基于半實(shí)物仿真的上海軌道交通門(mén)控單元測(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)

仇佳捷張 峰寧 慶王建兵

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，200240，上海；2.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司維護(hù)保障中心，200070，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

基于半實(shí)物仿真的上海軌道交通門(mén)控單元測(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)

仇佳捷1張 峰1寧 慶1王建兵2

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，200240，上海；2.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司維護(hù)保障中心，200070，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

門(mén)控單元是地鐵車門(mén)系統(tǒng)中的主控部件，其運(yùn)行狀況與地鐵運(yùn)營(yíng)安全密切相關(guān)。對(duì)門(mén)控單元的檢測(cè)是地鐵檢修中不可缺少的部分。針對(duì)一款應(yīng)用于上海軌道交通的常用門(mén)控單元，采用半實(shí)物仿真技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合的方法，開(kāi)發(fā)了門(mén)控單元測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了門(mén)控單元的離線檢測(cè)。該檢測(cè)平臺(tái)提供了豐富的操作信息和故障指示，可準(zhǔn)確檢測(cè)出門(mén)控單元的故障，提高了檢測(cè)維護(hù)的效率。

城市軌道交通車輛；門(mén)控單元；檢測(cè)平臺(tái)；半實(shí)物仿真

First-author's address School of Electronic，Information& Electrical Eng.，Shanghai Jiao Tong Univ.，200240，Shanghai，China

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于地鐵門(mén)控系統(tǒng)的研究較少，對(duì)地鐵門(mén)控系統(tǒng)的檢測(cè)則主要依靠國(guó)外廠商，因此開(kāi)發(fā)一款針對(duì)現(xiàn)行系統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備對(duì)地鐵門(mén)控單元的維修和維護(hù)很有意義。iFE公司生產(chǎn)的PMC 20-110R門(mén)控單元（Exterior of Door Control Unit，簡(jiǎn)為EDCU）已配置在上海軌道交通3號(hào)線與5號(hào)線上。本文介紹了該門(mén)控單元檢測(cè)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)情況。

1 門(mén)控系統(tǒng)

地鐵列車一節(jié)車廂一般裝有8或10套門(mén)，兩側(cè)對(duì)稱分布。每套門(mén)由一個(gè)門(mén)控單元控制，并包含門(mén)位置傳感器、限位開(kāi)關(guān)、電磁閥、制動(dòng)器及驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)等相關(guān)機(jī)構(gòu)。

PMC 20-110R EDCU為整個(gè)車門(mén)系統(tǒng)的主控單元。EDCU以微處理器為中心，通過(guò)RS 485，RS 232等通信接口與列車主控設(shè)備及其他設(shè)備通信，并接收列車控制信號(hào)（如開(kāi)門(mén)控制信號(hào)、關(guān)門(mén)控制信號(hào)、零速控制信號(hào)），以及門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)元件發(fā)出的信號(hào)（如限位開(kāi)關(guān)、緊急開(kāi)關(guān)等），通過(guò)內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，完成對(duì)門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。

門(mén)控單元是一個(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)，包含電源模塊、處理器、存儲(chǔ)器、總線、通信接口、保護(hù)電路，以及負(fù)責(zé)對(duì)外輸入輸出的接口電路。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。門(mén)控單元接口電路共對(duì)外提供一路電源輸入接口、2種通信接口、3種數(shù)據(jù)接口，以及一路電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口。接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。門(mén)控單元接受各個(gè)外部傳感器的信號(hào)，并根據(jù)通信端口的控制信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，如控制電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車門(mén)開(kāi)合，或者給出相應(yīng)的故障報(bào)警聲光指示。

2 綜合檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 半實(shí)物仿真技術(shù)

表1 EDCU端口技術(shù)指標(biāo)

