機車電子柜實時檢測系統(tǒng)設計

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雜的電子設備，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，然后通過標準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)理電路設計

通常電子控制柜的狀態(tài)信號有三種：模擬信號、開關量信號和脈沖信號?？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?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)主要應考慮輸入阻抗等。由于待采集的模擬信號范圍為1～8V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?shù)姆糯螅唧w放大倍數(shù)應根據(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開關信號調(diào)理電路

開關信號都是司機給定和電子控制柜發(fā)出響應的信號，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5V，低電平為0V，本設計使用TLP521-4來進行光電隔離，其開關信號隔離電路如圖3所示。當KGI為高電平時，光藕截止。此時可通過3.3kQ的下拉電阻R3使整形電路74HCl4的輸入為低電平；而當KGI為低電平時。光耦導通，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=50ns；toff=50ns，由此可見，其可以滿足系統(tǒng)需求。

3信號采集電路設計

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用而設計的，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、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器的速度相當高，得出的結(jié)論也是不可靠的。所以，信號需采用同步采集?？紤]到每路一個MD轉(zhuǎn)換器會增加系統(tǒng)的復雜性和成本，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。

開關量采集單元可采用一片8255A來擴展PO口以對15路開關信號進行采樣，8255A的A、B、C口設定為模式O和輸人方式。8255A可擴展24個并行接口，實際上只能使用其中的15路，剩下的可作為備用接口。當單片機發(fā)出開關量信號采集命令時，開關量信號將從機車電子柜的29#和49#插槽引出，在經(jīng)信號調(diào)理電路實現(xiàn)與采樣電路的電氣隔離后，8k8255A便可進入單片機。系統(tǒng)中的脈沖采集模塊與開關量采集模塊基本相似，在此不做贅述。

4存儲發(fā)送單元電路設計

存儲發(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。串口擴展部分帶有兩個RS-232接口和一個RS-485接口，并帶有跳線可以選擇兩種狀態(tài)為一個RS-232接口和一個RS-485接口或兩個RS-232接口而沒有RS-485接口。串口擴展采用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現(xiàn)USB移動存儲設備與單片機系統(tǒng)的連接。CH375的并行接口連接圖如圖7所示。

5系統(tǒng)軟件設計

整個監(jiān)測系統(tǒng)工作時，先由模擬量采集單元將采集的數(shù)據(jù)按CAN標準幀格式發(fā)給存儲發(fā)送單元，當存儲發(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，即可向開關量采集單元發(fā)送數(shù)據(jù)采集請求，并等待接收開關量采集單元的采集結(jié)果，最后，存儲發(fā)送單元再向脈沖量采集單元發(fā)送數(shù)據(jù)采集請求，并等待接收脈沖量采集單元采集結(jié)果。存儲發(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)通過標準RS-485接口發(fā)送到診斷單元或通過USB接口取出，以便應用到地面分析處理系統(tǒng)。

軟件設計就是在模擬量采集單元初始化后等待上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)采集請求指令，然后啟動定時器TO并進行A／D轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換結(jié)果按CAN標準幀格式打包發(fā)送給存儲發(fā)送單元。其程序流程圖如圖8所示。其中，定時器TO的中斷子程序代碼如下：

開關量和脈沖量的采集原理與模擬量的采集原理類似，這里不再詳細介紹。

6結(jié)束語

該監(jiān)測系統(tǒng)為鐵道部引導課題，本系統(tǒng)經(jīng)過實驗室內(nèi)部聯(lián)調(diào)證明：其性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，目前已在機務段裝車運行，取得了良好的效果。本系統(tǒng)的不足之處是脈沖量的采集，只能檢測到電子柜是否有脈沖觸發(fā)信號的輸出，而不能采集到信號的波形。因此，該系統(tǒng)還有于待進一步完善。