信號微機監測系統板卡故障定位儀的設計與實現

林勇奇，袁陽平，溫海桂

（南寧鐵路局南寧電務段，1.高級工程師；2.工程師，廣西 南寧 530001）

信號微機監測系統是鐵路行車安全的重要監測設備。長期以來，信號微機監測系統設備的故障板件采用寄回廠家維修的方式，由此發生的維修費用巨大，并因送修板卡維修周期及往返路程所需時間長不能及時返回，造成信號微機監測系統的板卡出現故障后不能得到及時更換，嚴重影響了設備的正常使用，影響了信號維修人員對信號微機監測系統的信任。要改變這種狀況必須建立自己的板卡維修基地，依靠自己的力量對信號微機監測系統進行維修，以達到降低維修成本，提高設備運用質量，使信號微機監測系統成為信號設備維護的有力工具。

板卡維修的關鍵在于板卡故障的定位，但是現有的測試手段落后，信號微機監測系統生產商提供的板卡檢測機柜，只能判斷板卡有無故障，而無法對具體的故障點進行定位，在市場上也找不到類似功能的設備。因此，迫切需要研制一臺能對板卡故障點進行準確定位的信號微機監測系統板卡故障定位儀，使不具備太多微電子電路知識的維修人員，經過簡短的培訓后，利用儀器可以迅速準確地對故障板卡的故障點進行定位，找出故障芯片實現芯片級維修。

1 儀器功能

故障定位儀應能滿足板卡維修的實際需要，具有板卡檢測、板卡故障點定位及儀器的自保護功能。

1.1 板卡檢測功能 儀器能檢測信號微機監測系統采集機柜中的CPU板、開入板、開出板、模入板、絕緣接口板和互感器板共六大類采集板卡，并確認被測板卡是否存在故障。

1.2 故障定位功能 儀器對故障板卡通過控制檢測信號的加載，對板卡相應的輸出信號進行檢測判斷，實現對故障板卡的故障點進行定位，確定故障芯片或元件。

1.3 過載保護功能 能檢測被測板卡是否存在電源短路故障，防止因被測板卡電源短路過載拉低系統的電壓或電流，出現儀器工作不穩定的情況。

2 硬件設計

系統采用主從式控制結構，由1個上位機和3個下位機構成，如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖

上位機是系統的控制中心，下位機是控制執行機構，3個下位機分別是1#下位機“測試信號控制系統”、2#下位機“CAN通信和模擬量采集控制系統”、3#下位機“總線驅動與芯片邏輯信號采集系統”，均采用51系列單片機控制。

2.1 上位機 采用三星公司的ARM 9嵌入式MCU S3C2440為核心的嵌入式平板電腦作為控制主機，是儀器的控制核心。該嵌入式平板電腦，處理器S3C2440主頻為400 MHz，板載64MB SDRAM、256 MB Nand Flash和2MB Nor Flash，LCD是一塊支持800×600分辨率的觸摸屏用作人機交互界面。此外，向用戶提供1個標準的RS232接口和3個TTL串行口、1個100 M網卡接口、1個Jtag接口、1個USB接口以及一個自帶備用電池的實時時鐘。上位機根據操作人員選擇的操作（檢測）項目，通過RS232串行口分別向3個下位機發出控制調度命令，并對下位機采集的信息進行處理，得出結論，輸出結果。

2.2 1#下位機（測試信號控制系統） 采用1片STC11F32XE單片機進行控制，用于控制測試信號的分配，根據測試板卡的不同和測試項目的不同，控制繼電器陣列向被測板卡提供不同的測試信號。1#機硬件電路見圖2。

圖2 1#下位機硬件框圖

2.3 2#下位機（CAN通信和模擬量采集控制系統）采用1片具有8路10位A/D轉換通道的單片機STC12C5A16AD進行控制，用于對CPU板進行CAN通信通道檢測，完成板卡測試過程中板卡電源短路檢測及對模擬量采集板卡檢測的A/D轉換任務。2#機硬件電路見圖3。

圖3 2#下位機硬件框圖

2.4 3#下位機（總線驅動與芯片邏輯信號采集系統） 采用1片STC11F32XE單片機進行控制，用于向被測板卡提供控制總線、地址總線和數據總線測試邏輯信號，并采樣芯片邏輯信號進行分析處理。3#機硬件電路見圖4。