半實(shí)物仿真又稱為硬件在回路中仿真（Hardware in the Loop Simulation，簡(jiǎn)為HILS）［1］。這種仿真試驗(yàn)將對(duì)象實(shí)體的動(dòng)態(tài)特性通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型、編程，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，并在條件允許的情況下盡可能在仿真系統(tǒng)中接入實(shí)物，用來(lái)構(gòu)建更接近實(shí)際情況的相應(yīng)物理環(huán)境，以取代相應(yīng)部分的數(shù)學(xué)模型，從而取得更確切的信息。典型的半實(shí)物仿真系統(tǒng)如圖2所示。其中，仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)硬件、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及仿真程序、數(shù)據(jù)等；接口部分包括模擬量接口、數(shù)字量接口、實(shí)時(shí)數(shù)字通信系統(tǒng)等；仿真設(shè)備用以模擬各種物理效應(yīng)，使被測(cè)實(shí)物可以在仿真的環(huán)境下工作；參試部件可以是傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。本次參試部件（即待測(cè)設(shè)備）是復(fù)雜電系統(tǒng)設(shè)備。

2.2 虛擬儀器技術(shù)

所謂虛擬儀器（Virtual Instrument，簡(jiǎn)為VI），就是以通用計(jì)算機(jī)為核心、由用戶設(shè)計(jì)定義、具有虛擬面板、測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。VI由I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，利用PC（個(gè)人電腦）顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果，并利用PC強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，從而完成各種測(cè)試功能。本測(cè)試臺(tái)采用美國(guó)NI公司的Lab VIEW。

圖2 半實(shí)物仿真系統(tǒng)圖

3 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

被測(cè)的EDCU是一個(gè)帶有微處理器的智能控制單元，接口種類多樣，運(yùn)行機(jī)制與工作方式較為復(fù)雜且是未知的，所以，測(cè)試平臺(tái)的軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)。針對(duì)EDCU各個(gè)端口的功能及輸入輸出特點(diǎn)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行分模塊設(shè)計(jì)和測(cè)試，最終進(jìn)行所有模塊的整合和調(diào)試工作。

3.1 測(cè)試平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)采用半實(shí)物仿真。為了給EDCU提供一個(gè)更加接近實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)試環(huán)境，在考慮測(cè)試的可控性的前提下，測(cè)試平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，EDCU盡可能多地接入真實(shí)模塊或是特性接近真實(shí)元件的模擬模塊。

采用基于工業(yè)計(jì)算機(jī)的測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)。這種測(cè)試平臺(tái)將處理器、儲(chǔ)存器、總線以及部分面向內(nèi)部的接口集成在帶有數(shù)據(jù)采集設(shè)備的工業(yè)計(jì)算機(jī)中。測(cè)試平臺(tái)主要分為測(cè)試主控和外圍電路兩部分，其整體系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 EDCU檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)框圖

對(duì)EDCU測(cè)試運(yùn)行方式進(jìn)一步分析后，針對(duì)EDCU 6種不同的端口特性（見(jiàn)表1）進(jìn)行相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)。其中，門(mén)位置傳感器供電（DC 12 V）無(wú)需獨(dú)立測(cè)試，可以通過(guò)2路負(fù)開(kāi)關(guān)量信號(hào)的測(cè)試得出結(jié)果。

適用于EDCU檢測(cè)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)如下：

（1）110 V數(shù)字量輸入信號(hào)14路，包括零速車輛控制信號(hào)、開(kāi)門(mén)控制信號(hào)、關(guān)門(mén)控制信號(hào)、緊急裝置控制信號(hào)等；測(cè)試端口配合電路設(shè)計(jì)方案為通過(guò)測(cè)試平臺(tái)發(fā)出信號(hào)控制光耦和繼電器等控制器件，以選擇性地切換導(dǎo)通輸入到EDCU相應(yīng)端口的信號(hào)，達(dá)到測(cè)試所需要的運(yùn)行條件。

（2）負(fù)開(kāi)關(guān)量信號(hào)（12 V門(mén)位置反饋信號(hào)）2路，其端口設(shè)計(jì)與上述端口硬件一樣，只是測(cè)試時(shí)的指令操作不同。

（3）110 V數(shù)字量輸出信號(hào)8路，包括報(bào)警信號(hào)、蜂鳴器信號(hào)等。

（4）電機(jī)控制信號(hào)，從1個(gè)端口輸出，指令不同時(shí)輸出48 V/2 A、48 V/8 A、24 V/3 A三種不同的電壓等級(jí)與功率，負(fù)責(zé)帶動(dòng)電機(jī)在不同速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，并完成正反轉(zhuǎn)功能。

