計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖中安全電源控制板測(cè)試頻率發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 忱，劉培頂

（1.西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 電化電信處，天津 300142）

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖中安全電源控制板測(cè)試頻率發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 忱1，劉培頂2

（1.西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 電化電信處，天津 300142）

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中通常會(huì)設(shè)計(jì)有安全輸出電路，用來保障計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖平臺(tái)的安全性能。在某些型號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全輸出電路中，會(huì)通過安全電源控制板對(duì)一個(gè)連續(xù)固定頻率信號(hào)的選頻，來隔離輸出用以控制安全繼電器的電源信號(hào)。為此設(shè)計(jì)了一種基于51系列單片機(jī)和MAX038信號(hào)發(fā)生芯片的頻率發(fā)生器，用以來模擬輸出該頻率信號(hào)，基于Qt設(shè)計(jì)了上位機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率信號(hào)的監(jiān)測(cè)與調(diào)控。文中詳細(xì)介紹了該發(fā)生器在結(jié)構(gòu)的搭建、硬件和軟件方面的設(shè)計(jì)。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖；頻率發(fā)生器；AT89S52；MAX038；Qt

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)保障列車行車安全，需要符合“故障-安全”原則。某些型號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中會(huì)設(shè)計(jì)與安全相關(guān)的安全輸出電路。需要主電源控制單元輸出一個(gè)連續(xù)固定的頻率信號(hào)至安全電源控制板，通過對(duì)該信號(hào)選頻作用，安全電源控制板會(huì)隔離輸出用于驅(qū)動(dòng)安全繼電器的直流電源，在出現(xiàn)任何故障時(shí)安全電源控制板均能可靠地切斷安全繼電器的驅(qū)動(dòng)電源輸出，用以保障聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全性。該頻率信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到安全電源控制板功能的實(shí)現(xiàn)。

在最終成型的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)中，該頻率信號(hào)是由計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖平臺(tái)的操作系統(tǒng)控制和產(chǎn)生，但在整個(gè)聯(lián)鎖平臺(tái)研發(fā)的初期，各板卡都能由操作系統(tǒng)控制的聯(lián)合調(diào)試之前，需要對(duì)各塊板卡的功能進(jìn)行逐一驗(yàn)證和單獨(dú)調(diào)試，以檢測(cè)其性能是否滿足聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，這時(shí)就需要能提供一種方便快捷的輔助測(cè)試工具。為驗(yàn)證安全電源控制板的選頻功能，測(cè)試其性能參數(shù)，特此設(shè)計(jì)一種短期內(nèi)易于開發(fā)獲取且能產(chǎn)生高精度穩(wěn)定可調(diào)頻率信號(hào)的發(fā)生器，服務(wù)于安全電源控制板的研發(fā)工作，亦能應(yīng)用于其他需要可調(diào)頻率信號(hào)輸入的項(xiàng)目當(dāng)中。

頻率發(fā)生器設(shè)計(jì)基于51系列單片機(jī)和MAX038信號(hào)發(fā)生芯片，在安全電源控制板的設(shè)計(jì)初期以及調(diào)試過程中，用以模擬主電源控制單元輸出的頻率信號(hào)，并結(jié)合頻率發(fā)生器設(shè)計(jì)了基于Qt的上位機(jī)程序，以便能更好地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率和占空比數(shù)值，通過該方式來模擬現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，檢驗(yàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率變化對(duì)安全電源控制板輸出電壓的影響。

1 總體結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

在供電方面，該頻率發(fā)生器采用5V USB單獨(dú)供電，能夠保障頻率發(fā)生器中各個(gè)芯片模塊都工作在正常范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)各自的功能。在數(shù)據(jù)通信方面，頻率發(fā)生器采用RS232接口的方式，一方面用以燒寫單片機(jī)控制程序，方便調(diào)試；另一方面用來與上位機(jī)進(jìn)行串口通信，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)生信號(hào)的頻率值和占空比值，并發(fā)送控制命令，為頻率發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 頻率發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖

