鐵道車輛高/低電平信號(hào)智能發(fā)生器設(shè)計(jì)

鄧舉明 逄順勇 劉永興

(青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司 山東 青島 266041)

0 引言

在鐵道車輛制造及檢修時(shí)，需對(duì)大量的電氣設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)人員需模擬高/低電平信號(hào)輸入到鐵道車輛電氣設(shè)備中。模擬產(chǎn)生高/低電平信號(hào)的傳統(tǒng)方法是：試驗(yàn)人員將導(dǎo)線一端與鐵道車輛的DC110 V電源正極連接，導(dǎo)線的另一端則作為高/低電平信號(hào)端與車輛電氣設(shè)備信號(hào)輸入端連接或斷開。此方法不僅操作步驟繁瑣，且有觸電風(fēng)險(xiǎn)。為此，需研制一種鐵道車輛高/低電平信號(hào)智能發(fā)生器替代上述傳統(tǒng)試驗(yàn)方法，用于向鐵道車輛電氣設(shè)備模擬輸入高/低電平信號(hào)[1-2]。

1 鐵道車輛高/低電平信號(hào)智能發(fā)生器的功能要求

依據(jù)鐵道車輛電氣設(shè)備檢測(cè)試驗(yàn)的實(shí)際需求，高/低電平信號(hào)智能發(fā)生器應(yīng)具備下述功能：

(1)具有較好的絕緣防護(hù)及防塵性能；

(2)具有操作簡(jiǎn)易且安全性高等特征；

(3)具有發(fā)出30路高/低電平信號(hào)的功能：高電平，DC110 V；低電平，0；

(4)應(yīng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分構(gòu)成，且兩者具有雙向通信功能；

(5)上位機(jī)應(yīng)具備形象直觀的軟件界面，使用者通過操作上位機(jī)軟件，控制下位機(jī)發(fā)出高/低電平信號(hào)；

(6)下位機(jī)應(yīng)服從上位機(jī)通信命令，并及時(shí)反饋下位機(jī)的高/低電平信號(hào)發(fā)出情況至上位機(jī)。

2 高/低電平信號(hào)智能發(fā)生器設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

高/低電平信號(hào)智能發(fā)生器由上位機(jī)及下位機(jī)組成。為了提高“高/低電平信號(hào)智能發(fā)生器”抗震性能，上位機(jī)選擇微型工控主機(jī)，微型工控主機(jī)與7寸顯示器進(jìn)行VGA通信。下位機(jī)為一塊自主設(shè)計(jì)的集成電路板，集成電路板外部加裝一款通用PLC塑料外殼。為了滿足試驗(yàn)需求，下位機(jī)應(yīng)具備30路繼電器輸出接口和1路RS232通信接口。高/低電平信號(hào)智能發(fā)生器的主要組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 高/低電平信號(hào)智能發(fā)生器主要組成架構(gòu)

上位機(jī)與“RS232轉(zhuǎn)RS485模塊”進(jìn)行RS232通信，下位機(jī)與“RS232轉(zhuǎn)RS485模塊”進(jìn)行RS232通信，兩塊“RS232轉(zhuǎn)RS485模塊”之間進(jìn)行RS485通信，即上位機(jī)與下位機(jī)間接進(jìn)行RS485通信，RS485通信具有可遠(yuǎn)距離通信的特點(diǎn)。然后，下位機(jī)集成電路板與“RS232轉(zhuǎn)485模塊”進(jìn)行RS232通信，接收通信發(fā)來的30路高/低電平信號(hào)發(fā)出指令，控制30路繼電器的輸出。最后，下位機(jī)集成電路板再通過RS232通信將自身的30路高/低電平信號(hào)狀態(tài)反饋發(fā)送給上位機(jī)串口。

2.2 上位機(jī)程序簡(jiǎn)述

微型工控主機(jī)安裝上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件是一款利用VISUAL STUDIO 2015平臺(tái)自主開發(fā)的軟件[1]。上位機(jī)通過串口控件間接與下位機(jī)進(jìn)行RS485通信[2]，通信波特率固定設(shè)置為57 600。

