基于ＡＲＭ９的鐵路客車發(fā)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)鐵路新型客車發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)的應(yīng)用，以及原有鐵路客車發(fā)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)存在的問題，設(shè)計(jì)了新型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)以ARM9為核心，以嵌入式Linux為操作系統(tǒng)，具有以太網(wǎng)接口、SD卡存儲(chǔ)器和液晶觸摸顯示屏的友好人機(jī)接口。設(shè)計(jì)了以IGBT為主控元件的負(fù)載調(diào)控模塊，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的自動(dòng)調(diào)整。該試驗(yàn)臺(tái)具有體積小、測(cè)控精度高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： ARM9； 嵌入式Linux；鐵路客車；發(fā)電機(jī)；試驗(yàn)臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP332.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)34-1790-03

Design of Test Platform for Passenger Train Generator System Based on ARM9

ZHANG Yang1， LIU Yi1， ZHU Bing1， HUANG Xiao-cun2

(1.Electronic information Engineering College， Liaoning University of Technology， Jinzhou 121001，China; 2.Physics Electrical Information College， Ningxia University， Yinchuan 750021， China)

Abstract: In view of the new passenger train generator and control system's application， as well as the original passenger train generator system test platform's questions， the new test platform of generator system has been designed. This test platform takes ARM9 as the core， takes embedded Linux as the operating system， has the ethernet connection， the SD card memory and friendly man-machine connection of the touchable liquid crystal display monitor. It has designed load regulation module which takes IGBT as master element， has realized the load current automatic control. This test platform has many characteristics， such as the small volume， the high examination and control precision， the high automaticity and so on.

Key words: ARM9; embedded Linux; passenger train; generator; test platform

1 引言

當(dāng)前我國(guó)鐵路客車分為空調(diào)客車與普通客車兩大類，普通客車使用車軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)供電的模式。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和蓄電池組相互配合為客車供電。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由感應(yīng)子式發(fā)電機(jī)、控制箱和整流箱組成。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)工作質(zhì)量直接影響列車的運(yùn)行安全。根據(jù)鐵路段修、廠修規(guī)程及鐵道部TB/T1896-87鐵路客車發(fā)電裝置試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)條件的要求[1]，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)分解檢修后需要進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，以檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的性能參數(shù)是否滿足技術(shù)要求的規(guī)定，有效保證列車的運(yùn)行安全。隨著鐵路客車的不斷提速以及新型發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)的應(yīng)用，原有的鐵路客車發(fā)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)已不能滿足對(duì)現(xiàn)有客車發(fā)電機(jī)和控制箱、整流箱的檢測(cè)要求[2]。主要表現(xiàn)出調(diào)速范圍小，能耗大，檢測(cè)精度低，自動(dòng)化程度低，試驗(yàn)操作繁瑣等缺點(diǎn)。針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)了以基于ARM9內(nèi)核的S3C2410X芯片為核心的鐵路客車發(fā)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)在測(cè)量精度、能耗、自動(dòng)化程度、體積等方面均有所改進(jìn)。

2 試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

新型鐵路客車發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)參照原有試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案[3-4]，并加以改進(jìn)。試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1中虛框內(nèi)所示。試驗(yàn)臺(tái)以ARM9為控制核心，由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、繼電器、變頻器、SD卡、液晶觸摸顯示屏等組成，蓄電池組用來模擬客車上的蓄電池組，利用電動(dòng)機(jī)模擬客車運(yùn)行帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（發(fā)電機(jī)、整流箱和控制箱）為試驗(yàn)對(duì)象，如虛框外所示。

試驗(yàn)臺(tái)以基于ARM9內(nèi)核的S3C2410X為核心，由觸摸屏輸入所需參數(shù)和選擇試驗(yàn)項(xiàng)目等。S3C2410X通過繼電器控制變頻器控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)；通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬信號(hào)控制變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。負(fù)載調(diào)控電路調(diào)節(jié)負(fù)載電流大小。試驗(yàn)臺(tái)通過傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)試發(fā)電機(jī)三相輸出電壓、輸出電流等15項(xiàng)參數(shù)。并將采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上，同時(shí)自動(dòng)存入SD卡存儲(chǔ)器。SD卡中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過UART接口上報(bào)計(jì)算機(jī)，由打印機(jī)按規(guī)定的試驗(yàn)記錄表格輸出試驗(yàn)結(jié)果。通過以太網(wǎng)接口能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和查詢等功能。

3 試驗(yàn)臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

按照功能層次，本試驗(yàn)臺(tái)由ARM9最小系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控模塊、負(fù)載調(diào)控模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、人機(jī)交互模塊和數(shù)據(jù)通信模塊組成。以下對(duì)各模塊的構(gòu)成進(jìn)行具體的介紹。

