機(jī)車電子柜實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)車電子控制柜是機(jī)車(SS4G、SS6B等型號(hào)的機(jī)車)控制電路的核心，其主要功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)車的牽引、制動(dòng)控制及空轉(zhuǎn)、滑行保護(hù)控制等。由于整個(gè)電子控制柜由很多個(gè)模擬、數(shù)字電路插件板組成(絕大多數(shù)為模擬電路板)，其本身就是一個(gè)極其復(fù)雜的電子設(shè)備，再加上其長期工作在高溫、振動(dòng)和強(qiáng)磁的惡劣條件下，因而造成了機(jī)車電子控制柜的故障發(fā)生率極高(竄車、無流等故障)。而且診斷難度很大。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法是依靠一些儀器儀表，按照跟蹤信號(hào)逐點(diǎn)尋跡的思路，依靠人的邏輯判斷來判定設(shè)備的故障所在，該方法效率低，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)車電子柜的運(yùn)行狀態(tài)。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)車電子柜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是提高機(jī)車檢修效率和行車安全的關(guān)鍵。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

本系統(tǒng)可由信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集板和存儲(chǔ)發(fā)送單元組成。電子柜信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成采集板可以采集的信號(hào)后，經(jīng)信號(hào)采集板采集后，再通過CAN總線發(fā)送到存儲(chǔ)發(fā)送單元，然后通過標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口發(fā)送到診斷單元進(jìn)行故障診斷。數(shù)據(jù)采集也可以通過U盤從USB接口中取出，以便用到地面分析處理系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

通常電子控制柜的狀態(tài)信號(hào)有三種：模擬信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)和脈沖信號(hào)?？紤]到電子柜的重要性與特殊性。信號(hào)采集的前提條件是絕對(duì)不能對(duì)電子柜的實(shí)際工作產(chǎn)生干擾，因此，在信號(hào)采集前，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。同時(shí)，考慮到插槽中的模擬信號(hào)較小，為了保證采集數(shù)據(jù)的精度，這些較小的模擬信號(hào)還需進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟆?br />
2．1模擬信號(hào)調(diào)理電路

模擬信號(hào)的隔離調(diào)理可由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器來完成，電壓跟隨器的特點(diǎn)是輸入阻抗高，可降低外加電路對(duì)電子柜系統(tǒng)的干擾，實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。隔離運(yùn)放可選用專用隔離運(yùn)放，器件參數(shù)主要應(yīng)考慮輸入阻抗等。由于待采集的模擬信號(hào)范圍為1～8V不等，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，這些信號(hào)在采集前還需進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，具體放大倍數(shù)應(yīng)根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換器的參數(shù)確定，一般為1～10倍，運(yùn)放的選擇也應(yīng)視實(shí)際情況而定。其中一通道的模擬信號(hào)調(diào)理電路圖如圖2所示。

2．2開關(guān)信號(hào)調(diào)理電路

開關(guān)信號(hào)都是司機(jī)給定和電子控制柜發(fā)出響應(yīng)的信號(hào)，或系統(tǒng)發(fā)出的比較慢的指令信號(hào)，這些信號(hào)高電平時(shí)為5V，低電平為0V，本設(shè)計(jì)使用TLP521-4來進(jìn)行光電隔離，其開關(guān)信號(hào)隔離電路如圖3所示。當(dāng)KGI為高電平時(shí)，光藕截止。此時(shí)可通過3.3kQ的下拉電阻R3使整形電路74HCl4的輸入為低電平；而當(dāng)KGI為低電平時(shí)。光耦導(dǎo)通，整形電路74HCl4的輸入變?yōu)楦唠娖健2直接與電子控制柜信號(hào)相連接，可起保護(hù)作用。該電路的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在直接測(cè)量整形后的電路時(shí)，其Ton=12μs，toff=35μs，可見其可以滿足系統(tǒng)開關(guān)信號(hào)的采集要求。

2．3脈沖信號(hào)調(diào)理電路

脈沖信號(hào)是電子控制柜產(chǎn)生的三段橋晶閘管觸發(fā)信號(hào)，具有高頻、高速等特點(diǎn)。其信號(hào)隔離需采用高速光電隔離器隔離，本系統(tǒng)選用高速光耦為6N137，其高速光電隔離電路如圖4所示。

由于晶閘管的觸發(fā)脈沖是周期為40μs，占空比為50％的信號(hào)，而6N137的實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)量結(jié)果大約為：ton=50ns；toff=50ns，由此可見，其可以滿足系統(tǒng)需求。

3信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是以Philips公司生產(chǎn)的的P87C591單片機(jī)為控制核心的信號(hào)采集系統(tǒng)。P87C591是一個(gè)單片8位高性能微控制器。該器件具有片內(nèi)CAN控制器，它采用強(qiáng)大的80C51指令集，并成功的包括了sJAl000型CAN控制器的PeliCAN功能。由于單片機(jī)P87C591中內(nèi)嵌有CAN控制器sJAl000的信號(hào)輸出口且驅(qū)動(dòng)能力較低，因此，本系統(tǒng)中加入了CAN總線接口驅(qū)動(dòng)芯片P82C250，該器件主要是為高速通訊應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它可對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，并對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。另外，為了增加通信距離，保護(hù)總線、降低干擾，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，本設(shè)計(jì)還在P87C591和P82C250之間加入了由高速光耦6N137構(gòu)成的隔離電路。其具體的CAN總線接口電路如圖5所示。

