中繼閥試驗臺硬件控制板的設計與應用

朱雨恒，朱菊香，權海洋

（1.南京信息工程大學 自動化學院，江蘇南京，210044 ；2.無錫學院 軌道交通學院，江蘇無錫，214105）

0 引言

城市軌道交通作為我國綜合交通體系的重要組成部分，對人們的出行、完善運輸體系有著至關重要的作用。隨著國內軌道交通行業的快速發展，隨之而來的就是逐年升高的發車密度與軌道車輛安全性能的不斷要求。因此，對于與行車安全密切相關的制動系統就有了更高的要求[1]。

中繼閥作為制動系統內部重要的一環，它是實現電空轉換的關鍵[2]。我國的軌道車輛性能測試技術相對于國外起步較晚。目前，國內對中繼閥的測試研發一般還停留在人工測試或者半自動化測試。1982 年鐵道部科技局在沈陽機車車輛段配件工廠就JZ-7 型機車制動機試驗臺進行了技術鑒定，并認定可以推廣使用，這是我國首次有了專業的檢測裝置臺[4]。近些年，國內學者對中繼閥的研究也有了不斷地深入。王學影、陳勇飛等人通過 PCI-1711 采集板卡和Labview 軟件設計出的性能 檢測系統，實現了中繼閥的性能測試[5]。巨子琪、王樂等人針對傳統制動閥進行了進一步的改進，將人工的手動閥控制改為電磁閥控制，優化后可以使試驗臺的控制變得更加靈活[6]。

本文針對于中繼閥檢測的嚴格要求，為了簡化測試要求，設計并驗證了中繼閥自動化檢測控制板與測試系統，將信號采集，控制命令，數據處理相融合，簡化了中繼閥測試流程的復雜性。

1 中繼閥控制板卡組成

■1.1 控制板總體框圖

中繼閥制動系統的控制板總體設計框圖如圖1 所示。

板卡由傳感器信號采集、信號處理、USB 通信接口、DAC 模擬信號輸出、多路繼電器控制、雙路PWΜ 脈寬調制輸出、電源供電模塊以及雙控制器核心電路組成。傳感器信號采集處理模塊主要用來對中繼閥試驗臺上面的6 路傳感器信號進行采集處理量化編碼；USB 串口通信模塊用來完成板卡與其它設備之間的數據傳輸[7]；DAC 模擬輸出模塊用來模擬輸出1～5V 的控制電壓從而控制試驗臺比例閥的壓力值；多路繼電器模塊用來控制試驗臺所需要的電磁閥的開閉；雙路PWΜ 脈寬調制模塊用來控制PWΜ 型電磁閥的關斷量；電源用來對整個系統進行供電；核心控制電路由用來協調各個模塊的運行，輸出所需要的控制命令信號。

■1.2 傳感器信號采集電路

本模塊是用來對壓力傳感器模塊的輸出信號進行采集轉換，所采用的模數轉換芯片為AD7606，支持8 路信號的采集，對儀表放大器的輸出電壓進行轉換，輸入輸出特性如下所示：

式中：Vout表示儀表放大器輸出的電壓信號，UADC表示ADC 的參考電壓，位數為N，測量量為D1。

設計模塊擁有完善的集成的數據采集解決方案，并且防止電路輸入出錯，內部提供了模擬輸入鉗位保護，輸入內部鉗位，使芯片最大能耐受采樣信號電平為±16.5V，其內部具有抗混疊模擬濾波器，可有效濾除干擾信號，可采用單電源的工作方式且無需驅動運算放大器和外部雙極性電源，通過數字濾波器提供采樣功能，具體的接口模式可通過引腳來

表1 接口模式選擇

在如圖2 所示的電路圖中，串行選擇時只焊接R9 電阻即可，反之只焊接R3 電阻。即將芯片上的PAR#引腳和GND 相連時為并行輸出，可通過內部選通CS#和RD#輸入信號。當需要選擇串行工作模式時，則需將此引腳和高電平相連，然后通過CS#和SCLK 輸入信號。該模塊可選擇是否使用芯片內部的基準電壓，在本設計中將REF SELECT引腳接高電平即表示使用AD7606 芯片內部基準電壓。

圖2 A/D 模數轉換電路

經過初步采集轉換之后壓力傳感器輸出的信號一般都很微弱，同時由于集成電路的設計以及對外部環境都會形成一定的干擾信號,其輸出信息也很易受到噪音影響，也因此使得在集成電路中會形成混疊現象，故需要對信號進行增強。所以本設計中在其信號輸入的部分進行了二階RC 低通濾波設計，RC 低通濾波電路是開關電源中常見的濾波電路，本設計中的RC 濾波電路是使輸入的高頻信號進行衰減，從而保證低頻信號能夠穩定的通過，二階RC 低通濾波電路相對于比一階信號濾波器電路來說,它對同頻帶的高頻信號有著更良好的抑制能力和過濾效率。它工作的截止頻率與一階RC 低通濾波電路的工作截止頻率一樣高,其工作截止頻率的計算公式如下所示：

