車載設備綜合實訓臺設計

張文財

摘 要：機車動力模擬系統是車載綜合實訓臺的核心部分，是根據教學和機車實訓需要，模擬機車動力運行的信號系統，該系統能模擬不同機車在不同情況下的應急反應和應急輸出，以最真實的機車運行狀態信息反饋當前機車的運行狀態，該機車通過與LKJ、司控器等設備連接，能對機車實訓處理做出相應的狀態體現。該系統采用ARM技術，完成高速采樣和處理的同時，驅動步進電機以高速運轉，根據采集的司控器、電控閥、壓力信息來完成步進電機的最后執行輸出，如電機運轉前進、后退、加速、減速等。

關鍵詞：車載設備；實訓臺；模擬硬件設計；模擬軟件設計

中圖分類號： U216 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）35-168-2

1 機車動力模擬系統設計功能

機車動力模擬系統為模擬機車運行的裝置，可以模擬實現機車的前進、后退、加速、減速等運行狀態，該動力模擬系統采用模擬機車動力系統邏輯內核，根據司控器，LKJ系統的相應指令模擬機車運行，并驅動步進電機裝置進行相應的運轉。本系統主要工況有：①人工操控司控器加速；②人工操控司控器勻速；③人工控制司控器卸載；④LKJ卸載制動；⑤LKJ常用制動；⑥LKJ緊急制動；⑦人工操控大閘（自動制動閥）制動；⑧人工操控小閘（單獨制動閥）制動。

2 機車動力模擬系統設計過程

通過如上設計功能描述，機車動力模擬系統整體設計分為三部分完成，由采集部分、邏輯處理部分和執行輸出等三部分組成。

信息采集部分：主要完成采集司控器狀態，LKJ卸載制動繼電器狀態，LKJ常用制動電控閥，LKJ緊急制動電控閥、大閘、小閘等開關量狀態、氣閥壓力、模擬輪對轉速等模擬量信息，信息采集部分完成這些開關量和模擬量的采集后，將采集的信息數據送給邏輯處理部分進行邏輯處理。

邏輯處理部分：將信息采集的數據進行邏輯處理，按照設計功能描述，需要將信息采集的數據按照司控器部分、LKJ制動部分、大小閘部分共三部分獨立進行邏輯處理，同時三部分邏輯處理后的結果送給執行輸出部分完成模擬動力的輸出。

執行輸出：按照設計功能描述，執行輸出主要根據司控器控制處理結果、LKJ控制處理結果、人工大小閘控制處理結果轉換為控制模擬電機的加速，減速和啟動，停止等信息。

2.1 機車動力模擬硬件設計

2.1.1整體設計

機車動力模擬系統由定制機柜、動力邏輯處理單元、動力信息采集單元、動力信息輸出單元、電機控制單元、采集模塊傳感器等執行電機及其相關附件組成。系統設備組成結構圖如圖1所示。

定制機柜：根據機車內部空間，定制相應大小機柜，用于放置動力邏輯處理單元箱、動力信息采集單元箱、動力信息輸出單元箱、電源單元箱、電機控制單元，及外部各種采集模塊。

動力信息采集單元：用于完成壓力傳感器模塊，司控器采集模塊，常用制動電控閥采集模塊，緊急制動電控閥采集模塊，速度傳感器采集模塊等信息完成高速采樣，并及時處理和存儲。

動力信息輸出單元：用于完成動力原始信息和邏輯處理信息的執行輸出，該輸出單元一方面用于程序調試和信息接口的對外輸出，另一方面完成對電機控制單元的執行輸出。

動力邏輯處理單元：采用二乘二容錯技術的邏輯分析判斷技術，對動力信息采集單元傳輸的數據進行邏輯分析處理，并將輸出執行結果傳輸給動力信息輸出單元，最終完成動力信息執行輸出。

電機控制單元：用于完成高速運轉步進電機的運行控制，根據動力信息輸出單元數據，完成步進電機的前進、后退、加速、減速等驅動控制。

電機：采用兩相42步高速進口步進電機，輸出扭矩達0.55N·m，細分數能達6400細分，同時電機帶同軸輸出輪等附件，具備傳感器安裝位置等。

采集模塊：由不同采集模塊組成，分別為緊急制動電控閥采集模塊，常用制動閥采集模塊、司控器采集模塊、壓力傳感器模塊、速度傳感器采集模塊等，用于對制動信息和司控器設備的狀態監測，并完成轉換最后傳輸給動力信息采集單元。

電源：給機車動力模擬系統提供電源動力。

2.1.2 主芯片設計

通過如上描述，該系統主要部分由核心主硬件MCU電路組成，各單元根據不同功能需求增加相應接口電路硬件，總體設計如圖2所示。

2.1.3 模塊設計

根據如上信息采集的項目，主要分為開關量采集和模擬量采集，其中司控器、LKJ卸載繼電器、LKJ常用制動電控閥、LKJ緊急制動電控閥、人工操作大小閘等屬于開關量采集類，氣閥壓力和速度采集等屬于模擬量采集類。

為確保采集設備不影響被采集設備的正常工作，我們設計的采集模塊采用光電隔離技術進行轉換采集，確保輸入和輸出間的隔離。

對于開關量采集模塊，采集接點為空接點，輸出為24V直流信號；對于模擬量采集模塊，根據采集類型，分為壓力傳感器采集模塊和速度采集模塊，壓力傳感器采集模塊采集量程范圍為：1050kPa，輸出為電流信號0-20mA；速度傳感器采用光電速度傳感器采集轉速范圍為：2000r/min，輸出為脈沖信號。

2.2 機車動力模擬軟件設計

機車動力模擬軟件設計采用嵌入式非搶占性操作系統內核，軟件分為主程序工作流程，定時器中斷工作流程圖，各子任務工作流程等部分組成，由于程序流程較多，目前只選取關鍵幾個工作流程做詳細介紹。

主程序工作流程：主程序采用嵌入式非搶占性操作系統內核，該內核能確保高優先級的任務優先執行，由于采用單一任務堆棧，不具備搶占性任務調度，但采用單一棧的目的也節省了程序內部使用RAM空間，為應用程序提供了更多的數據存儲空間，該主程序工作流程如下：開始—硬件外設初始化—內核初始化—系統時鐘定時器初始化—尋找最高優先級任務—執行最高優先級任務。

定時器中斷工作流程：主要用于開關量采集和定時處理的任務。

重要子任務處理流程：主要涉及幾個關鍵業務處理流程。

2.3 實驗調試

在機車動力模擬系統開發設計調試中，主要經歷了如下過程：系統需求確定、系統硬件選型、系統硬件詳細設計、硬件原理圖及PCB繪制、PCB的試制加工和硬件程序編制和聯調聯試。

產品開發調試的關鍵是電機的速度控制，我們采用的步進電機是兩相42步高速電機，轉速計算公式如下：

轉速（r/min）=×××60

當預值為0.8kHz，分頻頻率為8000kHz，固定角為1.8°，細分為8時，當前理論轉速為：

n=×××60=375r/min

通過我們實驗調試實際測試，調試最高轉速能達3750轉左右，滿足我們使用要求。

3 系統特點

①采用真實的采集傳感器模塊，最大程度上模擬機車動力運行；②能高速采集及響應執行輸出信息；③對外提供接口，方便調試和采集信息輸出；④兼容性廣，與不同型號LKJ，司控器都可配套使用。

參 考 文 獻

[1] 鐵路職工崗位培訓教材編審委員會.機車信號設備維修[M].中國鐵道出版社，2012.