該頻率發(fā)生器具體由單片機(jī)控制模塊，MAX038頻率發(fā)生模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，信號(hào)放大模塊，以及RS232接口模塊組成。

（1）單片機(jī)控制模塊選用AT89S52型8 bit單片機(jī)，主要負(fù)責(zé)與PC端上位機(jī)的交互，控制頻率信號(hào)的產(chǎn)生以及監(jiān)測(cè)。

選用51系列單片機(jī)，主要依據(jù)其功能完全能夠滿足該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，即串口通信，I/O控制等，且其指令系統(tǒng)熟悉，易于操作，性價(jià)比高，便于獲取。

（2）頻率發(fā)生模塊選用的是MAX038型信號(hào)發(fā)生器芯片，主要負(fù)責(zé)準(zhǔn)確地產(chǎn)生高頻方波信號(hào)。

選用MAX038芯片，主要依據(jù)其可產(chǎn)生高精度的頻率信號(hào)且穩(wěn)定可調(diào)的特點(diǎn)，有利于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其輸出頻率由內(nèi)部基準(zhǔn)電壓及一個(gè)外部電阻、電容決定，工作頻率范圍0.1 Hz～20M Hz。頻率值和占空比值都可通過外部器件獨(dú)立可調(diào)。輸出波形Vp-p為2 V。

頻率發(fā)生模塊電路如圖2所示，MAX038通過恒定電流對(duì)外部電容CF的充放電，獲得信號(hào)輸出。充放電電流由流進(jìn)IIN引腳的電流控制，并由加在FADJ、DADJ引腳上的電壓進(jìn)行頻率值和占空比值的調(diào)節(jié)。

圖2 MAX038信號(hào)發(fā)生電路

信號(hào)振蕩頻率計(jì)算式：

為滿足輸出信號(hào)頻率在500 Hz左右的需要，根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)，選定CF=100 nF，設(shè)定IIN=100 uA，通過公式計(jì)算就能實(shí)現(xiàn)當(dāng)VFADJ=±2.4 V時(shí)，對(duì)應(yīng)調(diào)制頻偏為±70%，當(dāng)VDADJ=±2.3 V時(shí)，占空比值為10%～90%。故可以僅用通過對(duì)可變電阻R_FADJ和R_DADJ的調(diào)節(jié)就能對(duì)頻偏和占空比值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

輸出信號(hào)波形的選擇是由兩個(gè)輸入引腳A0和A1的邏輯電平來設(shè)定，設(shè)計(jì)中是通過單片機(jī)I/O口直連的方式來控制MAX038的A0、A1引腳，從而控制MAX038輸出相應(yīng)的波形。

（3）A/D轉(zhuǎn)換模塊選用PCF8591轉(zhuǎn)換芯片，主要負(fù)責(zé)對(duì)調(diào)節(jié)頻率值和占空比的電壓值，以及最后輸出頻率信號(hào)的電壓值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)而對(duì)其監(jiān)測(cè)。

選用PCF8591芯片，主要依據(jù)其是一款8 bit AD/DA轉(zhuǎn)換芯片，具有4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串行I2C總線接口，轉(zhuǎn)換速率由I2C總線最大速率決定。能夠滿足該頻率發(fā)生器對(duì)多路模擬輸入進(jìn)行分時(shí)轉(zhuǎn)換，且能與控制芯片串口通信的要求。

A/D轉(zhuǎn)換模塊電路如圖3所示，3路模擬信號(hào)輸入分別接的是調(diào)節(jié)頻率值的電壓值、調(diào)節(jié)占空比的電壓值以及最后輸出信號(hào)的電壓值，在分批次進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，通過I2C總線方式傳送至單片機(jī)，再通過單片機(jī)與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)交互。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路

