地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖的設(shè)計(jì)及運(yùn)用

摘 要：傳統(tǒng)地鐵車輛檢修車間的電器柜門鎖大多存在安全隱患，為增加電氣柜門可控性，該研究設(shè)計(jì)一款電器柜門電控鎖，通過分析電控鎖的安全、集成度以及功能需求，根據(jù)電控鎖結(jié)構(gòu)，從電子鑰匙、鎖體層面展開電控鎖的設(shè)計(jì)，并通過模擬應(yīng)用驗(yàn)證該電控鎖的效果，模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，該研究所設(shè)計(jì)的地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖可達(dá)到預(yù)設(shè)功能，提升了電氣柜門開啟可控性。

關(guān)鍵詞：電氣柜門 地鐵車輛 檢修車間 電控鎖 設(shè)計(jì) 模擬試驗(yàn)

傳統(tǒng)電氣柜門鎖存在安全隱患，如易被破壞、開啟時(shí)長(zhǎng)不可控等問題，給檢修作業(yè)帶來了潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)一種地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖，消除潛在安全隱患，確保電氣柜門的安全可控開啟，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖的需求分析

此次從安全性、功能以及集成度三方面闡述檢修車間電氣柜門電控鎖的需求。首先，安全性需求。維修作業(yè)安全至關(guān)重要。要求各電器柜門均配電控鎖，且一把電控鎖僅對(duì)應(yīng)一把電子鑰匙。這是為防止維修時(shí)斷電且柜門開啟狀態(tài)下誤送電，避免同時(shí)操作多柜門形成安全隱患。只有申請(qǐng)獲批后，才有權(quán)限開啟柜門[1]。其次，功能性需求。電控鎖在檢修車間主要用于控制電氣柜門開閉。電子鑰匙能捕捉和記錄電控鎖啟閉時(shí)間及時(shí)長(zhǎng)?？紤]到實(shí)際使用，電控鎖通常采用AC220V電源供電，并配備DC3V電源適配器。再次，集成度需求。因電控鎖安裝空間有限（一般不超過500cm3），設(shè)計(jì)制造時(shí)需盡可能提高電路板集成度，以在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，同時(shí)保證設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性。

2 地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖的設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

依照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地鐵運(yùn)營(yíng)安全管理要求，在打造電子控制鎖時(shí)需恪守以下準(zhǔn)則。（1）電子控制鎖須具備簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于在地鐵車輛的維修站點(diǎn)及電氣控制柜中便捷安裝與應(yīng)用。（2）電子控制鎖需確保安全性與可靠性，故障率低?？紤]到電子控制鎖直接關(guān)系到安全，如果發(fā)生系統(tǒng)故障，會(huì)直接無法關(guān)或開電氣柜門，還會(huì)由于人員操作失誤可能引發(fā)人員觸電等一系列安全事故。（3）電子控制鎖應(yīng)具備良好的操作性，便于人員操作使用。（4）在選用電子元件時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮通用型元件，確保技術(shù)成熟、成本經(jīng)濟(jì)、性能穩(wěn)定，并能保證長(zhǎng)期穩(wěn)定的供應(yīng)鏈。

2.2 總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

電氣柜門電控鎖主要包括鎖具部分與電子密鑰兩大部分。鎖具部分由電子鎖定裝置及控制電路板構(gòu)成，而電子密鑰的核心是STM8S003微控制器[2]。電控鎖總體架構(gòu)及其與PC機(jī)接口如圖1所示。觀察圖1可以看出，利用“USART→RS232轉(zhuǎn)換模塊”，個(gè)人電腦可與電子密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，傳輸允許開鎖的時(shí)間和開鎖持續(xù)時(shí)間至密鑰，密鑰隨即自動(dòng)刷新內(nèi)部參數(shù)。

2.3 鎖體設(shè)計(jì)

