西安地鐵一號線車輛智能司機(jī)控制器測試臺裝置

史富強(qiáng)

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710018）

西安地鐵一號線車輛智能司機(jī)控制器測試臺裝置

史富強(qiáng)

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710018）

文中首先分析西安地鐵一號線司機(jī)控制器的工作原理，然后對司機(jī)控制器閉合表的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析；并根據(jù)西安地鐵一號線車輛司機(jī)控制器現(xiàn)場技術(shù)檢測的需要設(shè)計出一款能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、檢測的智能型測試臺裝置；最后對測試臺的現(xiàn)場應(yīng)用性能做出客觀評價。

西安地鐵一號車輛；司機(jī)控制器；性能參數(shù)；智能型；測試臺裝置

司機(jī)控制器是操縱地鐵列車運行的主令電器，可實現(xiàn)列車牽引、制動、惰行工況，直接影響列車操縱平穩(wěn)性和各種工況的實現(xiàn)。西安地鐵一號線司機(jī)控制器包括主控手柄、換向手柄、鑰匙開關(guān)和警惕按鈕開關(guān)按鈕；主控手柄可控制列車的牽引、制動和惰行工況；換向手柄可以改變列車的牽引方式。目前對司機(jī)控制器檢測使用萬用表“通斷”功能結(jié)合圖紙判斷檔位的閉合，檢測效率低下，錯誤率高，急需研發(fā)一款智能司機(jī)控制器測試臺[1]。

1 司控器的工作原理

司控器操作時必須先插入司機(jī)鑰匙并打開到運行位置（ON位），取消司控器的機(jī)械聯(lián)鎖，才能實現(xiàn)對方向手柄和主控手柄操作。如圖1所示為西安地鐵一號線車輛司控器鑰匙開關(guān)閉合表。

圖1 司機(jī)控制器鑰匙開關(guān)閉合表

鑰匙開關(guān)是由5個速動開關(guān)觸點構(gòu)成，分別是KS1、KS2、KS3、KS4和KS5。當(dāng)鑰匙處于ON位時，5個速動開關(guān)的1、2端閉合，解除司機(jī)控制器的機(jī)械連鎖[2]。

換向手柄由7個速動開關(guān)構(gòu)成，分別是REV1、REV2、REV3、REV4、REV5、REV6和REV7。當(dāng)換向手柄處于不同的位置（F、0、R）時，在棘輪的作用下7個速動開關(guān)有不同的邏輯閉合，閉合的速動開關(guān)可將DC110 V電壓輸送到中央處理平臺進(jìn)行電信號采集，從而判斷列車的牽引模式[3]。

主控手柄是由11個速動開關(guān)構(gòu)成，分別是MC1、MC2、MC3、MC4、MC5、MC6、MC7、MC8、MC9、MC10、MC11、MC12、MC13和MC14。主控手柄和方向手柄工作類似，都是通過DC110 V電信號的通斷來判斷檔位。牽引位時，啟動電路牽引接觸器，主控手柄位置的變化實現(xiàn)牽引最小功率到最大功率的變化，實現(xiàn)列車速度控制。制動位時，啟動電路制動接觸器，制動力可在最小值和最大值之間變化，實現(xiàn)列車的制動減速。零位時，列車的牽引和制動力矩為零。司機(jī)控制器主控手柄拉到最下端FB位為緊急制動位，進(jìn)入緊急制動狀態(tài)。主控器手柄還裝有警惕按鈕，如果司機(jī)在緊急狀況失去了對手柄的控制，警惕按鈕將轉(zhuǎn)到OFF位，在限定時間內(nèi)未再次按壓，將發(fā)出報警提示，再經(jīng)過 3 s后啟動緊急制動[4]。

2 測試臺檢測系統(tǒng)原理

設(shè)計的測試臺將采用“上位機(jī)+下位機(jī)”架構(gòu)。“下位機(jī)”是主控制部分，微處理器選用ATMEL公司的ATmaga 128L芯片，使用位移芯片74HC164/74HC165擴(kuò)展微處理器I/O口，具有多通道開關(guān)量輸入輸出功能，能夠完成對司機(jī)控制器所有觸電的實時檢測，并通過程序的判斷，顯示最終的邏輯結(jié)果[5]。硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

司機(jī)控制器測試臺的硬件以上位機(jī)工控屏為核心，以MODBUS RTU為通訊方式，和下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。上位機(jī)工控屏供電電壓DC24 V，使用WEINVIEW公司專業(yè)的設(shè)計軟件EBproV500進(jìn)行友好的上位機(jī)界面設(shè)計。上位機(jī)程序會根據(jù)通訊協(xié)議將使用到的寄存器按報文下發(fā)，每一條報文包括3部分：報文頭（站址、命令碼和字節(jié)數(shù)）、數(shù)據(jù)和檢驗碼。因此，在MUDBUS協(xié)議的報文中，每幀包括11位：1個起始位、1個校驗位、1個停止位和8個數(shù)據(jù)位。需要注意的是在RTU模式下，報文發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。下位機(jī)硬件部分包括電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)移位系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)[6]。

