基于STM32單片機的動車集便控制器設計

劉厚文，胡易軒

（1.山東中車華騰環保科技有限公司，山東 濟南250022；2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春130062）

鐵路真空集便系統是保證乘車旅客旅行如廁時不可缺少的重要設備，整個給水衛生系統的核心為集便系統控制器，它不但采集凈水箱、污物箱液位、加熱等狀態信號，同時檢測車上便器系統各個傳感器信號，驅動各電磁閥、指示燈等部件的工作，實現給水衛生系統的控制。控制程序除了滿足最基本的功能需求，還具有故障自診斷、數據監控程序，提高系統的可靠性和可維護性[1]。

本文硬件上是基于Stm32芯片為集便控制器的MCU控制核心[2]，通過光耦、繼電器實現對輸入、輸出的干擾隔離，利用液晶屏實時系統狀態的監控；軟件上實現系統的基本沖洗循環功能，針對故障的發生設置自診斷邏輯程序，系統的各個狀態通過MCU與液晶屏的數據傳輸，以最直觀的方式展現給用戶。

1 系統組成及原理

該控制器的硬件電路主要分為：主控最小系統、輸入接口、輸出接口、通訊接口、TCMS接口和本地監控液晶屏等部分。

動車組列車上供集便系統的電源為110 VDC，而集便系統的檢測部件和驅動電磁閥等部件所需電壓為24 VDC，因此，在控制器的設計中，考慮驅動電磁閥數量較多的因素，選用功率150 W，110 VDC轉24 VDC變壓模塊。而電源模塊輸出的電壓不能直接供給STM32控制芯片，所以在輸出的24 VDC后需要將其再進行降壓、濾波的處理，最后獲得穩定的3.3 VDC用于MCU的供電。選用的液晶屏及其驅動的供電電壓為24 V，通過電源模塊轉換的24 V電壓可直接供液晶屏驅動。在輸入檢測電路中，為避免主回路中的強電干擾控制回路中的弱電信號，在其電路中加入光耦隔離，實現電-光-電的轉化，減少外界對系統的干擾，提高單片機對輸入信號的可靠采集。輸出的驅動電路采用三極管驅動繼電器的方式實現對外設電磁閥的控制。硬件的接口框圖，如圖1所示

圖1 硬件結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 MCU最小系統

本控制器采用STM32F103ZET6芯片為MCU，由于該控制芯片內的配置強大，包括64KB SRAM、512KB FLASH、多個串口和CAN資源，其112個通用IO口是本文選擇該芯片的關鍵，由于動車集便系統的控制輸入和輸出點位較多，不但需要采集各個開關、傳感器等輸入信號，還要控制各個電磁閥等驅動元件的動作，而STM32F103ZET6芯片充分滿足系統多輸入多輸出的需求。

2.2 輸入電路

系統為32路數字量DI輸入，采用TLP2804光耦芯片，通過光電隔離，消除外界輸入的干擾，一塊TLP2804光耦包括四路輸入和四路輸出，根據本系統需求，使用8塊該芯片，其中接入控制器的輸入信號包括凈水箱液位、污物箱液位、污物箱加熱狀態、沖洗按鈕、壓力開關、盆滿液位等。輸入傳感器均以0V為公共端，當有液位或開關閉合，公共端的0V信號通過輸入電路的IO口經過光耦隔離后，將信號傳送到MCU的DI端。輸入檢測電路。

2.3 輸出電路

系統為32路DO輸出，系統輸出采用NPN三極管驅動HF46繼電器，為減少線圈斷電所產生的反向感應電壓的影響，在繼電器線圈處加入BAV70二極管用作續流。MCU處理后的數據通過DO口輸出，通過三極管的放大，驅動繼電器觸點的開啟和關閉，進而驅動排泄電磁閥、沖洗電磁閥、加壓電磁閥、上水電磁閥、指示燈等元器件的工作和停止，同時從32路繼電器中取出八個干觸點，作為TCMS的開關量輸出信號。

2.4 其它電路

除上述控制MCU的選擇和輸入、輸出電路外，其它的變壓、濾波和通訊等電路均為常規的電路設計。串口選擇MAX3232芯片作為通訊，變壓芯片選用VRB2405YMD-10WR3和ASM1117.在液晶屏的選擇上，具有至少640×480的分辨率和數據存儲功能，通過Modbus通訊協議完成MCU與液晶屏驅動控制器的數據傳輸，實現液晶屏實時顯示的效果。

3 系統軟件設計

本系統的軟件設計包括主控MCU的程序設計和液晶屏顯示的程序設計，且二者均通過C語言編程實現。對于軟件的設計要明確系統的控制要求，本文的軟件設計針對的系統為推拉式集便系統[3]。系統程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

3.1 主程序

系統的程序主要完成集便系統的控制，當系統外界條件滿足，即風壓、水源充足時，系統上電后，控制器便執行內部程序。系統程序包括初始化程序、主程序和子程序部分，子程序包括自檢程序、狀態檢測程序、便器控制程序、灰水排空程序、故障自檢程序、防凍排空程序、液晶屏顯示程序等。系統上電后，通過自檢程序判斷系統各個部件是否正常，通過狀態檢測程序，檢測水箱是否有水，污物箱是否已滿，系統風壓是否充足等來判斷系統外界條件狀況。在系統正常的情況下，系統可按照程序流程執行。

3.2 故障自檢程序

當系統進入待機狀態后，程序時刻檢測系統的各部件功能是否正常，在執行完各動作后，程序會對執行動作過程中的各個部件進行檢測，若檢測異常，則程序內部認為可能有故障出現，之后系統會進行故障自檢程序，自檢程序執行后若故障未消除，則停止系統工作。

3.3 故障顯示程序

液晶屏通過與MCU的數據交換，通過液晶屏內部程序對數據的分析和處理后，再執行液晶屏顯示程序，時刻顯示系統的當前狀態及故障信息和故障發生的時間，當系統掉電后，曾經顯示過的故障記錄不會丟失，通過數據下載接口可將歷史信息進行下載。通過對保存數據的處理和分析，可以識別系統的高頻率故障，針對高頻故障可以對其結果或者控制程序進行改進，逐步提高系統的可靠性。

3.4 軟件仿真

由于篇幅所限，下面只針對沖洗循環流程進行計算機仿真，當系統存在真空信號時，按壓沖洗按鈕，首先沖水閥打開1 s后關閉，實現高壓水對便器的沖洗，沖洗后排泄閥打開2 s后關閉，污物在真空作用下被排空，之后沖水閥再打開0.5 s后關閉，延時三秒鐘后，上水電磁閥打開，完成水罐上水，以備下一次沖洗循環使用。仿真結果如圖3所示。

圖3 軟件仿真圖

4 結束語

本文針對動車集便系統檢測傳感器和驅動電磁閥等元器件數量大的特點，選用STM32F103ZET6芯片作為系統控制器的MCU，闡述其功能的強大和資源的豐富。利用芯片的功能及外圍輸入、輸出電路，通過內部程序的運算和邏輯處理，實現對系統各信息的采集和功能部件的驅動，在滿足動車組集便系統的基本功能需求的前提下，故障自檢程序更加提高了系統的可靠性；液晶屏顯示功能更提高了系統的可維護性。