鐵道車輛高/低電平信號智能發生器設計

鄧舉明 逄順勇 劉永興

(青島地鐵集團有限公司運營分公司 山東 青島 266041)

0 引言

在鐵道車輛制造及檢修時，需對大量的電氣設備進行試驗。試驗過程中，試驗人員需模擬高/低電平信號輸入到鐵道車輛電氣設備中。模擬產生高/低電平信號的傳統方法是：試驗人員將導線一端與鐵道車輛的DC110 V電源正極連接，導線的另一端則作為高/低電平信號端與車輛電氣設備信號輸入端連接或斷開。此方法不僅操作步驟繁瑣，且有觸電風險。為此，需研制一種鐵道車輛高/低電平信號智能發生器替代上述傳統試驗方法，用于向鐵道車輛電氣設備模擬輸入高/低電平信號[1-2]。

1 鐵道車輛高/低電平信號智能發生器的功能要求

依據鐵道車輛電氣設備檢測試驗的實際需求，高/低電平信號智能發生器應具備下述功能：

(1)具有較好的絕緣防護及防塵性能；

(2)具有操作簡易且安全性高等特征；

(3)具有發出30路高/低電平信號的功能：高電平，DC110 V；低電平，0；

(4)應由上位機和下位機兩部分構成，且兩者具有雙向通信功能；

(5)上位機應具備形象直觀的軟件界面，使用者通過操作上位機軟件，控制下位機發出高/低電平信號；

(6)下位機應服從上位機通信命令，并及時反饋下位機的高/低電平信號發出情況至上位機。

2 高/低電平信號智能發生器設計

2.1 總體設計思路

高/低電平信號智能發生器由上位機及下位機組成。為了提高“高/低電平信號智能發生器”抗震性能，上位機選擇微型工控主機，微型工控主機與7寸顯示器進行VGA通信。下位機為一塊自主設計的集成電路板，集成電路板外部加裝一款通用PLC塑料外殼。為了滿足試驗需求，下位機應具備30路繼電器輸出接口和1路RS232通信接口。高/低電平信號智能發生器的主要組成架構如圖1所示。

圖1 高/低電平信號智能發生器主要組成架構

上位機與“RS232轉RS485模塊”進行RS232通信，下位機與“RS232轉RS485模塊”進行RS232通信，兩塊“RS232轉RS485模塊”之間進行RS485通信，即上位機與下位機間接進行RS485通信，RS485通信具有可遠距離通信的特點。然后，下位機集成電路板與“RS232轉485模塊”進行RS232通信，接收通信發來的30路高/低電平信號發出指令，控制30路繼電器的輸出。最后，下位機集成電路板再通過RS232通信將自身的30路高/低電平信號狀態反饋發送給上位機串口。

2.2 上位機程序簡述

微型工控主機安裝上位機軟件，上位機軟件是一款利用VISUAL STUDIO 2015平臺自主開發的軟件[1]。上位機通過串口控件間接與下位機進行RS485通信[2]，通信波特率固定設置為57 600。

上位機主要功能包括通信端口選擇，30路繼電器吸合和釋放的控制，顯示下位機的高/低電平信號的狀態反饋。上位機發送33個字符數據給下位機：第1個字符發送“X”，為每組數據開始字符；第19個字符發送“M”，為每組數組中間校驗字符；第33個字符發送 “Y”,為每組數據結束字符。第2～18個字符和第20～32個字符，分別代表上位機對下位機的第1～30路高/低電平信號輸出控制指令(當對應字符為“C”,表示需要該通道應輸出高電平110 V；當對應字符為“O”,表示該通道應輸出低電平0)。上位機對收到下位機的通信數據進行解碼，并將30路高/低電平信號狀態對應顯示在上位機軟件界面對應的指示燈。

上位機軟件界面設計有30個Checkbox控件，分別對應下位機30路高/低電平信號輸出：當軟件界面上的Checkbox控件被選中時，下位機對應的繼電器的線圈吸合，常開觸點輸出高電平(DC110 V)；當Checkbox控件被撤銷選中時，下位機對應的繼電器的線圈釋放，常開觸點輸出低電平(0)。上位機收到下位機反饋的30路高/低電平信號輸出狀態數據后，進行數據解碼。若下位機輸出高電平(DC110 V)，則軟件界面對應的指示燈顯示紅色；若下位機輸出低電平(0)，則顯示綠色。上位機軟件界面如圖2所示。

