基于ARM的地鐵門控器系統(tǒng)模擬測試平臺的設(shè)計

焦運良，范 晶，戴貽康

(華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京 100083)

0 引言

城市軌道交通運行速度快、乘客數(shù)量多、運營受天氣環(huán)境影響小等特點，使得地鐵軌道交通成為我國大中型城市的主要公共交通方式。地鐵列車門開關(guān)頻繁，容易造成車門的故障并威脅乘客的人身安全[1]。因此，研制一款智能化、實時故障檢測和監(jiān)控的地鐵門控器系統(tǒng)模擬測試平臺顯得尤為重要。本文所設(shè)計的基于ARM芯片的地鐵門控器模擬測試平臺，應(yīng)用于地鐵車廂列車門的在軌功能測試，實現(xiàn)列車門的智能化模擬測試和實時故障檢測，具有實際的工程應(yīng)用價值。

1 門控器單元工作原理

門控器單元是整個地鐵列車門控系統(tǒng)的核心部件，負責(zé)采集和處理各種集控信號，以控制車門進行相應(yīng)的動作[2]。針對北京博得公司生產(chǎn)的試驗地鐵列車門為研究對象，每節(jié)車廂分別配備四扇內(nèi)藏門，每個車門上面設(shè)有分別控制的門控器單元，也可以通過總線實現(xiàn)統(tǒng)一控制，如圖1所示。門控器單元與車門的其他機械部分的電氣連接通過專用的多路連接器相連，實現(xiàn)門控器單元與車門的電氣、物理設(shè)備互通和控制；單個車門以RS485的通信方式實現(xiàn)門控器單元內(nèi)部的通信互通，而多個車門之間則是通過多功能車輛(MVB)總線連接在一起，完成同其他車門的門控器單元和主控控制臺的通信[3]。系統(tǒng)由110 V直流電源供電，通過專用的輸入端口采集列車運行狀態(tài)、車門狀態(tài)、預(yù)警故障狀態(tài)等信號，輸出端口則負責(zé)傳送門控器單元輸出的處理信號和控制命令，到達對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)(如蜂鳴器、指示燈、電磁鐵和直流電機)實現(xiàn)相應(yīng)的動作等。

圖1 門控器單元系統(tǒng)框圖

以執(zhí)行開門動作為例，整個過程的流程框圖如圖2所示。車門在正常運行時，門控器單元實時采集和檢測車門狀態(tài)信號，主要采集“開門”、“關(guān)門”、“零速”等控制線信號，以及鎖閉信號和緊急解鎖信號。在檢測到零速信號和開門信號電平為高，鎖閉信號和緊急解鎖信號電平為高，關(guān)門信號電平為低時，門控器單元的ARM主控單元即認為滿足開門操作要求，通過內(nèi)部總線發(fā)送控制信號給電機驅(qū)動機構(gòu)以及蜂鳴器和指示燈，蜂鳴器鳴叫兩次(可調(diào))，并伴隨指示燈亮起兩次，電磁鐵吸合打開鎖鉤，直流伺服電機正向轉(zhuǎn)動，由皮帶帶動導(dǎo)軌運動，車門受力打開，從而實現(xiàn)列車門的開啟動作。

圖2 開門流程框圖

2 模擬測試平臺的設(shè)計

設(shè)計了一款地鐵門控器模擬測試平臺，以ARM芯片為核心主控芯片，設(shè)計和驗證模擬測試專用板卡的電路和功能；使用Keil MDK軟件進行軟件程序調(diào)試、功能仿真；采用Qt語言進行監(jiān)測界面編寫，實現(xiàn)上位機對門控器單元系統(tǒng)的實時監(jiān)測、高效調(diào)控。專用模擬測試板卡擔(dān)負著控制激勵信號和響應(yīng)信號流向的任務(wù)，上位機監(jiān)控軟件實時檢測、采集系統(tǒng)的各種狀態(tài)信號，存儲、保存和記錄出現(xiàn)的各種故障狀態(tài)信息，有效地模擬測試地鐵列車門控系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，并保證其可靠、穩(wěn)定運行。

門控器模擬測試平臺通過JTAG口進行軟件程序燒寫，在線完成各項功能的模擬測試[4]。考慮地鐵實際運行環(huán)境對系統(tǒng)的影響，本文采用半實物仿真的技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)功能的測試[5]。芯片選型方面，由于ARM芯片處理能力強、價格便宜，芯片引腳數(shù)量多、適合功能擴展等特點，因此選擇ARM系列處理器STM32F103ZEH6芯片為主控芯片，搭建起模擬測試平臺的整體架構(gòu)[6]。

2.1 模擬測試平臺功能需求

模擬測試平臺的主要作用是對地鐵列車門進行開、關(guān)、防擠壓、緊急解鎖和鎖閉等基本功能的模擬測試。其中產(chǎn)生的各種狀態(tài)信號、參數(shù)大小和過程量等數(shù)據(jù)均可以通過圖形化控制界面配置，以及通過上位機實現(xiàn)實時監(jiān)控和調(diào)試。