通過此A/D 轉換模塊的設計可以有效的為單片機提供壓力信息，從而實現對采集信號的進一步處理。

■1.3 比例閥、電磁閥控制電路

設計需要控制10 路繼電器的開關，用來對制動系統中的多路開關型電磁閥進行控制，在設計中加入雙向光耦隔離，經打板驗證可以支持高低電平觸發方式，采用ULN2803 作為驅動芯片，相比與一個三極管的電流放大倍數大了很多，提高了電流驅動能力，其中一路控制模塊如圖3 所示。

圖3 電磁閥驅動模塊

對比例閥的控制中，該模塊設計用于傳遞轉換單片機的輸出指令信號，從而模擬制動命令，設計主要采用了DAC7512 芯片，使其能夠輸出0～5V 的電壓，需給其提供5V 基準電壓，在測試過程中基準電壓芯片往往會略低于5V，故本設計直接替換為78L05 提供基準電壓，經最后測試整體模塊輸出可達5V，其控制電路如圖4 所示。

圖4 比例閥驅動模塊

■1.4 主控電路

主控電路由兩塊控制芯片組成，控制板卡 STΜ32F429完成對系統中多 路電磁閥控制以及控制 DAC8552 輸出 0～5V 電壓完成對 SΜC 電氣比例閥控制。采集 板卡STΜ32F407 通過 ADI 公司的多通道采集芯片 AD7606，將6 路 1～5V 壓力傳感器輸出的壓力數據發送給控制板卡，保障了系統實時性。 此外，采集板卡在系統中需要計算不同測試 階段各個壓力氣缸達到氣壓穩定所需要的 時間以及通過指示燈表征系統正常運行和異常運行狀態。雙控制器之間使用CAN 總線協議完成信息交互，確保信息傳輸過程中不發生丟包丟幀現象。

圖5 脈寬調制模塊

■1.5 PWM 型電磁閥驅動設計

采用快速關斷ΜOS 管進行電磁閥脈寬的輸出控制，通過一個三極管以及光耦隔離從而驅動ΜOS 管對應的導通程度，從而控制電路的輸出電壓進一步控制PWΜ 型電磁閥的開閉大小。

2 測試流程設計

試驗臺的測試系統軟件設計平臺使用的是Keil5,系統測試的流程如圖6 所示。在試驗臺電氣連接成功之后開啟空壓機給試驗臺供氣，再分別選擇所需要進行的性能測試實驗，對對應的電磁閥、比例閥進行開關或者脈寬調節控制，在完成一個測試實驗之后記錄實驗結果并切換到下一個實驗。

圖6 氣壓監測流程圖

3 測試與驗證結果分析

借助于中繼閥機械部件的搭配，結合所設計的控制板進行測試驗證，設計的控制板可以達到測試所需的自動化檢測要求，滿足整體試驗臺的性能指標，其控制板如圖7 所示。

圖7 控制板實物圖

■3.1 常規制動測試

通過控制命令使試驗臺上面的緊急制動閥，然后SV、RV 閥依次得電，記錄得電后BC 壓力傳感器數據從0 上升到590kPa 的時間，數據記錄如表2 所示。

表2 常規制動記錄表

■3.2 緊急制動測試

通過控制命令使試驗臺上面的緊急制動閥，然后SV、RV 閥依次失電，記錄得電后BC 壓力傳感器數據從0 上升到590kPa 的時間，數據記錄如表3 所示。

表3 緊急制動記錄表

4 結論

本文以ARΜ 控制器為控制核心，以中繼閥機械試驗臺為平臺，通過一系列的實驗與論證。結果表明控制板的設計有效融合了試驗臺的控制需求，具有結構簡單合理，性能可靠等優點。多通道采集辦卡配合高精度壓力傳感器以及雙控制器的設計改變了試驗臺的手動操作，大大降低了對實驗人員的操作要求，實現了對中繼閥實驗平臺的自動化性能檢測。在軌道交通的領域中有一定的參考價值。

雖然本設計實現了中繼閥自動化測試試驗臺控制板的設計，但由于技術知識水平的局限性，所設計的控制板的集成度還不夠高，下一步考慮將最小系統板去除，直接將控制芯片設計在底板上面，去除插件模塊，以及對數據處理的軟件算法進行進一步改進。