地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖的設計及運用

摘 要：傳統(tǒng)地鐵車輛檢修車間的電器柜門鎖大多存在安全隱患，為增加電氣柜門可控性，該研究設計一款電器柜門電控鎖，通過分析電控鎖的安全、集成度以及功能需求，根據(jù)電控鎖結(jié)構(gòu)，從電子鑰匙、鎖體層面展開電控鎖的設計，并通過模擬應用驗證該電控鎖的效果，模擬試驗結(jié)果顯示，該研究所設計的地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖可達到預設功能，提升了電氣柜門開啟可控性。

關鍵詞：電氣柜門 地鐵車輛 檢修車間 電控鎖 設計 模擬試驗

傳統(tǒng)電氣柜門鎖存在安全隱患，如易被破壞、開啟時長不可控等問題，給檢修作業(yè)帶來了潛在風險。因此，設計一種地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖，消除潛在安全隱患，確保電氣柜門的安全可控開啟，具有重要的實際應用價值。

1 地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖的需求分析

此次從安全性、功能以及集成度三方面闡述檢修車間電氣柜門電控鎖的需求。首先，安全性需求。維修作業(yè)安全至關重要。要求各電器柜門均配電控鎖，且一把電控鎖僅對應一把電子鑰匙。這是為防止維修時斷電且柜門開啟狀態(tài)下誤送電，避免同時操作多柜門形成安全隱患。只有申請獲批后，才有權限開啟柜門[1]。其次，功能性需求。電控鎖在檢修車間主要用于控制電氣柜門開閉。電子鑰匙能捕捉和記錄電控鎖啟閉時間及時長。考慮到實際使用，電控鎖通常采用AC220V電源供電，并配備DC3V電源適配器。再次，集成度需求。因電控鎖安裝空間有限（一般不超過500cm3），設計制造時需盡可能提高電路板集成度，以在有限空間內(nèi)實現(xiàn)各項功能，同時保證設備穩(wěn)定性和可靠性。

2 地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖的設計方案

2.1 設計原則

依照行業(yè)標準和地鐵運營安全管理要求，在打造電子控制鎖時需恪守以下準則。（1）電子控制鎖須具備簡潔的結(jié)構(gòu)設計，便于在地鐵車輛的維修站點及電氣控制柜中便捷安裝與應用。（2）電子控制鎖需確保安全性與可靠性，故障率低。考慮到電子控制鎖直接關系到安全，如果發(fā)生系統(tǒng)故障，會直接無法關或開電氣柜門，還會由于人員操作失誤可能引發(fā)人員觸電等一系列安全事故。（3）電子控制鎖應具備良好的操作性，便于人員操作使用。（4）在選用電子元件時，應優(yōu)先考慮通用型元件，確保技術成熟、成本經(jīng)濟、性能穩(wěn)定，并能保證長期穩(wěn)定的供應鏈。

2.2 總體設計架構(gòu)

電氣柜門電控鎖主要包括鎖具部分與電子密鑰兩大部分。鎖具部分由電子鎖定裝置及控制電路板構(gòu)成，而電子密鑰的核心是STM8S003微控制器[2]。電控鎖總體架構(gòu)及其與PC機接口如圖1所示。觀察圖1可以看出，利用“USART→RS232轉(zhuǎn)換模塊”，個人電腦可與電子密鑰進行數(shù)據(jù)交流，傳輸允許開鎖的時間和開鎖持續(xù)時間至密鑰，密鑰隨即自動刷新內(nèi)部參數(shù)。

2.3 鎖體設計

鎖體由電磁鎖和鎖體電路板2部分組成，其中電磁鎖受控于鎖控電路板。該電路板的核心職責是管理電磁鎖的運作，并通過電子鑰匙實現(xiàn)UAART通訊。在鎖控電路板內(nèi)部，集成了STM8S003微控制器，該控制器根據(jù)預設的開鎖時間及持續(xù)時間數(shù)據(jù)，對電磁鎖的啟用時間段及市場適應性進行嚴格規(guī)定[3]，并自動執(zhí)行對電磁鎖的斷電與通電操作。

