車載設(shè)備綜合實(shí)訓(xùn)臺設(shè)計(jì)

張文財(cái)

摘 要：機(jī)車動力模擬系統(tǒng)是車載綜合實(shí)訓(xùn)臺的核心部分，是根據(jù)教學(xué)和機(jī)車實(shí)訓(xùn)需要，模擬機(jī)車動力運(yùn)行的信號系統(tǒng)，該系統(tǒng)能模擬不同機(jī)車在不同情況下的應(yīng)急反應(yīng)和應(yīng)急輸出，以最真實(shí)的機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)信息反饋當(dāng)前機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)，該機(jī)車通過與LKJ、司控器等設(shè)備連接，能對機(jī)車實(shí)訓(xùn)處理做出相應(yīng)的狀態(tài)體現(xiàn)。該系統(tǒng)采用ARM技術(shù)，完成高速采樣和處理的同時，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)以高速運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)采集的司控器、電控閥、壓力信息來完成步進(jìn)電機(jī)的最后執(zhí)行輸出，如電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)前進(jìn)、后退、加速、減速等。

關(guān)鍵詞：車載設(shè)備；實(shí)訓(xùn)臺；模擬硬件設(shè)計(jì)；模擬軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號： U216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）35-168-2

1 機(jī)車動力模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能

機(jī)車動力模擬系統(tǒng)為模擬機(jī)車運(yùn)行的裝置，可以模擬實(shí)現(xiàn)機(jī)車的前進(jìn)、后退、加速、減速等運(yùn)行狀態(tài)，該動力模擬系統(tǒng)采用模擬機(jī)車動力系統(tǒng)邏輯內(nèi)核，根據(jù)司控器，LKJ系統(tǒng)的相應(yīng)指令模擬機(jī)車運(yùn)行，并驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)裝置進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)主要工況有：①人工操控司控器加速；②人工操控司控器勻速；③人工控制司控器卸載；④LKJ卸載制動；⑤LKJ常用制動；⑥LKJ緊急制動；⑦人工操控大閘（自動制動閥）制動；⑧人工操控小閘（單獨(dú)制動閥）制動。

2 機(jī)車動力模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程

通過如上設(shè)計(jì)功能描述，機(jī)車動力模擬系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)分為三部分完成，由采集部分、邏輯處理部分和執(zhí)行輸出等三部分組成。

信息采集部分：主要完成采集司控器狀態(tài)，LKJ卸載制動繼電器狀態(tài)，LKJ常用制動電控閥，LKJ緊急制動電控閥、大閘、小閘等開關(guān)量狀態(tài)、氣閥壓力、模擬輪對轉(zhuǎn)速等模擬量信息，信息采集部分完成這些開關(guān)量和模擬量的采集后，將采集的信息數(shù)據(jù)送給邏輯處理部分進(jìn)行邏輯處理。

邏輯處理部分：將信息采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理，按照設(shè)計(jì)功能描述，需要將信息采集的數(shù)據(jù)按照司控器部分、LKJ制動部分、大小閘部分共三部分獨(dú)立進(jìn)行邏輯處理，同時三部分邏輯處理后的結(jié)果送給執(zhí)行輸出部分完成模擬動力的輸出。

執(zhí)行輸出：按照設(shè)計(jì)功能描述，執(zhí)行輸出主要根據(jù)司控器控制處理結(jié)果、LKJ控制處理結(jié)果、人工大小閘控制處理結(jié)果轉(zhuǎn)換為控制模擬電機(jī)的加速，減速和啟動，停止等信息。

2.1 機(jī)車動力模擬硬件設(shè)計(jì)

2.1.1整體設(shè)計(jì)

機(jī)車動力模擬系統(tǒng)由定制機(jī)柜、動力邏輯處理單元、動力信息采集單元、動力信息輸出單元、電機(jī)控制單元、采集模塊傳感器等執(zhí)行電機(jī)及其相關(guān)附件組成。系統(tǒng)設(shè)備組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

定制機(jī)柜：根據(jù)機(jī)車內(nèi)部空間，定制相應(yīng)大小機(jī)柜，用于放置動力邏輯處理單元箱、動力信息采集單元箱、動力信息輸出單元箱、電源單元箱、電機(jī)控制單元，及外部各種采集模塊。

動力信息采集單元：用于完成壓力傳感器模塊，司控器采集模塊，常用制動電控閥采集模塊，緊急制動電控閥采集模塊，速度傳感器采集模塊等信息完成高速采樣，并及時處理和存儲。

動力信息輸出單元：用于完成動力原始信息和邏輯處理信息的執(zhí)行輸出，該輸出單元一方面用于程序調(diào)試和信息接口的對外輸出，另一方面完成對電機(jī)控制單元的執(zhí)行輸出。

動力邏輯處理單元：采用二乘二容錯技術(shù)的邏輯分析判斷技術(shù)，對動力信息采集單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析處理，并將輸出執(zhí)行結(jié)果傳輸給動力信息輸出單元，最終完成動力信息執(zhí)行輸出。

