基于單片機(jī)的ZPW-2000軌道電路故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉玉芝，石宇平，呂 洋，周 欣，李 穎

(石家莊鐵道大學(xué) 電器與電子工程學(xué)院，石家莊 050043)

0 引言

ZPW-2000無絕緣移頻軌道電路是我國目前性能最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的軌道電路，也是“高鐵走出去”的必備產(chǎn)品。軌道電路是保障列車正常運(yùn)行的重要手段之一，軌道電路故障不僅影響行車效率，更關(guān)乎人的生命安全[1]。為保證軌道電路等信號(hào)設(shè)備的正常工作，鐵路信號(hào)工必須有過硬的專業(yè)知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為了加強(qiáng)業(yè)務(wù)技能，利用軌道電路實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行日常學(xué)習(xí)必不可少。但是，既有ZPW-2000軌道電路實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)電路故障的設(shè)置多依賴人工手動(dòng)設(shè)置，如剪斷單條信號(hào)線、拔下某個(gè)繼電器等，故障設(shè)置過程繁瑣，需要有專人在設(shè)備旁進(jìn)行故障設(shè)置操作；經(jīng)常對(duì)線材、焊點(diǎn)、繼電器進(jìn)行動(dòng)作，可能會(huì)對(duì)設(shè)備器件造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作；人工設(shè)置故障還可能導(dǎo)致故障點(diǎn)設(shè)置不清晰、故障設(shè)置錯(cuò)誤、設(shè)置的故障不具有可恢復(fù)性、設(shè)置故障時(shí)間長等[2]；另外，設(shè)置故障與解決故障之間不具備獨(dú)立性，用戶在檢測設(shè)備故障時(shí)可能會(huì)受到故障設(shè)置狀態(tài)的干擾。而且隨著列車速度、密度的不斷變化，ZPW-2000等信號(hào)設(shè)備的故障類型不斷發(fā)生變化，故障練習(xí)的需求量大大增加，一些既有設(shè)備的故障設(shè)置方式、速度及故障設(shè)置數(shù)量已不能滿足現(xiàn)場需求，新型ZPW-2000軌道電路故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)工作迫在眉睫。因此，在既有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一套新型ZPW-2000軌道電路故障診斷系統(tǒng)。

1 ZPW-2000故障診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

故障診斷系統(tǒng)的軟件選用Visio Basic語言，該開發(fā)語言具有強(qiáng)大的人機(jī)交互功能，可以快捷地創(chuàng)建Windows窗口，并具有代碼簡潔易懂、編程效率高和調(diào)試簡單等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)的控制信息(如故障選擇、執(zhí)行修復(fù)等)由用戶在軟件系統(tǒng)中設(shè)置，并通過串口接收。設(shè)計(jì)要求繼電器執(zhí)行完動(dòng)作后，需采集繼電器接點(diǎn)的狀態(tài)并將信息反饋給用戶，即通過上位機(jī)發(fā)出控制指令，并實(shí)現(xiàn)下位機(jī)狀態(tài)信息的采集回傳和顯示。故障診斷系統(tǒng)軟件操作流程圖如圖1所示。

圖1 故障診斷系統(tǒng)軟件操作流程圖

1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

故障診斷系統(tǒng)軟件界面主要設(shè)計(jì)了“設(shè)置”“修復(fù)”“多置”“復(fù)位”“接收”幾個(gè)按鈕，為了不影響用戶觀察電路，按鈕集中放在了界面的頂部。各按鈕的功能為：“設(shè)置”按鈕檢測到點(diǎn)擊事件后，執(zhí)行的動(dòng)作內(nèi)容主要是打開計(jì)時(shí)時(shí)鐘及通信端口，將存儲(chǔ)在數(shù)組“gz(84)”中的文本發(fā)送至單片機(jī)主機(jī)，同時(shí)在Text2中顯示串口的狀態(tài)和文本的長度；“修復(fù)”按鈕被觸發(fā)后同樣執(zhí)行打開串口操作，向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，控制繼電接點(diǎn)的開閉；點(diǎn)擊“多置”按鈕表明用戶可連續(xù)點(diǎn)擊多個(gè)故障點(diǎn)后進(jìn)行一次設(shè)置即可，不必逐一設(shè)置，“多置”按鈕設(shè)計(jì)更加人性化，用戶可根據(jù)需求自主選擇設(shè)置方式；“復(fù)位”按鈕的程序?yàn)檐浖某跏蓟绦?，單擊后軟件恢?fù)最初的上電狀態(tài)；設(shè)置“接收”按鈕是為了接收單片機(jī)傳回的數(shù)據(jù)，打開軟件后需先點(diǎn)擊一次“接收”按鈕，才能及時(shí)收到下位機(jī)的故障狀況。界面還預(yù)留了足夠空間，以便于后續(xù)開發(fā)過程中對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化。