2.3.1 硬件電路

圖2為鎖體電路板的硬件電路。元件U1是STM8S003控制器微型圖。在此，Y1標識振蕩器，其功能是向控制器提供時鐘脈沖；C1、C2作為22皮法拉的電容器，參與啟動振蕩器。元件U1第6腳VDD承擔為控制器提供正電源的作用；而元件U1第4腳GND則接入負電源。元件U1第11腳與第12腳負責I2C總線的數(shù)據(jù)交互。元件U1第31腳對應USART1_RX接口，即控制器接收串行數(shù)據(jù)的端口，負責接收源于電子鑰匙的定時信息，并依據(jù)這些信息來操控電磁鎖的電源狀態(tài)。由于鎖體電路板在硬件層面僅需讀取電子鑰匙的定時數(shù)據(jù)而不需回傳，因此僅利用了USART1_RX這一接收引腳。

元件PCF8563屬于時鐘模塊，通過I2C總線與STM8S003微控制器實現(xiàn)通信功能，同時向STM8S003傳輸日期和時間信息。而BT2型號的紐扣電池，在主電源失效時為PCF8563模塊提供備用電源。Y2標識的晶振元件為PCF8563產(chǎn)生必需的時鐘脈沖。R11與R12兩電阻擔任上拉電阻的功能，確保PCF8563的I/O引腳電平得以提升。

觀察圖2可以看出，P1連接器用于下載程序代碼，P2連接器為USART通信連接器，P3連接器用于外部電源向內(nèi)部器件供電，P4連接器用于控制電磁鎖開啟和關閉。電控鎖中，RL1屬于繼電器模塊，該模塊通過常開觸點管控電磁鎖電源。發(fā)揮續(xù)流功能的D3則屬于二極管，Q1屬于三極管，其作用是對PD7引腳信號進行無限放大。

2.3.2 電控鎖程序

鎖體電路板STM8S003芯片嵌入自主開發(fā)的程序。通過USART串口接收1幀數(shù)據(jù)后并解析，通過解析數(shù)據(jù)中的標志字節(jié)，判斷該幀數(shù)據(jù)是串口調(diào)試助手軟件發(fā)送來的數(shù)據(jù)還是電子鑰匙發(fā)送來的數(shù)據(jù)。

若數(shù)據(jù)源自串口調(diào)試工具，該數(shù)據(jù)即為校準用的時鐘信息[4]。此時，STM8S003微控制器需要借助I2C通信接口將校準時鐘信息輸出給PCF8563芯片，當在PCF8563設定好相關的時鐘以及初始日期等數(shù)據(jù)內(nèi)容時，通過I2C總線，STM8S003可獲得PCF8563發(fā)送過來的時鐘時間數(shù)據(jù)。而在通過電子鑰匙鎖進行數(shù)據(jù)交換過程中，數(shù)據(jù)內(nèi)容大多是電磁鎖預設的開門和關門時間以及相關數(shù)據(jù)的規(guī)定。因此，STM8S003會根據(jù)時鐘數(shù)據(jù)進行對應的反應，以此進行精細地控制電磁鎖的狀態(tài)進行打開或者關閉。

2.4 電子鑰匙設計

電子鑰匙由通信板和外殼組成，其中，外殼的作用在于加強電子鑰匙的防護性能，以防止電子鑰匙受到電磁干擾；而電子鑰匙的通信板的作用在于與外部進行信息的傳遞或者與串口調(diào)試設備進行信息的傳遞。從根本上說，電子鑰匙核心功能包括實現(xiàn)與個人計算機的USART通訊，便于計算機對電子鑰匙的解鎖時間數(shù)據(jù)進行更新；與鎖具電路進行USART通訊，確保電子鑰匙能夠同步更新鎖具電路中的解鎖時間信息[5]。

2.4.1 通信板設計

首先，硬件電路。電控鎖中，通信板是以STM8S003為核心的集成電路板，其核心任務包括：（1）與鎖體電路板上芯片建立串行通訊。一般串行接口有較多特性，根據(jù)串行接口的特性與模式?jīng)Q定串行通訊模式。（2）通過USART與RS232模塊實現(xiàn)和RS232的通信目標，并接收來自串行調(diào)試系統(tǒng)傳送的開啟時間和持續(xù)時間等相關數(shù)據(jù)信息。根據(jù)PC機串行調(diào)試系統(tǒng)傳送來的可開啟的時間和持續(xù)時間指令信息，在STM8003芯片內(nèi)部智能存儲鑰匙數(shù)據(jù)，并更新啟動時間和持續(xù)時間等信息后，通過USART電路將更新的信息傳送至鎖體電路板上的STM8003芯片。

