TW-2型駝峰自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件檢測(cè)設(shè)備的研究

李東奎 胡衛(wèi)東

(1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 研究背景

TW-2型駝峰自動(dòng)控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱TW-2系統(tǒng)）是目前國(guó)內(nèi)編組站裝備數(shù)量較多的駝峰控制系統(tǒng)，其下層控制板為自行研發(fā)的專用嵌入式微機(jī)模塊系列，是整個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分。針對(duì)TW-2系統(tǒng)配套研發(fā)的硬件檢測(cè)設(shè)備，能夠自動(dòng)檢測(cè)不同類型的下層控制板，檢測(cè)其上電運(yùn)行、直流輸入通道、直流輸出通道、模擬量輸入通道、串口通信接口和CAN通信接口等工作狀態(tài)，并能對(duì)控制板尤其是輸入輸出通道進(jìn)行動(dòng)態(tài)老化拷機(jī)。

TW-2系統(tǒng)硬件檢測(cè)設(shè)備可為電務(wù)維修部門提供便捷可靠的檢測(cè)手段，減少故障維修時(shí)間，減少故障板件需返廠檢修而影響現(xiàn)場(chǎng)使用的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)對(duì)于維修后的板件和長(zhǎng)時(shí)間備用的板件，能夠在線下檢測(cè)其功能完整性，減少現(xiàn)場(chǎng)更換上線使用存在的風(fēng)險(xiǎn)。

TW-2系統(tǒng)硬件檢測(cè)設(shè)備可為硬件生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)和維修提供可靠的技術(shù)保障，提高硬件出廠的質(zhì)量和產(chǎn)量；同時(shí)檢測(cè)設(shè)備的老化拷機(jī)功能，能夠?qū)斎胼敵鐾ǖ肋M(jìn)行動(dòng)態(tài)老化，抑制下層控制板上道使用初期的“浴盆曲線”問(wèn)題。

2 研究對(duì)象及檢測(cè)需求

2.1 研究對(duì)象的分析

TW-2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為典型的DCS集散式控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

TW-2系統(tǒng)的下層控制板有4種：進(jìn)路控制板KB-L、與KB-L配套的輸入輸出板IOB、減速器控制板KB-JA和測(cè)長(zhǎng)板CB，它們分別完成對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的采集和控制。其中KB-L與KB-JA兩種控制板的硬件結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)、配線設(shè)計(jì)均一致，因此板件檢測(cè)可歸為一類。

下層控制板分為前、后板兩部分，前板稱為主模塊，主要放置嵌入式CPU及其相關(guān)電路、通信控制電路、接口控制電路等；后板稱為后出線模塊，可通過(guò)連接器與外部電纜相連，主要放置接口電路；前、后板件通過(guò)CPCI總線連接。4種控制板的性能及特點(diǎn)如下。

圖1 TW-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 TW-2 system structure

1）KB-L，KB-L-R：進(jìn)路控制板及后出線板

2）KB-JA，KB-JA-R：減速器控制板及后出線板

兩種控制板均采用Intel 386EX CPU，包括EEPROM及SRAM存儲(chǔ)器、兩路CAN總線接口、兩路RS-232串口、16路直流輸入、16路直流輸出、2路雷達(dá)模擬量輸入、2路踏板模擬量輸入，統(tǒng)稱為KB類控制板。

3）IOB，IOB-R：輸入輸出板及后出線板

IOB采用89C51 CPU（內(nèi)置EEPROM及RAM存儲(chǔ)器）、一路CAN總線接口、一路RS-232串口、64路直流輸入、24路直流輸出。

4）CB，CB-R測(cè)長(zhǎng)板及后出線板

CB采用Intel 386 EX CPU，包括EEPROM及SRAM存儲(chǔ)器、兩路CAN總線接口、兩路RS-232串口、16路測(cè)長(zhǎng)模擬量輸入。最多可支持16股道，通過(guò)片選依次對(duì)16股道電壓進(jìn)行掃描，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行處理。

2.2 檢測(cè)需求的定義

TW-2系統(tǒng)硬件檢測(cè)設(shè)備應(yīng)能夠自動(dòng)檢測(cè)不同類型的下層控制板，檢測(cè)其上電運(yùn)行、直流輸入通道、直流輸出通道、模擬量輸入通道、串口通信接口和CAN通信接口等工作狀態(tài)。

