一種HXD2C機(jī)車北車心系統(tǒng)水壓傳感器的信號(hào)輸出檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

李清池，劉洋，劉興山

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西永濟(jì)，044502）

0 前言

HXD2C型交流傳動(dòng)貨運(yùn)電力機(jī)車牽引控制系統(tǒng)三個(gè)方案組成，分別為東芝方案、龐巴迪安防、中車永濟(jì)電機(jī)有限公司提供的北車心方案。其中北車心方案每臺(tái)機(jī)車具有兩個(gè)結(jié)構(gòu)和原理基本相同的牽引輔助變流柜，每臺(tái)牽引輔助變流柜是由3臺(tái)牽引變流器、一臺(tái)輔助變流器、共用的水冷卻系統(tǒng)和相應(yīng)的控制單元等組成。其中牽引輔助變流柜中冷卻系統(tǒng)冷卻水泵及水箱放置在牽引輔助變流柜內(nèi)，復(fù)合冷卻塔冷卻風(fēng)機(jī)、變流柜用散熱器和主變壓器散熱器一起集成在機(jī)車上的復(fù)合冷卻塔中，牽引輔助變流柜采用水冷散熱，主變壓器采用油冷散熱，通過(guò)對(duì)應(yīng)的管路與牽引變流柜冷卻回路進(jìn)行連接。機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)水壓檢測(cè)系統(tǒng)在機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中如果工作異常可直接切除一組變流柜。

1 冷卻系統(tǒng)介紹

與技術(shù)引進(jìn)HXD2、HXD2B電力機(jī)車主變流器冷卻回路的設(shè)計(jì)（每個(gè)軸有一套獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)）不同，該變流柜中1組牽引變流器和1組輔助變流器共用一套冷卻系統(tǒng)，采用主管路水分配方式進(jìn)行冷卻。具體如圖1所示。

圖1 進(jìn)水管路圖

2 水壓傳感器的介紹

■2.1 電流源輸出的基本思想

平時(shí)我們常見(jiàn)的工業(yè)用通訊如RS232、RS485、CAN等常用的總線，他們都是傳輸數(shù)字信號(hào)來(lái)傳遞通訊信號(hào)。再實(shí)際生產(chǎn)生活中，檢測(cè)日常模擬物理量的傳感器采用輸出為4~20mA的電流型傳感器最為常見(jiàn)。為工業(yè)測(cè)量電路設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性帶來(lái)便利。

HXD2C機(jī)車北車心系統(tǒng)所采用的水壓傳感器就是采用的24V供電，官方所給出的電壓波動(dòng)范圍為12~32Vdc，4~20mA 電流輸出的方式。其為Baumer公司生產(chǎn)的電子式壓力變送器。

■2.2 水壓輸出的檢測(cè)

水壓傳感器檢測(cè)電路具有水流、水壓保護(hù)。檢測(cè)到水泵不工作，封鎖脈沖，水泵斷開(kāi)10s后斷開(kāi)主斷。北車心系統(tǒng)所采用的水壓傳感器最大測(cè)量上限為25bar，通常在運(yùn)用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓?jiǎn)栴}。在輸出端加上一個(gè)電阻，再檢測(cè)電阻上電壓即可檢測(cè)到水壓傳感器工作是否正常，來(lái)判斷水泵是否工作。在使用過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)的問(wèn)題均為輔助隔離后，另一個(gè)輔助還沒(méi)有切換成功且時(shí)間大于10s，報(bào)出的水壓異常。

3 測(cè)量電路的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分之一，就是要把水壓傳感器的輸出數(shù)值給轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再交由AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成數(shù)值信號(hào)，單片機(jī)接收數(shù)值信號(hào)后使用串口發(fā)送給電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

■3.1 24V電源電路的選擇

根據(jù)水壓傳感器的基本技術(shù)參數(shù)選擇電源為直流24V±2，由于水壓傳感器的功耗電流僅為80 mA，即1.92W，故電源選取范圍很多。本設(shè)計(jì)使用的電源為臺(tái)灣明緯電源公司生產(chǎn)的NES-100-24型號(hào)電源，該電源的輸入電壓為200-220VAC，輸出電壓為24V，最大輸出電流為4.5A，最大功率折算為108W，完全符合水壓傳感器的功率要求。

■3.2 AD轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

由于水壓傳感器的輸出信號(hào)為電流信號(hào)，電流信號(hào)在處理系統(tǒng)中通常轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)進(jìn)行處理，在傳感器電流輸出端加上電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。通常情況下，工業(yè)用傳感器的轉(zhuǎn)化電阻為250Ω，但這樣的弊端為當(dāng)輸出信號(hào)超量程后無(wú)法繼續(xù)監(jiān)控輸出信號(hào)的超標(biāo)值，故本設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)化電阻也使用250Ω，但由兩個(gè)電阻并聯(lián)而成，一個(gè)為200Ω，另外一個(gè)為50Ω，這樣能檢測(cè)到大于25%的超標(biāo)量，在系統(tǒng)監(jiān)控中更加靈活。