上位機(jī)主要功能包括通信端口選擇，30路繼電器吸合和釋放的控制，顯示下位機(jī)的高/低電平信號(hào)的狀態(tài)反饋。上位機(jī)發(fā)送33個(gè)字符數(shù)據(jù)給下位機(jī)：第1個(gè)字符發(fā)送“X”，為每組數(shù)據(jù)開始字符；第19個(gè)字符發(fā)送“M”，為每組數(shù)組中間校驗(yàn)字符；第33個(gè)字符發(fā)送 “Y”,為每組數(shù)據(jù)結(jié)束字符。第2～18個(gè)字符和第20～32個(gè)字符，分別代表上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的第1～30路高/低電平信號(hào)輸出控制指令(當(dāng)對(duì)應(yīng)字符為“C”,表示需要該通道應(yīng)輸出高電平110 V；當(dāng)對(duì)應(yīng)字符為“O”,表示該通道應(yīng)輸出低電平0)。上位機(jī)對(duì)收到下位機(jī)的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并將30路高/低電平信號(hào)狀態(tài)對(duì)應(yīng)顯示在上位機(jī)軟件界面對(duì)應(yīng)的指示燈。

上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì)有30個(gè)Checkbox控件，分別對(duì)應(yīng)下位機(jī)30路高/低電平信號(hào)輸出：當(dāng)軟件界面上的Checkbox控件被選中時(shí)，下位機(jī)對(duì)應(yīng)的繼電器的線圈吸合，常開觸點(diǎn)輸出高電平(DC110 V)；當(dāng)Checkbox控件被撤銷選中時(shí)，下位機(jī)對(duì)應(yīng)的繼電器的線圈釋放，常開觸點(diǎn)輸出低電平(0)。上位機(jī)收到下位機(jī)反饋的30路高/低電平信號(hào)輸出狀態(tài)數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼。若下位機(jī)輸出高電平(DC110 V)，則軟件界面對(duì)應(yīng)的指示燈顯示紅色；若下位機(jī)輸出低電平(0)，則顯示綠色。上位機(jī)軟件界面如圖2所示。

圖2 上位機(jī)軟件界面

2.3 下位機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)

2.3.1下位機(jī)功能概述

下位機(jī)控制器是一塊集成電路板。該集成電路板間接與上位機(jī)進(jìn)行RS485通信，接受上位機(jī)的通信控制。該集成電路板設(shè)計(jì)30路繼電器,每個(gè)繼電器的常開觸點(diǎn)一端與DC110 V電源正極連接[3]，另一端與集成電路板上的接線端子連接。下位機(jī)中的單片機(jī)對(duì)通信數(shù)據(jù)解碼后，控制30個(gè)繼電器吸合或釋放。

2.3.2硬件電路設(shè)計(jì)

下位機(jī)集成電路板以AVR單片機(jī)為核心，由濾波穩(wěn)壓電路、通信電路、單片機(jī)外圍電路高/低電平輸出電路和下載電路五部分組成。下位機(jī)硬件架構(gòu)如圖3所示。

(1)濾波穩(wěn)壓電路。外部DC5 V電源經(jīng)過多個(gè)電解電容濾波和穩(wěn)壓后，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的DC5 V電源，為單片機(jī)，三極管及板載繼電器供電。

(2)通信電路。單片機(jī)USART引腳RXD和TXD與MAX3232芯片進(jìn)行USART通信，MAX3232芯片與微型工控主機(jī)開展RS232通信，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與微型工控主機(jī)的RS232通信。

(3)單片機(jī)外圍電路。單片機(jī)外圍電路是以AVR單片機(jī)為主處理單位設(shè)計(jì)而成的電路，主要負(fù)責(zé)USART通信和三極管控制，單片機(jī)由DC5 V電源供電，如圖4所示。