模擬量采集單元的主要功能可以劃分為微處理器及其控制部分、CAN通訊接口部分、多路模擬量輸入通道選擇開關(guān)、采樣保持芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片等。根據(jù)單元?jiǎng)澐值拇旨?xì)程度。需采集的模擬量共有30～60路不等。因此，在如此多信號(hào)需采集和對(duì)信號(hào)采集同步性要求較高的情況下，若采用一般采集方法，即由多路開關(guān)對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇，然后經(jīng)公共的S／H、MD器進(jìn)行采集。那么，即使S／H、MD器的速度相當(dāng)高，得出的結(jié)論也是不可靠的。所以，信號(hào)需采用同步采集。考慮到每路一個(gè)MD轉(zhuǎn)換器會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，并且系統(tǒng)對(duì)信號(hào)采集的速度要求并不高，因此，MD轉(zhuǎn)換器還是共用一個(gè)為好，但若每路一個(gè)S／H，由單片機(jī)發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)同時(shí)會(huì)觸發(fā)所有的S／H，保證這可采集的同步性。其信號(hào)采集框圖如圖6所示。

開關(guān)量采集單元可采用一片8255A來擴(kuò)展PO口以對(duì)15路開關(guān)信號(hào)進(jìn)行采樣，8255A的A、B、C口設(shè)定為模式O和輸人方式。8255A可擴(kuò)展24個(gè)并行接口，實(shí)際上只能使用其中的15路，剩下的可作為備用接口。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出開關(guān)量信號(hào)采集命令時(shí)，開關(guān)量信號(hào)將從機(jī)車電子柜的29#和49#插槽引出，在經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)與采樣電路的電氣隔離后，8k8255A便可進(jìn)入單片機(jī)。系統(tǒng)中的脈沖采集模塊與開關(guān)量采集模塊基本相似，在此不做贅述。

4存儲(chǔ)發(fā)送單元電路設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)發(fā)送單元主要包括微處理器及其控制部分、CAN通訊接口部分、串口擴(kuò)展和USB接口等。其中微處理器及其控制部分、CAN通訊接口部分跟前面介紹的模塊基本一致。串口擴(kuò)展部分帶有兩個(gè)RS-232接口和一個(gè)RS-485接口，并帶有跳線可以選擇兩種狀態(tài)為一個(gè)RS-232接口和一個(gè)RS-485接口或兩個(gè)RS-232接口而沒有RS-485接口。串口擴(kuò)展采用16C550芯片。USB接口系統(tǒng)利用CH375作為控制器。并可通過串行輸入輸出或并行輸入輸出和中斷輸出來方便地實(shí)現(xiàn)USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備與單片機(jī)系統(tǒng)的連接。CH375的并行接口連接圖如圖7所示。

5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，先由模擬量采集單元將采集的數(shù)據(jù)按CAN標(biāo)準(zhǔn)幀格式發(fā)給存儲(chǔ)發(fā)送單元，當(dāng)存儲(chǔ)發(fā)送單元等待并接收到模擬量采集單元采集的數(shù)據(jù)后，即可向開關(guān)量采集單元發(fā)送數(shù)據(jù)采集請(qǐng)求，并等待接收開關(guān)量采集單元的采集結(jié)果，最后，存儲(chǔ)發(fā)送單元再向脈沖量采集單元發(fā)送數(shù)據(jù)采集請(qǐng)求，并等待接收脈沖量采集單元采集結(jié)果。存儲(chǔ)發(fā)送單元在判斷數(shù)據(jù)是否正常之后，即可把接收到的數(shù)據(jù)存貯在CF存貯器內(nèi)，最后寫串口。最后，再把數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口發(fā)送到診斷單元或通過USB接口取出，以便應(yīng)用到地面分析處理系統(tǒng)。

軟件設(shè)計(jì)就是在模擬量采集單元初始化后等待上位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)采集請(qǐng)求指令，然后啟動(dòng)定時(shí)器TO并進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換結(jié)果按CAN標(biāo)準(zhǔn)幀格式打包發(fā)送給存儲(chǔ)發(fā)送單元。其程序流程圖如圖8所示。其中，定時(shí)器TO的中斷子程序代碼如下：

開關(guān)量和脈沖量的采集原理與模擬量的采集原理類似，這里不再詳細(xì)介紹。

6結(jié)束語

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為鐵道部引導(dǎo)課題，本系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部聯(lián)調(diào)證明：其性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，目前已在機(jī)務(wù)段裝車運(yùn)行，取得了良好的效果。本系統(tǒng)的不足之處是脈沖量的采集，只能檢測(cè)到電子柜是否有脈沖觸發(fā)信號(hào)的輸出，而不能采集到信號(hào)的波形。因此，該系統(tǒng)還有于待進(jìn)一步完善。