STM8S003芯片的主要參數(shù)如下：8位微控制器；封裝為LQFP-32；核心為STM8；數(shù)據(jù)總線寬度8位；最大時鐘頻率16MHz；程序存儲器類型為Flash，存儲器大小為8000字節(jié)；數(shù)據(jù)RAM大小為1000字節(jié)；ADC分辨率為10位；輸入/輸出端21個；工作電源電壓范圍為2.95V～5.5V；最低工作溫度為－40℃，最高工作溫度為+85℃；接口類型有I2C，SPI和USART；ADC通道4 個；計時器/計數(shù)器7個。

通信板的供電電源為3v紐扣電池，圖3給出了該板子的硬件電路。從圖中可以看出，元件c11和c12均為瓷片電容，分別為22pf電容，其作用是起晶振的作用。作為無源晶振的元件Y10功能在于，實時運行元件Y10所提供時鐘數(shù)據(jù)。此外，Y10的一段連接芯片中的OSCIN引腳，而另外一段主要連接芯片中的OSCOUT引腳。

元件U2采用STM8S003核心部件，其6引腳、4引腳承擔著為芯片供電的角色，分別對接至3V電源的正負極，確保STM8S003的能源需求得到滿足。30引腳與31引腳負責USART1的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收功能。26引腳設為編程接口SWIM，主要作用是導入STM8S003的程序代碼。1引腳則設定為NRST復位端，用以重啟芯片程序。C13是一個陶瓷電容器，具有2.2uF的電容量。

元件P2作為編程接口的連接器，其2引腳與U2的1引腳相連，3引腳則與U2的26引腳接通。3V電源的正負極接點和U2中的26引腳、1引腳形成芯片的下載電路。檢測指示電源狀態(tài)屬于發(fā)光二極管D11的功能。復位按鍵的S1功能在于手動復位芯片程序。此外，C14和C7均作為濾波電容器使用，各自擁有100nF的電容量。

2.4.2 程序設定

其次，程序。對STM8S003控制單元的USART功能進行設定，包括基本通信設定如數(shù)據(jù)位長、校驗類型以及停止位等。該單元通過USART接收源于計算機周期性傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)涉及柜門開鎖的允許時長調(diào)整。隨后，STM8S003控制器會周期性地通過USART連口，把更新后的柜門啟用時長信息傳遞至控制鎖體的另一塊STM8S003控制板。

3 地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖的模擬應用

針對電控鎖綜合架構(gòu)，與電子鑰匙通信板、鎖體電路板設計原理密切結(jié)合，借助電磁鎖、電源模塊、集成電路板以及面包板等模塊，創(chuàng)設簡易電路，芯片的集成電路功能在于模擬鎖體電路，該電路板集成了繼電器電路，實現(xiàn)對電磁鎖的仿真功能。另一個電路板實現(xiàn)電子鑰匙的電路仿真，并將電子鑰匙的編程程序編入2個芯片里。電控鎖模擬實驗，接入電子鑰匙模擬電路與電腦，在電腦端的串口調(diào)試軟件里配置好電氣柜的開門/關門時間與延時時間后，點擊“發(fā)送”按鈕即可。此外，連接鎖體對電路、電子鑰匙中的電路進行模擬，此時的鎖體模擬電路能根據(jù)所規(guī)定開啟時間、時長等信息，驅(qū)動繼電器完成相關操作，如果超出所規(guī)定開啟市場，那么鎖體模擬電路就會向繼電器發(fā)送信號，并釋放線圈。通過該模擬應用結(jié)果顯示，此次所設計電控鎖方案達到預設目標，具有良好的應用效果。

在實際應用中，地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖的應用效果得到了充分驗證。例如，在某地鐵車輛段的安全聯(lián)鎖控制設備升級整改中，電控鎖被廣泛應用于各檢修位的高壓隔離開關、接地、驗電等設備的門禁系統(tǒng)中。通過電控鎖的應用，實現(xiàn)了對各檢修位的安全聯(lián)鎖和自動控制，有效防護了作業(yè)人員的人身安全和相關地鐵設備的安全，并提高了檢修效率。此外，在故障排查與維護方面，電控鎖也發(fā)揮了重要作用，幫助管理人員快速定位并修復了多起電氣柜門故障。

4 結(jié)語

地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖設計運用對提升檢修作業(yè)安全與效率意義重大。其因結(jié)構(gòu)簡約、體積緊湊、成本效益佳，且穩(wěn)定性與自動化水平高而受青睞，可有效避免維修區(qū)人員誤操，保障人身安全。建議后續(xù)對電子鎖定裝置深化設計優(yōu)化、實證測試及實際應用，推動其在地鐵領域廣泛應用。

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