制動閥檢修數(shù)字化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

雷長志，趙 棟，申建利

(1.中國電子科技集團公司第33研究所山西太原030006;2.太原科技大學，山西太原030024)

1 引言

“鐵路貨運量”是“克強指數(shù)”的重要經(jīng)濟指標之一，它反映了中國經(jīng)濟的發(fā)展狀況。目前，中國鐵路貨運量逐年增大，貨運安全對國民經(jīng)濟至關(guān)重要。因此，貨車制動性能的好壞對貨車安全運行有重要作用，建設(shè)一個智能的、高效的、可追溯的制動閥檢修數(shù)字系統(tǒng)對提高檢修制動閥技術(shù)以及提高貨車安全都有重要的作用。

2 制動閥檢修數(shù)字化系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)介紹

制動閥檢修數(shù)字化系統(tǒng)的功能包括:電子標簽管理、檢修全信息化存儲、工件數(shù)字測量、過程信息分類查詢。其檢修數(shù)字化流程框圖如圖1所示。

圖1 檢修數(shù)字化流程框圖

從圖1中可以看到，制動閥檢修數(shù)字化流程從制動閥進入制動室開始，對貨車各種制動閥進行RFID電子標簽標記，然后通過RFID識別并采集制動閥圖像，最后對制動閥的各種參數(shù)進行數(shù)字測量并將數(shù)據(jù)存入制動閥檢修數(shù)據(jù)庫中。

從流程圖中可以看到，制動閥檢修數(shù)字化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是對制動閥進行數(shù)字測量并將數(shù)據(jù)存入制動閥檢修數(shù)據(jù)庫。該技術(shù)采用數(shù)字游標卡尺智能數(shù)據(jù)采集器，將制動閥的各個參數(shù)采集到計算機中，并存入檢修數(shù)據(jù)庫中，以備將來對制動閥的檢修參數(shù)、檢修人員、檢修時間等進行查找。

3 制動閥數(shù)字測量的硬件原理

數(shù)字游標卡尺有4個信號輸入接口，分別為卡尺電源端口、卡尺時鐘信號輸出端、卡尺數(shù)據(jù)信號輸出端、卡尺地端。卡尺時鐘信號輸出端和卡尺數(shù)據(jù)信號輸出端的電平對應(yīng)關(guān)系為:在時鐘信號的上升沿，與其對應(yīng)的電平信號就是卡尺輸出的數(shù)據(jù)信號。

根據(jù)這個對應(yīng)關(guān)系，本系統(tǒng)設(shè)計了智能數(shù)據(jù)采集器的硬件原理圖，該原理圖主要包括電源電路單元、時鐘和數(shù)據(jù)信號電平轉(zhuǎn)換電路單元、數(shù)據(jù)采集和串口通信電路單元三大部分，如圖2所示。

圖2 智能數(shù)據(jù)采集器的硬件原理圖

電源電路單元是制動閥數(shù)字測量系統(tǒng)的動力單元，主要提供+5V和+1.55V兩種電源標準。本系統(tǒng)中采用2種三端穩(wěn)壓器提供電源，一種是78XX系列的三端穩(wěn)壓器，一種是LM217系列的三端穩(wěn)壓器。78XX三端穩(wěn)壓器輸出 +5V電源，LM217三端穩(wěn)壓器可以通過調(diào)整對地電阻的大小來輸出+1.55V。調(diào)整電阻大小如下列公式(1)所示:

公式中，Vout是輸出電壓，RP1是對地電阻，根據(jù)輸出電壓+1.55V和電阻R1的值，可以很容易地計算出電位器RP1需要調(diào)整的數(shù)值。電平轉(zhuǎn)換電路單元是制動閥數(shù)字測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匹配單元，它將游標卡尺產(chǎn)生的時鐘信號和數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成標準的TTL電平，供CPU使用。其電路如圖3所示:

圖3 電平轉(zhuǎn)換電路

時鐘和數(shù)據(jù)信號都是經(jīng)過1個光耦將信號從非TTL電平轉(zhuǎn)換成TTL電平，然后將光耦輸出的信號經(jīng)過反向器74ALS04整形，得到可以使CPU容易辨識的信號，這樣有利于使用CPU的中斷來進行編程。

數(shù)據(jù)采集和串行通信電路單元是整個數(shù)據(jù)采集器的核心單元，采用硬件電路結(jié)合軟件編程，將數(shù)據(jù)信號采集到數(shù)據(jù)寄存器中，然后將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)通過RS－232協(xié)議發(fā)送到計算機中。該電路的CPU采用AT89C2051，該芯片體積小，便于操作，電路如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集和串行通信電路

從圖中可以看到，時鐘信號輸入到CPU的P3.0管腳，用于觸發(fā)外部中斷，數(shù)據(jù)信號輸入到CPU的P1.0管腳，用于在中斷處理程序中接收數(shù)據(jù)。P3.5管腳接1個外部開關(guān)，用于發(fā)送數(shù)據(jù)，當按下開關(guān)后，P3.5從高電平變成低電平，CPU通過P3.1(TXD)管腳將數(shù)據(jù)發(fā)送到MA232的11管腳，然后MAX232將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成232電平送給計算機串口，從而實現(xiàn)上、下位機的通信。