圖2 上位機軟件界面

2.3 下位機軟硬件設計

2.3.1下位機功能概述

下位機控制器是一塊集成電路板。該集成電路板間接與上位機進行RS485通信，接受上位機的通信控制。該集成電路板設計30路繼電器,每個繼電器的常開觸點一端與DC110 V電源正極連接[3]，另一端與集成電路板上的接線端子連接。下位機中的單片機對通信數據解碼后，控制30個繼電器吸合或釋放。

2.3.2硬件電路設計

下位機集成電路板以AVR單片機為核心，由濾波穩壓電路、通信電路、單片機外圍電路高/低電平輸出電路和下載電路五部分組成。下位機硬件架構如圖3所示。

(1)濾波穩壓電路。外部DC5 V電源經過多個電解電容濾波和穩壓后，轉化為穩定的DC5 V電源，為單片機，三極管及板載繼電器供電。

(2)通信電路。單片機USART引腳RXD和TXD與MAX3232芯片進行USART通信，MAX3232芯片與微型工控主機開展RS232通信，實現單片機與微型工控主機的RS232通信。

(3)單片機外圍電路。單片機外圍電路是以AVR單片機為主處理單位設計而成的電路，主要負責USART通信和三極管控制，單片機由DC5 V電源供電，如圖4所示。

(4)高/低電平輸出電路。通過軟件將單片機的30個通用I/O引腳設置為輸出引腳，向外輸出DC5 V/0的高/低電平信號，上述信號經三極管放大后，驅動板載5 V繼電器得電/失電，控制DC110 V高/低電平的輸出。

(5)下載電路。單片機的PB5/MOSI，PB6/MISO，PB7/SCK 和RST引腳與下載座連接，用于HEX程序下載。

2.3.3程序設計簡述

下位機AVR單片機采用C語言編程。單片機工作流程如下：首先，AVR單片機配置通用I/O引腳方向和串口參數。AVR單片機接收上位機的RS232通信指令后，按照指令要求，通過自身內部單片機的通用I/O引腳輸出高/低電平(5V/0)，通過控制集成電路上的30個三極管處于截止區/飽和區，間接驅動30個5 V板載繼電器吸合及釋放,吸合時輸出DC110 V高電平，釋放時輸出低電平0。然后再回發33字節給上位機：第1個字符發送“S”，為每組數據開始字符；第19個字符發送“L” ，為每組數組中間校驗字符；最后1個字符發送“N”，為每組數據結束字符。第2～18個字符和第20～32個字符，分別代表下位機的第1～30路高/低電平輸出通道的實際輸出狀態(當對應字符為“C”,表示需要該通道正在輸出高電平110 V；當對應字符為“O”,表示該通道正在輸出低電平，值為0)。上述過程，循環往復。

圖3 下位機硬件架構

圖4 單片機外圍電路

3 應用案例

鐵道車輛高/低電平信號智能發生器已在青島地鐵列車網絡控制系統的試驗臺中獲得應用，信號智能發生器高/低電平信號輸出端與列車網絡控制試驗臺的主控微機的開關量信號輸入端對應進行電氣連接。試驗人員通過點擊鼠標勾選(或取消勾選)上位機軟件界面上的復選框，即可方便快捷地控制下位機向列車網絡控制試驗臺的主控微機信號輸入端發出30路高/低電平輸入信號(主要包括開門、關門、停放制動、緊急制動和零速等30路信號)，并在上位機軟件界面實時顯示上述高/低電平信號輸出狀態(有輸出時對應指示燈顯示紅色，無輸出時對應指示燈顯示綠色)，形象直觀，大大提高了列車網絡控制試驗臺的試驗效率。

4 結論

鐵道車輛高/低電平信號智能發生器由上位機和下位機兩部分組成。 上位機采用微型工控主機和顯示器， 下位機是利用單片機自主設計的一塊集成電路板。 上位機與下位機通信， 控制下位機輸出30路高/低電平信號。 該信號智能發生器具有造價低， 體積小， 形象直觀和自動化程度高等特點， 具有很大的市場需求， 后續考慮設計增加信號發生器的高/低電平輸出路數， 并在鐵道行業內其他公司推廣使用。