基于P87C591的機車電子柜實時檢測系統(tǒng)設(shè)計
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機車電子控制柜是機車(SS4G、SS6B等型號的機車)控制電路的核心，其主要功能是實現(xiàn)機車的牽引、制動控制及空轉(zhuǎn)、滑行保護控制等。由于整個電子控制柜由很多個模擬、數(shù)字電路插件板組成(絕大多數(shù)為模擬電路板)，其本身就是一個極其復(fù)雜的電子設(shè)備，再加上其長期工作在高溫、振動和強磁的惡劣條件下，因而造成了機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)測方法是依靠一些儀器儀表，按照跟蹤信號逐點尋跡的思路，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，實時性不強，不能實時監(jiān)測機車電子柜的運行狀態(tài)。因此，設(shè)計一個機車電子柜的實時監(jiān)測系統(tǒng)是提高機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)可由信號調(diào)理電路、信號采集板和存儲發(fā)送單元組成。電子柜信號經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成采集板可以采集的信號后，經(jīng)信號采集板采集后，再通過CAN總線發(fā)送到存儲發(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)。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2信號調(diào)理電路設(shè)計
通常電子控制柜的狀態(tài)信號有三種：模擬信號、開關(guān)量信號和脈沖信號?？紤]到電子柜的重要性與特殊性。信號采集的前提條件是絕對不能對電子柜的實際工作產(chǎn)生干擾，因此，在信號采集前，必須對信號進行隔離。同時，考慮到插槽中的模擬信號較小，為了保證采集數(shù)據(jù)的精度，這些較小的模擬信號還需進行適當(dāng)?shù)姆糯蟆?br /> 2.1模擬信號調(diào)理電路
模擬信號的隔離調(diào)理可由運放構(gòu)成的電壓跟隨器來完成，電壓跟隨器的特點是輸入阻抗高，可降低外加電路對電子柜系統(tǒng)的干擾，實現(xiàn)信號隔離。隔離運放可選用專用隔離運放，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范圍為1～8 V不等，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，這些信號在采集前還需進行適當(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，運放的選擇也應(yīng)視實際情況而定。其中一通道的模擬信號調(diào)理電路圖如圖2所示。
2.2開關(guān)信號調(diào)理電路
開關(guān)信號都是司機給定和電子控制柜發(fā)出響應(yīng)的信號，或系統(tǒng)發(fā)出的比較慢的指令信號，這些信號高電平時為5 V，低電平為0 V，本設(shè)計使用TLP521-4來進行光電隔離，其開關(guān)信號隔離電路如圖3所示。當(dāng)KGI為高電平時，光藕截止。此時可通過3.3 kQ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。光耦導(dǎo)通，整形電路74HCl4的輸入變?yōu)楦唠娖?。R2直接與電子控制柜信號相連接，可起保護作用。該電路的實驗測試結(jié)果表明，在直接測量整形后的電路時，其Ton=12μs，toff=35μs，可見其可以滿足系統(tǒng)開關(guān)信號的采集要求。
2.3脈沖信號調(diào)理電路
脈沖信號是電子控制柜產(chǎn)生的三段橋晶閘管觸發(fā)信號，具有高頻、高速等特點。其信號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，而6N137的實驗參數(shù)測量結(jié)果大約為：ton=50 ns;toff=50 ns，由此可見，其可以滿足系統(tǒng)需求。
3信號采集電路設(shè)計
本系統(tǒng)采用的是以Philips公司生產(chǎn)的的P87C591單片機為控制核心的信號采集系統(tǒng)。P87C591是一個單片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P87C591中內(nèi)嵌有CAN控制器sJAl000的信號輸出口且驅(qū)動能力較低，因此，本系統(tǒng)中加入了CAN總線接口驅(qū)動芯片P82C250，該器件主要是為高速通訊應(yīng)用而設(shè)計的，它可對總線提供差動發(fā)送能力，并對CAN控制器提供差動接收能力。另外，為了增加通信距離，保護總線、降低干擾，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，本設(shè)計還在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)單元劃分的粗細(xì)程度。需采集的模擬量共有30～60路不等。因此，在如此多信號需采集和對信號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)對信號進行選擇，然后經(jīng)公共的S/H、MD器進行采集。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，信號需采用同步采集。考慮到每路一個MD轉(zhuǎn)換器會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，并且系統(tǒng)對信號采集的速度要求并不高，因此，MD轉(zhuǎn)換器還是共用一個為好，但若每路一個S/H，由單片機發(fā)出的觸發(fā)信號同時會觸發(fā)所有的S/H，保證這可采集的同步性。其信號采集框圖如圖6所示。
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