申请/专利权人：中车大连机车研究所有限公司

申请日：2017-10-13

公开（公告）日：2021-07-13

公开（公告）号：CN107809269B

主分类号：H04B3/54(20060101)

分类号：H04B3/54(20060101);H04B3/02(20060101);H04L12/771(20130101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.07.13#授权;2018.04.10#实质审查的生效;2018.03.16#公开

摘要：本发明公开了一种一种基于Lonworks网络及电力线载波技术的机车重联路由器及实现方法，是为了满足基于LonWorks网络的不同通信媒介之间重联数据的交互，尤其是双绞线与电力线两种媒介之间的数据传输。包括双绞线接口、电力线接口、电源转换模块、双绞线模块、电力线模块及输入输出模块；本发明的有益效果是：操作简单、设备空间小，数据传输安全可靠。

主权项：1.基于LonWorks网络及电力线载波技术的机车重联路由器，其特征在于：主要组成模块包括双绞线接口、电源转换模块、双绞线模块、电力线模块、输入输出模块及电力线接口，用于实现双绞线与电力线两种不同通信媒介之间的数据交互，所述的双绞线接口通过外部双绞线线缆连接至机车A端的司机显示单元，并接收司机显示单元发出的重联信号，所述的司机显示单元内置CAN与LonWorks网络的转换板卡；所述的电源转换模块从双绞线接口处获取电能，并经内部电压转换芯片将输入的电能经过降压电路后为内部芯片供电；所述的双绞线模块一端连接双绞线接口，另一端连接输入输出模块，双绞线模块通过端子J100引入双绞线接口信号，所述的双绞线模块接收双绞线接口信号并进行信号处理；所述的输入输出模块实现双绞线与电力线两种不同介质间数据的交互及缓存，输入输出模块组成双绞线模块与电力线模块之间的并行通信接口；所述的电力线模块一端连接输入输出模块，另一端连接电力线接口；所述的电力线模块实现将接收的信号转换为电力线端信号并将数据加载到电力线上；所述的电力线接口连接机车内部已有的电力线缆，用于实现信号载波传输，机车A端重联路由器输出的信号连接至机车B端重联路由器电力线接口端，经路由器的介质转换后，由双绞线接口连接至机车B端司机显示单元，由司机显示单元接收并显示重联信号，所述的司机显示单元同样内置CAN与LonWorks网络的转换板卡，所述电力线模块基于机车已有线缆,用于实现A波段或C波段两种不同波段的载波数据传输，实现A波段通信时神经元芯片U200的34引脚XIN与35引脚XOUT间的晶振值为6.5536MHz；实现C波段通信时两引脚间的晶振值为10MHz，包括收发驱动电路、切换电路、电力线芯片主电路、指示灯电路及存储器芯片电路，所述电力线芯片U200为Echelon公司PL3150芯片，可在不同载波频段运行，通过切换电路选择不同的驱动及耦合电路实现不同波段的数据传输；所述主电路配置变压器为TR200，用于隔离低频率交流电源信号，所述切换电路可切换选择不同收发驱动电路，电路设计上采用偏差对比方式，可动态自动调整。

全文数据：基于LonWorks网络及电力线载波技术的机车重联路由器及实现方法技术领域[0001]本发明涉及机车重联数据传输技术，特别涉及一种基于LonWorks网络及电力线载波技术的机车重联路由器，可实现双绞线与电力线两种不同通信媒介间的机车数据重联。背景技术[0002]随着铁路技术的发展，铁路重载等现象已经非常普遍。由于单节机车的牵引功率有限，载重量有限，因此重载运行时多由多节机车重联运行以提高机车牵引功率。以两节机车重联为例，重联时一节为主控机车，另一节为从控机车，主控机车通过网关或重联路由器等装置将重联信号发送给其他从控机车，从而实现机车的整体控制。[0003]目前国内和谐型机车种类繁多，包括电力机车如HXD1、HXD2、XHD2B等其使用的机车现场总线以MVB和FIP总线为主。内燃机车则多以CAN、RS485等传统现场总线为主。