計算機聯鎖中安全電源控制板測試頻率發生器的設計與實現

陳 忱，劉培頂

（1.西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 610031；2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司 電化電信處，天津 300142）

計算機聯鎖中安全電源控制板測試頻率發生器的設計與實現

陳 忱1，劉培頂2

（1.西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 610031；2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司 電化電信處，天津 300142）

計算機聯鎖系統中通常會設計有安全輸出電路，用來保障計算機聯鎖平臺的安全性能。在某些型號計算機聯鎖系統的安全輸出電路中，會通過安全電源控制板對一個連續固定頻率信號的選頻，來隔離輸出用以控制安全繼電器的電源信號。為此設計了一種基于51系列單片機和MAX038信號發生芯片的頻率發生器，用以來模擬輸出該頻率信號，基于Qt設計了上位機程序來實現對頻率信號的監測與調控。文中詳細介紹了該發生器在結構的搭建、硬件和軟件方面的設計。

計算機聯鎖；頻率發生器；AT89S52；MAX038；Qt

計算機聯鎖系統是軌道交通信號系統的一個子系統，負責保障列車行車安全，需要符合“故障-安全”原則。某些型號計算機聯鎖系統中會設計與安全相關的安全輸出電路。需要主電源控制單元輸出一個連續固定的頻率信號至安全電源控制板，通過對該信號選頻作用，安全電源控制板會隔離輸出用于驅動安全繼電器的直流電源，在出現任何故障時安全電源控制板均能可靠地切斷安全繼電器的驅動電源輸出，用以保障聯鎖系統的安全性。該頻率信號的準確性和穩定性直接關系到安全電源控制板功能的實現。

在最終成型的計算機聯鎖系統應用當中，該頻率信號是由計算機聯鎖平臺的操作系統控制和產生，但在整個聯鎖平臺研發的初期，各板卡都能由操作系統控制的聯合調試之前，需要對各塊板卡的功能進行逐一驗證和單獨調試，以檢測其性能是否滿足聯鎖系統的設計要求，這時就需要能提供一種方便快捷的輔助測試工具。為驗證安全電源控制板的選頻功能，測試其性能參數，特此設計一種短期內易于開發獲取且能產生高精度穩定可調頻率信號的發生器，服務于安全電源控制板的研發工作，亦能應用于其他需要可調頻率信號輸入的項目當中。

頻率發生器設計基于51系列單片機和MAX038信號發生芯片，在安全電源控制板的設計初期以及調試過程中，用以模擬主電源控制單元輸出的頻率信號，并結合頻率發生器設計了基于Qt的上位機程序，以便能更好地實時監測和調節輸出信號的頻率和占空比數值，通過該方式來模擬現場工作環境，檢驗驅動信號的頻率變化對安全電源控制板輸出電壓的影響。

1 總體結構及硬件設計

在供電方面，該頻率發生器采用5V USB單獨供電，能夠保障頻率發生器中各個芯片模塊都工作在正常范圍內，以實現各自的功能。在數據通信方面，頻率發生器采用RS232接口的方式，一方面用以燒寫單片機控制程序，方便調試；另一方面用來與上位機進行串口通信，實時監測發生信號的頻率值和占空比值，并發送控制命令，為頻率發生器結構框圖如圖1所示。

圖1 頻率發生器結構框圖

該頻率發生器具體由單片機控制模塊，MAX038頻率發生模塊，A/D轉換模塊，信號放大模塊，以及RS232接口模塊組成。

（1）單片機控制模塊選用AT89S52型8 bit單片機，主要負責與PC端上位機的交互，控制頻率信號的產生以及監測。

選用51系列單片機，主要依據其功能完全能夠滿足該系統設計要求，即串口通信，I/O控制等，且其指令系統熟悉，易于操作，性價比高，便于獲取。

（2）頻率發生模塊選用的是MAX038型信號發生器芯片，主要負責準確地產生高頻方波信號。

選用MAX038芯片，主要依據其可產生高精度的頻率信號且穩定可調的特點，有利于實時監測。其輸出頻率由內部基準電壓及一個外部電阻、電容決定，工作頻率范圍0.1 Hz～20M Hz。頻率值和占空比值都可通過外部器件獨立可調。輸出波形Vp-p為2 V。

頻率發生模塊電路如圖2所示，MAX038通過恒定電流對外部電容CF的充放電，獲得信號輸出。充放電電流由流進IIN引腳的電流控制，并由加在FADJ、DADJ引腳上的電壓進行頻率值和占空比值的調節。

