一种静态输出加静态动态脉冲检测的轨道交通安全输出系统

摘要

本发明涉及一种静态输出加静态动态脉冲检测的轨道交通安全输出系统，包括安全控制电路，所述安全控制电路包括用于控制相应信号设备的安全继电器，所述安全继电器通过控制单元进行控制，所述安全控制电路至少包括两个通道的控制单元，每个通道控制单元包括一个处理单元、与所述处理单元对应并连接所述安全继电器的输出单元、以及一个动静态回采单元，所述处理单元包括短时检测脉冲产生模块、短时脉冲解码模块和静态解码模块，所述安全控制电路还包括用于给所述控制单元提供基准信号的基准信号产生单元。通过在轨道交通控制电路中设置动静态回采单元，使得处理单元可以对输出的结果可以进行回采对比，从而来确定电路的控制，提高整个电路的准确性。

说明书

本发明专利申请是发明创造名称“一种轨道交通安全控制电路及系统”的分案申请，原申请的申请日为2014年9月23日，申请号为2014104899558。

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，尤其涉及一种轨道交通中安全控制电路及安全控制系统。

背景技术

在轨道交通控制领域，一般情况下，其安全输出通过直接驱动控制外部的安全继电器从而控制相应的信号设备(如信号机、转辙机等轨旁设备以及牵引控制系统、车门等车载设备)。通常来讲，安全输出系统对外提供一定的电压从而使得外部继电器励磁吸起或者失磁落下进而控制外部信号设备。而众所周知，继电器励磁吸起往往代表着一种危险状态，如果安全输出系统错误的使外部继电器励磁吸起，很可能造成列车脱轨或者撞车等非常严重的事故。

目前，业界普遍存在的安全输出控制有两种，一种是静态输出方式，即需要对外输出时，直接给外部继电器提供可以使其能够励磁吸起的电压。另一种方式是动态输出方式，即需要对外输出时，输出一定频率的脉冲信号，利用脉冲对电容充电，然后由电容为继电器供电，利用充放电的不对称性使得电容电压可以维持在外部继电器能够保持励磁吸起的状态。

针对业界普遍采用的两种安全输出方式，下面分别分析其存在的缺陷。第一种输出方式所存在的最大问题是当输出电路出现粘连故障时不能够及时发现，造成系统错误输出，从而可能导致危险情况的发生。具体解释如下：①当系统长时间对外输出“1”，即外部继电器保持在励磁吸起状态，此时输出电路发生粘连故障，电路的输出状态与系统输出状态保持一致，无法检测到粘连故障， 而当系统需要对外输出“0”时，由于电路发生粘连故障而导致无法输出“0”，导致危险情况的发生；②当系统长时间对外输出“0”，即外部继电器保持在失磁落下状态，此时输出电路发生粘连故障，虽然轨道交通里面安全输出通常采用多通道输出表决机制，当只有一个通道发生粘连故障时系统对外的输出不会发生变化，但是系统无法检测到该故障，随着时间的推移，表决通道的另外一个通道输出电路也发生了相同的粘连故障，从而导致系统错误对外输出，最终可能导致危险情况的发生。第二种输出方式存在的最大问题是系统的可靠性和可用性大大降低，增加了维护成本。由于采用动态充放电的输出形式实现对外输出，就需要反复的对输出电容进行充放电，而反复充放电会导致电容寿命大大降低，对于一块输出板卡来讲，任何一个输出通道的输出电容故障都会导致整个输出板卡不可用，从而导致系统不可用。在实际应用中，输出通道往往比较多，从而导致整个系统的可靠性不高，系统的维护间隔短，提高了维护成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种控制电路简单、可靠性高、维护成本低的静态输出加静态动态脉冲检测的轨道交通安全输出系统。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：一种静态输出加静态动态脉冲检测的轨道交通安全输出系统，包括安全控制电路，所述安全控制电路包括用于控制相应信号设备的安全继电器，所述安全继电器通过控制单元进行控制，所述安全控制电路至少包括两个通道的控制单元，每个通道控制单元包括一个处理单元、与所述处理单元对应并连接所述安全继电器的输出单元、以及一个动静态回采单元，所述处理单元包括短时检测脉冲产生模块、短时脉冲解码模块和静态解码模块，所述安全控制电路还包括用于给所述控制单元提供基准信号的基准信号产生单元；每个通道的输出单元包括一个用于驱动继电 器的输出光电耦合开关，每个通道的动静态回采单元包括一个三态门、以及给所述三态门使能端提供信号的回采光电耦合开关，输出光电耦合开关的输入阳极端电连接处理单元，输出光电耦合开关的输入阴极端电连接地，输出光电耦合开关的输出集电极端连接VCC，输出光电耦合开关的输出发射极端电连接继电器同时电连接回采光电耦合开关的输入阳极，回采光电耦合开关的输入阴极接地，回采光电耦合开关的集电作为三态门的使能端并连接上拉电阻，回采光电耦合开关的发射极接地。