（5）通信接口，包括RS 232和RS 485，用來(lái)傳送指令以及接收EDCU響應(yīng)信息，直接采用工業(yè)計(jì)算機(jī)上的相關(guān)接口。

以上（3）、（4）兩種端口在檢測(cè)流程中都涉及電流檢測(cè)，所以采用模擬負(fù)載的形式。根據(jù)不同測(cè)試情況，工業(yè)計(jì)算機(jī)控制繼電器來(lái)切換不同負(fù)載，以模擬EDCU的相應(yīng)工作環(huán)境；通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)負(fù)載的電流［2］，并與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行電流進(jìn)行比較，判定相關(guān)功能是否完好。模擬負(fù)載電流檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 模擬負(fù)載電流檢測(cè)電路

3.2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)采用配合NI數(shù)據(jù)采集卡的Lab VIEW。Lab VIEW是一種基于圖形化的編程語(yǔ)言，通常用于測(cè)試測(cè)量、控制、仿真、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示等。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言相比，其大大提高了測(cè)量系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)效率，圖形用戶界面操作直觀、簡(jiǎn)便，為本測(cè)試平臺(tái)的開(kāi)發(fā)提供了良好的軟件支持。

測(cè)試平臺(tái)軟件各功能明確、統(tǒng)一性強(qiáng)，整體通過(guò)不同方式調(diào)用功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)任務(wù)，因此，采用生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式架構(gòu)設(shè)計(jì)［3］可大大簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)的難度，縮短開(kāi)發(fā)周期。軟件主體分為生產(chǎn)者和消費(fèi)者兩個(gè)部分。生產(chǎn)者部分通過(guò)人機(jī)界面接收操作指令，并將指令傳遞給消費(fèi)者部分，使其調(diào)用相關(guān)的功能模塊。生產(chǎn)者部分在接收操作指令的同時(shí)產(chǎn)生消費(fèi)者部分需要的相關(guān)參數(shù)和變量，并與操作指令一同傳給消費(fèi)者部分。其流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

消費(fèi)者部分的測(cè)試子程序開(kāi)發(fā)采用模塊化思想，將測(cè)試程序按照其測(cè)試特點(diǎn)劃分為多個(gè)模塊。為了與整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試框架相適應(yīng)，本測(cè)試平臺(tái)軟件按照系統(tǒng)功能劃分為五個(gè)模塊。軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 軟件模塊架構(gòu)圖

（1）RS 232模塊：通過(guò)軟件調(diào)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)RS 232資源，通過(guò)計(jì)算機(jī)給待檢測(cè)的EDCU發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)及相關(guān)數(shù)據(jù)，并接收EDCU返回的信號(hào)及數(shù)據(jù)。

（2）控制模塊：通過(guò)軟件控制數(shù)據(jù)采集卡的輸出端口，來(lái)控制檢測(cè)平臺(tái)硬件的相應(yīng)部分，為EDCU檢測(cè)提供相應(yīng)的外部壞境，包括切換合適的負(fù)載，以及給出相應(yīng)的模擬實(shí)際信號(hào)輸入狀況。

（3）端口測(cè)試模塊：通過(guò)軟件檢測(cè)數(shù)據(jù)采集卡相應(yīng)端口是否接收到經(jīng)過(guò)檢測(cè)平臺(tái)硬件電路處理后的EDCU信號(hào)輸出。

（4）電流測(cè)試模塊：通過(guò)軟件與數(shù)據(jù)采集卡模擬量輸入端口配合，輔之以檢測(cè)平臺(tái)相應(yīng)的硬件電路實(shí)時(shí)采集外部電流信號(hào)，畫(huà)出電流波形及記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

（5）通信模塊：通過(guò)軟件調(diào)配計(jì)算機(jī)相關(guān)資源，實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的發(fā)送及接收與EDCU同步。