鎖體由電磁鎖和鎖體電路板2部分組成，其中電磁鎖受控于鎖控電路板。該電路板的核心職責(zé)是管理電磁鎖的運(yùn)作，并通過電子鑰匙實(shí)現(xiàn)UAART通訊。在鎖控電路板內(nèi)部，集成了STM8S003微控制器，該控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的開鎖時(shí)間及持續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)，對(duì)電磁鎖的啟用時(shí)間段及市場(chǎng)適應(yīng)性進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定[3]，并自動(dòng)執(zhí)行對(duì)電磁鎖的斷電與通電操作。

2.3.1 硬件電路

圖2為鎖體電路板的硬件電路。元件U1是STM8S003控制器微型圖。在此，Y1標(biāo)識(shí)振蕩器，其功能是向控制器提供時(shí)鐘脈沖；C1、C2作為22皮法拉的電容器，參與啟動(dòng)振蕩器。元件U1第6腳VDD承擔(dān)為控制器提供正電源的作用；而元件U1第4腳GND則接入負(fù)電源。元件U1第11腳與第12腳負(fù)責(zé)I2C總線的數(shù)據(jù)交互。元件U1第31腳對(duì)應(yīng)USART1_RX接口，即控制器接收串行數(shù)據(jù)的端口，負(fù)責(zé)接收源于電子鑰匙的定時(shí)信息，并依據(jù)這些信息來操控電磁鎖的電源狀態(tài)。由于鎖體電路板在硬件層面僅需讀取電子鑰匙的定時(shí)數(shù)據(jù)而不需回傳，因此僅利用了USART1_RX這一接收引腳。

元件PCF8563屬于時(shí)鐘模塊，通過I2C總線與STM8S003微控制器實(shí)現(xiàn)通信功能，同時(shí)向STM8S003傳輸日期和時(shí)間信息。而BT2型號(hào)的紐扣電池，在主電源失效時(shí)為PCF8563模塊提供備用電源。Y2標(biāo)識(shí)的晶振元件為PCF8563產(chǎn)生必需的時(shí)鐘脈沖。R11與R12兩電阻擔(dān)任上拉電阻的功能，確保PCF8563的I/O引腳電平得以提升。

觀察圖2可以看出，P1連接器用于下載程序代碼，P2連接器為USART通信連接器，P3連接器用于外部電源向內(nèi)部器件供電，P4連接器用于控制電磁鎖開啟和關(guān)閉。電控鎖中，RL1屬于繼電器模塊，該模塊通過常開觸點(diǎn)管控電磁鎖電源。發(fā)揮續(xù)流功能的D3則屬于二極管，Q1屬于三極管，其作用是對(duì)PD7引腳信號(hào)進(jìn)行無限放大。

2.3.2 電控鎖程序

鎖體電路板STM8S003芯片嵌入自主開發(fā)的程序。通過USART串口接收1幀數(shù)據(jù)后并解析，通過解析數(shù)據(jù)中的標(biāo)志字節(jié)，判斷該幀數(shù)據(jù)是串口調(diào)試助手軟件發(fā)送來的數(shù)據(jù)還是電子鑰匙發(fā)送來的數(shù)據(jù)。

若數(shù)據(jù)源自串口調(diào)試工具，該數(shù)據(jù)即為校準(zhǔn)用的時(shí)鐘信息[4]。此時(shí)，STM8S003微控制器需要借助I2C通信接口將校準(zhǔn)時(shí)鐘信息輸出給PCF8563芯片，當(dāng)在PCF8563設(shè)定好相關(guān)的時(shí)鐘以及初始日期等數(shù)據(jù)內(nèi)容時(shí)，通過I2C總線，STM8S003可獲得PCF8563發(fā)送過來的時(shí)鐘時(shí)間數(shù)據(jù)。而在通過電子鑰匙鎖進(jìn)行數(shù)據(jù)交換過程中，數(shù)據(jù)內(nèi)容大多是電磁鎖預(yù)設(shè)的開門和關(guān)門時(shí)間以及相關(guān)數(shù)據(jù)的規(guī)定。因此，STM8S003會(huì)根據(jù)時(shí)鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的反應(yīng)，以此進(jìn)行精細(xì)地控制電磁鎖的狀態(tài)進(jìn)行打開或者關(guān)閉。

