地鐵列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)速度信號(hào)模擬的研究

張建凱，錢(qián)雪軍

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200331）

地鐵列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)是確保地鐵列車(chē)安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一。目前，地鐵列車(chē)廣泛采用架控式制動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)架控式制動(dòng)系統(tǒng)采集2 路速度信號(hào)，用于制動(dòng)系統(tǒng)的控制和提供防滑保護(hù)[1]。鑒于制動(dòng)系統(tǒng)的重要性，需要配備相應(yīng)的制動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和制動(dòng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中一般不會(huì)安裝與實(shí)車(chē)一致的旋轉(zhuǎn)輪對(duì)，無(wú)法與實(shí)車(chē)一樣，通過(guò)速度傳感器監(jiān)測(cè)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)來(lái)獲取列車(chē)速度信號(hào)，為此需要實(shí)現(xiàn)速度傳感器信號(hào)的模擬[2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)地鐵列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的研究主要集中在制動(dòng)性能與防滑控制上，對(duì)速度傳感器輸出信號(hào)模擬的研究相對(duì)較少[3]。

每臺(tái)轉(zhuǎn)向架需采集2 路速度信號(hào)，每節(jié)車(chē)輛有兩個(gè)轉(zhuǎn)向架，每節(jié)車(chē)輛應(yīng)采集4 路速度信號(hào)。本文采用單片機(jī)結(jié)合電壓/電流信號(hào)轉(zhuǎn)換的方式，實(shí)現(xiàn)地鐵列車(chē)4 路速度傳感器模擬信號(hào)輸出[4-7]，獲得高精度的速度模擬信號(hào)，有助于提高地鐵列車(chē)制動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和制動(dòng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的可操作性。

1 主控模塊設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)方案

地鐵列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)速度傳感器輸出信號(hào)模擬系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)：系統(tǒng)）通過(guò)控制單片機(jī)，輸出不同頻率脈沖，用于模擬地鐵列車(chē)速度傳感器產(chǎn)生的高速脈沖，依據(jù)脈沖周期可計(jì)算出地鐵列車(chē)車(chē)速[8]。

地鐵列車(chē)車(chē)速的計(jì)算公式為：

式中：f為測(cè)速脈沖輸出頻率（脈沖輸出周期的倒數(shù)）；D為地鐵列車(chē)輪對(duì)直徑，半磨耗條件下取值為820 mm。

系統(tǒng)采用的芯片型號(hào)為STC15W1K16PWM，具有高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)；內(nèi)部集成高精度R/C 時(shí)鐘，ISP 編程時(shí)5 MHz ～35 MHz范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)。此單片機(jī)共有8 通道10 bit 高速ADC（轉(zhuǎn)換速度可達(dá)30 萬(wàn)次/s），包括6 通道15 位專(zhuān)用高精度PWM 和2 通道CCP（可實(shí)現(xiàn)11 bit ～16 bit PWM 輸出）；單片機(jī)工作頻率范圍為5 MHz ～28 MHz[9]。

速度傳感器輸出信號(hào)的設(shè)計(jì)要求包括：信號(hào)類(lèi)型為電流矩形脈沖，占空比為30%～70%，輪對(duì)每轉(zhuǎn)產(chǎn)生80 個(gè)脈沖，高電平14 mA（11 mA ～17.4 mA），低電平7 mA（4.3 mA ～8.9 mA）。

單片機(jī)可以接收4 路0 ～5 V 模擬信號(hào)和串口信號(hào)；先通過(guò)4 路專(zhuān)用PWM 輸通道輸出4 路脈沖電壓信號(hào)，再將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，最終輸出4路速度模擬信號(hào)。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 多路脈沖輸出

STC15W1K16PWM 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)15 bit PWM 計(jì)數(shù)器，可供4 路PWM 使用，4 路脈沖的初始電平可以單獨(dú)設(shè)置。波形發(fā)生器為4 路PWM，設(shè)置有控制波形反轉(zhuǎn)的計(jì)數(shù)器T1/T2，通過(guò)控制T1/T2的反轉(zhuǎn)時(shí)間可調(diào)節(jié)PWM 的占空比；通過(guò)將PxM1和PxM0 端口設(shè)置為準(zhǔn)雙向口或推挽輸出口，實(shí)現(xiàn)PWM 輸出的目的。

若取T2 為脈沖周期CYCLE，T1 為CYCLE/2，相應(yīng)的脈沖波形占空比為50%。設(shè)置單片機(jī)主時(shí)鐘頻率為12 MHz、12 分頻，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為1 MHz。脈沖周期計(jì)算公式為：

式中：CYCLE0 為系統(tǒng)時(shí)鐘周期，CYCLE為脈沖輸出周期，P為設(shè)定值[PWMCH，PWMCL]。

STC15W1K16PWM 單片機(jī)內(nèi)部PWM 計(jì)數(shù)器為15 bit，P的取值范圍為1 ～32 767。

系統(tǒng)接收ADC 模塊的轉(zhuǎn)換結(jié)果來(lái)控制脈沖周期，其計(jì)算公式為：

式中：Vin為0 ～5 V 模擬信號(hào)輸入，Vcc為基準(zhǔn)電壓5 V。

設(shè)定值P（P′與P值意義相同）的計(jì)算公式為：

由式（2）～式（4）可以計(jì)算出模擬量輸入的脈沖周期。當(dāng)?shù)罔F列車(chē)速度為100 km/h 時(shí)，計(jì)算精度μ為：