(4)高/低電平輸出電路。通過軟件將單片機(jī)的30個(gè)通用I/O引腳設(shè)置為輸出引腳，向外輸出DC5 V/0的高/低電平信號(hào)，上述信號(hào)經(jīng)三極管放大后，驅(qū)動(dòng)板載5 V繼電器得電/失電，控制DC110 V高/低電平的輸出。

(5)下載電路。單片機(jī)的PB5/MOSI，PB6/MISO，PB7/SCK 和RST引腳與下載座連接，用于HEX程序下載。

2.3.3程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

下位機(jī)AVR單片機(jī)采用C語言編程。單片機(jī)工作流程如下：首先，AVR單片機(jī)配置通用I/O引腳方向和串口參數(shù)。AVR單片機(jī)接收上位機(jī)的RS232通信指令后，按照指令要求，通過自身內(nèi)部單片機(jī)的通用I/O引腳輸出高/低電平(5V/0)，通過控制集成電路上的30個(gè)三極管處于截止區(qū)/飽和區(qū)，間接驅(qū)動(dòng)30個(gè)5 V板載繼電器吸合及釋放,吸合時(shí)輸出DC110 V高電平，釋放時(shí)輸出低電平0。然后再回發(fā)33字節(jié)給上位機(jī)：第1個(gè)字符發(fā)送“S”，為每組數(shù)據(jù)開始字符；第19個(gè)字符發(fā)送“L” ，為每組數(shù)組中間校驗(yàn)字符；最后1個(gè)字符發(fā)送“N”，為每組數(shù)據(jù)結(jié)束字符。第2～18個(gè)字符和第20～32個(gè)字符，分別代表下位機(jī)的第1～30路高/低電平輸出通道的實(shí)際輸出狀態(tài)(當(dāng)對(duì)應(yīng)字符為“C”,表示需要該通道正在輸出高電平110 V；當(dāng)對(duì)應(yīng)字符為“O”,表示該通道正在輸出低電平，值為0)。上述過程，循環(huán)往復(fù)。

圖3 下位機(jī)硬件架構(gòu)

圖4 單片機(jī)外圍電路

3 應(yīng)用案例

鐵道車輛高/低電平信號(hào)智能發(fā)生器已在青島地鐵列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)中獲得應(yīng)用，信號(hào)智能發(fā)生器高/低電平信號(hào)輸出端與列車網(wǎng)絡(luò)控制試驗(yàn)臺(tái)的主控微機(jī)的開關(guān)量信號(hào)輸入端對(duì)應(yīng)進(jìn)行電氣連接。試驗(yàn)人員通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)勾選(或取消勾選)上位機(jī)軟件界面上的復(fù)選框，即可方便快捷地控制下位機(jī)向列車網(wǎng)絡(luò)控制試驗(yàn)臺(tái)的主控微機(jī)信號(hào)輸入端發(fā)出30路高/低電平輸入信號(hào)(主要包括開門、關(guān)門、停放制動(dòng)、緊急制動(dòng)和零速等30路信號(hào))，并在上位機(jī)軟件界面實(shí)時(shí)顯示上述高/低電平信號(hào)輸出狀態(tài)(有輸出時(shí)對(duì)應(yīng)指示燈顯示紅色，無輸出時(shí)對(duì)應(yīng)指示燈顯示綠色)，形象直觀，大大提高了列車網(wǎng)絡(luò)控制試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)效率。

4 結(jié)論

鐵道車輛高/低電平信號(hào)智能發(fā)生器由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。 上位機(jī)采用微型工控主機(jī)和顯示器， 下位機(jī)是利用單片機(jī)自主設(shè)計(jì)的一塊集成電路板。 上位機(jī)與下位機(jī)通信， 控制下位機(jī)輸出30路高/低電平信號(hào)。 該信號(hào)智能發(fā)生器具有造價(jià)低， 體積小， 形象直觀和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)， 具有很大的市場(chǎng)需求， 后續(xù)考慮設(shè)計(jì)增加信號(hào)發(fā)生器的高/低電平輸出路數(shù)， 并在鐵道行業(yè)內(nèi)其他公司推廣使用。