鐵路調車車載設備檢測裝置的硬件設計

■ 梁明亮

梁明亮：鄭州鐵路職業技術學院，講師，河南 鄭州，450052

《鐵路主要技術政策》提出，鐵路發展的總目標是實現鐵路現代化，要采用先進的監控、檢測診斷技術，逐步完善列車安全保障體系，實現對機車車輛的動態監測，提高設備的故障檢查檢測速度和準確率，以保障行車效率。基于ARM嵌入式技術的鐵路調車系統車載設備檢測裝置研究項目旨在解決鐵路調車作業時，當平調車載設備發生故障時，難以在短時間內對調車機上的平調主機、平調接口控制器（也稱接口盒或接線盒）及列車監控裝置接口電路及相關設備進行有效檢測、診斷和故障分析的問題。

1 技術背景與主要設計原理

在鐵路調車作業過程中，平面調車系統起著實現自動化選路、自動下達轉動道岔命令、自動測量溜放車輛過岔速度、保證調車作業安全等重要控制作用。同時車載平調系統主機把信號狀態、調車作業命令通過接口控制器（接口盒）及時傳送給機車監控裝置主機。當機車調車系統設備或監控設備出現故障時，車載設備技術人員一般在平調主機、平調接口控制盒、機車監控裝置范圍內查找故障，由于其原理及電路較復雜，難以快速準確地查找出存在故障的具體電路。

現有的故障診斷和排除方法通常有以下幾種：一是通過簡單的萬用表檢測，只能對設備損壞嚴重的情況進行判斷，準確率很低；二是不經過嚴格檢測直接更換平面調車控制盒或其他設備，使得檢修面過大，增加維修費用；三是采用現有的功能單一的同類測試設備進行檢測，這類測試設備絕大多數只能向平調控制盒發送簡單的模擬信號，即只能對平調接口控制盒進行故障判斷，不能對平調主機送來的信號進行分析，且此類檢測產品技術手段落后，存在無觸摸液晶屏、界面不友好、操作麻煩、功能簡單等問題。使用此種設備進行故障檢測，容易再次出現調車設備故障，影響調車作業效率。

所設計開發的檢測裝置采用便攜式設計，重量輕；采用32位ARM系統，運算速度快，裝置性能好；開發語音提示功能；采用觸摸式高亮液晶顯示屏，設計友好顯示界面，方便現場技術人員操作；以先進的檢測診斷技術對鐵路平調主機輸出信號、平調接口盒、列車監控接口電路進行全面故障檢測，快速檢測故障，提高檢測的準確率。

檢測裝置由ARM7控制器、電源電路和語音模塊、液晶及按鍵模塊、信號輸入/輸出電路等接口電路組成。

2 ARM7控制器設計

ARM7控制器電路（見圖1）。ARM7嵌入式微處理器為LPC2132，是PHILIPS 半導體公司推出的一個基于ARM7TDMI-S核、支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位微控制器。該處理器封裝較小功耗極低，價格低廉，具有2個32位定時器、8路10位ADC、10位DAC、PWM通道和47個可承受5V電壓的通用I/O接口，其在通信網絡、工業控制和醫療系統得到了廣泛的應用。

LPC2132為單電源供電，含有上電復位和掉電檢測電路，CPU操作電壓為3.0~3.6 V。本控制器采用3.3 V供電，系統時鐘使用外部11.0592 MHz晶振，支持LPC2132微控制器芯片內部PLL及ISP功能，RST為系統復位按鍵，ISP為調試用功能鍵，J2為JTAG程序調試及下載端口。