1）KB類控制板，16路直流輸入和16路直流輸出的動(dòng)態(tài)檢測(cè)、2路雷達(dá)模擬量輸入和2路踏板模擬量輸入的檢測(cè)，串口通信接口檢測(cè)，CAN通信接口檢測(cè)。

2）IOB控制板，64路直流輸入和24路直流輸出的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，串口通信接口檢測(cè)，CAN通信接口檢測(cè)。

3）CB控制板，16路測(cè)長(zhǎng)模擬輸入的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，串口通信接口檢測(cè)，CAN通信接口檢測(cè)。

4）各控制板的上電運(yùn)行檢測(cè)，包括內(nèi)存檢測(cè)、CPU檢測(cè)等。

TW-2系統(tǒng)硬件檢測(cè)設(shè)備應(yīng)能夠?qū)刂瓢?，尤其是輸入輸出通道進(jìn)行動(dòng)態(tài)老化拷機(jī)。通過(guò)設(shè)定控制板的運(yùn)行工作時(shí)間，直流循環(huán)開關(guān)的次數(shù)等設(shè)置進(jìn)行單板老化烤機(jī)檢測(cè)，并將測(cè)試報(bào)告記錄。

TW-2系統(tǒng)硬件檢測(cè)設(shè)備應(yīng)具有友好的人機(jī)交互界面，方便現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行操作，對(duì)出現(xiàn)的故障能夠進(jìn)行報(bào)警和提示。

3 檢測(cè)設(shè)備組成

TW-2系統(tǒng)硬件檢測(cè)設(shè)備采用19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，流行的CPCI架構(gòu)，內(nèi)設(shè)加固顯示屏（LCD SCREEN），主處理器板（MPU板）采用嵌入式PC104結(jié)構(gòu)，MPU板通過(guò)RS-232串口和CAN網(wǎng)絡(luò)與位于同一機(jī)箱內(nèi)的測(cè)試板（KB類、IOB、CB）進(jìn)行通信。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，便于現(xiàn)場(chǎng)使用，其設(shè)備硬件組成如圖2所示。

圖2 檢測(cè)設(shè)備硬件組成圖Fig.2 Hardware composition of detecting equipment

3.1 MPU板

MPU板采用嵌入式PC104結(jié)構(gòu)，PC104結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上就是一種緊湊型的PC和 PC/AT 工業(yè)總線，其信號(hào)定義和PC/AT 基本一致，但電氣和機(jī)械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的、小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)。

1）主處理器單元

a.CPU采用嵌入式AMD GEODE LX800微處理器，128 kB一級(jí)緩存,主頻500 MHz，板載內(nèi)存不低于256 MB；

b.顯示輸出：VGA最大顯示分辨率≤1 280×1 024，與LCD SCREEN連接；

c.一路RS-232串口，波特率9 600 b；作為和測(cè)試板通信的工具，通過(guò)該串口可采集測(cè)試板數(shù)據(jù)或向測(cè)試板發(fā)送控制命令；

d.配備兼容IDE標(biāo)準(zhǔn)的1.8固態(tài)盤，容量不小于1 GB；

e.4個(gè)USB 2.0連接端口，支持USB2.0；一路百兆網(wǎng)口；

f.支持Windows2000/XP；

g.支持ISA總線。

2）CPLD接口單元

CPLD采用Altera公司的主流器件MAX II系列的EPM1270，其主要功能如下。

a.根據(jù)測(cè)試板的選擇，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)控制模擬開關(guān)的通斷，用戶不需要替換后出線接口單元；

b.根據(jù)測(cè)試板的選擇，輸出相應(yīng)的直流信號(hào)到測(cè)試板同時(shí)采集測(cè)試板輸出的信號(hào)，并加以處理，以待主處理器單元比對(duì)、校驗(yàn)；

c.根據(jù)主處理器單元命令，完成對(duì)CB測(cè)試板的通道選擇。

3）模擬信號(hào)產(chǎn)生單元

模擬信號(hào)產(chǎn)生單元采用Intersil公司的精密壓控函數(shù)發(fā)生器ICL8038芯片，該芯片能很好地保證信號(hào)的頻率(0.001～300 kHz)，幅度以及占空比等，其主要功能如下。

a.產(chǎn)生雷達(dá)模擬信號(hào)，頻率0～2 000 Hz，幅值0～12 V；

b.產(chǎn)生踏板模擬信號(hào)，脈寬1～200 Ms，幅值0～12 V；

c.產(chǎn)生測(cè)長(zhǎng)模擬信號(hào)，頻率175 Hz，幅值0～2 V。

4）后出線接口單元

只采用同一塊后出線，就能方便地測(cè)試所有板卡，用戶無(wú)需因?yàn)闇y(cè)試板的不同而更換后出線，只需將后出線的配線連接器插到待測(cè)試板的后出線板上即可。

