發(fā)電車安全管理系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)

劉保平 上海鐵路局車輛處

作為客車運(yùn)行安全的重要組成部分，發(fā)電車一直是列車運(yùn)行安全的關(guān)鍵部位，如何有效地保證運(yùn)用發(fā)電車的安全，將發(fā)電車故障率和乘務(wù)路風(fēng)管理置于有效的控制下，鐵道部、各鐵路局均采用了一系列的技術(shù)手段來解決這一問題。其中，具有代表性的為安裝在發(fā)電車上的客車運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)（TCDS）、柴油機(jī)組運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)以及發(fā)電車巡檢儀（機(jī)房打卡記錄儀）等等。這些系統(tǒng)在監(jiān)控發(fā)電車的設(shè)備安全、乘務(wù)紀(jì)律方面發(fā)揮了巨大作用，但是由于這些監(jiān)控設(shè)備在設(shè)計(jì)上突出重點(diǎn)不同，監(jiān)控手段上存在各自為政的問題，使得這些設(shè)備不僅擠占了發(fā)電車的空間，而且在設(shè)備投入和人員管理及維護(hù)上也造成巨大的浪費(fèi)。在此研究探討對此類監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)化集成，以達(dá)到資源有效配置，效果有效發(fā)揮和運(yùn)行成本減少的目的。

1 集成監(jiān)控系統(tǒng)的組成

監(jiān)控系統(tǒng)由地面接收裝置、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、車載信息收集裝置、車載無線發(fā)射裝置和相關(guān)接口組成。

1.1 車載信息采集裝置

車載信息采集裝置主要由各類傳感器及信號收集器構(gòu)成，其中可收集的數(shù)據(jù)有：全列客車的軸溫、風(fēng)壓，柴油機(jī)組的電壓、電流、功率、水溫、油溫、油壓及乘務(wù)機(jī)房巡檢時(shí)間、巡檢人等影響發(fā)電車安全質(zhì)量和乘務(wù)管理的相關(guān)因素，如有必要，還可以添加視頻和聲音信息。

1.2 車載無線發(fā)射裝置

車載無線發(fā)射裝置由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)通訊單元幾部分組成，其作用就是將傳感器采集來的數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過中央處理單元進(jìn)一步編譯后傳輸給數(shù)據(jù)接收裝置。

1.3 地面接收裝置

地面接收裝置由地面基站、無線接收器和數(shù)據(jù)處理單元組成。集成的監(jiān)控系統(tǒng)由于安裝在運(yùn)行的發(fā)電車中，其數(shù)據(jù)利用的是GPRS技術(shù)，通過分布在各地的基站傳輸?shù)杰囕v段客整所，經(jīng)過軟件（地面專家系統(tǒng)）編譯后顯示出來，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)通道層層連接，同步滿足局、部監(jiān)控中心的需要。

2 集成監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

全套的監(jiān)控系統(tǒng)可在原客車安全監(jiān)控系統(tǒng)TCDS平臺的基礎(chǔ)上，利用TCDS現(xiàn)有的控制電源、數(shù)據(jù)處理器、網(wǎng)絡(luò)傳輸通道和數(shù)據(jù)處理軟件達(dá)到硬件集成的目的。由于TCDS系統(tǒng)相對復(fù)雜，相關(guān)資料已對運(yùn)行過程做了說明，現(xiàn)僅對發(fā)電車監(jiān)控系統(tǒng)和電子巡檢系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集到與客車安全監(jiān)控系統(tǒng)（TCDS）連接及通訊進(jìn)行分析。

發(fā)電車的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包含柴油機(jī)組的電壓、電流、功率、水溫、油溫、油壓等，每一項(xiàng)數(shù)據(jù)均需要對應(yīng)的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。我們可以看到，上述的數(shù)據(jù)由于需要被實(shí)時(shí)監(jiān)控，在發(fā)電車設(shè)計(jì)制造時(shí)就已經(jīng)在對應(yīng)的位置安裝有傳感器，目前除需要在控制屏的線路上安裝互感器外，已不需要額外進(jìn)行改造。下面以電壓采集為例，說明發(fā)電車的電壓數(shù)據(jù)是如何實(shí)現(xiàn)與TCDS的數(shù)據(jù)傳輸。

在實(shí)現(xiàn)電壓采集時(shí)，從成本因素考慮，可采用性價(jià)比高，結(jié)構(gòu)簡單的TLC0831芯片作為A/D轉(zhuǎn)換器件，單片機(jī)采用STC89C51單片機(jī)。STC89C51單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是不需要編程器和下載線，直接通過串口就可以下載程序，開發(fā)方便，下載的電路就是RS232的通信電路。同時(shí)為充分利用TCDS現(xiàn)有電源，使新增部分與TCDS電源一致，可采用5V電源電壓作為A/D的參考電壓。由于參考電源的限制，測量的最大電壓為5V，發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于參考值，不適合直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，需要進(jìn)行降壓采集，所以整個(gè)數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換的原理圖如圖1所示。