為方便用戶根據(jù)需求對(duì)局部電路進(jìn)行故障設(shè)置的操作，電路圖被設(shè)為用戶界面的主背景。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，PictureBox控件的功能要強(qiáng)于Image控件，它不僅可以作為其他控件的容器，而且當(dāng)圖片框控件發(fā)生拖曳事件時(shí)，其中的CommandButton控件會(huì)隨著圖片框一起移動(dòng)，不會(huì)錯(cuò)位。所以本設(shè)計(jì)采用了PictureBox控件，將所需電路圖在AutoCAD中繪制好后，放在PictureBox控件中來實(shí)現(xiàn)背景界面的顯示，并根據(jù)軟件的功能考慮用戶界面和按鈕設(shè)置布局。

所有的故障點(diǎn)按鈕均設(shè)置在PictureBox中，按照電路故障點(diǎn)的實(shí)際位置設(shè)置故障點(diǎn)按鈕，當(dāng)發(fā)生click事件時(shí)先檢查故障點(diǎn)按鈕的背景顏色，背景顏色為白色表示該按鈕未被選中，電路接點(diǎn)處于連通狀態(tài)；背景顏色為粉色表示該按鈕被選中，電路接點(diǎn)斷路。故障點(diǎn)按鈕執(zhí)行程序流程圖如圖2所示。

圖2 故障點(diǎn)按鈕執(zhí)行程序流程圖

故障點(diǎn)的設(shè)置是通過識(shí)別故障數(shù)組gz(84)中的值來實(shí)現(xiàn)的，數(shù)組的第一個(gè)值為“123(十六進(jìn)制為0x7b)”是傳輸開始標(biāo)志位，數(shù)組的最后一個(gè)值“125(十六進(jìn)制為0x7d)”為傳輸結(jié)束標(biāo)志位，中間的gz(1)～gz(83)為83個(gè)故障點(diǎn)的數(shù)據(jù)值。設(shè)置故障點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)程序在檢測完故障點(diǎn)按鈕背景顏色后要在故障數(shù)組中修改相應(yīng)故障號(hào)碼的數(shù)據(jù)值，83路故障在故障數(shù)組中的初始值均為“126(十六進(jìn)制為0x7e)”，當(dāng)有故障時(shí)，將故障數(shù)組中對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置為故障號(hào)碼，83路故障數(shù)組對(duì)應(yīng)的故障號(hào)碼為33～115(十六進(jìn)制為0x21～0x73)，比如：當(dāng)?shù)?路有故障時(shí)，gz(1)對(duì)應(yīng)值為33；當(dāng)?shù)?3路有故障時(shí)，gz(83)對(duì)應(yīng)值為115。這樣每一路故障都有自己的故障號(hào)碼，程序讀起來更清楚，如果有數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)位，也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)程序檢測到故障點(diǎn)按鈕背景顏色發(fā)生變化時(shí)，便會(huì)對(duì)“temp”數(shù)組變量進(jìn)行更改，temp用文本框顯示，本系統(tǒng)軟件運(yùn)用了InStr函數(shù)和Mid函數(shù)。InStr函數(shù)能在一長串字符string1中找到某一短串字符string2的首字符位置；Mid函數(shù)能夠在string字符串中截取一段固定長的字符串。這樣在當(dāng)有故障點(diǎn)被取消選中，可以使用InStr函數(shù)找到故障號(hào)在temp字符串中的位置，并記為p，然后用Mid語句將temp的1～(p-1)位置的字符和(p+3)之后的字符組合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障號(hào)的刪除。

故障診斷系統(tǒng)軟件界面如圖3所示，該界面充分考慮用戶的使用體驗(yàn)，盡量達(dá)到人性化設(shè)計(jì)。

圖3 故障診斷系統(tǒng)軟件界面圖

2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)主要分為3個(gè)部分，下位機(jī)主機(jī)、4個(gè)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)(電子繼電器)的從機(jī)、4個(gè)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集(電子繼電器接點(diǎn)狀態(tài))的從機(jī)。下位機(jī)主機(jī)負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通信，從上位機(jī)接收通過串口發(fā)送過來的故障數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將故障數(shù)據(jù)推送給對(duì)應(yīng)的電子繼電器，同時(shí)將采集回來的繼電器狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)；4個(gè)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)的從機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電子繼電器，每個(gè)從機(jī)可驅(qū)動(dòng)24個(gè)繼電器，接收到上位機(jī)軟件通過串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后將相應(yīng)的數(shù)據(jù)推送到P口，控制電子繼電器的通斷；4個(gè)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的從機(jī)采集繼電器接點(diǎn)的狀態(tài)，上電后電子繼電器全為打落狀態(tài)，當(dāng)繼電器吸起后電路斷開，模擬故障的產(chǎn)生，同時(shí)指示繼電器得電吸起的LED亮燈，采集LED前端電壓傳回單片機(jī)進(jìn)行顯示。