3 接口電路設計

接口電路主要包括語音模塊、液晶及按鍵模塊、信號輸入/輸出電路等。語音和液晶電路見圖2，信號輸入輸出電路見圖3。

語音模塊U4由集成電路WT588D和FLASH存儲器25X16組成，LPC2132的第15、19、21腳分別作為數據線、檢測信號和復位信號與WT588D相連接，SPK1、SPK2用于外接揚聲器。WT588D為3.3 V供電，25X16為5 V供電。WT588D語音芯片是一款功能強大的可重復擦除燒寫的語音單片機芯片。WT588D讓語音芯片不再為控制方式而尋找合適的外圍單片機電路，高度集成的單片機技術足以取代復雜的外圍控制電路。配套WT588D VioceChip上位機操作軟件可隨意更換WT588D語音單片機芯片的任何一種控制模式。語音模塊有PWM音頻和DAC音頻2種輸出方式：PWM音頻輸出為直接驅動揚聲器的方式，揚聲器兩端接SP+和SP-，此狀態輸出時，SP+/SP-兩端不可短路、不可接電容電阻到地。也可采用DAC音頻輸出方式，此時 PWM+/DAC端做音頻輸出，PWM-端騰空。DAC端接一個1.2 K電阻和104電容到地，再把音頻輸出給三極管8550構成的功率放大電路。

圖1 ARM7控制器電路

圖2 語音和液晶電路原理

圖3 信號輸入/輸出電路

采用彩色液晶觸摸屏和5個獨立式按鍵作為裝置顯示和人機對話窗口。液晶模塊分辨率為320×240，+3.3 V供電，采用16位并行標準8080數據接口，內置背光亮度驅動控制（PWM方式），內置SSD1289液晶控制器。SSD1289液晶控制器由16位并行數據接口、內部控制器和LCD驅動器組成。液晶數據傳輸方式為16位并行方式，LPC2132的16根I/O口線分別接液晶模塊的數據線。

液晶模塊底板帶ADS7843觸摸屏控制器。ADS7843是TI公司生產的四線電阻觸摸屏轉換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12位取樣模數轉換器。在125 kHz吞吐速率和2.7 V電壓下，功耗為750μW。在關閉模式下，功耗僅為0.5μW。由于具有低功耗和高速等特性，被廣泛應用在電池供電的小型手持設備上。觸摸屏部分由觸摸傳感部件和觸摸屏控制器ADS7843組成。觸摸傳感部件是一個四線電阻屏幕，屏上引出四根線，分別對應X軸和Y軸各兩根。測量X方向的時候，將X+，X-之間加上參考電壓Vref，Y-斷開，Y+作為A/D輸入，獲得X方向的電壓；同理測量Y方向的時候，將Y+，Y-之間加上參考電壓Vref，X-斷開，X+作為A/D輸入，進行A/D轉換獲得Y方向的電壓，之后再完成電壓與坐標的換算，整個過程類似一個電位器，觸摸不同的位置分得不同的電壓。以上所需要的參考電壓、A/D轉換等工作由觸摸屏控制器ADS7843直接完成的，微處理器LPC2132只需將相應的控制命令傳輸到ADS7843即可，以獲得相應電壓的數據。

信號輸入/輸出電路的主要功能為接收平調系統送入的各種信號、模擬輸出人為設定的各種信號狀態。U31(74HC245)、R300～R305、R310～R315、J3等元件構成信號輸入通道，U31為雙向驅動器，其第1引腳DIR設置為高電平（+5 V），A1-A6為信號輸入端、B1-B6為信號輸出端，即平調系統輸入的信號經J3到U31的A1-A6，從B1-B6、R300～R305、R310～R315到LPC2132的數據口D0—D5。U32(74HC245)、R310～R315、J4等元件構成模擬信號輸出通道，U32第1引腳DIR同樣設置為高電平（+5 V），即在模擬信號輸出工作狀態時，信號從LPC2132的數據口D0—D5輸出，經R310～R315、U32的A1-A6、B1-B6，最終從J4輸出。

測試裝置電源采用監控系統的+12 V直流電源供電。+5 V電路由三端集成穩壓電路7805產生，+3.3 V電源由LM1117產生。

4 結束語

在鐵路智能檢測設備中，采用先進的ARM嵌入式技術、數字語音技術和液晶觸摸屏技術，具有操作簡便、界面友好、功能較強等優點。本檢測裝置采用便攜式設計，重量輕，旨在解決鐵路企業實際技術問題，滿足了鐵路沿線調車機平調及監控接口設備故障時的維修使用，對于提高檢測速度和準確率有重要作用。設計開發完成后，已直接應用于鐵路監控車間及車載設備維保部門，裝置運行可靠，使用方便，驗證了系統設計的可行性，有很好地推廣應用價值和市場前景。

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