一種HXD2C機車北車心系統水壓傳感器的信號輸出檢測裝置設計

李清池，劉洋，劉興山

（中車永濟電機有限公司，山西永濟，044502）

0 前言

HXD2C型交流傳動貨運電力機車牽引控制系統三個方案組成，分別為東芝方案、龐巴迪安防、中車永濟電機有限公司提供的北車心方案。其中北車心方案每臺機車具有兩個結構和原理基本相同的牽引輔助變流柜，每臺牽引輔助變流柜是由3臺牽引變流器、一臺輔助變流器、共用的水冷卻系統和相應的控制單元等組成。其中牽引輔助變流柜中冷卻系統冷卻水泵及水箱放置在牽引輔助變流柜內，復合冷卻塔冷卻風機、變流柜用散熱器和主變壓器散熱器一起集成在機車上的復合冷卻塔中，牽引輔助變流柜采用水冷散熱，主變壓器采用油冷散熱，通過對應的管路與牽引變流柜冷卻回路進行連接。機車冷卻系統水壓檢測系統在機車運行過程中如果工作異常可直接切除一組變流柜。

1 冷卻系統介紹

與技術引進HXD2、HXD2B電力機車主變流器冷卻回路的設計（每個軸有一套獨立的冷卻系統）不同，該變流柜中1組牽引變流器和1組輔助變流器共用一套冷卻系統，采用主管路水分配方式進行冷卻。具體如圖1所示。

圖1 進水管路圖

2 水壓傳感器的介紹

■2.1 電流源輸出的基本思想

平時我們常見的工業用通訊如RS232、RS485、CAN等常用的總線，他們都是傳輸數字信號來傳遞通訊信號。再實際生產生活中，檢測日常模擬物理量的傳感器采用輸出為4~20mA的電流型傳感器最為常見。為工業測量電路設計及穩定性帶來便利。

HXD2C機車北車心系統所采用的水壓傳感器就是采用的24V供電，官方所給出的電壓波動范圍為12~32Vdc，4~20mA 電流輸出的方式。其為Baumer公司生產的電子式壓力變送器。

■2.2 水壓輸出的檢測

水壓傳感器檢測電路具有水流、水壓保護。檢測到水泵不工作，封鎖脈沖，水泵斷開10s后斷開主斷。北車心系統所采用的水壓傳感器最大測量上限為25bar，通常在運用過程中不會出現過壓問題。在輸出端加上一個電阻，再檢測電阻上電壓即可檢測到水壓傳感器工作是否正常，來判斷水泵是否工作。在使用過程中出現過的問題均為輔助隔離后，另一個輔助還沒有切換成功且時間大于10s，報出的水壓異常。

3 測量電路的硬件設計

本設計的關鍵部分之一，就是要把水壓傳感器的輸出數值給轉換為電壓信號，再交由AD轉換電路轉化成數值信號，單片機接收數值信號后使用串口發送給電腦進行數據處理。

■3.1 24V電源電路的選擇

根據水壓傳感器的基本技術參數選擇電源為直流24V±2，由于水壓傳感器的功耗電流僅為80 mA，即1.92W，故電源選取范圍很多。本設計使用的電源為臺灣明緯電源公司生產的NES-100-24型號電源，該電源的輸入電壓為200-220VAC，輸出電壓為24V，最大輸出電流為4.5A，最大功率折算為108W，完全符合水壓傳感器的功率要求。

■3.2 AD轉換電路的設計

由于水壓傳感器的輸出信號為電流信號，電流信號在處理系統中通常轉化為電壓信號進行處理，在傳感器電流輸出端加上電阻，將電流信號轉化為電壓信號進行測量。通常情況下，工業用傳感器的轉化電阻為250Ω，但這樣的弊端為當輸出信號超量程后無法繼續監控輸出信號的超標值，故本設計的轉化電阻也使用250Ω，但由兩個電阻并聯而成，一個為200Ω，另外一個為50Ω，這樣能檢測到大于25%的超標量，在系統監控中更加靈活。