由于所设计的机车司机显示单元对外接口为双绞线式的LonWorks网络，因此设计了使用双绞线输入的重联路由器，而采用电力线作为两节车之间重联信号的传输载体，可以减少车上网络布线，降低成本的同时也减少了安全隐患。目前国内机车上使用LonWorks网络技术的机车型号不多，用该网络实现的机车重联路由器也很少，希望能够实现基于两种不同传输媒介的机车重联信息传输用路由器。发明内容[0004]本发明提供一种基于Lonworks网络及电力线载波技术的机车重联路由器及实现方法，是为了满足基于LonWorks网络的不同通信媒介之间重联数据的交互，尤其是双绞线与电力线两种媒介之间的数据传输。[0005]本发明所采用的技术方案是基于LonWorks网络及电力线载波技术的机车重联路由器，包括双绞线接口、电源转换模块、双绞线模块、电力线模块、输入输出模块及电力线接口，用于实现双绞线与电力线两种不同通信媒介之间的数据传输，所述的双绞线接口通过外部双绞线^缆连接至机车A端的司机显示单元，并接收司机显示单元发出的重联信号，所述的司机显示单元内置CAN与LonWorks网络的转换板卡;所述的电源转换模块从双绞线接口处获取电能，并经内部电压转换芯片将输入的电能经过降压电路后为内部芯片供电；所述的双绞线模块接收双绞线接口信号并进行信号处理;所述的输入输出模块实现双绞线与电力种不同介质间数据的交互及缓存;所述的电力线模块实现将接收的信号转换$电力线^信号并将数据加载到电力线上;所述的电力线接口连接机车内部已有的电力线缆，用于实^信号载波传输，机车六端重联路由器输出的信号连接至机车B端重联路由器电士，接口端，经路由^的介质转换后，由双绞线接口连接至机车B端司机显示单元，由司机显不单元接收并显示重联信号，所述的司机显示单元同样内置CAri^L〇nW〇rks网络的转换板卡。[0006]所述的双绞线接口输入的电能信号范围为DC15V±20%，其接口信号为自由拓扑收发器A、B节点信号。[0007]所述的双绞线模块与电力线模块中均设有LonWorks神经元芯片，使用LonMaker及NodeBuilder工具对双绞线处理芯片及电力线处理芯片进行配置。[0008]所述电源转换模块从双绞线接口处获取电能，电源转换模块通过U301、U302稳压芯片输出DC5V电源，为内部芯片提供电能，所述电源转换模块由浪涌电流限制器F301、F302,压敏电阻RZ30URZ302及稳压管D302、D307器件实现电源反接保护、过压保护及过流保护功能。[0009]所述双绞线模块包括双绞线芯片U100、存储器、配套的变压器U102、晶振电路及复位电路，所述晶振电路选用l〇MHz20PPM的晶振Y100,所述复位电路采用Maxim的DS1233芯片，用于检测电源异常，支持自动复位及手动复位两种复位方式;所述双绞线模块接收双绞线接口输入的信号，由D102、D103二极管组对输入信号进行强位保护，用于保证变压器U102的输入信号不超过规定的范围，变压处理后的信号连接到双绞线芯片U100的28、29管脚，经芯片内部处理，通过A0〜A15的地址位、D0〜D7的数据信号位及RW读写信号完成数据存储操作，还可通过100〜1010输出至输入输出模块。[0010]所述双绞线模块30引脚C0MM_ACTIVE信号用于监视当前线路发送和接收的活动状态，通过U104的TCL372器件组成的驱动放大电路及D123、D124指示灯来指示当前线路运行状态。[0011]所述电力线模块基于机车已有线缆，用于实现A波段或C波段两种不同波段的载波数据传输，包括收发驱动电路、切换电路、电力线芯片主电路、指示灯电路及存储器芯片电路，所述电力线芯片U200为Echelon公司PL3150芯片，用于实现数据处理;所述主电路配置变压器为TR200，用于隔离低频交流信号，所述切换电路可切换选择不同收发驱动电路，电路设计上采用偏差对比方式，可动态自动调整。