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用于从 铁路车辆中的 现场总线 访问数据的 电缆组件

阅读：654发布：2020-05-11

专利汇可以提供用于从铁路车辆中的现场总线访问数据的电缆组件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且电缆组件(1)，用于为数据采集系统(2)提供在铁路车辆(10)的现场总线 (3)上传递的数据消息(300)，所述电缆组件(1)包括：-数据监听器(101)，其适于监听在所述现场总线(3)上传递的所述数据消息(300)；-数据发送器(102)，其适于将所述数据消息(300)发送至所述数据采集系统(2)；-隔离模块 (103)，其适于将所述数据发送器(102)与所述数据监听器(101) 电隔离以及将所述数据发送器与所述现场总线(3)电隔离，从而将所述数据采集系统(2)与所述现场总线(3)电隔离，使得所述数据采集系统(2)被所述隔离模块(103)限制为仅监听在所述现场总线(3)上传递的所述数据消息(300)。，下面是用于从铁路车辆中的现场总线访问数据的电缆组件专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种电缆组件(1)，所述电缆组件用于为数据采集系统(2)提供在铁路车辆(10)的现场总线(3)上传递的数据消息(300)，所述电缆组件(1)包括：
-数据监听器(101)，所述数据监听器适于监听在所述现场总线(3)上传递的所述数据消息(300)；
-数据发送器(102)，所述数据发送器适于将所述数据消息(300)发送至所述数据采集系统(2)；以及
-隔离模块(103)，所述隔离模块适于将所述数据发送器(102)与所述数据监听器(101)电隔离以及将所述数据发送器与所述现场总线(3)电隔离，从而将所述数据采集系统(2)与所述现场总线(3)电隔离，使得所述数据采集系统(2)被所述隔离模块(103)限制为仅监听在所述现场总线(3)上传递的所述数据消息(300)。
2.根据权利要求1所述的电缆组件(1)，其中，所述隔离模块(103)还适于将所述数据发送器(102)与所述数据监听器(101)电隔离以及将所述数据发送器与所述现场总线(3)电隔离，使得所述隔离模块(103)防止所述数据发送器(102)向所述现场总线(3)发送消息，从而防止所述数据采集系统(2)向所述现场总线(3)发送消息。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的电缆组件(1)，其中，所述现场总线(3)是包括以下协议中的一者的多功能车辆总线和/或车辆现场总线：
-工厂仪表协议或FIP或WorldFIP；
-Profibus；
-Profinet；
-LonWorks；
-控制器区域网络或CANopen；
-SAE J1708；
-SAE J1939；
-MODBUS；
-绞线式列车总线或WTB。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的电缆组件(1)，其中，所述隔离模块(103)电插入在所述数据监听器(101)与所述数据发送器(102)之间，从而将所述数据发送器(102)与所述数据监听器(101)电隔离以及将所述数据发送器与所述现场总线(3)电隔离。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的电缆组件(1)，其中，所述电缆组件(1)还适于隐蔽地监听在所述现场总线(3)上传递的所述数据消息(300)，从而允许所述数据消息(300)在所述现场总线(3)上传递。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的电缆组件(1)，其中：
-所述现场总线(3)包括两条数据消息线(31；32)，所述两条数据消息线(31；32)都适于承载冗余差分信号(302)；以及
-所述数据监听器(101)仅监听仅来自所述数据消息线(31；32)中的一条数据消息线的所述冗余差分信号(302)。
7.根据权利要求6所述的电缆组件(1)，其中，所述数据监听器(101)不监听来自另一条数据消息线(32；31)的所述冗余差分信号(302)，使得所述现场总线(3)的所述另一条数据消息线(32；31)上的所述冗余差分信号(302)不被所述电缆组件(1)监听。
8.根据权利要求6所述的电缆组件(1)，其中，所述数据监听器(101)还适于将所述冗余差分信号(302)转换为TTL信号(303)，并且适于将所述TTL信号(303)发送至所述隔离模块(103)，所述隔离模块适于将所述TTL信号(303)发送至所述数据发送器(102)。
9.根据权利要求8所述的电缆组件(1)，其中，所述数据发送器(102)还适于将所述TTL信号(303)转换为差分信号(304)，并且适于将所述差分信号(304)发送至所述数据采集系统(2)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的电缆组件(1)，其中，所述隔离模块(103)是电流隔离模块。
11.根据权利要求10所述的电缆组件(1)，其中，所述电流隔离模块包括接地隔离单元(104)，所述接地隔离单元适于接入所述两条数据消息线(31；32)的接地(33)；并且其中，所述数据监听器(101)还适于根据所述接地(33)将所述冗余差分信号(302)接地。
12.根据权利要求11所述的电缆组件(1)，其中，所述电缆组件(1)还包括功率输入滤波器(105)。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的电缆组件(1)，其中，所述数据发送器(102)包括大于50k欧姆的输入阻抗。
14.一种用于为数据采集系统(2)提供在铁路车辆(10)的现场总线(3)上传递的数据消息(300)的方法，所述方法包括以下步骤：
-监听在所述现场总线(3)上传递的所述数据消息(300)；
-向所述数据采集系统(2)发送所述数据消息(300)；以及
-将所述数据采集系统(2)与所述现场总线(3)电隔离，使得所述数据采集系统(2)被所述隔离模块(103)限制为仅监听在所述现场总线(3)上传递的所述数据消息(300)。