利用TLC0831芯片和STC89C51單片機(jī)的物理連接實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)通訊功能（如圖2所示），其中所使用的TLC0831是TI公司推出的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片工作電壓為5V，采用逐次逼近式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，具有串行控制功能。250kHz的頻率下，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為32μs。該芯片具有的串行控制功能使其在與微處理器接口時(shí)，能大大節(jié)省微處理芯片的I/O口。通訊轉(zhuǎn)換器為MAX232，轉(zhuǎn)換后可以使處理器通過RS232接口與計(jì)算機(jī)和其它處理器進(jìn)行通訊，與TCDS的通訊可以在此得到實(shí)現(xiàn)。

圖1 電壓采集及A/D轉(zhuǎn)換原理圖

圖 2 TLC0831、STC89C51、MAX232 連接電路

TLC0831的引腳功能如下：

1腳CS：SP1通信的片選；2腳 IN+：差分+輸入；3腳 IN－：差分－輸入(一般接地)；5 腳 REF：參考電壓；6 腳 DO：SPI串行數(shù)據(jù)輸出；7腳CLK：SPI通信時(shí)鐘；8腳和4腳為電源和地。

3軟件核心程序及流程圖

TLC0831是一款SPI接口的器件，51單片機(jī)內(nèi)部沒有硬件SPI接口，因此需要利用軟件模擬SPI的時(shí)序，參照TLC083l的操作時(shí)序（如圖3所示），在片選CS有效(低電平)的期間內(nèi)，利用時(shí)鐘信號CLK來同步讀取D0引腳上的數(shù)據(jù)。編寫SPI程序的時(shí)候需要注意以下幾點(diǎn)：

數(shù)據(jù)位：高位在前，還是低位在前。對應(yīng)不同的情況程序上需要作相應(yīng)的處理，比如左移或者右移，還有就是直接通過與或處理得到相應(yīng)的位數(shù)據(jù)。

時(shí)鐘沿：上升沿讀取數(shù)據(jù)，還是下降沿讀取數(shù)據(jù)。如果是上升沿讀取，一般是先把時(shí)鐘線拉低，之后再拉高，制造一個(gè)上升沿，之后去讀取數(shù)據(jù)位；下降沿剛好相反。具體見下面的程序分析。

核心程序：

Fina=temp_read*1.95

函數(shù)_讀取一次轉(zhuǎn)換結(jié)果

Unsigned char read0831()

{

Unsigned char I;//定義循環(huán)變量

T0831_cs=1;//置高

Delay0831(10);//延時(shí)

T0831_sk=1;//時(shí)鐘置高

T0831_cs=0;//cs拉低

T0831_sk=0;//時(shí)鐘拉低

For(i=0;i<8;i++)；//循環(huán) 8 次，讀取數(shù)據(jù)

{

T0831_sk=1;

T0831_sk=0;

If(T0831_do)//判斷數(shù)據(jù)bit高低

Datasoute++;

Datasoute<<=1;左移一位

}

T0831_cs=1;//CS置高，清空寄存器

T0831_sk=1;//時(shí)鐘置高

Delay0831(20);

Return(datasoute);返回?cái)?shù)據(jù)

}

函數(shù)-軟件濾波

Void filter(void)

{

Unsigned char I;//定義循環(huán)變量

Unsigned char temp[4];//累加數(shù)據(jù)

temp[0]=read0831();第一次讀取

For(i=0;i<100;i++)；//延時(shí)一段時(shí)間

temp[1]=read0831();第二次讀取

For(i=0;i<100;i++)；//延時(shí)一段時(shí)間

temp[2]=read0831();第三次讀取

For(i=0;i<100;i++)；//延時(shí)一段時(shí)間

temp[3]=read0831();第四次讀取

For(i=0;i<100;i++)；//延時(shí)一段時(shí)間

Temp_read=temp[0]+temp[1]+temp[2]+temp[3];//四次結(jié)果累加

Temp_read=Temp_read>>2;//右移二位，相當(dāng)與除以4

由此發(fā)電車電壓數(shù)據(jù)經(jīng)過采集轉(zhuǎn)換后被送入TCDS系統(tǒng)中，在具有PLC控制的列車網(wǎng)中，TCDS的通訊是通過列車網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，采用的是lonworks網(wǎng)絡(luò)，分為列車級和車輛級，兩級網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸通過網(wǎng)關(guān)和代理節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。帶有發(fā)電車的TCDS系統(tǒng)，由于僅監(jiān)控軸報(bào)數(shù)據(jù)這一項(xiàng)，且軸報(bào)采用的是RS485接口，因此新采集的數(shù)據(jù)在通訊時(shí)也需要通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和協(xié)議轉(zhuǎn)換，但是相對于lonworks網(wǎng)絡(luò)，所需要的通訊設(shè)備就要少得多。

4 結(jié)束語

這里需要說明的是，僅僅實(shí)現(xiàn)車上物理連接和程序是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，要想遠(yuǎn)程監(jiān)控新增的發(fā)電車數(shù)據(jù)，還需要對 TCDS發(fā)生裝置中固化的程序和地面專家系統(tǒng)的程序進(jìn)行對應(yīng)修改，這樣才能完成整個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸和監(jiān)控。因此在TCDS系統(tǒng)開發(fā)和升級過程中，應(yīng)預(yù)留擴(kuò)展插槽，開放系統(tǒng)原程序，對設(shè)備的安裝和程序的調(diào)用實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，這樣才能更好地發(fā)揮TCDS監(jiān)控作用，并為以后的功能提升打下基礎(chǔ)。