本系統(tǒng)采用STC89C52RC型號(hào)的單片機(jī)來完成數(shù)據(jù)接收與繼電器驅(qū)動(dòng)工作，采用C語言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，在接收故障點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，采用主機(jī)接收然后分配至各個(gè)從機(jī)的方式。從VB傳過來的數(shù)據(jù)并不是直觀的故障號(hào)碼，而是故障號(hào)碼加32。當(dāng)下位機(jī)接收到上位機(jī)傳輸過來的83路故障點(diǎn)的數(shù)組時(shí)，先對(duì)數(shù)組進(jìn)行處理，每個(gè)數(shù)值減去32(十六進(jìn)制中即為減去0x20)變成“易讀”的故障點(diǎn)后再進(jìn)行相應(yīng)的執(zhí)行操作。由上位機(jī)發(fā)送過來的故障信號(hào)也可直接發(fā)送至分機(jī)進(jìn)行故障處理，即將串口通信的TXD，RXD，GND接到每一個(gè)驅(qū)動(dòng)從機(jī)上，對(duì)故障信號(hào)共同處理，同時(shí)執(zhí)行，這樣則更加快捷。故障信號(hào)由單片機(jī)P口輸出，信號(hào)電流經(jīng)過達(dá)林頓放大后輸出至電子繼電器線圈。在單片機(jī)與電子繼電器之間還設(shè)計(jì)了光電耦合電路，防止單片機(jī)損毀[3]。

3 通信模塊設(shè)計(jì)

上位機(jī)與單片機(jī)之間的通信是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。本設(shè)備采用RS232串口進(jìn)行通信，該通信方式比較簡單，用戶可以根據(jù)編程對(duì)通信口進(jìn)行操作(以便將來改進(jìn))，通信協(xié)議由用戶程序控制。單片機(jī)采用TTL邏輯電平，RS232使用EIA-RS232C邏輯電平，而兩種高低電平的邏輯狀態(tài)規(guī)定正好相反，要想將計(jì)算機(jī)和單片機(jī)連接，必須用MAX232芯片在電路中進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換[4]。PC機(jī)與單片機(jī)之間點(diǎn)的連接關(guān)系如圖4所示。將MAX232芯片焊接在電路板前端，信號(hào)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后傳送給單片機(jī)，主要用到TXD，RXD和GND串口。

圖4 PC機(jī)與單片機(jī)之間點(diǎn)的連接關(guān)系

上位機(jī)和單片機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，首先分別對(duì)各自的串口進(jìn)行初始化，確定串口工作方式，設(shè)定波特率(兩者應(yīng)一致)、傳輸數(shù)據(jù)長度等，然后才開始數(shù)據(jù)傳輸。兩者之間的通信，采用VB軟件中的MSComm控件實(shí)現(xiàn)。VB提供了兩種處理通信問題的解決方式：事件驅(qū)動(dòng)方式和查詢方式[5]。本設(shè)計(jì)主要使用事件驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)用戶有響應(yīng)、觸發(fā)一個(gè)事件時(shí)，MSComm控件上的OnComm事件會(huì)捕獲這些變化并進(jìn)入相應(yīng)的事件處理函數(shù)，執(zhí)行某些代碼。觸發(fā)OnComm事件可以是接收緩沖區(qū)收到的字符，也可以是CD或RTS線上發(fā)生的電平變化。

串口通信一次只能傳輸一個(gè)字節(jié)，而本設(shè)計(jì)需要傳輸?shù)臄?shù)組由長度為2個(gè)字節(jié)的85個(gè)數(shù)組成，為了使傳輸更穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)誤傳，于是編寫了一個(gè)send函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了雙字節(jié)數(shù)據(jù)一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)的傳輸。為了使上位機(jī)接收的數(shù)據(jù)值依然顯示為對(duì)應(yīng)的故障號(hào)，規(guī)定接收到兩位數(shù)時(shí)進(jìn)行一次輸出，故障號(hào)碼均設(shè)為兩位數(shù)(01到83)。這樣即可顯示出正確的故障號(hào)碼，而且下位機(jī)發(fā)送的可變值更少，占用的信息資源更少。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)的新型軌道電路故障診斷系統(tǒng)，是在既有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，增加了新型故障點(diǎn)，并通過在電路中特定位置加入電子繼電器的方式實(shí)現(xiàn)故障模擬與修復(fù)的自動(dòng)化，即通過繼電器實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)斷開或閉合。實(shí)驗(yàn)表明，該故障診斷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)ZPW-2000軌道電路故障模擬的集中控制和集中顯示，相較于以往的人工設(shè)置故障的方式不僅更加快捷，能極大地提高故障設(shè)置以及檢測修復(fù)的效率，而且能實(shí)現(xiàn)故障設(shè)置和故障檢測的分離，使用戶不受故障設(shè)置者的影響，判斷免受干擾；同時(shí)，故障設(shè)置成功后在上位機(jī)給出表示，可以讓用戶更快地掌握電路故障點(diǎn)的定位及修復(fù)方法。