列車室外功能模擬器

北京康拓紅外技術有限公司 張 鍇 李 俠

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列車室外功能模擬器

北京康拓紅外技術有限公司 張 鍇 李 俠

【摘要】設計一套應用于THDS-A系統的列車室外功能模擬器，其用途為模擬火車現場的過車狀態，便于THDS-A型系統在室內完成調試工作，避免工作人員頻繁往返于公司和現場兩地調試THDS-A型系統。列車室外功能模擬器包括控制箱和模擬架兩部分。兩部分通過電纜連接實現信號的交換與傳遞，并最終為THDS-A軸溫探測系統提供軸溫、軸輛和車速信號。

【關鍵詞】THDS-A系統；列車室外功能模擬器；模擬架

0 引言

隨著中國鐵路事業的快速發展，對于鐵路紅外線設備的需求也會隨之增加，目前比較好的紅外線軸溫探測系統有北京康拓紅外技術有限公司的THDS-A系統［1］。為了使THDS-A系統更加完善，設計了一套模擬器可以模擬火車現場的過車狀態，方便室內測試THDS-A系統。

1 系統框圖

如圖1所示，模擬器系統主要有控制箱和模擬架兩部分組成。控制箱主要負責控制各種信號的模擬，模擬架作為系統的載體實現各種信號。圖中上位機作為系統模擬信號數據的備份，每次模擬過車完畢，便把數據通過串口發往上位機進行數據的存儲。

圖1 系統框圖

2 功能要求

列車室外功能模擬器主要實現了以下功能：

1）模擬現場的軸溫信號，為THDS-A系統的測溫提供探測目標。利用兩塊黑體模擬火車的軸溫，在過車過程中模擬器的控溫板要始終使黑體穩定在一個溫度定值，使測試的溫度穩定一致［2］，［3］。模擬器系統可以提供從室溫到120℃的軸溫信號。

2）模擬現場的軸輛信號，為THDS-A系統提供軸輛信息。利用磁頭信號盤的中斷產生相應的磁頭信號，通過磁頭信號的觸發數量決定模擬的軸輛信息。模擬器系統可以根據實際需求任意設置軸輛信息供THDS-A系統采集。

3）模擬現場的車速信號，為THDS-A系統提供速度信息。電機帶動滾筒轉動的同時，磁頭信號盤會產生相應的磁頭信號中斷，通過相鄰2#，3#磁頭信號中斷的時間間隔判斷速度信號。模擬器系統裝有48V的直流電機，可以模擬5km/h-210km/h的車速供THDS-A系統采集。

4）利用磁頭信號的輸出為模擬器系統和THDS-A系統提供系統接口。模擬器主板上的磁頭信號輸出到四個小電磁頭上，小電磁頭放在THDS-A系統的4個磁頭上面，其變化的磁場產生4個磁頭信號，觸發THDS-A系統工作。兩個系統是通過小電磁頭進行隔離的，不會產生干擾。

5）實現與上位機的串口通訊，在多次測試中記錄模擬器設置的數據并與THDS-A系統采集到的數據進行對比。

3 設計思路

整個模擬器系統的核心器件為兩片C8051F單片機。一片設置在主板上，實現系統的人機接口，并進行系統的整體控制；另一片設置在控溫板上，主要用于黑體溫度的控制。兩塊芯片通過UART串口進行通信。系統通過人機界面設置，最終產生3個信號（軸溫、軸輛、車速）供THDS-A系統進行測試。

1）軸溫信號。利用模糊-PID算法在控溫板上實現溫度的控制［2］，在過車過程中要保持溫度信號的穩定。最終的溫度信號通過模擬架上的黑體得以實現。

2）軸輛信號。通過模擬架上的磁頭信號盤中斷觸發主板上的單片機產生磁頭信號，通過定時器和計數器判斷1#磁頭的觸發位置，并最終通過后面產生的2#，3#，4#磁頭測得準確的軸輛數。

3）車速信號。通過模擬架上的電機實現相應的轉速，在過車過程中要保持車速平穩，所以采用自適應的調速方法［4］，快速穩定的實現某一設定速度。最終通過磁頭信號盤上2#，3#磁頭的中斷信號來判斷車速。

產生的3個信號分別通過模擬器控制箱作用到模擬架和THDS-A系統控制箱上。最終實現THDS-A系統在室內完成對火車信號的采集與分析工作。

4 模擬架的機械設計

模擬架是信號的一個載體，所有信號都是在模擬架上實現的。軸溫信號是黑體產生的熱信號，磁頭信號是模擬架上的磁頭信號盤中斷觸發并由模擬器控制箱產生的，速度信號是由電機轉速和磁頭信號盤共同實現的。模擬架實物如圖2所示，包括電機、黑體、測速盤、磁頭信號盤、光耦和模擬輪等。（圖中掃描器屬于THDS-A的設備，放置于模擬架上進行測試。）

圖2 模擬架

5 軟件設計

1）控溫板程序流程

控溫板系統初始化→接收到主板設置的溫度信號→模糊-PID控溫→發送溫度準備好信號給主板。

2）主板程序控制流程

主板和控溫板系統初始化→設置軸溫、軸輛、車速信息→待電機轉速和溫度達到目標值并且穩定→開始過車→過車完畢通知控溫板結束控溫。

3）主要控制算法

a）模糊PID溫度控制算法［2］，［3］。溫度的調節與控制算法是很復雜的，這里采用模糊PID控制算法，通過實驗首先確定模糊查詢表，根據查詢表來完成PID控制的P，I，D三個系數的調節。最后通過反饋完成溫度的既快又準的調節與控制。

b）電機轉速自適應調節算法［4］。在速度控制過程中使用測速盤對當前速度進行反饋，根據反饋回來的速度進行下一步調節，直至達到目標速度。

c）磁頭信號觸發算法。1#磁頭信號何時觸發需要通過對磁頭信號盤上的每組2#，3#，4#磁頭的間隔進行計時，通過冒泡排序法得到時間間隔最大那個位置，再通過中斷計數完成1#磁頭信號的觸發，隨后磁頭信號盤上的2#，3#，4#磁頭信號依次觸發。

6 結論

列車室外功能模擬器能夠很好的模擬現場火車的過車信號，供THDS-A型軸溫探測系統進行測試，從而加強了THDS-A系統的測試環節，并且加快了THDS-A系統的軟、硬件完善工作。

參考文獻

［1］THDS-A探測站用戶手冊.北京康拓紅外技術股份有限公司，2007.

［2］陳忠華.基于單片機的溫度智能控制系統的設計與實現［D］.大連理工大學，2006.

［3］Yau-Tarng Juang， Yun-Tien Chang， Chih-peng Huang. Design of fuzzy PID controllers using modified triangular membership functions. Information Sciences， 2008，（178）﹕1326～1327.

［4］江曉光，曲家騏.參數自適應控制在直流無刷電機驅動器中的應用［J］.微特電機，2002（2）﹕31～32.