模擬測試平臺通過產(chǎn)生相應(yīng)的模擬開關(guān)門等信號組合，實現(xiàn)對門控器系統(tǒng)功能的模擬測試，其基本的模擬測試功能有：

(1)開門自檢功能模擬測試；

(2)電控開門功能模擬測試；

(3)電控關(guān)門功能模擬測試；

(4)電磁鐵吸合/松開模擬測試；

(5)防夾和緊急解鎖功能模擬測試；

(6)多扇車門響應(yīng)動作的延遲功能模擬測試。

2.2 模擬測試平臺的硬件設(shè)計

地鐵門控器系統(tǒng)模擬測試平臺的硬件部分是由專用模擬測試板卡、EDCU電子門控器單元、伺服驅(qū)動機構(gòu)和上位機檢測診斷系統(tǒng)組成的，其中專用模擬測試板卡是整個系統(tǒng)硬件部分的核心，實現(xiàn)模擬測試整個系統(tǒng)的各項基本功能。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 地鐵門控器系統(tǒng)的模擬測試平臺整體結(jié)構(gòu)圖

專用模擬測試板卡負責(zé)產(chǎn)生各種狀態(tài)信號，通過上位機下達模擬測試命令，然后測試板卡進行信號采集，將采集到的各個信號輸入給ARM芯片綜合分析后，得到各個狀態(tài)信號，再輸入給電子門控器單元(EDCU)進行判斷、處理和分析，并發(fā)布和輸出控制命令信號給伺服驅(qū)動機構(gòu)，控制車門實現(xiàn)相應(yīng)的動作和產(chǎn)生輔助的聲光提示信息，伺服驅(qū)動機構(gòu)控制電機正反轉(zhuǎn)和并將電機狀態(tài)信息反饋回專用模擬測試板卡，而上位機檢測診斷系統(tǒng)則負責(zé)對整個實現(xiàn)的過程中產(chǎn)生的各種信號、狀態(tài)和動作進行實時的檢測和監(jiān)控，據(jù)此協(xié)調(diào)和輔助對系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行提供有效的保障。

專用模擬測試板卡主要由MVB總線接口電路、采集和控制電路(ARM)、通信電路(MAX)、鎖存電路、驅(qū)動電路、報警電路等組成，原理框圖如圖4所示。

圖4 模擬測試平臺專用板卡原理框圖

從圖4中可以看出：

(1)接口電路采用軌道交通領(lǐng)域電氣標(biāo)準(zhǔn)MVB總線接口，并將外部普通的端口轉(zhuǎn)換為ARM可識別的標(biāo)準(zhǔn)接口；

(2)采集和控制電路采用ARM芯片，可采集控制線上的電平信號，并配置初始化、自檢、工作等狀態(tài)參數(shù)，傳送和發(fā)布控制命令字等；

(3)通信電路采用MAX芯片，接收和發(fā)送各狀態(tài)信號、存儲信號地址以及讀寫Flash等，實現(xiàn)與各部分的相互通信；

(3)鎖存電路主要以D觸發(fā)器、存儲芯片為主，延時存儲和記憶某些狀態(tài)信息，用于故障信息的存儲、保存和記錄；

(4)驅(qū)動電路采用專用的電機驅(qū)動芯片IR2110S和MOS管組成上下對稱的橋式電機驅(qū)動方式，高效和穩(wěn)定地實現(xiàn)對電機的驅(qū)動和控制正反轉(zhuǎn)[7]；

(5)報警電路主要包括指示燈控制部分、蜂鳴器控制部分和緊急解鎖旋鈕控制部分，輔助提供開關(guān)門、防擠壓和緊急解鎖等功能的聲光提示。

2.3 模擬測試平臺的軟件設(shè)計

本文的模擬測試平臺是以ARM為核心芯片，因而軟件程序主要是以嵌入式C語言為主，上位機的診斷監(jiān)控系統(tǒng)以直觀形象的界面顯示，采用Qt語言來編寫。軟件調(diào)試環(huán)境采用主流的ARM集成開發(fā)軟件Keil MDK，其集成開發(fā)環(huán)境μVision4，對ARM芯片和Cortex-M3內(nèi)核的處理器程序調(diào)試實現(xiàn)完美支持，效率高，功耗小且多窗口靈活顯示[8]。Qt語言的小巧靈活、多平臺移植性和全功能化的圖形用戶界面開發(fā)工具等，使得編寫可視化的圖形界面變得十分快捷簡單[9]。

本模擬測試平臺硬件上先連接好：地鐵門控器的各輸入輸出控制線，上位機與門控器單元，PC與門控器單元等。再通過ST-Link燒寫器將測試固件程序在Keil MDK軟件環(huán)境下燒寫進門控器單元，上位機打開監(jiān)控軟件環(huán)境和顯示界面，然后開始上電進行模擬測試。PC進行系統(tǒng)整體功能測試程序的在線燒寫、編譯、仿真和修改，調(diào)控整個系統(tǒng)的運行；上位機則是對各信號電平，電機正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速、角度以及車門的開關(guān)速度曲線、閉合度等進行實時監(jiān)控。