优选的，输出光电耦合开关的输入阴极端电连接处理单元，输出光电耦合开关的输入阳极端电连接电源VCC，输出光电耦合开关的输出集电极端连接地，输出光电耦合开关的输出发射极端电连接继电器同时电连接回采光电耦合开关的输入阴极，回采光电耦合开关的输入阳极接VCC，回采光电耦合开关发射极电作为三态门的使能端并连接下拉电阻，回采光电耦合开关的集电极电连接地。

优选的，轨道安全控制系统执行如下步骤：

所述基准信号产生单元产生一个方波信号；

所述短时检测脉冲产生模块在所述方波信号的边沿处产生一个持续时间较短的短时检测脉冲；

所述处理单元根据当前需要输出的状态选择在输出信号上耦合相应的短时检测脉冲；

短时脉冲解码模块将动静态回采单元采集的回采信号进行解码，检测回采信号中是否包含短时检测脉冲，以确定输出电路是否发生粘连；

静态解码模块根据所述方波信号对动静态回采单元采集的回采信号进行解码，确认在一个完整的周期内回采信号内包含的短时检测脉冲信号与输出对应 的动态脉冲信号是否一致，以确认电路的正常工作。

优选的，所述基准信号产生单元产生占空比为50％的方波信号。

优选的，所述方波信号的频率为f，10Hz≤f≤200Hz。

通过在轨道交通控制电路中设置动静态回采单元，使得处理单元可以对输出的结果可以进行回采对比，从而来确定电路的控制，提高整个电路的准确性。通过在方波信号的边沿处(上升沿或者下降沿)设定短时检测脉冲，并将该检测信号耦合至输出控制信号上，在后端利用处理单元对该短时检测脉冲信号进行解码检测对比，根据不同解码对比原理，可以对电路的故障检测，确定是继电器粘连还是电路无法输出，防止故障累积以及错误输出，提高系统安全性，而且电路简单，可靠性高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1是本发明轨道交通安全控制电路及系统的实施例的电路示意图；

图2是本发明轨道交通安全控制电路及系统的实施例的短时检测脉冲时序示意图；

图3是本发明轨道交通安全控制电路及系统的实施例的处理单元输出逻辑“1”时序示意图；

图4是本发明轨道交通安全控制电路及系统的实施例的处理单元输出逻辑“0”时序示意图；

图5是本发明轨道交通安全控制电路及系统的实施例的部分电路图；

图6是本发明轨道交通安全控制电路及系统的实施例的信号之间的关系图；

图7是本发明轨道交通安全控制电路及系统的实施例的信号之间的关系图。

具体实施方式

实施例：

本发明一种轨道交通安全控制电路，包括用于控制相应信号设备的安全继电器，所述安全继电器通过控制单元进行控制，其中，所述安全控制电路至少包括两个通道的控制单元，每个通道控制单元包括一个处理单元、与所述处理单元对应并连接所述安全继电器的输出单元、以及一个动静态回采单元，所述安全控制电路还包括用于给所述控制单元提供基准信号的基准信号产生单元。每个通道的动静态回采单元输入端连接其他通道输出单元的输出端，每个通道的动静态回采单元的输出端连接本通道的处理单元。

如图1所示，在本实施例中，所述安全控制电路包括A和B两个控制单元，其中，控制单元A包括处理单元A、输出单元A(1)、动静态回采单元A(3)，控制单元B包括处理单元B、输出单元B(2)、动静态回采单元B(4)。所述处理单元A控制输出单元A输出控制继电器信号，所述处理单元B控制所述输出单元B输出控制继电器信号，所述动静态回采单元A连接输出单元B，对输出单元B的输出信号进行回采并传输给处理单元A，所述动静态回采单元B连接输出单元A，对输出单元A的输出信号进行回采并传输给处理单元B。

每个通道的输出单元包括一个用于驱动继电器的输出光电耦合开关。每个通道的动静态回采单元包括一个三态门、以及给所述三态门使能端提供信号的回采光电耦合开关。

如图1所示，输出单元A中的输出光电耦合开关的输入阳极端电连接处理单元A，输出单元A中的输出光电耦合开关的输入阴极端电连接地，输出单元A中的输出光电耦合开关的输出集电极端连接VCC，输出单元A中的输出光电耦合开关的输出发射极端电连接继电器同时电连接动静态回采单元B中的回采光电耦合开关的输入阳极，动静态回采单元B中的回采光电耦合开关的输入阴 极接地，动静态回采单元B中的回采光电耦合开关的集电极作为三态门的使能端并连接上拉电阻，动静态回采单元B中的回采光电耦合开关的发射极接地。

