号、硬件版本、软件版本、项目号、设备时间、心跳。显示数字量输入状态，显示继电器输出状态，状态等内容。设置有复位、刷新、校时等按键。
43.调试界面可以强制继电器的输出状态，强制数字量输入的状态。
44.程序更新界面应显示设备信息，包括网关、子网掩码、ip地址、端口、序列号、硬件版本、软件版本、项目号、设备时间、心跳。更新文件路径(浏览)，更新进度(更新)。
45.数据记录界面可以选择打开的日期，按照数据记录的格式显示。设置有另存为的功能。
46.实施例2
47.在上述实施例的基础上，作为可选地实施方式，本实施例公开一种电力机车对开式开闭机构控制器，包括开关电源、mcu微处理器、信号输入电路、信号输出电路、数据存储单元、状态显示单元、通讯单元，信号输入电路与信号输出电路分别通过gpio与mcu微处理器连接，mcu微处理器连接还分别与数据存储单元、通讯单元和状态显示单元通信连接，开关电源为信号输入电路与信号输出电路供电，控制器通过通讯单元连接至上位机，使控制器接入以太网。控制器先采集外部数字输入信号输出给mcu微处理器，通过mcu微处理器内部程序进行逻辑判断分析确定输出信号的状态，通过输出侧的中间继电器对气路电磁阀完成控制，并通过输出侧的led显示灯确认输出侧中间继电器的状态。各线路与控制器外壳设置的禁止布线区域为4mm；earth与板间线路层采用分层布局交错设计，满足绝缘耐压要求。mcu微处理器选用stm32f407芯片。信号输入电路依次包括整流桥、rc滤波电路、光耦隔离电路、直流—直流变换器，完成信号隔离、信号转换和信号整形功能；信号输入电路设置20位dc110v电平输入。信号输出电路包含继电器和可恢复保险丝，用于直接驱动电磁阀和对电磁阀进行过载保护；信号输出电路设置12路继电器开关输出。
48.数据存储单元包括eeprom和sd卡，可在eeprom内设定开关门超时时间及开关门次数，可以在sd卡内存储运行数据和事件。
49.状态显示单元包括led数码显示管和发光二极管，所述led数码显示管用于显示时间、故障代码、开关门次数，所述发光二极管用于显示输入和输出信号、故障，所述led数码显示管和发光二极管设置在同一个面板上。
50.开关电源通过gpio与外部dc110v电源相连，所述开关电源通过emc抑制器后再连至相应的电源转换器。
51.通讯单元设有rs232通讯接口、can通讯接口和eth通讯接口。
52.和实施例1不同的是：在设计pcb时，在开关电源上游增加y电容，x电容，压敏电阻和emc滤波器电路，依据信号回路和放电回路原理，增加跳线泄放回大地。
53.据信号回路最小化原则，对图4中各个串口信号的布线进行差分等长设计，抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消，能有效抑制emi。
54.实施例3
55.本实施例提供一种电力机车对开式开闭机构控制器的控制方法，实现了开闭机构全自动控制，同时也避免了现有开闭机构电控柜构成复杂、体积空间大等问题，如图2所示，包括以下步骤：
56.s1：上电检查开闭机构的初始状态：如果状态确认在开到位或关到位的状态，执行步骤(2)；初始状态在其他位置，报警显示并结束任务，等待确认。
57.s2：控制电磁阀给气缸通气，通气完成后，执行步骤(3)；
58.s3：读取输入信号，判断司机指令：若指令是开舱门，直接执行步骤(4)；若指令是关舱门，直接执行步骤(5)；
59.s4：开舱门操作程序；执行正常，再返回步骤((3)；异常时则执行步骤(6)；
60.s5：关舱门操作程序；执行正常，再返回步骤((3)；异常时则执行步骤(6)；
61.s6：状态显示及报警。
62.采用上述控制方法将开闭机构控制智能化，用mcu微控制器实时检测运行的状态，进行精确的调节、控制及信息显示，开闭机构任何时候不会出现冲撞情况。
63.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。
技术特征：1.一种电力机车对开式开闭机构控制器，其特征在于，包括开关电源、mcu微处理器、信号输入电路、信号输出电路、数据存储单元、状态显示单元、通讯单元，所述信号输入电路与信号输出电路分别通过gpio与mcu微处理器连接，所述mcu微处理器连接还分别与数据存储单元、通讯单元和状态显示单元通信连接，所述开关电源为信号输入电路与信号输出电路供电，所述控制器通过通讯单元连接至上位机，使控制器接入以太网。2.根据权利要求1所述的电力机车对开式开闭机构控制器，其特征在于，所述mcu微处理器选用stm32f407芯片。3.根据权利要求1所述的电力机车对开式开闭机构控制器，其特征在于，所述信号输入电路依次包括整流桥、rc滤波电路、光耦隔离电路、直流—直流变换器，完成信号隔离、信号转换和信号整形功能。4.根据权利要求3所述的电力机车对开式开闭机构控制器，其特征在于，所述信号输入电路设置20路dc110v电平输入。5.根据权利要求1所述的电力机车对开式开闭机构控制器，其特征在于，所述信号输出电路包含继电器和可恢复保险丝，用于直接驱动电磁阀和对电磁阀进行过载保护。6.根据权利要求5所述的电力机车对开式开闭机构控制器，其特征在于，所述信号输出电路设置12路继电器开关输出。7.根据权利要求1所述的电力机车对开式开闭机构控制器，其特征在于，所述数据存储单元包括eeprom和sd卡，可在eeprom内设定开关门超时时间及开关门次数，可以在sd卡内存储运行数据和事件。8.根据权利要求1所述的电力机车对开式开闭机构控制器，其特征在于，所述状态显示单元包括led数码显示管和发光二极管，所述led数码显示管用于显示时间、故障代码、开关门次数，所述发光二极管用于显示输入和输出信号、故障，所述led数码显示管和发光二极管设置在同一个面板上。9.根据权利要求1所述的电力机车对开式开闭机构控制器，其特征在于，所述开关电源通过gpio与外部dc110v电源相连，所述开关电源通过emc抑制器后再连至相应的电源转换器。10.根据权利要求1所述的电力机车对开式开闭机构控制器，其特征在于，所述通讯单元设有rs232通讯接口、can通讯接口和eth通讯接口。
技术总结一种电力机车对开式开闭机构控制器，属于电子集成控制器技术领域，包括开关电源、MCU微处理器、信号输入电路、信号输出电路、数据存储单元、状态显示单元、通讯单元，所述信号输入电路与信号输出电路分别通过GPIO与MCU微处理器连接，所述MCU微处理器连接还分别与数据存储单元、通讯单元和状态显示单元通信连接，所述开关电源为信号输入电路与信号输出电路供电，所述控制器通过通讯单元连接至上位机，使控制器接入以太网。该控制器能满足开闭机构的运动控制、运动监控、报警输出要求，还能满足与电力机车内上位机的通讯需求。机车内上位机的通讯需求。机车内上位机的通讯需求。
技术研发人员：张锦 侯文浩 谭明敏
受保护的技术使用者：株洲九方装备股份有限公司
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/7/5