2.4 電子鑰匙設(shè)計(jì)

電子鑰匙由通信板和外殼組成，其中，外殼的作用在于加強(qiáng)電子鑰匙的防護(hù)性能，以防止電子鑰匙受到電磁干擾；而電子鑰匙的通信板的作用在于與外部進(jìn)行信息的傳遞或者與串口調(diào)試設(shè)備進(jìn)行信息的傳遞。從根本上說，電子鑰匙核心功能包括實(shí)現(xiàn)與個(gè)人計(jì)算機(jī)的USART通訊，便于計(jì)算機(jī)對(duì)電子鑰匙的解鎖時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行更新；與鎖具電路進(jìn)行USART通訊，確保電子鑰匙能夠同步更新鎖具電路中的解鎖時(shí)間信息[5]。

2.4.1 通信板設(shè)計(jì)

首先，硬件電路。電控鎖中，通信板是以STM8S003為核心的集成電路板，其核心任務(wù)包括：（1）與鎖體電路板上芯片建立串行通訊。一般串行接口有較多特性，根據(jù)串行接口的特性與模式?jīng)Q定串行通訊模式。（2）通過USART與RS232模塊實(shí)現(xiàn)和RS232的通信目標(biāo)，并接收來自串行調(diào)試系統(tǒng)傳送的開啟時(shí)間和持續(xù)時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)信息。根據(jù)PC機(jī)串行調(diào)試系統(tǒng)傳送來的可開啟的時(shí)間和持續(xù)時(shí)間指令信息，在STM8003芯片內(nèi)部智能存儲(chǔ)鑰匙數(shù)據(jù)，并更新啟動(dòng)時(shí)間和持續(xù)時(shí)間等信息后，通過USART電路將更新的信息傳送至鎖體電路板上的STM8003芯片。

STM8S003芯片的主要參數(shù)如下：8位微控制器；封裝為L(zhǎng)QFP-32；核心為STM8；數(shù)據(jù)總線寬度8位；最大時(shí)鐘頻率16MHz；程序存儲(chǔ)器類型為Flash，存儲(chǔ)器大小為8000字節(jié)；數(shù)據(jù)RAM大小為1000字節(jié)；ADC分辨率為10位；輸入/輸出端21個(gè)；工作電源電壓范圍為2.95V～5.5V；最低工作溫度為－40℃，最高工作溫度為+85℃；接口類型有I2C，SPI和USART；ADC通道4 個(gè)；計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器7個(gè)。

通信板的供電電源為3v紐扣電池，圖3給出了該板子的硬件電路。從圖中可以看出，元件c11和c12均為瓷片電容，分別為22pf電容，其作用是起晶振的作用。作為無源晶振的元件Y10功能在于，實(shí)時(shí)運(yùn)行元件Y10所提供時(shí)鐘數(shù)據(jù)。此外，Y10的一段連接芯片中的OSCIN引腳，而另外一段主要連接芯片中的OSCOUT引腳。

元件U2采用STM8S003核心部件，其6引腳、4引腳承擔(dān)著為芯片供電的角色，分別對(duì)接至3V電源的正負(fù)極，確保STM8S003的能源需求得到滿足。30引腳與31引腳負(fù)責(zé)USART1的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收功能。26引腳設(shè)為編程接口SWIM，主要作用是導(dǎo)入STM8S003的程序代碼。1引腳則設(shè)定為NRST復(fù)位端，用以重啟芯片程序。C13是一個(gè)陶瓷電容器，具有2.2uF的電容量。