说明书全文

用于从铁路车辆中的 现场总线 访问数据的 电缆组件

技术领域

[0001] 本发明总体上涉及对铁路车辆上车载的铁道资产和部件的远程和故障安全监控以及诊断。

背景技术

[0002] 铁道在为世界各地的运输创造可持续发展的未来中发挥着重要作用。铁道运输可以帮助应付气候变化、应对道路拥堵、为国家创造经济增长、促进该国的(再)工业化、并为公民提供流动。铁路车辆是铁道和运输系统中的必不可少的项目，但它也是最复杂的项目之一。术语铁路车辆是指在铁道上行驶的任何车辆。它通常包括动力车辆和无动力车辆，例如火车头、有轨车辆、车厢和货车。从走行装置(running gear)到强度和耐用性、驱动器、制动器、调节和控制系统、再到防火和职业健康与安全，铁路车辆的所有与安全相关的功能必须始终处于完整的工作状态。

[0003] 如今，定期计划对铁道资产和铁路车辆的部件的性能进行监控，以检测和/或预见每个铁道资产和/或部件的可能的失灵和/或故障。例如，由铁路车辆上车载的铁路车辆的处理员单独地和独立地检测每个铁道资产或部件的每个缺陷、损坏或故障。每次确认故障或一系列故障时，都会将铁路车辆带到车间进行深度检查和诊断以及维修。因此，监控和/或诊断车载铁道资产和铁路车辆的部件的性能需要全年在整个铁路车辆上进行临时而重复的固定。带来铁路车辆以进行诊断和维修会增加铁路车辆的停机时间，这在铁道车队的管理方面非常不便。

[0004] 铁道车队管理的另一个问题是操作者和维护者面临着巨大的数据复杂性：每个火车头或有轨车辆包含一套不同的车载设备，这些车载设备可以分别与为铁道车队开发的不同的现场总线通信协议兼容，例如与也称为MVB的多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus)、或也称为FIP的工厂仪表协议(Factory Instrumentation Protocol)、或过程现场总线(Profibus)、或也称为CAN的控制器区域网络(Controller Area Network)兼容。另外，车载设备组从一种火车头或有轨车辆到另一种火车头或有轨车辆各不相同。例如，来自Alstom的火车头Prima包括工厂仪表协议总线(也称为FIP总线)和电池，而来自Stadler的Euro4000火车头包括EMD 发动机、电池、EM 2000和燃料传感器。

[0005] 因此，如今在从铁路车辆访问数据方面仍然存在若干挑战。操作者和维护者依靠多个诊断PC以及专家的可用性来对铁路车辆进行维护。每台诊断PC都具备专业知识，并且适用于监控和诊断火车头或有轨车辆上车载的一个部件。换句话说，对于火车头或有轨车辆中的每种类型的部件，对应不同的诊断PC。这增加了从铁路车辆上车载的设备访问数据的复杂性。此外，这会导致在每台诊断PC上创建本地的且不完整的数据库，这些数据库随后需要由操作者和维护者手动导出，例如经由USB记忆棒等。因此，有关火车头或有轨车辆的状态的详细而可靠的知识首先并不广泛，并且无法共享。因此，无法从铁路车辆访问数据，并且通常为时已晚。实际上，在故障已经发生之后才计划进行专家干预以诊断组件故障的原因。这与对火车头或有轨车辆的驾驶员的实时支持的实现是不相符的。

[0006] 如今，从铁路车辆访问数据还引发了安全隐患。包括铁路车辆的整个系统必须满足按照国家和国际标准和指令的安全要求。由操作者和维护者使用的诊断PC和USB记忆棒对铁路车辆系统构成入侵，并威胁到铁路车辆的安全的完整性。实际上，运行开发用于测试和诊断铁路车辆中的原始设备的软件可以重置装置所耦接的现场总线的配置。因此存在如下风险：从铁路车辆访问数据危及火车头或有轨车辆的安全。

[0007] 本发明的目的是公开一种电缆组件，其克服了现有解决方案的上述缺点。更具体地，本发明的目的是公开一种电缆组件，其允许安全地从铁路车辆访问数据以远程监控和诊断在铁路车辆上车载的装置的性能，从而使铁路车辆的停机时间最小化。

发明内容

[0008] 根据本发明的第一方面，以上定义的目的是通过一种电缆组件来实现的，该电缆组件用于向数据采集系统提供在铁路车辆的现场总线上传递的数据消息，该电缆组件包括：

[0009] -适于监听在现场总线上传递的数据消息的数据监听器；

[0010] -适于将数据消息发送到数据采集系统的数据发送器；以及

[0011] -隔离模块，适于将数据发送器与数据监听器电隔离以及将数据发送器与现场总线电隔离，从而将数据采集系统与现场总线电隔离，使得数据采集系统被隔离模块限制为仅监听在现场总线上传递的数据消息。