地鐵門控器系統(tǒng)的模擬測試主要分為單項和基本功能測試。單項測試項目包括輸入輸出端口有效測試、芯片引腳可控測試、連接器端口互通測試等；基本功能測試則包括開門自檢功能模擬測試、電控開門功能模擬測試、電控關(guān)門功能模擬測試、防夾和緊急解鎖功能模擬測試等。

3 模擬測試平臺系統(tǒng)測試和驗證

本文所設(shè)計的基于ARM的地鐵門控器系統(tǒng)模擬測試平臺，利用所里現(xiàn)有的地鐵車廂真實環(huán)境，進行真實的地鐵開關(guān)門等功能的模擬測試，實時診斷和監(jiān)控該測試平臺的模擬測試。

3.1 測試平臺模擬測試

整個模擬測試平臺系統(tǒng)的調(diào)試和驗證實驗過程的步驟如下：

(1)按照圖4所示搭建好試驗環(huán)境，準(zhǔn)備好進行模擬測試的條件與平臺。

(2)將初始化和自檢程序燒寫進門控器單元，預(yù)先進行地鐵門控器系統(tǒng)的初始化和車門的自檢。

(3)先進行單項模擬測試項目：輸入輸出端口有效測試、芯片引腳可控測試、連接器端口互通測試等，上位機監(jiān)控界面實時監(jiān)測測試過程，及時反饋和總結(jié)測試的結(jié)果。

(4)進行基本功能模擬測試，采用半實物仿真的技術(shù)，對整個地鐵門控器系統(tǒng)進行全面準(zhǔn)確的功能模擬測試。其測試流程圖如圖5所示。實時觀測測試平臺軟件運行界面的各種信號狀態(tài)和車門的實際運行情況，據(jù)此判定各項測試項目的順利與否。

(5)在實驗過程中，針對可能出現(xiàn)的異常或故障情況，進行在線調(diào)試程序，并且及時、正確地將上位機實時監(jiān)控和診斷的結(jié)果存儲、保存和記錄。

圖5 模擬測試平臺的測試試驗流程圖

3.2 測試平臺功能驗證

按照上面的步驟進行試驗，模擬測試軟件啟動后，模式選擇區(qū)用于測試程序的控制和切換；參數(shù)設(shè)置區(qū)用于參數(shù)設(shè)置及響應(yīng)數(shù)據(jù)的實時顯示；狀態(tài)信息顯示區(qū)實時顯示程序運行中的狀態(tài)信息；運行控制區(qū)則是通過向門控器發(fā)送指令，實現(xiàn)對車門的功能模擬測試。首先進行參數(shù)的配置，就是燒寫進測試程序。

配置完成后便開始進行單項和基本功能測試。單個測試包含多個信號的測試。

基本功能測試則是相應(yīng)地組合多個信號有效時，門控器單元控制伺服驅(qū)動機構(gòu)控制電機的正反轉(zhuǎn)和速度，對車門進行開關(guān)門等對應(yīng)的操作，而上位機的監(jiān)控診斷系統(tǒng)開始對信號和過程量進行監(jiān)控，以及開關(guān)門速度曲線等的繪制，直觀形象地顯示出來。以電控開門為例，診斷監(jiān)控系統(tǒng)的界面顯示如圖6所示。

圖6 電控開門門體速度曲線

按下電控開門按鈕，專用模擬測試板卡產(chǎn)生相應(yīng)的電平信號，門控器單元開始控制車門打開：列車門的開門指示燈閃爍兩次，蜂鳴器鳴叫兩次，由快到慢直至車門完全打開，并且監(jiān)控軟件開始繪制開門曲線，實時監(jiān)測車門的狀態(tài)。

按照圖5所示的測試流程，分別對系統(tǒng)的其他基本功能進行模擬測試，在整個過程中，若監(jiān)控到發(fā)生異常或故障，就實時記錄下來并保存在監(jiān)控軟件中，以便進行有效的診斷和維護。

4 結(jié)束語

本文對北京博得公司生產(chǎn)的地鐵車輛門控器單元為研究對象，設(shè)計出一款基于ARM的地鐵門控器系統(tǒng)模擬測試平臺。通過專用模擬測試板卡模擬列車門的各種信號，門控器單元處理與分析來控制伺服驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)對車門的控制，而上位機監(jiān)控軟件則實時監(jiān)控車門運行過程中的信號、狀態(tài)、運行曲線等，保障整個系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運行。通過實際的在軌半實物仿真模擬測試試驗，驗證了測試平臺完全智能化模擬和實時故障監(jiān)控、檢測，系統(tǒng)運行十分穩(wěn)定高效。