AD電路使用的芯片為PCF8591，該芯片是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件，在單片機(jī)拓展系統(tǒng)中廣泛使用。此類AD芯片具有4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串行I2C總線接口進(jìn)行對(duì)外數(shù)據(jù)傳輸。本次設(shè)計(jì)中僅使用一組模擬輸入，這也為后續(xù)拓展留下便利。單片機(jī)通過(guò)I2C總線對(duì)AD芯片進(jìn)行控制，控制AD芯片采樣輸入及輸出地址。通過(guò)I2C總線方式與DA芯片進(jìn)行通信，減少了電路對(duì)單片機(jī)引腳的需求。電路原理圖如圖2所示。因?yàn)橐怯肐2C總線進(jìn)行通訊，需要在SCL及SDA線路上各增加10k電阻進(jìn)行上拉，保證通訊的穩(wěn)定性。

圖2 AD電路原理圖

■3.3 通訊電路的設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄功能有限，故良好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)在單片機(jī)上設(shè)計(jì)困難且硬件成本較高，故采用單片機(jī)與上位機(jī)通訊的方式將單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行記錄處理為不錯(cuò)的選擇，也成為本設(shè)計(jì)的選取的方案。目前單片機(jī)與上位機(jī)通訊的成熟方案很多，基本都采用串口通信，串口通信在通信上多為RS-232、RS-485以及UART等通信。這些通信各有優(yōu)缺點(diǎn)，北車心機(jī)車ACU與上位機(jī)采用的是RS-232通信，但為了方便現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控以及成本綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用UART串口通信。因?yàn)殡S著技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用上，已經(jīng)慢慢地使用UART技術(shù)取代了傳統(tǒng)的RS-232串口。通訊芯片使用的是工業(yè)控制常見(jiàn)的CH340G，該芯片價(jià)格低，使用廣泛，運(yùn)用穩(wěn)定，通訊接口與電源接口均為常見(jiàn)的Micro usb接口。該通訊接口不僅能為系統(tǒng)提供電源、通訊，后續(xù)還能對(duì)單片機(jī)主機(jī)程序進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)多合一功能。通訊電路的設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

圖3 通訊電路原理圖

■3.4 主電路的設(shè)計(jì)

主控芯片采用常見(jiàn)的80C51單片機(jī)，本設(shè)計(jì)采用STC公司出品的STC89C51系列單片機(jī)，單片機(jī)均可實(shí)現(xiàn)同系列互換要求，為后續(xù)采購(gòu)提供便利。因單片機(jī)系統(tǒng)采樣及通訊功能相對(duì)單一，因此對(duì)于單片存儲(chǔ)空間沒(méi)有太多要求，STC89C51、STC89C52等單片機(jī)均能滿足設(shè)計(jì)要求。在單片機(jī)最小電路基礎(chǔ)上，增加I2C總線通訊及串口通訊電路即可滿足設(shè)計(jì)要求。其主控芯片原理圖如圖4所示。

圖4 主控芯片原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件電路和系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)了本軟件程序。單片機(jī)程序開(kāi)始時(shí)對(duì)PCF8591進(jìn)行設(shè)定，使其工作在AD模式下，指定AIN0口為輸入口。因單片機(jī)沒(méi)有專門的I2C總線模塊，固需要單片機(jī)利用IO接口模擬I2C總線對(duì)AD模塊進(jìn)行通信。單片機(jī)讀取AD模塊的數(shù)值后利用UART模塊將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行處理顯示。系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5 軟件程序流程圖

本設(shè)計(jì)上位機(jī)采用的是Labview編寫，具體可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水壓顯示，數(shù)據(jù)記錄，報(bào)警水壓設(shè)定等一些功能，UART通訊利用了labview中的visa模塊，最終的顯示屏幕截圖如圖6所示。

圖6 水壓檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)截圖

5 總結(jié)

HXD2C機(jī)車北車心系統(tǒng)水壓傳感器為法國(guó)產(chǎn)Baumer公司生產(chǎn)的鐵路產(chǎn)品傳感器，對(duì)比普通工業(yè)用傳感器，可以加深對(duì)北車心水壓傳感器的認(rèn)識(shí)，對(duì)以后的檢測(cè)測(cè)量提供幫助。目前單片機(jī)與上位機(jī)通訊的成熟方案很多，基本都采用串口通信，串口通信在通信上多為RS-232、RS-485以及UART等通信。這些通信協(xié)議各有優(yōu)缺點(diǎn)，北車心機(jī)車ACU與上位機(jī)采用的是RS-232通信，但為了方便現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控以及成本綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用UART串口通信。因?yàn)殡S著技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，已經(jīng)慢慢地使用UART轉(zhuǎn)接技術(shù)取代了傳統(tǒng)的RS-232串口，目前絕大部門電腦都沒(méi)有串口這個(gè)端口了。根據(jù)以上硬件及軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)檢測(cè)基本滿足了要求，但是任存在可改進(jìn)的地方，如上位機(jī)運(yùn)行時(shí)軟件占用內(nèi)存較大，可以考慮使用VB進(jìn)行編寫，但由于時(shí)間限制，軟件調(diào)試還需進(jìn)一步優(yōu)化。