[0012] 根据本发明的电缆组件插入在：铁路车辆上车载的一个或更多个铁道资产或部件，与也在铁路车辆上车载的数据采集系统之间。换句话说，电缆组件被引入在列车车载的一个或更多个设备与列车之间的铁路车辆上，以便隐蔽地监听在将多个设备耦接至铁路车辆的现场总线上传递的通信。在铁路车辆上车载的电缆组件的安装很容易，因为电缆组件包括连接器，该连接器必须被简单地插入到现场总线或设备上。根据本发明的电缆组件没有带宽限制或数据下采样，并且电缆组件的连接器的尺寸保持较短，以最小化电缆组件对数据消息的传播时间的影响。电缆组件的隔离模块将数据发送器分别与数据监听器电隔离以及将数据发送器与现场总线电隔离。然后，根据本发明的电缆组件在总线上是完全无源的，并且收集在现场总线上传递的数据消息的电子副本，而不会干扰在现场总线上传递的数据消息。换句话说，根据本发明的电缆组件在现场总线上以非侵入方式收集在现场总线上传递的数据消息的电子副本，而不会影响在现场总线上传递的原始数据消息，也不会影响现场总线本身的特性或配置。然后，电缆组件例如通过高速数据链路将监听的数据消息传输到数据采集系统。例如，高速数据链路是1.5Mbps RS-485。可替代地，电缆组件经由以太网将所监听到的传输到数据采集系统。数据采集系统无法经由电缆组件在现场总线上写入命令和/或发送数据消息。因此，根据本发明的电缆组件保护现场总线以及耦接的铁道资产和设备免受在数据采集系统侧可能发生的潜在短路、过电压、引脚反转等的影响。电缆组件还符合按照国家和国际标准以及指令的安全要求。

[0013] 换句话说，根据本发明的电缆组件的隔离模块防止数据发送器在现场总线上写入命令和/或向现场总线发送或传输数据消息或任何其他类型的消息。因此，根据本发明的电缆组件的隔离模块防止数据采集系统在现场总线上写入命令和/或向现场总线发送或传输数据消息或任何其他类型的消息。根据本发明的电缆组件仅拦截在现场总线上传递的数据消息，而不会干扰现场总线，并且不会修改被拦截的数据消息或在现场总线上传递的数据消息。换句话说，通过根据本发明的电缆组件从现场总线读取的数据消息不会在现场总线上受到干扰。这样，通过现场总线传输的数据消息的完整性得以保留。根据本发明的电缆组件的隔离模块允许数据采集系统读取在现场总线上传递的数据消息，而不会干扰现场总线，并且不会修改数据消息。换句话说，根据本发明的电缆组件的隔离模块允许数据采集系统从现场总线接收数据消息，而不会干扰在现场总线上传递的数据消息，并且不会修改在现场总线上传递的数据消息。换句话说，根据本发明的电缆组件的隔离模块允许数据采集系统监控来自现场总线的数据消息，而不会干扰在现场总线上传递的数据消息，并且不会修改在现场总线上传递的数据消息。换句话说，根据本发明的电缆组件的隔离模块允许数据采集系统从现场总线接收数据消息，而不会干扰在现场总线上传递的数据消息，并且不会修改在现场总线上传递的数据消息，并且由于数据消息没有以数据采集系统为目的地，因此数据消息仍在现场总线上传递。

[0014] 这样，根据本发明的电缆组件防止了对现场总线的任何不希望的侵入。例如，根据本发明的电缆组件防止对现场总线的任何不希望的黑客入侵者在现场总线上写入命令和/或传输和/或发送数据消息或任何其他类型的消息，这可能危及铁路车辆的正确和安全的运行并且可能危害铁路车辆和/或其负载的完整性。

[0015] 根据本发明的电缆组件允许对铁路车辆的状况进行远程、实时和故障安全诊断。特别地，根据本发明的电缆组件允许远程和实时地监控铁路车辆上车载的铁道资产和部件的性能，诸如例如火车头的电池监控系统、和/或火车头或铁道车辆的轴承监控系统、和/或列车的列车控制与管理系统(Train Control&Management System，也称为TCMS)、和/或火车头的发动机远程诊断系统、和/或列车的能量远程监控系统等等。在现场总线上传递的数据消息包括指示耦接至现场总线的设备中的一个或更多个设备的状态的信息。由于电缆组件的存在，随着时间的流逝，对设备的性能的监控和/或铁路车辆上车载的设备的状态的诊断连续地进行，且因此可用于例如实时地支持火车头驾驶员。这样，可以通过数据采集系统表征铁路车辆的准确状态，并且可以通过数据采集系统检测铁路车辆上发生的瞬态事件。
因此，根据本发明的电缆组件的使用可以支持操作者和/或技术人员预见列车上车载的设备中的一个或更多个设备的短缺或故障、和/或可以支持操作者和/或技术人员诊断短缺或故障。另外，当根据本发明的电缆组件监听耦接有多个设备的现场总线时，电缆组件允许数据采集系统成为一个集中式物联网平台，从该平台耦接至现场总线的所有资产和部件都可以被检查和表征。这个统一的平台允许对铁路车辆的监控和诊断的历史进行集中化(例如在云中)，并使可以自主使用数据分析软件的操作人员和专家能够广泛地从铁路车辆访问数据。

[0016] 根据本发明的电缆组件还包括电源，该电源耦接至包括在数据采集系统中的电源单元。电源为电缆组件的数据监听器和数据发送器供电。例如，电源从数据采集系统的电源单元接收5伏特电压。可替代地，根据本发明的电缆组件的电源从计算机或平板电脑或电话或膝上型计算机或USB钥匙接收电力。

[0017] 根据本发明的电缆组件是紧凑的，并且被保存在外壳中，该外壳不会根据规格而改变现场总线的阻抗。换句话说，电缆组件被集成在一个小而紧凑的外壳中，该外壳易于组装且易于耦接至现场总线。小型化对于防止对现场总线的撞击至关重要。