[0012]—种基于LonWorks网络及电力线载波技术的机车重联路由器的实现方法，方法步骤包括：[0013]步骤一:机车A侧双绞线端接收接口信息，信息由司机显示单元通过内置LonWorks板卡发送；[0014]步骤二:数据处理，对特定规则的数据进行过滤并转发指定域中收到的有效报文，同时还为指定的域建立路由转发表；[0015]步骤三:处理后的数据存入输出缓存；[0016]步骤四:输出缓存中的数据经输入输出模块转发；[0017]步骤五:电力线端从输入输出模块按一定的频率接收数据至输入缓存；[0018]步骤六:电力线端转发数据，并将携带地址信息的数据发送到电力载波线上；[0019]步骤七:重联路由器的数据经电力线载波传输至机车B侧的电力线接口；[0020]步骤八:电力线端接收数据；[0021]步骤九：电力线端对数据进行处理，接收有效报文，同时依据数据协议更新路由转发表；[0022]步骤十:处理后的数据存入输出缓存；[0023]步骤十一:输出缓存中的数据经输入输出模块转发；[0024]步li十二:双绞线端从输入输出模块按一定的频率接收数据至输入缓存；[0025]步骤十三:双绞线端转发数据至双绞线链路上，机车B侧司机显示单元通过内置LonWorks板卡接收数据。[0026]本发明的有益效果是:操作简单、设备空间小，数据传输安全可靠，具体特征如下：[0027]1重联路由器实现从双绞线到电力线两种不同通信媒介的重联数据传输。[0028]2重联路由器的不同传输介质所使用的LonWorks神经元芯片也不同，但各芯片内已集成了通信协议固件，遵循LonTalk规则，在合理配置外围电路参数的情况下可保证通信的高可靠性。[0029]3重联路由器内的电源转换模块的输入电源源自双绞线接口中提供的电源信号，从而减少电源处理电路的设计，减少因电源原因导致的各种问题。[0030]⑷重联路由器的双绞线模块复位电路采用Maxim的DS1233芯片，当检测到电源异常时可自动复位，同时支持手动复位。[0031]5重联路由器的双绞线模块中U100芯片输出引脚的COMM_ACTIVE引脚用于监视当前线路发送和接收的活动状态，经U104芯片TLC372等驱动指示灯D123、D124,显示活动状态，通过观察操作面板上的指示灯状态可查看通信线路是否异常。[0032]6重联路由器的电力线模块中传输介质使用机车控制信号线，从而减少机车布线，降低成本。[0033]7重联路由器的电力线模块选用PL3150芯片可在不同载波频段运行，通过切换电路选择不同的驱动及耦合电路实现不同波段的数据传输。[0034]8重联路由器的电力线模块中不同波段数据传输时，为减少信号衰减及降低干扰，对收发驱动电路的要求较高，电路设计上采用偏差对比方式，动态自动调整，保证参数配置更合理，同时电路板布局布线时也充分考虑信号衰减等问题。[0035]9路由器的软件运行不需要人工干预，通过路由表管理可自动实现不同数据域上的数据传输，并且能够自动捕捉数据域内的数据。路由器采用配置工作方式，在NodeBuilder环境下采用NeuronC语言编程。附图说明[0036]图1是两节车重联时的接线示意图。[0037]图2是本发明电路基本结构框图。[0038]图3是本发明电源转换模块电路原理图。[0039]图4是本发明双绞线模块电路原理图。[0040]图5是本发明双绞线模块中数据接收发送状态显示电路原理图。[0041]图6是本发明电力线模块结构框图。[0042]图7是本发明电力线模块电路原理图。[0043]图8是本发明软件功能框图。[0044]图9是本发明软件设计流程图。具体实施方式[0045]现结合说明书附图对发明做进一步的说明，本发明的主要功能是用于实现两节车之间的重联连接，完成从双绞线到电力线两种不同通信媒介的网络连接。两节机车重联时的接线示意图见图1，本车机车A重联路由器位于司机操作台下方，一端通过双绞线与车载司机显示单元连接，另一端通过电力线与他车机车B的重联路由器的电力线端，同时他车重联路由器的另一端通过双绞线接到他车的司机显示单元，从而通过两节车的司机显示单元及相关线路可以传输重联信息，并能通过司机显示单元显示相关内容。