由于司控器測試臺大多在實驗室、檢修室和地面進(jìn)行檢測，工作電壓為AC220 V。通過各級電源電路，會分別產(chǎn)生DC24 V和DC5 V的工作電壓。DC24 V電壓將提供上位機(jī)工控屏和閉合測試支路上的工作電壓，DC5 V將提供ATmaga 128L和位移芯片74HC164/74HC165的工作電壓。

數(shù)據(jù)移位系統(tǒng)由74HC164/74HC165 8位移位寄存器組成，其中74HC164構(gòu)成了信號控制回路，74HC165構(gòu)成了信號采集回路。48路數(shù)字量信號各需6塊移位芯片構(gòu)成級聯(lián)模式，最終由微處理器發(fā)送相應(yīng)指令控制I/O口的電平高低[7]。單片機(jī)ATmaga 128L的PA0管腳為信號控制的數(shù)據(jù)腳，PA2為時鐘腳。PA0數(shù)據(jù)通過位移芯片74HC164并出8位控制信號，通過級聯(lián)方式，6塊74HC164控制著48路“釋能電路”支路。位移芯片74HC164的每一路控制信號通過限流電阻控制 “釋能電路”中三極管的基級。當(dāng)控制信號為高電平時，三極管導(dǎo)通，1P1處為低電平；當(dāng)控制信號為低電平時，三極管關(guān)斷，1P1處為高電平。此處的反邏輯設(shè)計更好保證了系統(tǒng)的抗干擾能力。控制信號控制“釋能電路”[8]原理如圖3所示。位移芯片74HC165實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集，74HC165采集到的電壓需小于DC5 V，因此在1P1和信號地之間接有穩(wěn)壓二極管1N4733，同時增加了RC充放電路，保障了采集到的信號更加穩(wěn)定、可靠。

圖3 控制信號控制釋能電路原理

3 測試臺系統(tǒng)軟件設(shè)計

司機(jī)控制器測試臺軟件包括兩部分，分別是下位機(jī)控制軟件和上位機(jī)軟件。下面分別介紹兩種軟件的設(shè)計思路[9]。

下位機(jī)控制軟件使用高級語言C語言編寫，通過接收上位機(jī)軟件發(fā)送下來的指令，控制微處理器進(jìn)行相應(yīng)操作，根據(jù)司機(jī)控制器操作的邏輯關(guān)系和閉合關(guān)系，編寫相應(yīng)司機(jī)控制器檔位的判斷程序，經(jīng)過實時采集上來的數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行比較，將每個觸點的結(jié)果以報文的形式發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示。若某一結(jié)果錯誤，同時驅(qū)動報警電路，提醒檢測人員記錄錯誤信息[10]。下位機(jī)控制軟件流程圖如圖4所示。

圖4 下位機(jī)控制軟件流程圖

程序中驅(qū)動74HC164的代碼如下：

上述程序完成了一條檢測電路的驅(qū)動過程，其中void sendshuju（）函數(shù)作用是將單片機(jī)PA0端口中的數(shù)據(jù)通過位移芯片74HC164將數(shù)據(jù)依次發(fā)送出去。void sendshuju（）函數(shù)的作用是讀取每一條支路上采集的電壓信號[11]。

上位機(jī)使用了以安全、可靠性著稱的觸摸式工業(yè)控制屏MT6071iE，前面板防護(hù)級別為IP65，支持USB數(shù)據(jù)下載上傳功能。上位機(jī)程序需要在EasyBuilder Pro編寫環(huán)境中進(jìn)行，負(fù)責(zé)將檢測人員的信息下發(fā)給下位機(jī)，控制數(shù)據(jù)采集[1]；并接收下位機(jī)上傳上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示。將錯誤的信息存儲在配方地址中，自動生成EXCEL文檔格式用于查看和下載。

地鐵車輛智能司機(jī)控制器測試臺上位機(jī)軟件編寫了兩種檢測模式，一種為司機(jī)控制器手柄檔位檢測；一種為速動開關(guān)糾錯檢測。其中司機(jī)控制器“手柄檔位檢測”可以快速完成對一臺司機(jī)控制器的測試，只顯示該檔位的最終結(jié)果。而“速動開關(guān)糾錯檢測”可以對司機(jī)控制器進(jìn)行詳細(xì)的檢測，可以看到內(nèi)部每一個觸點的動作情況，方便技術(shù)人員進(jìn)行查錯糾錯。

“記錄查看”功能可以查看以往對司機(jī)控制器測試過程中記錄的錯誤信息，并可以通過USB下載至電腦，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。上位機(jī)界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)界面

4 測試過程及步驟

根據(jù)西安地下鐵道運營分公司車輛部檢修車間檢修司機(jī)控制器的方法，首先接通司機(jī)控制器測試臺電源，打開軟件系統(tǒng)的測試主界面。用連接線將司機(jī)控制器和測試臺可靠連接。插入司機(jī)鑰匙，根據(jù)軟件提示進(jìn)行相應(yīng)操作[1]，觀察軟件界面中的該位置速動開關(guān)是否正確。待司機(jī)控制器測試完成后，會彈回到主測試界面。同時，測試的數(shù)據(jù)自動存入了上位機(jī)工控屏中，以便查看。測試后，上位機(jī)電腦會自動切除供電電源，斷開司機(jī)控制器和測試臺的連接線，將主控手柄和方向手柄回復(fù)零位，鑰匙開關(guān)恢復(fù)“OFF”位置。關(guān)閉司機(jī)控制器電源。