3.2 CAN通信模塊

提供主處理器板與測(cè)試板CAN通信功能。采用機(jī)箱內(nèi)安裝HT-2301智能型CAN模塊的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試板的通信。

HT-2301板上嵌入Intel 386EX CPU專門處理CAN通信，通過(guò)雙口RAM實(shí)現(xiàn)與MPU板的數(shù)據(jù)交換，板上共有兩路獨(dú)立帶光電隔離的CAN通信接口。

3.3 顯示模塊（LCD SCREEN）

8.4 英寸加固液晶顯示屏，體積小，重量輕，提高了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和便攜性。

無(wú)需外接單獨(dú)供電，直接采用系統(tǒng)的12 V直流輸入，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔。

3.4 電源模塊

采用通用電源模塊，AC220 V輸入，5 V、DC12 V輸出，功率大于100 W。

4 關(guān)鍵測(cè)試技術(shù)

TW-2系統(tǒng)硬件檢測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)在于以下兩點(diǎn)。

1）各種測(cè)試信號(hào)的模擬，不同的下層控制板需要不同的測(cè)試信號(hào)，應(yīng)能根據(jù)不同測(cè)試板產(chǎn)生不同的測(cè)試信號(hào)；

2）不同測(cè)試板測(cè)試信號(hào)的切換，由于有4種3類下層控制板，而只有一個(gè)后出線接口板，應(yīng)能根據(jù)不同測(cè)試板進(jìn)行切換。

4.1 測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生

主處理器板采用高可靠性的ISA總線與CPLD相連，通過(guò)操作CPLD內(nèi)不同的寄存器來(lái)根據(jù)不同測(cè)試板產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)試信號(hào)，該測(cè)試信號(hào)可以受應(yīng)用程序控制，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的數(shù)字信號(hào)，如圖3所示。

圖3 測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生示意圖Fig.3 Generation of testing signals

4.2 直流信號(hào)輸出

主處理器板采用1個(gè)三極管和1個(gè)MOS管來(lái)產(chǎn)生8路直流輸出信號(hào)，這樣即使對(duì)于采集多達(dá)64路直流信號(hào)的IOB，也只需8個(gè)三極管就可以完成直流信號(hào)的產(chǎn)生工作。更重要的是這樣設(shè)計(jì)還可以防止因主處理器板自身故障而導(dǎo)致誤判斷，因?yàn)?個(gè)控制單元可以控制8路信號(hào)的輸出，如果主處理器板檢測(cè)到來(lái)自同一個(gè)控制單元輸出的8路信號(hào)均為錯(cuò)誤，應(yīng)用程序則會(huì)及時(shí)通知用戶，以保障檢測(cè)的可靠性，如圖4所示。

圖4 直流信號(hào)輸出Fig.4 DC signal output

4.3 直流信號(hào)采集

主處理器板通過(guò)串口通信將命令下發(fā)到測(cè)試板，測(cè)試板接收命令后執(zhí)行相應(yīng)輸出動(dòng)作，同時(shí)主處理器板采集這些輸出信號(hào)，并與剛才下發(fā)的命令進(jìn)行比較，以檢測(cè)測(cè)試板的輸出是否正常，如圖5所示。

圖5 直流信號(hào)采集Fig.5 Acquisition of DC signals

5 應(yīng)用情況

TW-2系統(tǒng)硬件檢測(cè)設(shè)備已在鄭州電務(wù)段、硬件生產(chǎn)廠家和售后部門投入使用，為系統(tǒng)下層控制板的生產(chǎn)和維修提供便捷可靠的檢測(cè)手段，減少故障維修時(shí)間，提高硬件出廠的質(zhì)量和產(chǎn)量，有效保證TW-2系統(tǒng)上道運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。