由式（5）可知，當(dāng)?shù)罔F列車(chē)速度為100 km/h時(shí)，計(jì)算精度為0.1。地鐵列車(chē)車(chē)速一般低于100 km/h，說(shuō)明系統(tǒng)使用ADC 轉(zhuǎn)換模塊時(shí)，精度小于0.1。

1.3 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)

單片機(jī)PWM 輸出信號(hào)為0 ～5 V。為了滿足輸出電流范圍設(shè)定在7 mA ～14 mA 的要求，設(shè)計(jì)了可將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)的電路。選用AM422-1 芯片，通過(guò)配置不同的元器件，可以在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電流。外部晶體管T1 可降低芯片的功耗，二極管D1 可保護(hù)晶體管免受反極性影響。電路原理見(jiàn)圖2。

圖2 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)電路原理

采用三線制連接方式，R1、R2的阻值關(guān)系為：

輸出電流由兩部分組成：偏移電流和輸入電壓導(dǎo)致的電流，計(jì)算公式為：

電流ISET用于設(shè)置輸出電流偏移，計(jì)算公式為：

由上式計(jì)算，結(jié)果為：R0=30Ω，R1=12KΩ，R2=1K Ω，R3=33K Ω，R4=39K Ω，R5=39Ω，C1=2.2μF，C2=0.1μF。

理論計(jì)算脈沖輸出電流最小值ISET(VIN=0) 為6.944 mA，IOUTMAX(VIN=5)最大值為14.630 mA。

1.4 控制輸入

系統(tǒng)速度模擬信號(hào)的輸入有兩種方式：模擬量輸入和串口輸入。為此，系統(tǒng)具有兩種工作模式。

模式1：通過(guò)232/485 通訊串口將地鐵列車(chē)的速度模擬信號(hào)實(shí)時(shí)傳送給STC15 單片機(jī)。

模式2：來(lái)自外部模塊的實(shí)時(shí)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)STC15 單片機(jī)的4 路ADC 轉(zhuǎn)換模塊，將0 ～5 V 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為10 bit 數(shù)字信號(hào)。

為保證模式1 與模式2 能保持一致的輸出信號(hào)精度，通過(guò)串口發(fā)送給單片機(jī)的速度控制信號(hào)的設(shè)定值范圍為0 ～1 000，可以模擬速度為0 ～100 km/h。

2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

速度傳感器輸出模擬信號(hào)程序采用KEIL5.0 開(kāi)發(fā)。該程序包括底層、中層和上層；其中，底層為驅(qū)動(dòng)層，完成指定模塊的初始化；中層為功能層，通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)層程序模塊來(lái)完成特定功能；上層為應(yīng)用層，通過(guò)調(diào)用底層程序模塊來(lái)完成對(duì)速度模擬信號(hào)的控制。

程序先執(zhí)行模塊的初始化，再判斷輸入模式（串口通信RS 輸入或模擬量AIN 輸入）。若輸入模式為串口輸入，脈沖將接收來(lái)自串口的信號(hào)；若輸入模式為模擬量，脈沖將接收來(lái)自模擬量的信號(hào)，進(jìn)行ADC 轉(zhuǎn)換。而后，檢測(cè)脈沖周期是否超出允許范圍，若超出范圍則舍棄設(shè)置的周期，返回輸入模式判斷，重新接收數(shù)據(jù)。若脈沖周期未超出允許范圍，則輸出脈沖。保持100 ms，再生成下一循環(huán)脈沖。程序流程見(jiàn)圖3。

圖3 速度傳感器輸出模擬信號(hào)程序流程

3 仿真結(jié)果

3.1 測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)采用UTD1050DL 型號(hào)手持式示波器，選用EDR-120-24 直流電源為PCB 板供電，見(jiàn)圖4 所示。

圖4 測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

3.2 測(cè)試波形

在將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)的輸出端連接上模擬負(fù)載，使用示波器測(cè)試模擬負(fù)載兩端的脈沖波形。選用250 Ω 電阻模擬負(fù)載，通過(guò)測(cè)量模擬負(fù)載的電壓值，進(jìn)而得到電流值。

當(dāng)速度設(shè)定為60 km/h 時(shí)，理論頻率為518 Hz；測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6 所示。

從圖5、圖6 中的數(shù)據(jù)可知，輸出波形為矩形脈沖波，脈沖輸出的占空比約為50%；電壓最大值為3.760 V，最小值為1.720 V。換算公式為：

圖5 一路脈沖波形

圖6 一路脈沖重要參數(shù)

式中：RL為負(fù)載電阻，此處用模擬電阻（250 Ω）代替。

經(jīng)過(guò)換算可知，電流最大值為15.040 mA，最小值為6.880 mA，與理論計(jì)算值相符。

對(duì)輸出脈沖頻率進(jìn)行標(biāo)定，表1 為輸出脈沖的實(shí)驗(yàn)值與理論值對(duì)照表。

表1 實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)照

由表1 可知，脈沖輸出頻率實(shí)測(cè)值與理論值非常接近。對(duì)照設(shè)計(jì)要求，脈沖輸出的占空比、電流、頻率在誤差允許范圍內(nèi)都能滿足。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用STC15W1K16PWM 單片機(jī)的高速脈沖輸出模塊，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)地鐵列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)速度傳感器輸出模擬信號(hào)方案；詳細(xì)介紹主要模塊的原理及功能，并完成速度模擬信號(hào)的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：脈沖輸出波形是標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖波，其占空比、輸出電流、頻率均滿足設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)有助于提高地鐵列車(chē)制動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和制動(dòng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的可操作性。