鐵道車輛高/低電平信號智能發(fā)生器設計

鄧舉明 逄順勇 劉永興

(青島地鐵集團有限公司運營分公司 山東 青島 266041)

0 引言

在鐵道車輛制造及檢修時，需對大量的電氣設備進行試驗。試驗過程中，試驗人員需模擬高/低電平信號輸入到鐵道車輛電氣設備中。模擬產(chǎn)生高/低電平信號的傳統(tǒng)方法是：試驗人員將導線一端與鐵道車輛的DC110 V電源正極連接，導線的另一端則作為高/低電平信號端與車輛電氣設備信號輸入端連接或斷開。此方法不僅操作步驟繁瑣，且有觸電風險。為此，需研制一種鐵道車輛高/低電平信號智能發(fā)生器替代上述傳統(tǒng)試驗方法，用于向鐵道車輛電氣設備模擬輸入高/低電平信號[1-2]。

1 鐵道車輛高/低電平信號智能發(fā)生器的功能要求

依據(jù)鐵道車輛電氣設備檢測試驗的實際需求，高/低電平信號智能發(fā)生器應具備下述功能：

(1)具有較好的絕緣防護及防塵性能；

(2)具有操作簡易且安全性高等特征；

(3)具有發(fā)出30路高/低電平信號的功能：高電平，DC110 V；低電平，0；

(4)應由上位機和下位機兩部分構成，且兩者具有雙向通信功能；

(5)上位機應具備形象直觀的軟件界面，使用者通過操作上位機軟件，控制下位機發(fā)出高/低電平信號；

(6)下位機應服從上位機通信命令，并及時反饋下位機的高/低電平信號發(fā)出情況至上位機。

2 高/低電平信號智能發(fā)生器設計

2.1 總體設計思路

高/低電平信號智能發(fā)生器由上位機及下位機組成。為了提高“高/低電平信號智能發(fā)生器”抗震性能，上位機選擇微型工控主機，微型工控主機與7寸顯示器進行VGA通信。下位機為一塊自主設計的集成電路板，集成電路板外部加裝一款通用PLC塑料外殼。為了滿足試驗需求，下位機應具備30路繼電器輸出接口和1路RS232通信接口。高/低電平信號智能發(fā)生器的主要組成架構如圖1所示。

圖1 高/低電平信號智能發(fā)生器主要組成架構

上位機與“RS232轉(zhuǎn)RS485模塊”進行RS232通信，下位機與“RS232轉(zhuǎn)RS485模塊”進行RS232通信，兩塊“RS232轉(zhuǎn)RS485模塊”之間進行RS485通信，即上位機與下位機間接進行RS485通信，RS485通信具有可遠距離通信的特點。然后，下位機集成電路板與“RS232轉(zhuǎn)485模塊”進行RS232通信，接收通信發(fā)來的30路高/低電平信號發(fā)出指令，控制30路繼電器的輸出。最后，下位機集成電路板再通過RS232通信將自身的30路高/低電平信號狀態(tài)反饋發(fā)送給上位機串口。

2.2 上位機程序簡述

微型工控主機安裝上位機軟件，上位機軟件是一款利用VISUAL STUDIO 2015平臺自主開發(fā)的軟件[1]。上位機通過串口控件間接與下位機進行RS485通信[2]，通信波特率固定設置為57 600。

上位機主要功能包括通信端口選擇，30路繼電器吸合和釋放的控制，顯示下位機的高/低電平信號的狀態(tài)反饋。上位機發(fā)送33個字符數(shù)據(jù)給下位機：第1個字符發(fā)送“X”，為每組數(shù)據(jù)開始字符；第19個字符發(fā)送“M”，為每組數(shù)組中間校驗字符；第33個字符發(fā)送 “Y”,為每組數(shù)據(jù)結束字符。第2～18個字符和第20～32個字符，分別代表上位機對下位機的第1～30路高/低電平信號輸出控制指令(當對應字符為“C”,表示需要該通道應輸出高電平110 V；當對應字符為“O”,表示該通道應輸出低電平0)。上位機對收到下位機的通信數(shù)據(jù)進行解碼，并將30路高/低電平信號狀態(tài)對應顯示在上位機軟件界面對應的指示燈。

上位機軟件界面設計有30個Checkbox控件，分別對應下位機30路高/低電平信號輸出：當軟件界面上的Checkbox控件被選中時，下位機對應的繼電器的線圈吸合，常開觸點輸出高電平(DC110 V)；當Checkbox控件被撤銷選中時，下位機對應的繼電器的線圈釋放，常開觸點輸出低電平(0)。上位機收到下位機反饋的30路高/低電平信號輸出狀態(tài)數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)解碼。若下位機輸出高電平(DC110 V)，則軟件界面對應的指示燈顯示紅色；若下位機輸出低電平(0)，則顯示綠色。上位機軟件界面如圖2所示。