（4）信號(hào)放大模塊選用的是AD811型運(yùn)算放大器芯片，主要負(fù)責(zé)將輸出信號(hào)放大，使其滿足與安全電源對(duì)接板對(duì)接的要求。

信號(hào)放大模塊電路如圖4所示，由于MAX038輸出信號(hào)Vp-p為2 V，需要對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理，才能達(dá)到安全電源輸出板選頻輸入信號(hào)的要求。根據(jù)AD811芯片手冊(cè)，選用正向閉環(huán)，增益2倍的放大方式，電路中RG與RFB則選用562 Ω，從而獲得相應(yīng)的放大效果，使其實(shí)現(xiàn)與安全電源輸出板的對(duì)接。

（5）RS232接口模塊選用的是常用MAX232型轉(zhuǎn)換芯片，在系統(tǒng)調(diào)試過程中用以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)程序的燒寫，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中用以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)之間的串口通信。

圖4 信號(hào)放大電路

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分包括了單片機(jī)端下位機(jī)程序和PC機(jī)端上位機(jī)軟件程序。主要完成頻率發(fā)生器與上位機(jī)之間數(shù)據(jù)通信的功能。

在單片機(jī)端，系統(tǒng)上電后，其中，頻率發(fā)生模塊即可以開始工作。根據(jù)該模塊核心MAX038芯片的工作機(jī)制，通過可變電阻的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)頻率和占空比的調(diào)節(jié)。這時(shí)通過程序啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，將決定頻率值和占空比值的兩個(gè)電壓值，以及最終輸出信號(hào)的電壓值經(jīng)過轉(zhuǎn)換傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。之后在單片機(jī)內(nèi)部利用程序，參照既定的公式計(jì)算得出當(dāng)前輸出的頻率值和占空比值，再利用串口通信，將計(jì)算結(jié)果傳輸至PC機(jī)上位機(jī)端，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率值和占空比值的實(shí)時(shí)監(jiān)控。單片機(jī)程序流程圖如圖5所示。

在PC機(jī)端，基于Qt軟件設(shè)計(jì)了上位機(jī)程序，其界面如圖6所示。上位機(jī)界面需設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔友好，且包含所有基本操作。Qt設(shè)計(jì)師為程序員們提供了可供使用的新選擇，它提供一種可視化的設(shè)計(jì)能力，相比手工編碼所設(shè)計(jì)的窗體，可進(jìn)行更快速、更容易的測(cè)試和修改。使用Qt設(shè)計(jì)師所創(chuàng)建的窗體最終仍舊是C++代碼，因此，可把Qt設(shè)計(jì)師看作是一個(gè)傳統(tǒng)的工作集，并且不會(huì)對(duì)編譯器強(qiáng)加其他特殊要求。用戶只需要發(fā)送操作命令和知道操作結(jié)果，不需要知道具體的執(zhí)行過程。在創(chuàng)建對(duì)話框時(shí)總是包

Testing frequency generator for security power control model in Computerbased Interlocking System

CHEN Chen1,LIU Peiding2
( 1.School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.Department of Electrifcation and Communication,The Third Railway Survey and Design lnstitute Group Corporation,Tianjin 300142,China)

In the Computer-based Interlocking System,a safety output module is usually designed to guarantee the safety performance of computer-based interlocking platform.In some kinds of safety output module of the Computerbased Interlocking System,the frequency-selecting function of a continuous fxed frequency signal was used to isolate the output for controlling the power signal of safety relay.The authors designed a frequency generator based on 51series single-chip microcomputer and MAX038 signal generator chip to simulate the output of this frequency signal,and PC program based on Qt to implement the monitoring and regulation of the frequency signal.This article described the construction,hardware and software design of the generator.

computer-based interlocking;frequency generator;AT89S52;MAX038;Qt

U284.362∶TP39

A

1005-8451（2016）05-0054-04

2015-11-09

陳 忱，在讀碩士研究生；劉培頂 ，助理工程師。