ARM9最小系統(tǒng)由S3C2410X微處理器、SDRAM、NAND Flash、復(fù)位電路、電源等組成。S3C2410X是韓國(guó)三星公司生產(chǎn)的基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，時(shí)鐘頻率高達(dá)203MHz。SDRAM用于程序的運(yùn)行，64M字節(jié)，由兩片HY57V561620組成，工作在32位模式下。NAND Flash用于程序的存儲(chǔ)，采用的是64M字節(jié)的K9F1208U0M。復(fù)位電路使用的芯片是MAX811，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位的功能。系統(tǒng)由5V電源供電，經(jīng)線性電源L1117-3.3和L1117-1.8輸出3.3V和1.8V供系統(tǒng)使用。

轉(zhuǎn)速測(cè)控模塊調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在設(shè)定轉(zhuǎn)速，用于模擬發(fā)電機(jī)隨著鐵路客車運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。由于S3C2410X內(nèi)部沒有計(jì)數(shù)器，而有五個(gè)可以輸入外部時(shí)鐘的定時(shí)器，所以轉(zhuǎn)速測(cè)量部分采用定時(shí)器測(cè)量的方法。轉(zhuǎn)速傳感器即旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖信號(hào)作為定時(shí)器0的外部時(shí)鐘信號(hào)，定時(shí)器1采用內(nèi)部時(shí)鐘，兩個(gè)定時(shí)器同時(shí)工作，定時(shí)器1定時(shí)結(jié)束后產(chǎn)生中斷，讀取定時(shí)器0的計(jì)數(shù)值，從而可以測(cè)算出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。公式如下：

M=■

公式中：M為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；T為定時(shí)器1的定時(shí)時(shí)間；N為定時(shí)器0的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)；P為旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)一圈所發(fā)出的脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)速控制部分，S3C2410X通過三個(gè)繼電器控制變頻器，通過變頻器控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。同時(shí)S3C2410X輸出數(shù)字信號(hào)，通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為0-5V模擬信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

負(fù)載調(diào)控模塊用來模擬鐵路客車內(nèi)的用電設(shè)備運(yùn)行。原有試驗(yàn)臺(tái)都是用一個(gè)體積較大、安裝麻煩的電阻箱負(fù)載，通過試驗(yàn)臺(tái)上的轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)整系統(tǒng)的負(fù)載電阻，以此來調(diào)整負(fù)載電流的大小。這種方法操作不便、調(diào)節(jié)精度差，影響試驗(yàn)結(jié)果。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了新型負(fù)載調(diào)控模塊，該模塊由EXB841、高速IGBT和負(fù)載電阻組成。S3C2410X內(nèi)部有4個(gè)具有PWM功能的定時(shí)器，利用定時(shí)器2可以發(fā)出任意占空比的方波，經(jīng)由專用驅(qū)動(dòng)器EXB841，控制IGBT的通斷，從而調(diào)整負(fù)載電流的大小。負(fù)載電流可由公式表示：

I=τ■

公式中：I為負(fù)載電流；U為整流輸出總電壓；τ為定時(shí)器發(fā)出方波的占空比；R為負(fù)載電阻。從負(fù)載調(diào)控模塊的調(diào)試方式可以看出，采用改進(jìn)的負(fù)載電流調(diào)控方法，能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載電流的連續(xù)可調(diào)，具有切換范圍大、體積小、安裝方便、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

數(shù)據(jù)采集模塊通過各類型傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器采集發(fā)電機(jī)三相輸出電壓、發(fā)電機(jī)三相輸出電流、整流輸出總電壓、總電流、負(fù)載電流、充電電流、勵(lì)磁電流、發(fā)電機(jī)前后軸承溫升、整流箱模塊溫升等15項(xiàng)參數(shù)。以上參數(shù)是衡量客車發(fā)電機(jī)系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，且對(duì)參數(shù)檢測(cè)的精度要求較高，S3C2410X內(nèi)部含有8通道10位AD轉(zhuǎn)換器，其中兩個(gè)通道被觸摸屏占用，而且其轉(zhuǎn)換精度也達(dá)不到系統(tǒng)要求。因此選用MAX197作為A/D轉(zhuǎn)換器，它是MAIXM公司的8通道12位的逐次比較型轉(zhuǎn)換芯片，8+4并行數(shù)據(jù)接口，5MHZ的帶寬，100KSPS的吞吐率。由于MAX197只有8通道，所以在其通道0前加一個(gè)八選一的模擬開關(guān)CD4051，這樣CD4051的8個(gè)通道加上MAX197剩余的7個(gè)通道，就有了15個(gè)數(shù)據(jù)采集通道。

人機(jī)交互模塊采用了液晶觸摸顯示屏，能實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)操作更加方便簡(jiǎn)捷。由于S3C2410X內(nèi)部集成了可編程LCD控制器和觸摸屏控制器，支持帶有觸摸功能的液晶顯示屏，因此硬件實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。