該核心電路的軟件程序是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和串口通訊功能的重要方法。軟件程序主要有初始化、主程序、外部中斷程序、時鐘中斷程序、串口通信中斷程序組成。

4 制動閥數(shù)字化測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)大致分為四大模塊:系統(tǒng)管理、檢修、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)幫助。

系統(tǒng)管理模塊主要包括系統(tǒng)登錄、用戶管理、檢修信息管理、系統(tǒng)退出。系統(tǒng)登錄主要是指當用戶點擊計算機桌面應(yīng)用程序圖標后，進入檢修系統(tǒng)主界面，顯示系統(tǒng)登錄窗口，此時用戶需要輸入用戶名和密碼才能進入檢修系統(tǒng)，否則不允許進入系統(tǒng)。用戶管理主要是指對用戶的添加，密碼的修改以及用戶的刪除。檢修信息管理主要是指系統(tǒng)需要檢修的信息和檢測標準的管理，如檢修信息的增加、合格標準的修改等。系統(tǒng)退出主要是指當作業(yè)人員修改完成后，退出檢修系統(tǒng)的操作。

檢修模塊主要是指作業(yè)人員登錄系統(tǒng)后開始進行相關(guān)檢修的操作。當點擊檢修操作后，操作人員需要選擇需要檢修的工件名稱、工件類型、工件測試項，然后點擊檢修按鈕。此時，系統(tǒng)將通過串口從下位機進行讀數(shù)，并進行相關(guān)的計算以及根據(jù)此工件標準進行合格性的判斷顯示到系統(tǒng)界面，最后，系統(tǒng)把檢修的相關(guān)信息存入數(shù)據(jù)庫，以便于日后的數(shù)據(jù)管理操作。

數(shù)據(jù)管理包括檢修數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)報表生成、數(shù)據(jù)報表打印。數(shù)據(jù)查詢主要指經(jīng)過檢修操作后，數(shù)據(jù)庫中存入大量的檢修工件信息，若需要查詢某些特定的數(shù)據(jù)時，可以通過本操作進行，如按作業(yè)人員、按工件名稱、按工件類型或按時間進行查詢檢修信息。數(shù)據(jù)報表生成是指根據(jù)選定的選項生成類似于Excel的表格信息。數(shù)據(jù)報表打印是指當前一步生成數(shù)據(jù)報表后，需要進行打印為紙質(zhì)文件而執(zhí)行的操作。

系統(tǒng)幫助包括系統(tǒng)版本說明、系統(tǒng)說明書。系統(tǒng)版本說明主要用來顯示本系統(tǒng)的版本號。系統(tǒng)說明書主要是通過經(jīng)過編譯的CHM文件來詳細介紹本系統(tǒng)的各種功能以及具體的使用步驟。

本系統(tǒng)的開發(fā)軟件平臺為Microsoft Visual Studio 2005，數(shù)據(jù)庫軟件平臺為Microsoft SQL Server 2000 Developer Edition。

軟件主界面如圖5所示。

圖5 軟件主界面

軟件實現(xiàn)基本描述:

第一步，從下位機的串口讀取數(shù)據(jù)包。

第二步，根據(jù)數(shù)據(jù)包格式對讀到的數(shù)據(jù)進行解析。

第三步，把解析出來的數(shù)值更新到軟件顯示界面，并存入數(shù)據(jù)庫。

在軟件實現(xiàn)過程中最為重要的是，對數(shù)據(jù)包的解析過程。其關(guān)鍵技術(shù)如下:

因為下位機把一包數(shù)據(jù)用24位進行傳輸，因此軟件接收部分，每接收到24位為一包數(shù)據(jù)，然后再對這24位數(shù)據(jù)進行解析。其基本算法如下:

Int s1=sp.ReadByte();

str=s1.ToString();

if(result.Length==24)

{

result=result.Substring(1，20);

result=Reverser(result);

Double value=Convert.ToInt32(result，2)*0.01;

result=value.ToString();

}

由于上位機收到的這24位數(shù)據(jù)為二進制格式的數(shù)據(jù)串，并且上傳上的部分為二制的低位部分，后傳上來的為二進制的高部分。因此，軟件需要對這具字符串進行反轉(zhuǎn)，得到正確順序的二進制數(shù)據(jù)。這個函數(shù)是對收到的數(shù)據(jù)進行反轉(zhuǎn)的。

private String Reverser(String str)

{

char［］arr=str.ToCharArray();

Array.Reverse(arr);

return new String(arr);

}

5 結(jié)論

該制動閥檢修數(shù)字化系統(tǒng)的研制成功，大大的提高了制動閥檢修精度，提高了制動閥的安全系數(shù)，對貨車的安全運行有很大幫助。

［1］ 鐵道部運輸局裝備部.鐵路機車概要［M］.北京:中國鐵路出版社，2009.

［2］ 徐科軍.容柵傳感器的研究與應(yīng)用［M］.北京:清華大學出版社，1995.