CN110830013A - 一种具备实时自检功能的安全开关实现电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具备实时自检功能的安全开关实现电路，包括VCU处理单元、驱动单元、MOS开关单元和回采单元，所述的VCU处理单元通过驱动单元与MOS开关单元连接，所述的回采单元与MOS开关单元连接。与现有技术相比，本发明实现了应用在二取二系统中的具备实时自检功能的安全开关电路等优点。
Description
技术领域
本发明涉及铁路通信信号领域，尤其是涉及一种用于用于二取二系统的具备实时自检功能的安全开关实现电路。
背景技术
在铁路通信信号领域，二乘二取二安全架构被行业内广泛认知和运用。所设计SIL4安全等级板卡中存在CUP_A和CPU_B共同处理输入输出信息，常使用的输出故障安全机理有组合式故障和反应式故障。
其中在反应式故障模式下，我们通常需要设计安全执行单元，例如安全开关。安全开关通过控制通路的打开和关闭实现信号切断和连通。同时我们又需要对安全开关进行自检，确保安全开关保持健康状态，不存在切换动作异常。
要设计实现这样的安全开关，应用于二取二安全系统，是实现反应式故障关键的组成部分。安全开关需要满足A/B系共同控制，不存在单系就打开安全开关动作；安全开关需要满足对开关管定时/实时自检，保持安全开关管检测；安全开关管的控制信号需要具备安全性/可靠性，不误触发，不相互干扰，满足一定相应时间。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具备实时自检功能的安全开关实现电路。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具备实时自检功能的安全开关实现电路，包括VCU处理单元、驱动单元、MOS开关单元和回采单元，所述的VCU处理单元通过驱动单元与MOS开关单元连接，所述的回采单元与MOS开关单元连接。
优选地，所述的VCU处理单元为双CPU结构，包括相互热备冗余的CPU_A和CPU_B；
所述的VCU处理单元采用双CPU控制切断MOS开关单元，任何一系主动切断MOS开关单元，MOS开关单元切换至断开状态。
优选地，所述的VCU处理单元双系同时输出闭合控制指令，MOS开关单元才能处于闭合状态。
优选地，所述的驱动单元包括PWM方波信号输入接口、开关电平信号输入接口和负电压单元电路，所述的PWM方波信号输入接口通过负电压单元电路与MOS开关单元连接，所述的开关电平信号输入接口直接与MOS开关单元连接。
优选地，所述的负电压单元电路包括目标电容C1、第一二极管、第二二极管、第一电阻和第一电容，所述的PWM方波信号输入接口依次通过第一电阻和第一电容后分别与第一二极管的负极和第二二极管的正极连接，所述的第一二极管的正极和第二二极管的负极分别与目标电容C1连接。
优选地，所述的MOS开关单元包括由CPU_A控制的两个MOS管K1和K2、以及由CPU_B控制的两个MOS管K3和K4。
优选地，所述的MOS管K1和K2为互为冗余关系的MOS管，所述的MOS管K3和K4为互为冗余关系的MOS管。
优选地，所述的开关电平信号输入接口设有两个，分别为TC1和TC2，所述的TC1、第一二极管的正极分别与MOS开关单元K1的发射极连接，所述的TC2和第二二极管的负极分别与MOS开关单元K2的发射极连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明实现了应用在二取二系统中的具备实时自检功能的安全开关电路。即在不关断安全开关的条件下，实现单个MOS管开关自检。
2)采用了PWM方波作为开关控制信号，增强了抗干扰能力，防止误触发。
3)本发明中使用简单器件组合完成功能，有效降低设计成本。
4)本发明具备实时自检功能，检测单个MOS管健康状态。采用了PWM方波方式产生负电压方式，开启安全开关有效增强了抗干扰能力。为二取二系统提供了新的一种解决方案，丰富了安全开关电路设计。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明负电压单元电路的电路图；
图3为本发明MOS开关电路的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明以双CPU处理器的VCU板卡作为核心处理单元，并创新设计了安全开关驱动模块、安全开关管模块、状态回采模块，主要用于控制实现C1、C6信号安全切断，实现安全开关自检，保持开关管健康监测。安全开关基本实现结构，如图1所示。