[0018] 术语铁路车辆是指在铁道上行驶的任何车辆。它通常包括动力车辆和无动力车辆，例如一个或更多个火车头、一个或更多个有轨车辆、一个或更多个车厢以及一个或更多个货车。换句话说，铁路车辆包括在铁道上使用的发动机和列车厢。换句话说，铁路车辆包括在铁道上使用的一个或更多个轮式车辆，例如一个或更多个火车头和/或一个或更多个客车车厢和/或一个或更多个货运货车和/或一个或更多个警卫车等。

[0019] 根据本发明的数据监听器例如是变压器，诸如例如来自TDK的变压器ALT4532M-201-T001，其适于从现场总线接收数据消息，适于将数据消息转换为TTL 信号，并适于由电源供电。根据本发明的数据发送器例如是发送器，诸如例如来自MAXIM的发送器MAX485，其被集成以适于将TTL信号转换成差分信号，并且适于将包括数据消息的差分信号发送至数据采集系统，并且由电源供电。可替代地，电缆组件的数据发送器是LAN8720A。

[0020] 根据本发明的可选方面，隔离模块还适于将数据发送器与现场总线电隔离，使得隔离模块防止数据发送器将消息发送至现场总线，从而防止数据采集系统将消息发送至现场总线。

[0021] 根据本发明的可选方面，现场总线是多功能车辆总线和/或车辆现场总线，其包括以下协议中的一者：

[0022] -Factory Instrumentation Protocol(工厂仪表协议)或FIP或WorldFIP；

[0023] -Profibus(过程现场总线)；

[0024] -Profinet；

[0025] -LonWorks(本地操作网络)；

[0026] -Controller Area Network(控制器区域网络)或CANopen；

[0027] -SAE J1708；

[0028] -SAE J1939；

[0029] -MODBUS；

[0030] -Wire Train Bus(绞线式列车总线)或WTB。

[0031] 根据本发明的现场总线是用于实时分布式控制的工业网络系统。现场总线将列车上车载的多个仪器、设备、部件和系统耦接。现场总线在如下网络结构上工作：所述网络结构通常允许菊链、星形、环形、分支和树形网络拓扑。以前，计算机是使用串行连接(例如RS-232)进行连接的，只有两个设备可以通过该串行连接进行通信。现场总线仅需要一个控制器级别的通信点，并允许同时连接列车或铁路车辆上车载的多个模拟点和数字点。这既减少了所需的电缆的长度，又减少了所需的电缆的数量。最初存在的是针对具有八种不同的协议集(称为“类型”)的现场总线的IEC 61158标准的初始形式，但随后将现场总线类型重组为通信行规族(Communication Profile Families)，也称为CPF，例如过程现场总线(Profibus)。

[0032] 列车通信网络(Train Communication Network)，也称为TCN，是两个现场总线的分层组合，用于在列车内进行数据传输。它包括每个车辆内的多功能车辆总线(也称为MVB)和绞线式列车总线(也称为WTB)，以连接不同的铁道车辆。

[0033] 绞线式列车总线或WTB针对具有可变组成的国际旅客列车而设计。该介质包括双重的屏蔽双绞线电缆，该电缆在车辆之间的UIC电缆中延伸。车辆之间的连接器是18极UIC连接器。用于WTB节点的标准连接器是DIN 9引脚连接器。物理级别使用1Mbit/s数据速率下的RS-485级别。编码使用曼彻斯特II码和具有适当电压平衡的HDLC 帧协议，以避免电流隔离变压器中的直流分量。曼彻斯特解码器使用相位/正交解调，除了以过零操作的RS-485，其在最坏情况下允许跨越750m，特别是在仅配备两辆极端车辆的情况下，如用于货运列车的多牵引力的情况。WTB的一个独特特性是列车落成式(inauguration)，其中，新连接的车辆按顺序接收地址，并可以识别车辆侧面(在船舶中称为左舷和右舷)，以便门在正确的一侧打开。最多可以动态地分配32个地址。当两个列车组成部分结合时，地址将重新分配以形成具有顺序地址的新的车辆组成部分。没有WTB节点的车辆不计算在内。帧的最大有效负载为1024位。WTB循环运行以提供确定性操作，周期为25ms，主要用于牵引力控制。WTB还支持零星数据传输以进行诊断。周期性帧和零星帧的内容由UIC556标准控制。由于帧大小是有限的，因此使用开销减少的TCP版本进行消息分段和重组，其同时允许应对组成部分的更改，称为实时协议(Real-Time Protocol)或RTP。

[0034] MVB连接车辆内的或位于封闭的列车组中的各个节点。当现场总线是多功能车辆总线时，电缆组件有以下三种标准：电气中距离(Electrical Medium Distances)，也称为EMD，它使用带RS-485发送器和变压器的屏蔽双绞线进行电流隔离，且用于长度长达几百米的电缆组件；电气短距离(Electrical Short Distances)，也称为ESD，其使用简单的背板布线，而没有电流隔离，且用于长度长达几十米的电缆组件；以及最后是光学线，用于非常长的通信距离和电流隔离。MVB经由双绞线和经由光纤以1.5Mbps运行。它构成有两个通道，以确保更高的传输可靠性。这两个通道在从一个货车到另一个货车的通路中是分开的。MVB上的数据消息的传输由若干总线管理器控制，或仅由一个总线管理器控制。这样，数据传送是异步的。对于系统，这意味着每个总线管理器都具有自己的时钟。MVB基于主从原理。主机可以在任何位置耦接至总线。