[0046]图2为本发明装置的基本结构框图，包括电源转换模块、双绞线模块、电力线模块、输入输出模块及双绞线接口和电力线接口六个部分组成。所述的双绞线接口及电力线接口为对外接口；所述的电源转换模块从双绞线接口处获取电能，并经过降压电路后为内部芯片供电;所述的双绞线模块一端连接双绞线接口，另一端连接输入输出模块;所述的电力线模块一端连接输入输出模块，另一端连接电力线接口；输入输出模块组成双绞线模块与电力线模块之间的并行通信接口。[0047]在实施时，选用Echelon公司FT3150总线控制芯片作为双绞线收发处理芯片，选用Echelon公司PL3150总线控制芯片作为电力线收发处理芯片。LonWorks神经元芯片内已经集成了通信协议固件等，遵循的LonTalk规则具有检测应答、自动重发、请求响应等功能，保证了通信的高可靠性。双绞线接口信号包含DC15V电源信号及自由拓扑收发器A、B节点信号，电源转换模块中的输入电源源自双绞线接口中提供的电源信号，从而减少电源转换电路，加上合理的安排双绞线模块及电力线模块的大小，可大大缩小路由器的体积。如图3所示的电源转换模块从双绞线接口处获取电能，输入电压范围为DC15V±20%，电源转换模块通过U3〇l、U302稳压芯片得到DC5V电源，为内部芯片提供电能。电源转换模块中由浪涌电流限制器F：301、F302,压敏电阻RZ301、RZ3〇2及稳压管D302、D307等实现电源的反接保护、过压保护和过流保护功能。[0048]图4所示的双绞线模块，其一端连接双绞线接口，另一端连接输入输出模块，实现双绞线接口传输数据的收发。模块内各芯片的供电电源由电源转换模块提供。信号的输出通过NEU_I00〜NEU_I010的并行端口至输入输出模块，并连接到电力线模块。双绞线模块除U100的神经元芯片之外，还包括存储配置文件的存储芯片及通信变压器U102。双绞线模块通过端子J100引入双绞线接口信号含电源信号及通信信号），通过D102、D103二极管对输入进行强位保护，保证变压器的输入信号不超过规定的范围。输入的两路信号NETA、NETB经通信变压器U102后输入给双绞线收发处理芯片U100的T2、T1引脚。信号的转换工作在U100双绞线收发处理芯片内完成，其输出信号一路通过读写操作由NEU_A0〜NEU_A15的地址选择及NEU_D0〜NEU_D7八位数字信息保存在外部存储芯片内，另一路通过NEILIO0〜NEU_I010与输入输出模块连接并转接到电力线模块。变压器的选择与芯片相对应，本例中的变压器选择FT-X1型变压器，具体连接为输入信号的NETA接到变压器的NETA引脚，NETB接到变压器的NETB引脚，经变压调节后的T1输出接到双绞线收发处理芯片的T1引脚，变压调节后的T2输出接到收发处理芯片的T2引脚。双绞线模块晶振电路选用i〇MHz20PPM的晶振Y100。复位电路采用Maxim的DS1233芯片，当检测到电源异常时可自动复位，同时支持手动复位。[0049]图5所示的双绞线模块中数据接收-发送状态显示电路，经双绞线收发处理芯片的30引脚输出的NEU_FT_CA信号用来监视当前线路发送和接收的活动状态，经U104芯片TLC372等驱动指示灯D123、D124,显示活动状态，通过观察操作面板上的指示灯状态可查看通信线路是否异常。[0050]图6给出了电力线模块的结构框图，其包括收发驱动电路、切换电路、电力线芯片主电路、指示灯电路及存储器芯片电路等。电力模块的频段需求不同其收发驱动电路参数配置也不相同。在C波段运行时主频135kHz;在A波段运行时主频86kHz，实现A波段通信时神经元芯片U200的34引脚XIN与35引脚XOUT间的晶振值为6•5536MHz;实现C波段通信时两引脚间的晶振值为10MHz。本发明中通过切换电路实现不同电路的接入，从而实现不同波段的传输要求。不同波段数据传输时，为减少信号衰减及降低干扰，对收发驱动电路的要求比较高，电路设计上采用偏差对比方式，动态自动调整，保证参数配置更合理，同时电路板布局布线时也充分考虑信号衰减等问题。