圖2 MAX038信號發生電路

信號振蕩頻率計算式：

為滿足輸出信號頻率在500 Hz左右的需要，根據芯片數據手冊，選定CF=100 nF，設定IIN=100 uA，通過公式計算就能實現當VFADJ=±2.4 V時，對應調制頻偏為±70%，當VDADJ=±2.3 V時，占空比值為10%～90%。故可以僅用通過對可變電阻R_FADJ和R_DADJ的調節就能對頻偏和占空比值進行調節。

輸出信號波形的選擇是由兩個輸入引腳A0和A1的邏輯電平來設定，設計中是通過單片機I/O口直連的方式來控制MAX038的A0、A1引腳，從而控制MAX038輸出相應的波形。

（3）A/D轉換模塊選用PCF8591轉換芯片，主要負責對調節頻率值和占空比的電壓值，以及最后輸出頻率信號的電壓值進行A/D轉換，進而對其監測。

選用PCF8591芯片，主要依據其是一款8 bit AD/DA轉換芯片，具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口，轉換速率由I2C總線最大速率決定。能夠滿足該頻率發生器對多路模擬輸入進行分時轉換，且能與控制芯片串口通信的要求。

A/D轉換模塊電路如圖3所示，3路模擬信號輸入分別接的是調節頻率值的電壓值、調節占空比的電壓值以及最后輸出信號的電壓值，在分批次進行A/D轉換后，通過I2C總線方式傳送至單片機，再通過單片機與上位機實現交互。

圖3 A/D轉換電路

（4）信號放大模塊選用的是AD811型運算放大器芯片，主要負責將輸出信號放大，使其滿足與安全電源對接板對接的要求。

信號放大模塊電路如圖4所示，由于MAX038輸出信號Vp-p為2 V，需要對其輸出信號進行放大處理，才能達到安全電源輸出板選頻輸入信號的要求。根據AD811芯片手冊，選用正向閉環，增益2倍的放大方式，電路中RG與RFB則選用562 Ω，從而獲得相應的放大效果，使其實現與安全電源輸出板的對接。

（5）RS232接口模塊選用的是常用MAX232型轉換芯片，在系統調試過程中用以實現單片機程序的燒寫，在系統運行過程中用以實現單片機與上位機之間的串口通信。

圖4 信號放大電路

3 軟件設計

軟件設計部分包括了單片機端下位機程序和PC機端上位機軟件程序。主要完成頻率發生器與上位機之間數據通信的功能。

在單片機端，系統上電后，其中，頻率發生模塊即可以開始工作。根據該模塊核心MAX038芯片的工作機制，通過可變電阻的調節，可以實現對輸出信號頻率和占空比的調節。這時通過程序啟動A/D轉換，將決定頻率值和占空比值的兩個電壓值，以及最終輸出信號的電壓值經過轉換傳輸到單片機。之后在單片機內部利用程序，參照既定的公式計算得出當前輸出的頻率值和占空比值，再利用串口通信，將計算結果傳輸至PC機上位機端，實現輸出信號頻率值和占空比值的實時監控。單片機程序流程圖如圖5所示。

在PC機端，基于Qt軟件設計了上位機程序，其界面如圖6所示。上位機界面需設計的簡潔友好，且包含所有基本操作。Qt設計師為程序員們提供了可供使用的新選擇，它提供一種可視化的設計能力，相比手工編碼所設計的窗體，可進行更快速、更容易的測試和修改。使用Qt設計師所創建的窗體最終仍舊是C++代碼，因此，可把Qt設計師看作是一個傳統的工作集，并且不會對編譯器強加其他特殊要求。用戶只需要發送操作命令和知道操作結果，不需要知道具體的執行過程。在創建對話框時總是包

Testing frequency generator for security power control model in Computerbased Interlocking System

CHEN Chen1,LIU Peiding2
( 1.School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.Department of Electrifcation and Communication,The Third Railway Survey and Design lnstitute Group Corporation,Tianjin 300142,China)

In the Computer-based Interlocking System,a safety output module is usually designed to guarantee the safety performance of computer-based interlocking platform.In some kinds of safety output module of the Computerbased Interlocking System,the frequency-selecting function of a continuous fxed frequency signal was used to isolate the output for controlling the power signal of safety relay.The authors designed a frequency generator based on 51series single-chip microcomputer and MAX038 signal generator chip to simulate the output of this frequency signal,and PC program based on Qt to implement the monitoring and regulation of the frequency signal.This article described the construction,hardware and software design of the generator.

computer-based interlocking;frequency generator;AT89S52;MAX038;Qt

U284.362∶TP39

A

1005-8451（2016）05-0054-04

2015-11-09

陳 忱，在讀碩士研究生；劉培頂 ，助理工程師。