安全开关基本结构主要包括VCU处理单元、驱动单元、MOS开关单元、回采单元。本方案适用于双CPU系统控制，单系给出PWM方波信号控制对应MOS管打开。同时单系也可以使用单一TC信号进行单一MOS管开关控制，并通过回采单元回读MOS管开关状态。
(1)VCU处理单元，采用双CPU控制切断安全开关，任何一系主动切断安全开关，安全开关切换至断开状态。双系同时输出闭合控制指令，安全开关才能处于闭合状态。
(2)驱动单元，采用PWM方波信号输入，在负电压单元中对目标电容C1进行充放电，形成负电压驱动三极管打开，使得Vgs<Vt打开MOS管。当PWM方波消失，目标电容C1变为零电压，使得三极管关闭，使得Vgs＝0关闭MOS管。同时TC1、TC2为分别为MOS管K1、K2的开关电平信号控制，能够独立打开和关闭三极管，实现对单个MOS管进行开关自检，如图2所示。
负电压单元电路工作原理：当接收到PWM方波时，电平为‘1’时，RC顺着L1支路充电；电平为‘0’时，RC顺着L2支路放电。经过L1、L2两个过程，实现对目标电容C1进行充放电产生负电压Vf。
TC信号自检原理：在5V系统中，Vf约为-2.5V。当TC1/TC2＝0V时，在三极管发射级产生-1.25V，从而实现打开三极管，即打开MOS管。当TC1/TC2＝5V时，在三极管发射级产生1.25V，从而实现关闭三极管，即关闭MOS管。
(3)MOS开关单元，由CPU_A控制K1/K2两个MOS管，CPU_B控制K3/K4两个MOS管。K1/K2构成互为冗余关系，K3/K4构成互为冗余关系。该结构能够在整个安全开关导通过程中，实现对单个MOS的开关自检，而不干扰到系统正常运作。
(4)回采单元，由光耦器件对B1/B2/B3/B4进行电压回采，并将采集电压信号回馈给VCU单元。每个采集点处串接二极管，防止旁路电压影响误采集。即当K1关闭、K2打开时，如果没有二极管，则B1处回采值会受到K2打开影响，导致回采电压异常。
本发明实现了应用在二取二系统中安全开关电路，并且具备实时自检功能，检测单个MOS管健康状态。采用了PWM方波方式产生负电压方式，开启安全开关有效增强了抗干扰能力。同时使用简单器件组合电路，有效降低设计成本。为二取二系统提供了新的一种解决方案，丰富了安全开关电路设计。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种具备实时自检功能的安全开关实现电路，其特征在于，包括VCU处理单元、驱动单元、MOS开关单元和回采单元，所述的VCU处理单元通过驱动单元与MOS开关单元连接，所述的回采单元与MOS开关单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种具备实时自检功能的安全开关实现电路，其特征在于，所述的VCU处理单元为双CPU结构，包括相互热备冗余的CPU_A和CPU_B；
所述的VCU处理单元采用双CPU控制切断MOS开关单元，任何一系主动切断MOS开关单元，MOS开关单元切换至断开状态。
3.根据权利要求2所述的一种具备实时自检功能的安全开关实现电路，其特征在于，所述的VCU处理单元双系同时输出闭合控制指令，MOS开关单元才能处于闭合状态。
4.根据权利要求2所述的一种具备实时自检功能的安全开关实现电路，其特征在于，所述的驱动单元包括PWM方波信号输入接口、开关电平信号输入接口和负电压单元电路，所述的PWM方波信号输入接口通过负电压单元电路与MOS开关单元连接，所述的开关电平信号输入接口直接与MOS开关单元连接。
5.根据权利要求4所述的一种具备实时自检功能的安全开关实现电路，其特征在于，所述的负电压单元电路包括目标电容C1、第一二极管、第二二极管、第一电阻和第一电容，所述的PWM方波信号输入接口依次通过第一电阻和第一电容后分别与第一二极管的负极和第二二极管的正极连接，所述的第一二极管的正极和第二二极管的负极分别与目标电容C1连接。
6.根据权利要求5所述的一种具备实时自检功能的安全开关实现电路，其特征在于，所述的MOS开关单元包括由CPU_A控制的两个MOS管K1和K2、以及由CPU_B控制的两个MOS管K3和K4。
7.根据权利要求6所述的一种具备实时自检功能的安全开关实现电路，其特征在于，所述的MOS管K1和K2为互为冗余关系的MOS管，所述的MOS管K3和K4为互为冗余关系的MOS管。
8.根据权利要求7所述的一种具备实时自检功能的安全开关实现电路，其特征在于，所述的开关电平信号输入接口设有两个，分别为TC1和TC2，所述的TC1、第一二极管的正极分别与MOS开关单元K1的发射极连接，所述的TC2和第二二极管的负极分别与MOS开关单元K2的发射极连接。
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