所有的測(cè)試子程序都可以通過(guò)以上模塊功能的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。如電機(jī)控制測(cè)試，需要進(jìn)行無(wú)負(fù)載情況下輸出測(cè)試和有負(fù)載情況下輸出電流匹配測(cè)試，可通過(guò)RS 232模塊發(fā)送指令，控制模塊切換測(cè)試環(huán)境，端口測(cè)試模塊與電流測(cè)試模塊分別負(fù)責(zé)兩個(gè)測(cè)試分項(xiàng)的檢測(cè)工作。

整個(gè)測(cè)試軟件采用LabVIEW中的子VI技術(shù)。首先，根據(jù)每一個(gè)測(cè)試模塊的具體要求編寫(xiě)相應(yīng)的測(cè)試子VI程序，并配合硬件平臺(tái)進(jìn)行單個(gè)模塊調(diào)試；然后，各個(gè)功能模塊的子VI程序通過(guò)一定的時(shí)序及邏輯約束集成在整體框架下進(jìn)行整體調(diào)試集成，完成整個(gè)測(cè)試平臺(tái)軟件的開(kāi)發(fā)工作。

4 測(cè)試與結(jié)果分析

采用本測(cè)試平臺(tái)對(duì)EDCU運(yùn)行檢測(cè)程序，選擇對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)。圖7所示為輸入端口測(cè)試的界面。其左側(cè)一列為整個(gè)平臺(tái)所包含的測(cè)試功能，包括自動(dòng)測(cè)試、燒寫(xiě)程序、存儲(chǔ)器測(cè)試、輸入輸出測(cè)試、電機(jī)測(cè)試、信號(hào)燈測(cè)試及控制按鈕測(cè)試等；右側(cè)為選定項(xiàng)目測(cè)試界面，包含相應(yīng)測(cè)試細(xì)分條目及各條的測(cè)試數(shù)據(jù)。根據(jù)所測(cè)條目，這些測(cè)試數(shù)據(jù)包含數(shù)值顯示、開(kāi)關(guān)量顯示、指令回饋及波形顯示，并依據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)綜合給出故障指示。

在對(duì)上海軌道交通5號(hào)線門(mén)控單元的實(shí)際測(cè)試中，本測(cè)試平臺(tái)均能準(zhǔn)確檢測(cè)出故障類型，定位故障部位，且與實(shí)際故障表現(xiàn)一致。依據(jù)本平臺(tái)測(cè)試過(guò)程中給出的測(cè)試信息及出具的綜合故障報(bào)告，維保人員可方便地進(jìn)行故障上報(bào)、維修保養(yǎng)等工作。

圖7 EDCU輸入端口測(cè)試界面

5 結(jié)語(yǔ)

本測(cè)試平臺(tái)采用基于半實(shí)物仿真技術(shù)及虛擬儀器的檢測(cè)技術(shù)，其軟硬件的開(kāi)發(fā)均采用面向?qū)ο笮枨蟮哪K化設(shè)計(jì)。測(cè)試平臺(tái)在硬件上設(shè)置了簡(jiǎn)單的接口，軟件上提供了友好的人機(jī)界面以及豐富的提示信息，可以準(zhǔn)確檢測(cè)出EDCU的故障，并對(duì)相應(yīng)故障部位進(jìn)行定位，為實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用及相關(guān)工程人員培訓(xùn)提供了良好的平臺(tái)支持。

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Detecting Platform Development for Shanghai URT Door Control Unit Based on HILS

Qiu Jiajie，Zhang Feng，Ning Qing，Wang Jianbing

Door control unit（DCU）is the key control device in metro door control system，which has a close relationship with metro safe operation，and the door control unitdetection is essential to maintain the metro system.In this paper，the development of a detecting platform for common door control unit adopted in Shanghai metro is introduced，which is based on HILStechnology and the virtual instrument technology，and is able to finish the task of offline detecting for door control unit.This platform provides a plentiful indications of operation and malfunctions，and could improve the efficiency of inspection and maintenance.

urban rail transit train；door control unit；detecting platform；hardware-in-loop simulation（HILS）

U 270.38+6：U 231

2012-04-28）