電機(jī)控制單元：用于完成高速運(yùn)轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制，根據(jù)動力信息輸出單元數(shù)據(jù)，完成步進(jìn)電機(jī)的前進(jìn)、后退、加速、減速等驅(qū)動控制。

電機(jī)：采用兩相42步高速進(jìn)口步進(jìn)電機(jī)，輸出扭矩達(dá)0.55N·m，細(xì)分?jǐn)?shù)能達(dá)6400細(xì)分，同時電機(jī)帶同軸輸出輪等附件，具備傳感器安裝位置等。

采集模塊：由不同采集模塊組成，分別為緊急制動電控閥采集模塊，常用制動閥采集模塊、司控器采集模塊、壓力傳感器模塊、速度傳感器采集模塊等，用于對制動信息和司控器設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，并完成轉(zhuǎn)換最后傳輸給動力信息采集單元。

電源：給機(jī)車動力模擬系統(tǒng)提供電源動力。

2.1.2 主芯片設(shè)計(jì)

通過如上描述，該系統(tǒng)主要部分由核心主硬件MCU電路組成，各單元根據(jù)不同功能需求增加相應(yīng)接口電路硬件，總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1.3 模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)如上信息采集的項(xiàng)目，主要分為開關(guān)量采集和模擬量采集，其中司控器、LKJ卸載繼電器、LKJ常用制動電控閥、LKJ緊急制動電控閥、人工操作大小閘等屬于開關(guān)量采集類，氣閥壓力和速度采集等屬于模擬量采集類。

為確保采集設(shè)備不影響被采集設(shè)備的正常工作，我們設(shè)計(jì)的采集模塊采用光電隔離技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換采集，確保輸入和輸出間的隔離。

對于開關(guān)量采集模塊，采集接點(diǎn)為空接點(diǎn)，輸出為24V直流信號；對于模擬量采集模塊，根據(jù)采集類型，分為壓力傳感器采集模塊和速度采集模塊，壓力傳感器采集模塊采集量程范圍為：1050kPa，輸出為電流信號0-20mA；速度傳感器采用光電速度傳感器采集轉(zhuǎn)速范圍為：2000r/min，輸出為脈沖信號。

2.2 機(jī)車動力模擬軟件設(shè)計(jì)

機(jī)車動力模擬軟件設(shè)計(jì)采用嵌入式非搶占性操作系統(tǒng)內(nèi)核，軟件分為主程序工作流程，定時器中斷工作流程圖，各子任務(wù)工作流程等部分組成，由于程序流程較多，目前只選取關(guān)鍵幾個工作流程做詳細(xì)介紹。

主程序工作流程：主程序采用嵌入式非搶占性操作系統(tǒng)內(nèi)核，該內(nèi)核能確保高優(yōu)先級的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，由于采用單一任務(wù)堆棧，不具備搶占性任務(wù)調(diào)度，但采用單一棧的目的也節(jié)省了程序內(nèi)部使用RAM空間，為應(yīng)用程序提供了更多的數(shù)據(jù)存儲空間，該主程序工作流程如下：開始—硬件外設(shè)初始化—內(nèi)核初始化—系統(tǒng)時鐘定時器初始化—尋找最高優(yōu)先級任務(wù)—執(zhí)行最高優(yōu)先級任務(wù)。

定時器中斷工作流程：主要用于開關(guān)量采集和定時處理的任務(wù)。

重要子任務(wù)處理流程：主要涉及幾個關(guān)鍵業(yè)務(wù)處理流程。

2.3 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

在機(jī)車動力模擬系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)調(diào)試中，主要經(jīng)歷了如下過程：系統(tǒng)需求確定、系統(tǒng)硬件選型、系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)、硬件原理圖及PCB繪制、PCB的試制加工和硬件程序編制和聯(lián)調(diào)聯(lián)試。

產(chǎn)品開發(fā)調(diào)試的關(guān)鍵是電機(jī)的速度控制，我們采用的步進(jìn)電機(jī)是兩相42步高速電機(jī)，轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

轉(zhuǎn)速（r/min）=×××60

當(dāng)預(yù)值為0.8kHz，分頻頻率為8000kHz，固定角為1.8°，細(xì)分為8時，當(dāng)前理論轉(zhuǎn)速為：

n=×××60=375r/min

通過我們實(shí)驗(yàn)調(diào)試實(shí)際測試，調(diào)試最高轉(zhuǎn)速能達(dá)3750轉(zhuǎn)左右，滿足我們使用要求。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

①采用真實(shí)的采集傳感器模塊，最大程度上模擬機(jī)車動力運(yùn)行；②能高速采集及響應(yīng)執(zhí)行輸出信息；③對外提供接口，方便調(diào)試和采集信息輸出；④兼容性廣，與不同型號LKJ，司控器都可配套使用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 鐵路職工崗位培訓(xùn)教材編審委員會.機(jī)車信號設(shè)備維修[M].中國鐵道出版社，2012.