元件P2作為編程接口的連接器，其2引腳與U2的1引腳相連，3引腳則與U2的26引腳接通。3V電源的正負(fù)極接點(diǎn)和U2中的26引腳、1引腳形成芯片的下載電路。檢測(cè)指示電源狀態(tài)屬于發(fā)光二極管D11的功能。復(fù)位按鍵的S1功能在于手動(dòng)復(fù)位芯片程序。此外，C14和C7均作為濾波電容器使用，各自擁有100nF的電容量。

2.4.2 程序設(shè)定

其次，程序。對(duì)STM8S003控制單元的USART功能進(jìn)行設(shè)定，包括基本通信設(shè)定如數(shù)據(jù)位長(zhǎng)、校驗(yàn)類型以及停止位等。該單元通過USART接收源于計(jì)算機(jī)周期性傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)涉及柜門開鎖的允許時(shí)長(zhǎng)調(diào)整。隨后，STM8S003控制器會(huì)周期性地通過USART連口，把更新后的柜門啟用時(shí)長(zhǎng)信息傳遞至控制鎖體的另一塊STM8S003控制板。

3 地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖的模擬應(yīng)用

針對(duì)電控鎖綜合架構(gòu)，與電子鑰匙通信板、鎖體電路板設(shè)計(jì)原理密切結(jié)合，借助電磁鎖、電源模塊、集成電路板以及面包板等模塊，創(chuàng)設(shè)簡(jiǎn)易電路，芯片的集成電路功能在于模擬鎖體電路，該電路板集成了繼電器電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鎖的仿真功能。另一個(gè)電路板實(shí)現(xiàn)電子鑰匙的電路仿真，并將電子鑰匙的編程程序編入2個(gè)芯片里。電控鎖模擬實(shí)驗(yàn)，接入電子鑰匙模擬電路與電腦，在電腦端的串口調(diào)試軟件里配置好電氣柜的開門/關(guān)門時(shí)間與延時(shí)時(shí)間后，點(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕即可。此外，連接鎖體對(duì)電路、電子鑰匙中的電路進(jìn)行模擬，此時(shí)的鎖體模擬電路能根據(jù)所規(guī)定開啟時(shí)間、時(shí)長(zhǎng)等信息，驅(qū)動(dòng)繼電器完成相關(guān)操作，如果超出所規(guī)定開啟市場(chǎng)，那么鎖體模擬電路就會(huì)向繼電器發(fā)送信號(hào)，并釋放線圈。通過該模擬應(yīng)用結(jié)果顯示，此次所設(shè)計(jì)電控鎖方案達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)，具有良好的應(yīng)用效果。

在實(shí)際應(yīng)用中，地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖的應(yīng)用效果得到了充分驗(yàn)證。例如，在某地鐵車輛段的安全聯(lián)鎖控制設(shè)備升級(jí)整改中，電控鎖被廣泛應(yīng)用于各檢修位的高壓隔離開關(guān)、接地、驗(yàn)電等設(shè)備的門禁系統(tǒng)中。通過電控鎖的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各檢修位的安全聯(lián)鎖和自動(dòng)控制，有效防護(hù)了作業(yè)人員的人身安全和相關(guān)地鐵設(shè)備的安全，并提高了檢修效率。此外，在故障排查與維護(hù)方面，電控鎖也發(fā)揮了重要作用，幫助管理人員快速定位并修復(fù)了多起電氣柜門故障。

4 結(jié)語

地鐵車輛檢修車間電氣柜門電控鎖設(shè)計(jì)運(yùn)用對(duì)提升檢修作業(yè)安全與效率意義重大。其因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約、體積緊湊、成本效益佳，且穩(wěn)定性與自動(dòng)化水平高而受青睞，可有效避免維修區(qū)人員誤操，保障人身安全。建議后續(xù)對(duì)電子鎖定裝置深化設(shè)計(jì)優(yōu)化、實(shí)證測(cè)試及實(shí)際應(yīng)用，推動(dòng)其在地鐵領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

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