AD電路使用的芯片為PCF8591，該芯片是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數據獲取器件，在單片機拓展系統中廣泛使用。此類AD芯片具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口進行對外數據傳輸。本次設計中僅使用一組模擬輸入，這也為后續拓展留下便利。單片機通過I2C總線對AD芯片進行控制，控制AD芯片采樣輸入及輸出地址。通過I2C總線方式與DA芯片進行通信，減少了電路對單片機引腳的需求。電路原理圖如圖2所示。因為要是用I2C總線進行通訊，需要在SCL及SDA線路上各增加10k電阻進行上拉，保證通訊的穩定性。

圖2 AD電路原理圖

■3.3 通訊電路的設計

由于單片機系統的數據記錄功能有限，故良好的數據存儲系統在單片機上設計困難且硬件成本較高，故采用單片機與上位機通訊的方式將單片機采集的數據發送給上位機進行記錄處理為不錯的選擇，也成為本設計的選取的方案。目前單片機與上位機通訊的成熟方案很多，基本都采用串口通信，串口通信在通信上多為RS-232、RS-485以及UART等通信。這些通信各有優缺點，北車心機車ACU與上位機采用的是RS-232通信，但為了方便現場的監控以及成本綜合考慮，本設計采用UART串口通信。因為隨著技術的發展，在實際生產技術的應用上，已經慢慢地使用UART技術取代了傳統的RS-232串口。通訊芯片使用的是工業控制常見的CH340G，該芯片價格低，使用廣泛，運用穩定，通訊接口與電源接口均為常見的Micro usb接口。該通訊接口不僅能為系統提供電源、通訊，后續還能對單片機主機程序進行升級，實現多合一功能。通訊電路的設計原理圖如圖3所示。

圖3 通訊電路原理圖

■3.4 主電路的設計

主控芯片采用常見的80C51單片機，本設計采用STC公司出品的STC89C51系列單片機，單片機均可實現同系列互換要求，為后續采購提供便利。因單片機系統采樣及通訊功能相對單一，因此對于單片存儲空間沒有太多要求，STC89C51、STC89C52等單片機均能滿足設計要求。在單片機最小電路基礎上，增加I2C總線通訊及串口通訊電路即可滿足設計要求。其主控芯片原理圖如圖4所示。

圖4 主控芯片原理圖

4 軟件設計

根據硬件電路和系統要求，設計了本軟件程序。單片機程序開始時對PCF8591進行設定，使其工作在AD模式下，指定AIN0口為輸入口。因單片機沒有專門的I2C總線模塊，固需要單片機利用IO接口模擬I2C總線對AD模塊進行通信。單片機讀取AD模塊的數值后利用UART模塊將數據上傳至上位機進行處理顯示。系統流程圖如圖5所示。

圖5 軟件程序流程圖

本設計上位機采用的是Labview編寫，具體可實現實時水壓顯示，數據記錄，報警水壓設定等一些功能，UART通訊利用了labview中的visa模塊，最終的顯示屏幕截圖如圖6所示。

圖6 水壓檢測系統上位機截圖

5 總結

HXD2C機車北車心系統水壓傳感器為法國產Baumer公司生產的鐵路產品傳感器，對比普通工業用傳感器，可以加深對北車心水壓傳感器的認識，對以后的檢測測量提供幫助。目前單片機與上位機通訊的成熟方案很多，基本都采用串口通信，串口通信在通信上多為RS-232、RS-485以及UART等通信。這些通信協議各有優缺點，北車心機車ACU與上位機采用的是RS-232通信，但為了方便現場的監控以及成本綜合考慮，本設計采用UART串口通信。因為隨著技術的發展，在實際的生產應用中，已經慢慢地使用UART轉接技術取代了傳統的RS-232串口，目前絕大部門電腦都沒有串口這個端口了。根據以上硬件及軟件設計，經檢測基本滿足了要求，但是任存在可改進的地方，如上位機運行時軟件占用內存較大，可以考慮使用VB進行編寫，但由于時間限制，軟件調試還需進一步優化。