输出单元B中的输出光电耦合开关的输入阴极端电连接处理单元，输出单元B中的输出光电耦合开关的输入阳极端电连接电源VCC，输出单元B中的输出光电耦合开关的输出集电极端连接地，输出单元B中的输出光电耦合开关的输出发射极端电连接继电器同时电连接动静态回采单元A中的回采光电耦合开关的输入阴极，动静态回采单元A中的回采光电耦合开关的输入阳极接VCC，动静态回采单元A中的回采光电耦合开关发射极作为三态门的使能端并连接下拉电阻，动静态回采单元A中的回采光电耦合开关的集电极电连接地。

当然，在此需强调说明，电路的具体连接是为了形成相应的回路，以便进行信号的检测，比如在处理单元输出信号连接输出单元的输出端时，可通过限流电阻连接光电耦合器的输入阳极或者阴极，在其确定后其另一端的连接也将确定，只需在处理单元输出信号时，输出单元的前端能够产生对应的信号对后端进行控制输出即可。同样的原理，输出单元可选择在发射极或者集电极进行输出，类似的情况在动静态回采单元中也适应，因此，具体电路在此不再赘述。

基于本实施例中轨道交通安全控制电路的控制系统，所述系统包括：基准信号产生单元、处理单元、输出单元、动静态回采单元，其中，所述处理单元包括短时检测脉冲产生模块、输出模块、短时脉冲解码模块和静态解码模块，轨道安全控制系统执行如下步骤：

所述基准信号产生单元产生一个方波信号；

所述短时检测脉冲产生模块在所述方波信号边沿处(上升沿或者下降沿)产生一个持续时间较短的短时检测脉冲；

所述处理模块根据当前需要输出的状态选择在输出信号上耦合相应的短时检测脉冲；

短时脉冲解码模块将动静态回采单元采集的回采信号进行解码，检测回采信号中是否包含短时检测脉冲，以确定输出电路是否发生粘连；

静态解码模块根据所述方波信号对动静态回采单元采集的回采信号进行解码，确认在一个完整的周期内回采信号内包含的短时检测脉冲信号与输出对应的动态脉冲信号是否一致，以确认电路的正常工作。

本实施例仍以一路输出两个通道来说明，

基准信号产生单元的作用是产生占空比为50％的方波信号用于处理单元A和处理单元B进行同步校验以及据此信号产生动态脉冲对输出电路进行检测。该信号的频率不应太高也不应太低，过高导致系统频繁进行同步校验检测，会使系统处理效率降低；频率过低会导致动态脉冲输出检测时间间隔较长，故障反应时间太长。该信号频率应不高于200Hz，不低于10Hz为宜，为防止工频干扰，不应选取工频或者工频倍数的频率值，如国内工频为50Hz，美国工频为60Hz。

本发明的安全控制系统操作过程进行详细说明，具体操作步骤如下：

1、处理单元(处理单元A和/或处理单元B)的短时检测脉冲产生模块根据基准信号产生单元的参考信号产生短时脉冲检测信号；

2、处理单元(处理单元A和/或处理单元B)判断目前需要对外输出的状态(0或者1)；

3、处理单元(处理单元A和/或处理单元B)的输出模块输出耦合了短时脉冲检测信号的逻辑电平信号给输出单元；

4、处理单元(处理单元A和/或处理单元B)的动态脉冲解码模块通过动静 态回采单元(处理单元B和/或处理单元A)采集短时脉冲检测数据；

5、处理单元(处理单元A和/或处理单元B)的静态解码模块通过动静态回采单元(处理单元B和/或处理单元A)采集静态检测数据；

6、处理单元将采集到的动静态检测数据发送给另一处理单元；

7、处理单元(处理单元A和/或处理单元B)比较两个处理单元采集到的检测数据是否与预设的状态一致，一致则进行下一轮操作，不一致则将输出导向安全信号。

本发明的关键在于处理单元，负责短时检测脉冲的生成和回采信号的解码，处理单元内部可分为短时检测脉冲产生模块、输出模块、短时脉冲解码模块和静态解码模块。下面分别对关键的模块进行说明。