[0051]电力线模块一端连接输入输出模块，另一端连接电力线接口，实现电力线数据的收发。本例中以其中一种载波电路为例加以说明，图7所示的电力线模块由电力线收发处理芯片U200、外部存储器、收发驱动电路等组成。收发驱动电路主要实现输入信号过滤及AD转换功能，通过功率放大器驱动U200芯片上31引脚的TXDAC信号并将其传输到电力线上。TX0UT信号经由0237、0238、0207、0208、1202及变压器等组成的耦合电路后输出11邢、NEUTRAL信号，通过J2〇l连接至电力线接口。从J201接收的输入信号经耦合电路之后由RXIN接入芯片的2〇引脚，经芯片内部数据处理后通过并口输出。耦合电路可隔离低频率交流电源信号，并具有线路浪涌及瞬态保护功能。[0052]本实例的软件设计使用LonMaker及NodeBuilder工具对双绞线处理芯片及电力线处理芯片进行配置，按照特定的规则对数据进行过滤，限定数据收发的域，并为每个芯片的域自动动态建立路由转发表。[0053]本实例的工作程序是:从主控车传输过来的重联信号发送到双绞链路上，经双绞线接口接入路由器后，经消息处理模块完成数据处理，处理时需要结合双绞线路由表的配置管理配置数据范围，处理后的数据由并口缓冲并通过并口传输模块发送给电力线模块。电力线模块从并口传输模块接收双绞线模块发送过来的数据，经并口缓冲之后由电力线侧消息处理模块结合其路由配置表完成数据转换，再由电力线接口连接到电力链路，电力链路上的数据传输到从控车上的路由器。从控车上的路由器从电力链路接收数据，经电力线模块中的消息处理模块处理后，通过并口传输模块发送到双绞线模块，再由双绞线模块中的数据缓冲及处理后由双绞线接口发送到双绞链路上，从控车的司机显示单元读取并显示双绞链路上的数据，从而实现重联数据的传输。其中消息处理模块是软件设计的关键，主要用于实现消息类型的判断、配置消息的执行、消息的路由判断及转发工作等。具体流程见图8、图9的描述。其方法步骤为：[0054]步骤一:双绞线端接收接口信息，信息由机车A侧司机显示单元通过内置LonWorks板卡发送；[0055]i步骤二:双绞线端进行数据处理，对特定规则的数据进行过滤并转发指定域中收到的有效报文，同时还为指定的域建立路由转发表。[0056]步骤三:处理后的数据存入输出缓存；[0057]步骤四:输出缓存中的数据经输入输出模块转发；[0058]步骤五:电力线端从输入输出模块按一定的频率接收数据至输入缓存；[0059]步骤六:电力线端转发数据，并将携带地址信息的数据发送到电力载波线上；[0060]步骤七:重联路由器的数据经电力线载波传输至机车B的电力线接口；[0061]步骤八：电力线端接收数据；[0062]步骤九：电力线端对数据进行处理，接收有效报文，同时依据数据协议更新路由转发表；[0063]步骤十：处理后的数据存入输出缓存；[[=]]中，据经输入输出模块转发；[0066]步骤十三:双输出模块按-定的频報收数据至输入缓存；LonWorks板卡接收数据。—铜转发数据至双绞线链路上，机车B侧司机显示单元通过内置

权利要求：1.基于LonWorks网络及电力线载波技术的机车重联路由器，其特征在于:包括双绞线接口、电源转换模块、双绞线模块、电力线模块、输入输出模块及电力线接口，用于实现双绞线与电力线两种不同通信媒介之间的数据传输，所述的双绞线接口通过外部双绞线线缆连接至机车A端的司机显示单元，并接收司机显示单元发出的重联信号，所述的司机显示单元内置CAN与LonWorks网络的转换板卡;所述的电源转换模块从双绞线接口处获取电能，并经内部电压转换芯片将输入的电能经过降压电路后为内部芯片供电;所述的双绞线模块接收双绞线接口信号并进行信号处理;所述的输入输出模块实现双绞线与电力线两种不同介质间数据的交互及缓存;所述的电力线模块实现将接收的信号转换为电力线端信号并将数据加载到电力线上;所述的电力线接口连接机车内部己有的电力线缆，用于实现信号载波传输，机车A端重联路由器输出的信号连接至机车B端重联路由器电力线接口端，经路由器的介质转换后，由双绞线接口连接至机车B端司机显示单元，由司机显示单元接收并显示重联信号，所述的司机显示单元同样内置CAN与LonWorks网络的转换板卡。