數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計(jì)了UART接口和以太網(wǎng)接口。UART接口可以完成與近距離PC機(jī)之間的串行通信，將數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)進(jìn)行顯示、打印、存儲(chǔ)。由于S3C2410X內(nèi)部集成有UART控制器，所以只需外加MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片和DB-9接口。以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)采用CS8900A-CQ3以太網(wǎng)控制器，外加隔離變壓器和RJ-45接口。試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)接口送入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)信息的集成化和遠(yuǎn)程監(jiān)督查詢。

4 試驗(yàn)臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)選用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，選用Qt/Embedded[5]作為GUI（圖形用戶接口）界面開發(fā)工具。試驗(yàn)臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)工作包括：嵌入式系統(tǒng)交叉開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建，系統(tǒng)引導(dǎo)程序Bootloader的編寫，Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的移植，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)， 基于Qt/Embedded的用戶界面及應(yīng)用程序開發(fā)。其中最重要的工作是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和基于Qt/Embedded的用戶界面及應(yīng)用程序的開發(fā)。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)核和具體硬件之間的接口。Linux內(nèi)核把驅(qū)動(dòng)程序劃分為3種類型：字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。本試驗(yàn)臺(tái)需要設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序有：A/D驅(qū)動(dòng)，D/A驅(qū)動(dòng)，LCD驅(qū)動(dòng)，觸摸屏驅(qū)動(dòng)，SD卡驅(qū)動(dòng)，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和串口驅(qū)動(dòng)等。其中觸摸屏驅(qū)動(dòng)屬于字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，具體設(shè)計(jì)過程如下。觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序入口從S3C2410_TS_INIT開始。首先將觸摸屏相關(guān)寄存器的物理地址映射到虛擬地址、設(shè)置與ADC相關(guān)的I/O口狀態(tài)、對(duì)相關(guān)的寄存器進(jìn)行設(shè)置。接著注冊(cè)中斷和字符設(shè)備。字符設(shè)備操作的結(jié)構(gòu)被S3C2410_FOPS定義。只需定義打開(open)、讀取(read)和關(guān)閉過程(release)。定義TS_RET結(jié)構(gòu)體來存儲(chǔ)觸摸筆動(dòng)作和A/D轉(zhuǎn)換得到的坐標(biāo)值。采用了多次測(cè)量求平均的均值濾波法，使得到的坐標(biāo)更為準(zhǔn)確。

試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用程序采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，主要包括數(shù)據(jù)采集程序、負(fù)載調(diào)控程序、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控程序、觸摸屏控制程序、SD卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)程序等。本文給出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控程序流程，如圖2所示。該部分采用了閉環(huán)反饋控制，將通過定時(shí)器測(cè)得的轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速比較，經(jīng)PID算法計(jì)算出控制量控制轉(zhuǎn)速變化，最終使測(cè)得轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速相一致。

試驗(yàn)臺(tái)圖形用戶界面基于Qt/Embedded設(shè)計(jì)，主要完成數(shù)據(jù)顯示和事件收集兩大工作，采用典型的下拉框、文本框驅(qū)動(dòng)方式。主窗口的創(chuàng)建使用最常用方法，基于QMainWindow類創(chuàng)建一個(gè)用戶類。在主窗口類中使用new QAction( )設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需的動(dòng)作，通過addTo( )函數(shù)添加到菜單中，并將相應(yīng)動(dòng)作發(fā)出的信號(hào)和合適的插槽連接起來，如連接到轉(zhuǎn)速測(cè)控、負(fù)載調(diào)控、數(shù)據(jù)采集等程序中的函數(shù)。當(dāng)用戶點(diǎn)擊一個(gè)菜單項(xiàng)的按鈕時(shí)，應(yīng)用程序會(huì)執(zhí)行其相應(yīng)的代碼。

5結(jié)論

在滿足發(fā)電機(jī)系統(tǒng)基本性能檢測(cè)要求的基礎(chǔ)上，以ARM9為核心的鐵路客車發(fā)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)了負(fù)載調(diào)控模塊，液晶觸摸顯示屏的人機(jī)交互接口，SD卡存儲(chǔ)器和以太網(wǎng)接口等。在嵌入式Linux操作系統(tǒng)上基于Qt/Embedded設(shè)計(jì)了友好的圖形用戶接口界面。試驗(yàn)臺(tái)具有操作簡(jiǎn)捷、測(cè)控精度高、實(shí)時(shí)性好、體積小、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，較好地滿足了車輛檢修部門的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 翟國(guó)富，王淑娟，邵青，等.鐵路客車J5型發(fā)電機(jī)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的研究[J].鐵道車輛，2000，38(12):15-17.

[2] 郝春霖.淺談需改進(jìn)的發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2006(8):55-56.

[3] 宋永增.客車發(fā)電機(jī)綜合試驗(yàn)微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，25(4):90-93.

[4] 黃勝群，孫法明.5KW發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的研制[J].鐵道機(jī)車車輛工人，2007(11):9-12.

[5] 何劍鋒，鄔文彪，李宏穆，等.嵌入式Linux系統(tǒng)的Qt/Embedded圖形界面開發(fā)[J].電子工程師，2007，33(7):46-48.