圖4 3#下位機硬件框圖

3 控制軟件

系統控制軟件由上位機控制軟件及下位機控制軟件構成，系統采用集中調度、分散控制方式。上位機通過RS232總線與下位機進行交互命令及數據通信，下位機根據上位機的控制命令及命令參數，分別完成各自不同的控制任務。

3.1 上位機控制軟件 上位機軟件工作平臺為W in CE5.0嵌入式操作系統，采用C++語言進行編程。軟件系統采用事件觸發工作模式，操作人員對被測板卡的選擇、板卡檢測項目選擇等操作，均通過觸摸屏人機界面進行導航。操作人員點觸人機交互按鈕操作引發按鈕事件，若是導航按鈕則根據選擇更新導航頁面窗口，若是項目檢測操作按鈕，將從檢測流程庫中得到一個檢測流程表。根據檢測流程表按一定的時序，分別向3個下位機發送控制命令和控制參數，并對下位機采集到的板卡芯片、信號通道的邏輯信號、模擬電壓等檢測結果進行分析和判斷，定位故障點，并將檢測結果顯示出來。上位機主控程序如圖5所示。

圖5 主控程序流程圖

3.2 下位機控制軟件 下位機采用C51語言進行編程，系統采用事件觸發、命令驅動工作方式。將串口中斷設置為最高級中斷，平時單片機工作于休眠狀態，當單片機發生串口接收事件后，串口中斷將單片機從休眠狀態喚醒，核對系統特征之后，接收后續命令幀。對命令幀進行命令的鑒別和處理：判斷是否為本機命令，若是則根據不同的命令及控制參數，執行不同的控制任務；否則放棄當前接收到的命令，等待下一個命令。下位機的控制程序如圖6所示。

圖6 下位機命令處理程序流程圖

4 主要特點

基于S3C2440為核心的嵌入式平板電腦的微機監測板卡故障定位儀，實現了對信號微機監測系統板卡故障的檢測與故障點定位，成為板卡維修的得力工具。

4.1 界面友好易于操作 觸摸屏人機界面參照專業微電子電路維修人員檢查電路故障的思路、方法、策略和經驗進行導航，操作人員不需太多的微電子電路維修知識即可操作，儀器使用容易掌握。

4.2 自動化程度高 板卡測試過程中，大部分測試信號的加載和測試數據的采集，均在程序控制下自動完成。

4.3 故障定位準確 對板卡的數據總線、地址總線、控制總線芯片，采用芯片測試夾直接進行邏輯采樣分析測試，確定故障芯片；對輸入輸出通道故障，通過向指定通道發送測試信號檢測通道中的電路節點，根據信號的變化狀態來定位故障點；對CPU板和絕緣接口板，則通過芯片引腳信號比對方式定位故障點。

4.4 具有較高的穩定性和抗干擾能力 多嵌入式系統的協調工作，各個嵌入式系統硬件緊湊，各司其職，互不干擾。所有單片機都工作在無外部總線的單片方式，且平時無命令執行時處于休眠狀態，有效防止干擾信號從總線進入。采用獨立硬件看門狗電路，防止程序跑飛，使系統具有良好的容錯功能。

4.5 系統擴展升級方便 建立了每一種類型板卡的檢測流程庫，設定每一個檢測流程的輸入、輸出命令表，根據命令表完成對故障板卡的檢測。當增加新型板卡時，只需修改相應的流程庫和命令表。建立了芯片邏輯檢測數據庫，通過對采集到的信號分析比對，定位故障點。若有新增的芯片需要檢測時，修改芯片邏輯檢測數據庫即可。

5 結束語

故障定位儀對信號微機監測系統設備的六大類13種板卡均能進行故障定位，儀器操作簡單，人機界面友好。儀器于2009年12月投入使用，經過近2年的使用證明，該板卡故障定位儀工作穩定可靠，對板卡故障點的定位準確，為對故障板卡進行芯片級維修提供了準確的依據，提高了板卡維修的效率與質量，縮短了故障板卡的維修時間，極大地緩解了現場信號微機監測系統設備因板卡故障造成待料維修的狀況。應用該故障定位儀，可使電務段信號微機監測系統設備由板卡級維護改進為芯片級維護，降低維修成本，縮短修理時間，儀器完全滿足板卡維修的需要。該故障定位儀獲得南寧鐵路局2010年度科技進步二等獎。