短时检测脉冲产生模块：

本模块根据基准信号产生单元的Sref信号产生一个短时检测脉冲。具体方法是：在Sref信号的上升沿或者下降沿时，产生一个持续时间较短的短时检测脉冲。在本实施例中，A通道在Sref信号上升沿的时候产生短时检测脉冲信号，B通道在Sref信号下降沿的时候产生短时检测脉冲信号。短时脉冲检测信号与参考信号Sref之间的相位关系如图2所示。图中T为参考信号周期，Ti为短时检测脉冲信号的持续时间。Ti是一个非常关键的参数，选择不合适的值会导致外部继电器的误动作(比如励磁吸起时失磁落下),Ti一般根据外部实际连接的继电器进行选择，一般应小于1ms。图2中，S1、S2为A通道短时检测脉冲信号；S3、S4为B通道短时检测脉冲信号。

输出模块：

输出模块根据当前需要输出的状态选择在输出信号上耦合相应的检测信号， 在本实施例中，具体的耦合原则是：

若对外输出逻辑“1”，即需要外部继电器励磁吸起，则A通道输出信号需要耦合图2中的S2信号，B通道输出信号需要耦合图2中的S3信号。输出电路正常工作，没有粘连故障发生时，A通道和B通道的输出信号如图3所示。图中OUTA为A通道输出信号，OUTB为B通道输出信号。

若对外输出逻辑“0”，即需要外部继电器失磁落下，则A通道输出信号需要耦合图2中的S1信号，B通道输出信号需要耦合图2中的S4信号。输出电路正常工作，没有粘连故障发生时，A通道和B通的输出信号如图4所示。图中OUTA为A通道输出信号，OUTB为B通道输出信号。

动态脉冲解码模块：

动态脉冲解码模块的作用是对回采信号进行解码，以便处理单元确认输出电路是否发生了粘连故障。

由图1所示电路可知，A通道回采电路检测的是B通道输出电路是否发生粘连，而B通道回采电路检测的是A通道输出电路是否发生粘连。根据图3和图4，A通道应该在参考信号的下降沿时进行短时脉冲检测，B通道应该在参考信号的上升沿时进行短时脉冲检测。

本实施例以A通道为例对动态脉冲解码模块进行详细说明。A通道动态脉冲解码模块如图5所示。处理单元通过输出OUTA信号控制三态门的使能端采集B通道短时脉冲的有无，OUTA信号是带有编码信息的动态脉冲信号，如果处理单元在短时脉冲所处的时间窗口内能够检测到与OUTA相对应的动态脉冲信号，则认为短时脉冲检测通过，否则短时脉冲检测不通过。OUTA信号与B通道输出信号以及参考信号之间的关系如图6所示(B通道输出信号对应对外输 出逻辑“1”)，为了便于说明，图中B通道输出的短时脉冲信号放大。B通道的检测原理与A通道相同，这里不再赘述。此处的检测脉冲可以选择8bit、16bit或者32bit编码信号，还可以在编码信号后面加上CRC校验码。为了防止通道之间相互干扰，也可以对不同的通道采用不同的编码信号。

静态解码模块：

静态解码模块根据参考信号周期的对回采信号进行解码，以便确认输出电路的实际输出是否与预期输出一致。本实施例仍以A通道静态解码模块为例进行说明。回采电路参见图5。处理单元通过输出OUTA信号控制三态门的使能端采集B通道输出信号的有无，OUTA信号是带有编码信息的动态脉冲信号，如果处理单元在一个完整的参考信号周期内能够检测到与OUTA相对应的动态脉冲信号，则认为实际输出与预期输出一致，否则认为实际输出与预期输出不一致。OUTA信号与B通道输出信号以及参考信号之间的关系如图7所示(B通道输出信号对应对外输出逻辑“1”)。B通道的检测原理与A通道相同，这里不再赘述。此处的检测脉冲可以选择8bit、16bit或者32bit编码信号，还可以在编码信号后面加上CRC校验码。为了防止通道之间相互干扰，也可以对不同的通道采用不同的编码方式。静态解码模块的关键之处在于OUTA信号不管采用何种编码方式，每bit编码信号的位宽要远大于短时检测脉冲的宽度(4倍以上)，并且处理单元在进行信号采样时要避开短时检测脉冲时间窗口。

通过在轨道交通控制电路中设置动静态回采单元，使得处理单元可以对输出的结果可以进行回采对比，从而来确定电路的控制，提高整个电路的准确性。通过在方波信号的边沿处(上升沿或者下降沿)设定短时检测脉冲，并将该检测信号耦合至输出控制信号上，再后端利用处理单元该短时检测脉冲信号进行解码检测对比，根据不同解码对比原理，可以对电路的故障检测，确定是继电 器粘连还是电路无法输出，防止故障累积以及错误输出，提高系统安全性，而且电路简单，可靠性高。

需要强调的是，本发明的保护范围包含但不限于上述具体实施方式。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该被视为属于本发明的保护范围。