[0035] 根据本发明，数据消息在现场总线上周期性地传递和/或在现场总线上零星地传递。例如，MVB主要传送两种类型的数据：过程变量，即周期性数据；和消息，即零星数据。过程变量是短数据，诸如例如包括16位、32位、64位、128位或256位的数据消息，其可提供有关列车状态(例如其速度)的信息。可替代地，数据消息包括256位。过程变量循环地传输，以确保低延迟，即在铁道车辆内低于例如15毫秒，且在列车内低于例如100毫秒。消息是较长的信息，且能够进行例如网络管理的分析。消息有效负载的范围可以从几字节到兆字节变化。消息是根据需求发送的，没有时间限制。周期性和零星的数据消息在设备中的同一总线上传递，但它们交替传输且从不会一起传输。过程数据消息被传输至总线上的所有设备。主机负责通过发送“主机帧”来定期轮询从机。从机监控总线，并且当一个从机获得请求其拥有的参数的主机帧时，从机发送回包含所请求的数据的消息。

[0036] 工厂仪表协议或FIP是欧洲标准EN50170中定义的标准化现场总线协议。来自日本和美国的许多制造商与FIP合并为WorldFIP标准化组。FIP家族最亲密的表亲如今可以在列车车厢的绞线式列车总线上找到。然而，WorldFIP的特定子集(称为FIPIO协议)可以广泛地在机器部件中找到。

[0037] 控制器区域网络总线，也称为CAN总线，是一种强健(robust)的车辆总线标准，其被设计成允许微控制器和设备在没有主计算机的应用程序中彼此通信。它是基于消息的协议。由于CAN标准不包括应用程序层协议的任务，诸如流量控制、设备寻址以及大于一个消息的数据块的传输，尤其是应用程序数据，因此创建了更高层协议的许多实现。在这些实现中包括CANopen-EN 50325-4。CANopen是用于自动化中使用的嵌入式系统的通信协议和设备配置文件规范。就OSI模型而言，CANopen实现了网络层之上且包括网络层的各层。CANopen标准由寻址方案、若干小型通信协议以及由设备配置文件定义的应用层组成。通信协议支持网络管理、设备监控和节点之间的通信，包括用于消息分段/去分段的简单传输层。尽管使用某些其他通信方式的设备(诸如例如以太网Powerlink、EtherCAT)也可以实现CANopen设备配置文件，但实现数据链路层和物理层的较低级协议通常是控制器区域网络。

[0038] 本地操作网络(Local operating network)，也称为LonWorks，是专门为满足控制应用程序的需求而创建的网络平台。该平台基于Echelon Corporation创建的协议，用于通过诸如双绞线、电力线、光纤和RF之类的媒体将设备联网。围绕LonWorks技术创建的标准中的每个标准通常包含两种物理层信令技术，即双绞线“自由拓扑”和电力线载波。两线层使用差分曼彻斯特编码以78kbit/s操作，而电力线则根据频率达到5.4或3.6kbit/s。此外，LonWorks平台使用附属的Internet协议隧道标准ISO/IEC 14908-4，许多制造商正在使用该协议，将先前部署的和新的基于LonWorks平台的网络上的设备连接至IP感知应用程序或远程网络管理工具。许多基于LonWorks平台的控制应用程序正在以某种IP集成而实现，或者在UI/应用程序级别，或者在控制基础结构中。这可以通过在市场上可获得的Web服务或IP路由产品来实现。

[0039] SAE J1708是用于重型载重车辆上的电子控制单元之间以及计算机与车辆之间的串行通信的标准。关于开放系统互连(Open System Interconnection)模型或OSI，J1708定义了物理层。在J1708顶部上操作的常见更高层协议是SAE J1587和SAE J1922。该标准定义了以9600bit/s操作的2线18规格线缆。一条消息由最多21个字符组成，除非发动机已停止且车辆未移动，在这种情况下，允许发送器超过21字节最大消息长度。消息以消息ID(Message ID)字符或MID字符开头，且最后以校验和结尾。字符以8N1通用格式传输。所使用的硬件是有线的RS-485收发器，通过使用单独的数据线的上拉和下拉来进行集电极开路操作。通过控制驱动器启用收发器的引脚来完成传输。这种方法允许多个设备共享总线，而无需单个主节点。通过在传输MID的同时监控总线来避免冲突，以确保另一节点没有同时传输具有更高优先级的MID。

[0040] SAE J1939是用于在车辆组件之间进行通信和诊断的车辆总线推荐的实践。SAE J1939在商用车领域中用于整个车辆的通信，具有在ISO 11898中定义的物理层。SAE J1939定义了七层OSI网络模型中的五层，其中这包括控制器区域网络ISO 11898规范，该规范仅对物理层和数据链路层使用29位/“扩展”标识符。在J1939/11和J1939/15下，数据速率指定为250kbit/s，J1939/14指定500kbit/s。除请求数据包外，所有J1939数据包均包含八个字节的数据和一个标准标头，该标头包含一个称为参数组号(Parameter Group Number)或PGN的索引，该索引嵌入在消息的29位标识符中。PGN标识消息的功能和关联的数据。

[0041] Modbus是一种串行通信协议，其能够在连接至同一网络的许多设备间进行通信。Modbus通常用于在监督控制和数据采集系统中将监督计算机与远程终端单元连接。每个打算使用Modbus进行通信的设备都被赋予独特的地址。在串行和MB+网络中，只有分配为主节点的节点才能启动命令。在以太网上，任何设备都可以发出Modbus命令，然而通常只有一个主设备这样做。Modbus命令包含预期的设备的Modbus地址。即使其他设备也可能会收到命令，也只有预期的设备才能执行该命令。所有Modbus命令均包含校验和信息，以允许接收者检测传输错误。