圖2 上位機軟件界面

2.3 下位機軟硬件設計

2.3.1下位機功能概述

下位機控制器是一塊集成電路板。該集成電路板間接與上位機進行RS485通信，接受上位機的通信控制。該集成電路板設計30路繼電器,每個繼電器的常開觸點一端與DC110 V電源正極連接[3]，另一端與集成電路板上的接線端子連接。下位機中的單片機對通信數(shù)據(jù)解碼后，控制30個繼電器吸合或釋放。

2.3.2硬件電路設計

下位機集成電路板以AVR單片機為核心，由濾波穩(wěn)壓電路、通信電路、單片機外圍電路高/低電平輸出電路和下載電路五部分組成。下位機硬件架構如圖3所示。

(1)濾波穩(wěn)壓電路。外部DC5 V電源經(jīng)過多個電解電容濾波和穩(wěn)壓后，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的DC5 V電源，為單片機，三極管及板載繼電器供電。

(2)通信電路。單片機USART引腳RXD和TXD與MAX3232芯片進行USART通信，MAX3232芯片與微型工控主機開展RS232通信，實現(xiàn)單片機與微型工控主機的RS232通信。

(3)單片機外圍電路。單片機外圍電路是以AVR單片機為主處理單位設計而成的電路，主要負責USART通信和三極管控制，單片機由DC5 V電源供電，如圖4所示。

(4)高/低電平輸出電路。通過軟件將單片機的30個通用I/O引腳設置為輸出引腳，向外輸出DC5 V/0的高/低電平信號，上述信號經(jīng)三極管放大后，驅(qū)動板載5 V繼電器得電/失電，控制DC110 V高/低電平的輸出。

(5)下載電路。單片機的PB5/MOSI，PB6/MISO，PB7/SCK 和RST引腳與下載座連接，用于HEX程序下載。

2.3.3程序設計簡述

下位機AVR單片機采用C語言編程。單片機工作流程如下：首先，AVR單片機配置通用I/O引腳方向和串口參數(shù)。AVR單片機接收上位機的RS232通信指令后，按照指令要求，通過自身內(nèi)部單片機的通用I/O引腳輸出高/低電平(5V/0)，通過控制集成電路上的30個三極管處于截止區(qū)/飽和區(qū)，間接驅(qū)動30個5 V板載繼電器吸合及釋放,吸合時輸出DC110 V高電平，釋放時輸出低電平0。然后再回發(fā)33字節(jié)給上位機：第1個字符發(fā)送“S”，為每組數(shù)據(jù)開始字符；第19個字符發(fā)送“L” ，為每組數(shù)組中間校驗字符；最后1個字符發(fā)送“N”，為每組數(shù)據(jù)結束字符。第2～18個字符和第20～32個字符，分別代表下位機的第1～30路高/低電平輸出通道的實際輸出狀態(tài)(當對應字符為“C”,表示需要該通道正在輸出高電平110 V；當對應字符為“O”,表示該通道正在輸出低電平，值為0)。上述過程，循環(huán)往復。

圖3 下位機硬件架構

圖4 單片機外圍電路

3 應用案例

鐵道車輛高/低電平信號智能發(fā)生器已在青島地鐵列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的試驗臺中獲得應用，信號智能發(fā)生器高/低電平信號輸出端與列車網(wǎng)絡控制試驗臺的主控微機的開關量信號輸入端對應進行電氣連接。試驗人員通過點擊鼠標勾選(或取消勾選)上位機軟件界面上的復選框，即可方便快捷地控制下位機向列車網(wǎng)絡控制試驗臺的主控微機信號輸入端發(fā)出30路高/低電平輸入信號(主要包括開門、關門、停放制動、緊急制動和零速等30路信號)，并在上位機軟件界面實時顯示上述高/低電平信號輸出狀態(tài)(有輸出時對應指示燈顯示紅色，無輸出時對應指示燈顯示綠色)，形象直觀，大大提高了列車網(wǎng)絡控制試驗臺的試驗效率。

4 結論

鐵道車輛高/低電平信號智能發(fā)生器由上位機和下位機兩部分組成。 上位機采用微型工控主機和顯示器， 下位機是利用單片機自主設計的一塊集成電路板。 上位機與下位機通信， 控制下位機輸出30路高/低電平信號。 該信號智能發(fā)生器具有造價低， 體積小， 形象直觀和自動化程度高等特點， 具有很大的市場需求， 后續(xù)考慮設計增加信號發(fā)生器的高/低電平輸出路數(shù)， 并在鐵道行業(yè)內(nèi)其他公司推廣使用。