5 結(jié)束語

地鐵車輛智能司機(jī)控制器測試臺統(tǒng)集測量、信號采集、通信、程序開發(fā)、數(shù)據(jù)存儲等于一體，全自動檢測大大提升了效率和可靠性。通過對西安地鐵運行分公司車輛維修過程中司機(jī)控制器的測試，驗證了本系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計合理，可以滿足西安地鐵車輛司機(jī)控制器的性能檢測要求[12]。

[1]西安市地下鐵道有限責(zé)任公司.西安地鐵一號線車輛合同文件[G].西安：西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，2010.

[2]袁虎林.深圳地鐵3號線車輛司機(jī)控制器試驗裝置的研制[J].城市軌道交通研究，2013（9）:20-21.

[3]史富強(qiáng)，西安地鐵2號線電動客車HRDA制動系統(tǒng)[J].電子設(shè)計工程，2011（1）：12-14.

[4]史富強(qiáng).西安地鐵1號線車輛EP2002制動系統(tǒng)[J].電子設(shè)計工程，2011（1）：27-30.

[5]唐明安.通用型司機(jī)控制器測試裝置[J].機(jī)車電傳動，2006，（6）:58-60.

[6]唐堯福.司機(jī)控制器的故障分析與處理[J].電力機(jī)車技術(shù)，2002（2）:39-40.

[7]匡如華.EP2002制動系統(tǒng)及其在城軌車上的應(yīng)用[J].機(jī)車電傳動，2009（3）：45-48.

[8]周志輝.廣州地鐵3號線電動車組的制動控制[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2004（4）:14-17.

[9]朱翔.廣州地鐵3號線列車EP2002制動系統(tǒng)及故障分析[J].機(jī)車電傳動，2008（3）:58-59.

[10]史富強(qiáng).KAX-1型車載安全監(jiān)測診斷系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].電子設(shè)計工程，2011（1）：112-114.

[11]農(nóng)興中.廣州地鐵3號線最高行車速度選取分析[J].城市軌道交通，2002（10）：42-44.

[12]陶功安，袁立祥，馬喜成.廣州地鐵3號線地鐵車輛[J].機(jī)車電傳動，2006（4）：53-55.

圖7 軟件流程圖

4結(jié)論

基于CAN總線的壓力傳感器的設(shè)計，能夠較好的檢測井下的壓力數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r掌握井下壓力是否超標(biāo)等信息，通過CAN總線進(jìn)行傳輸，具有傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定可靠和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的RS485總線和頻率信號傳輸方式相比，CAN總線接入節(jié)點多，傳輸距離遠(yuǎn)，通信可靠等優(yōu)點，適合于構(gòu)建井下監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。通過實際測試和老化實驗，基于CAN總線的壓力傳感器檢測井下壓力實時性強(qiáng)，能夠準(zhǔn)確的根據(jù)壓力變化進(jìn)行聲光報警，CAN總線傳輸距離超過5 km，傳感器運行穩(wěn)定可靠，能夠達(dá)到監(jiān)控系統(tǒng)中壓力傳感器的設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張斌．采用TLC2652的高精度放大器[J].電子產(chǎn)品世界，2003（13）：39-40．

[2]許永植，滕軍．傳感器系統(tǒng)的誤差差動補(bǔ)償技術(shù)[J]．國外建材科技，2004，25（5）：71-74．

[3]曾涌泉，王勇，植涌.基于ARM和CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008（11）:38-40.

[4]Yiu J.The definitive guide to the ARM Cortex-M3[M].2ed.[S.-1.]:Newnes，2009.

[5]LovedayPW，RogersCA.The influence of control system design on the performance of vibratory gyroscope[J].Journal of Sound and Vibration，2002，255（3）:417-432.

[6]敖文綱.基于TLC2252ID的多路溫度高選變送器系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2008（9）:28.

[7]孫友明，黃秉鍊，羅曉曙.新型腦電信號放大檢測電路的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2006（9）:58.

Test bench for intelligent driver controller of vehicle in Xi'an Metro Line ONE

SHI Fu-qiang
（Shaanxi College of Communication Technology，Xi'an 710018，China）

This paper first analyzes the work principle of the Xi'an metro line driver controller，and then analyzes the logic relationship of the controller.According to the needs of the Xi'an Metro Line 1，the intelligent test bench for data acquisition and detection is designed.

Xi'an metro vehicle；driver controller；performance parameter；intelligent；test bench

TN05

A

1674－6236（2016）18-0075-04

2015-10-15 稿件編號：201510096

陜西省教育廳專項科研項目（16JK1069）

史富強(qiáng)（1971—），男，陜西扶風(fēng)人，碩士，副教授。研究方向：軌道車輛技術(shù)的研究與教學(xué)工作。