[0042] 根据本发明的可选方面，数据监听器耦接至现场总线。

[0043] 这样，电缆组件被插入现场总线上，位于现场总线与数据采集系统之间，使得数据监听器耦接至现场总线。隔离模块将数据发送器隔离，使得电缆组件对在现场总线上传递的数据消息的干扰最小化。

[0044] 根据本发明的可选方面，隔离模块被电插入在所述数据发送器与所述数据监听器之间，从而将所述数据发送器与所述现场总线电隔离。

[0045] 这样，电缆组件被插入在现场总线上，位于现场总线与数据采集系统之间，使得隔离模块将数据发送器与现场总线隔离，使得电缆组件对在现场总线上传递的数据消息的干扰最小化。

[0046] 根据本发明的可选方面，电缆组件还适于隐蔽地监听在现场总线上传递的数据消息，从而允许数据消息在现场总线上传递。

[0047] 数据监听器还适于隐蔽地监听在现场总线上传递的数据消息，从而允许数据消息在现场总线上通过。这样，通过现场总线传输的数据消息的完整性得以保留。电缆组件允许数据采集系统读取在现场总线上传递的数据消息，而不会干扰现场总线，也不会修改数据消息。

[0048] 根据本发明的可选方面：

[0049] -现场总线包括两条数据消息线，这两条数据消息线均适于承载冗余差分信号；以及

[0050] -数据监听器仅监听来自该数据消息线中的一条数据消息线的冗余差分信号。

[0051] 根据本发明的可选方面，数据监听器不监听来自另一条数据消息线路的冗余差分信号，使得现场总线的另一条数据消息线路上的冗余差分信号不被电缆组件监听。

[0052] 在现场总线中使用两条数据消息线保证了数据消息传输的更高可靠性。两条数据消息线都承载包含一个或更多个数据消息的相同冗余差分信号。换句话说，每条数据消息线包括两个信道，在这两个信道上传输包含一个或更多个数据消息的冗余差分信号。数据监听器仅监听来自两条数据消息线中的一条数据消息线的冗余差分信号。这样，在由于电缆组件的耦接和/或由于经由电缆组件耦接至数据采集系统而引起在两条数据消息线中的一条数据消息线上发生短路或故障的情况下(这将导致数据消息线被废)，数据消息仍可经由两条数据消息线中的第二条在现场总线上传递。换句话说，通过电缆组件仅耦接至两条数据消息线中的一条数据消息线，从而使另一条数据消息线保持其原始状态这一事实，保证了现场总线上通信的完整性。这还使电缆组件对现场总线的干扰最小化。这还保证了通过现场总线从铁道资产或设备传递到铁路车辆的数据消息的数据传输的完整性，并确保了即使在数据消息线中的一条数据消息线路损坏或有缺陷或故障时铁路车辆的正常运行。

[0053] 根据本发明的可选方面，数据监听器还适于将冗余差分信号转换为TTL信号，并且适于并将TTL信号发送至隔离模块，该隔离模块适于将TTL信号传输至数据发送器。

[0054] 根据本发明的可选方面，数据发送器还适于将TTL信号转换为差分信号，并且适于将该差分信号发送至数据采集系统。

[0055] 差分信号由数据发送器发送至数据采集系统。这样，差分信号可以容易地由数据采集系统处理。例如，差分信号与CAN或RS-485等兼容。可替代地，数据监听器将冗余差分信号转换为以太网。

[0056] 根据本发明的可选方面，隔离模块是电流隔离模块。

[0057] 根据本发明的可选方面，该电流隔离模块包括接地隔离单元，该接地隔离单元适于访问两条数据消息线的接地；并且数据监听器还适于根据该接地将冗余差分信号接地。

[0058] 例如，在ESD兼容电缆组件的情况下，电缆组件的数据监听器通过以下方式来监听数据消息：仅与数据消息线中的一条数据消息线耦接，同时通过隔离模块与现场总线进行电隔离，并且电流隔离模块还耦接至现场总线的接地。这样，电缆组件防止质量的循环。电缆组件的隔离模块通过使用现场总线的接地而将数据发送器隔离。隔离模块提供例如5k伏特隔离。遵循布线规则和间隙，以确保两条数据消息线中的每条数据线的两个通道之间的500伏特的隔离。此外，遵循板堆叠和差分对规则，以确保板布线的阻抗在标称120欧姆阻抗的10％以内，以避免信号完整性问题。无论电缆组件处于启用(供电)还是禁用(未供电)，都应注意确保在现场总线上引入的负载尽可能地小。在这种情况下，负载为96k欧姆，这会引入小于标准铁道设备的1/64的负载。数据监听器的输入与数据发送器的输出之间的衰减被测量为低于1dB，没有抖动。