2.根据权利要求1所述的基于LonWorks网络及电力线载波技术的机车重联路由器，其特征在于:所述的双绞线接口输入的电能信号范围为DC15V±20%，其接口信号为自由拓扑收发器A、B节点信号。3.根据权利要求1所述的基于LonWorks网络及电力线载波技术的机车重联路由器，其特征在于:所述的双绞线模块与电力线模块中均设有LonWorks神经元芯片，使用LonMaker及NodeBuilder工具对双绞线处理芯片及电力线处理芯片进行配置。4.根据权利要求1所述的基于LonWorks网络及电力线载波技术的机车重联路由器，其特征在于:所述电源转换模块从双绞线接口处获取电能，电源转换模块通过U301、U302稳压芯片输出DC5V电源，为内部芯片提供电能，所述电源转换模块由浪涌电流限制器F301、F302,压敏电阻RZ301、RZ302及稳压管D302、D307器件实现电源反接保护、过压保护及过流保护功能。5.根据权利要求1所述的基于LonWorks网络及电力线载波技术的机车重联路由器，其特征在于:所述双绞线模块包括双绞线芯片U100、存储器、配套的变压器U102、晶振电路及复位电路，所述晶振电路选用1MHz20PPM的晶振Y100，所述复位电路采用Maxim的DS1233芯片，用于检测电源异常，支持自动复位及手动复位两种复位方式;所述双绞线模块接收双绞线接口输入的信号，由D102、D103二极管组对输入信号进行强位保护，用于保证变压器U102的输入信号不超过规定的范围，变压处理后的信号连接到双绞线芯片U100的28、29管脚，经芯片内部处理，通过A0〜A15的地址位、D0〜D7的数据信号位及RW读写信号完成数据存储操作，还可通过100〜1010输出至输入输出模块。6.根据权利要求1所述的基于LonWorks网络及电力线载波技术的机车重联路由器，其特征在于：所述双绞线模块30引脚C0MM_ACTIVE信号用于监视当前线路发送和接收的活动状态，通过U104的TCL372器件组成的驱动放大电路及D123、D124指示灯来指示当前线路运行状态。7.根据权利要求1所述的基于LonWorks网络及电力线载波技术的机车重联路由器，其特征在于:所述电力线模块基于机车已有线缆，用于实现A波段或C波段两种不同波段的载波数据传输，包括收发驱动电路、切换电路、电力线芯片主电路、指示灯电路及存储器芯片电路，所述电力线芯片U200为Echelon公司PL：3150芯片，用于实现数据处理;所述主电路配置变压器为TR200，用于隔离低频交流信号，所述切换电路可切换选择不同收发驱动电路，电路设计上采用偏差对比方式，可动态自动调整。8.—种基于LonWorks网络及电力线载波技术的机车重联路由器的实现方法，其特征在于:方法步骤包括：步骤一:机车A侧双绞线端接收接口信息，信息由司机显示单元通过内置LonWorks板卡发送；步骤二:数据处理，对特定规则的数据进行过滤并转发指定域中收到的有效报文，同时还为指定的域建立路由转发表；步骤三:处理后的数据存入输出缓存；步骤四:输出缓存中的数据经输入输出模块转发；步骤五:电力线端从输入输出模块按一定的频率接收数据至输入缓存；步骤六:电力线端转发数据，并将携带地址信息的数据发送到电力载波线上；步骤七:重联路由器的数据经电力线载波传输至机车3侧的电力线接口；步骤八:电力线端接收数据；步骤九：电力线端对数据进行处理，接收有效报文，同时依据数据协议更新路由转发表；步骤十:处理后的数据存入输出缓存；步骤十一:输出缓存中的数据经输入输出模块转发；步骤十i双绞线端从输入输出模块按—定的频率接收数据至输入缓存；步骤十三：双绞线端转发数据至双绞线链路上，机车B侧司机显示单元通过内置LonWorks板卡接收数据。’

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