[0059] 例如，在与EMD兼容电缆组件的情况下，电缆组件的数据监听器仅监听来自数据消息线中的一条数据消息线的数据消息。电缆组件的隔离模块则包括隔离变压器，该隔离变压器用于将车载电路与现场总线隔离。遵循布线规则和间隙，以确保两条数据消息线的每条数据消息线的两个通道之间的500伏特的隔离。此外，遵循板堆叠和差分对规则，以确保板布线的阻抗在标称120欧姆阻抗的10％以内，以避免信号完整性问题。无论电缆组件处于启用(供电)还是禁用(未供电)，都应注意确保在现场总线上引入的负载尽可能地小。在这种情况下，负载为96k欧姆，这会引入小于常规铁路设备的1/64的负载。数据监听器的输入与数据发送器的输出之间的衰减被测量为低于1dB，没有抖动。

[0060] 根据本发明的可选方面，电缆组件还包括功率输入滤波器。

[0061] 这样，隔离模块不允许直接传导路径。换句话说，隔离模块采用了隔离包括现场总线和电缆组件的电气系统功能部分的原理，从而防止电流从电缆组件流至现场总线。这样，由电缆组件的电源产生的噪声被滤除以最小化通过电磁耦合将由电缆组件的电源产生的噪声向现场总线的传播。电缆组件的电源还包括齐纳二极管，以保护电缆组件和现场总线免受电压峰值的影响。仍然可以通过其他方式(诸如例如电容、电感或电磁波)或通过光学、声学或机械方式在现场总线与电缆组件之间交换能量或信息。在电缆组件与现场总线必须通信的地方使用电流隔离，但是它们的接地可能处于不同的电位。通过防止不期望的电流在共享接地导体的两个单元之间流动，其是一种断开接地回路的有效方法。电流隔离还用于安全性，防止意外的电流通过握住电缆组件的人员的身体到达地面。电流隔离模块通常使用可集成在单个芯片中的变压器，诸如例如Analog Devices的ADM2682。可替代地，隔离模块包括光耦合器，诸如例如VISHAY的6N137。

[0062] 根据本发明的可选方面，数据发送器包括大于50k欧姆的输入阻抗。

[0063] 这样，由于数据发送器显示出比现场总线的阻抗更高的阻抗，因此数据发送器被与现场总线进一步隔离。例如，数据发送器的阻抗为60k欧姆或75k欧姆或100k欧姆等，而现场总线的阻抗为100欧姆或120欧姆。输入和输出连接器屏蔽层通过PCB和金属外壳内部连接。输出电缆组件屏蔽层压接到外壳上。所有屏蔽层都连接在一起。

[0064] 根据本发明的第二方面，提供了一种用于为数据采集系统提供在铁路车辆的现场总线上传递的数据消息的方法，该方法包括以下步骤：

[0065] -监听在现场总线上传递的数据消息；

[0066] -将数据消息发送至数据采集系统；以及

[0067] -将数据采集系统与现场总线电隔离，使得数据采集系统受到隔离模块的限制为仅监听在现场总线上传递的数据消息。

[0068] 根据本发明的方法允许对铁路车辆的状况进行远程、实时和故障安全诊断。特别地，根据本发明的方法允许远程和实时地监控铁路车辆上车载的铁道资产和部件的性能，诸如例如火车头的电池监控系统、和/或火车头或铁道车辆的轴承监控系统、和/或列车的列车控制与管理系统(也称为TCMS)、和/或火车头的发动机远程诊断系统、和/或列车的能量远程监控系统等等。在现场总线上传递的数据消息包括指示耦接至现场总线的一个或更多个设备的状态的信息。随着时间的流逝，对设备的性能的监控和/或铁路车辆上车载的设备的状态的诊断连续地进行，且因此可以用于例如实时地支持火车头的驾驶员。这样，可以通过数据采集系统表征铁路车辆的准确状态，并且可以通过数据采集系统检测铁路车辆上发生的瞬态事件。因此，使用根据本发明的方法可以支持操作者或技术人员预见在列车上车载的设备中的一个或更多个设备的短缺或故障。另外，当根据本发明的方法监听耦接有多个设备的现场总线时，该方法允许数据采集系统成为一个集中式的物联网平台，从该平台耦接至现场总线的所有资产和部件都可以被测试和表征。这个统一的平台允许对铁路车辆的监控和诊断的历史进行集中化(例如在云中)，并使可以自主使用数据分析软件的操作人员和专家能够广泛地从铁路车辆访问数据。

[0069] 根据本发明的方法隐蔽地监听在将多个设备耦接至铁路车辆的现场总线上传递的通信。根据本发明的方法没有带宽限制或数据下采样。在与现场总线电隔离的同时执行监听。然后，根据本发明的方法在总线上是完全无源的，并且收集在现场总线上传递的数据消息的电子副本，而不会干扰在现场总线上传递的数据消息。换句话说，根据本发明的方法在现场总线上以非侵入方式收集在现场总线上传递的数据消息的电子副本，而不会影响在现场总线上传递的原始数据消息，也不会不影响现场总线本身的特性或配置。然后，该方法例如通过高速数据链路将监听到的数据消息传输至数据采集系统。优选地，数据采集系统无法在现场总线上写入命令和/或发送数据消息。因此，根据本发明的方法保护现场总线以及耦接的铁道资产和设备免受在数据采集系统侧可能发生的潜在捷径、过电压、引脚反转等的影响。该方法还符合按照国家和国际标准以及指令的安全要求。

[0070] 换句话说，根据本发明的方法防止数据采集系统在现场总线上写入命令和/或向现场总线发送或传输数据消息或任何其他类型的消息。根据本发明的方法仅拦截在现场总线上传递的数据消息，而不会干扰现场总线，并且不会修改被拦截的数据消息或在现场总线上传递的数据消息。换句话说，根据本发明的方法从现场总线读取的数据消息不会在现场总线上受到干扰。这样，通过现场总线传输的数据消息的完整性得以保留。根据本发明的方法允许数据采集系统读取在现场总线上传递的数据消息，而不会干扰现场总线，并且无需修改数据消息。换句话说，根据本发明的方法允许数据采集系统从现场总线接收数据消息，而不会干扰在现场总线上传递的数据消息，并且不会修改在现场总线上传递的数据消息。

[0071] 这样，根据本发明的方法防止了对现场总线的任何不希望的侵入。例如，根据本发明的方法防止对现场总线的任何不希望的黑客入侵者在现场总线上写入命令和/或传输和/或发送数据消息或任何其他类型的消息，这可能危及铁路车辆的正确和安全的运行并且可能危害铁路车辆和/或其负载的完整性。附图说明

[0072] 图1示意性地示出了根据本发明的电缆组件的实施方式。

具体实施方式

[0073] 根据图1所示的实施方式，根据本发明的电缆组件1耦接至现场总线3，并且位于耦接至现场总线3的现场总线设备30与铁路车辆10的数据采集系统2之间。现场总线3是多功能车辆总线或车辆现场总线，其包括FIP或Profibus或CAN或Profibus或LonWorks。电缆组件包括数据监听器101、数据发送器102和隔离模块103。电缆组件1经由连接器20耦接至现场总线设备30。连接器20例如是9引脚D-Sub类型的连接器。根据替代实施方式，连接器20是Deutsch HD10-9-96P类型的连接器。根据另一替代实施方式，连接器20是M12类型的连接器。数据监听器101监听在现场总线3上传递的数据消息300。数据监听器101隐蔽地监听在现场总线3上传递的数据消息300，从而允许数据消息300在电缆组件1的连接器20与连接器21之间在现场总线3上传递。连接器21例如是9引脚D-Sub类型的连接器。根据替代实施方式，连接器21是RJ-45类型的连接器。根据另一替代实施方式，连接器21是Deutsch DT04-4P类型的连接器。现场总线包括两条数据消息线31；32，两条数据消息线31；32都承载冗余差分信号302。数据监听器101仅耦接至两条数据消息线31；32中的一条数据消息线，从而仅从监听来自两条数据消息线31；32中的一条数据消息线的冗余差分信号302。数据监听器101未耦接至两条数据消息线31；32中的另一条数据消息线。换句话说，两条数据消息线31；32中的另一条数据消息线上的冗余差分信号302不被电缆组件1监听。数据监听器101将冗余差分信号302转换为TTL信号303，并将TTL信号303发送至隔离模块103。隔离模块103电插入在数据监听器101与数据发送器102之间。数据监听器101仅监听来自两条数据消息线31；32中的一条数据消息线的冗余差分信号302。数据监听器101不监听两条数据消息线31；32中的另一条数据消息线。换句话说，两条数据消息线31；32中的另一条数据消息线的冗余差分信号302不被电缆组件1监听。隔离模块103将数据监听器101与数据发送器102电隔离，并将从数据监听器101接收到的TTL信号303发送至数据发送器102。数据发送器102将TTL信号
303转换成差分信号304，并将差分信号304发送至数据采集系统2。数据发送器102经由例如高速数据链路301耦接至数据采集系统2。高速数据链路301例如是适于以1.5M比特/秒传输的链路。根据替代实施方式，高速数据链路301例如是适于10M比特/秒的速度传输的链路。
根据替代实施方式，数据发送器102经由100欧姆或120欧姆的阻抗控制的多对电缆耦接至数据采集系统2。隔离模块103包括电流隔离模块。可选地，电流隔离模块包括接地隔离单元
104，接地隔离单元接入现场总线3的接地33。换句话说，接地隔离单元104接入数据消息线
31；32的接地33，并且根据接地33将冗余差分信号302接地，从而将数据发送器102与数据监听器101电隔离。电缆组件1还包括输入滤波器105。功率输入滤波器105例如包括铁氧体和电容器。功率输入滤波器105从数据采集系统2接收功率4，并且功率输入滤波器105又经由功率4来为数据发送器102和隔离模块103提供功率。

[0074] 尽管已经通过参考特定实施方式对本发明进行了说明，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明不限于前述说明性实施方式的细节，并且本发明可以在不脱离其范围的情况下通过各种改变和修改来实现。因此，本发明实施方式在所有方面都应被认为是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是由前述说明书来指示，并且因此所有落入权利要求的含义和等同物的范围内的改变旨在被包含在其中。换句话说，预期涵盖落入基本原理的范围内的任何和所有修改、变化或等同物，并且其本质属性在本专利申请中被要求保护。此外，本专利申请的读者将理解，词语“包括”或“包含”不排除其他元件或步骤，词语“一”或“一种”不排除多个，并且诸如计算机系统、处理器或另一集成单元之类的单个元件可以实现权利要求中记载的若干装置的功能。权利要求中的任何附图标记均不应被解释为限制有关的各个权利要求。在说明书或权利要求中使用时，引入术语“第一”、“第二”、“第三”、“a”、“b”、“c”等以区分相似的元件或步骤，而不一定描述顺序或时间顺序。类似地，为了描述的目的引入术语“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等，而不一定表示相对位置。应当理解的是，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本发明的实施方式能够根据本发明以其他顺序或以与上述或所示的不同的取向来操作。

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用于从铁路车辆中的现场总线访问数据的电缆组件

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