電力機(jī)車邏輯控制單元測(cè)試臺(tái)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言
    電力機(jī)車邏輯控制單元(Logic Control Unit——LCU)是電力機(jī)車上重要的控制部分，它使用現(xiàn)代化的電子元件來取代原來電力機(jī)車上的有觸點(diǎn)繼電器，從而提高了電力機(jī)車控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。目前，我國(guó)生產(chǎn)的新型電力機(jī)車上都裝置了LCU，而老型電力機(jī)車經(jīng)過大修后，也都加裝了該裝置。但是，由于電力機(jī)車的運(yùn)行環(huán)境通常十分惡劣，在機(jī)車邏輯控制單元使用一段時(shí)間后，可能會(huì)導(dǎo)致LCU故障的發(fā)生，所以必須定期對(duì)LCU進(jìn)行全面的檢測(cè)。本文主要針對(duì)SS4G型電力機(jī)車LCU測(cè)試臺(tái)的硬件系統(tǒng)提出了一種可行的設(shè)計(jì)方案。

1 LCU測(cè)試臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本文中的LCU測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)采用的是模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)的主要功能模塊由上位機(jī)、通信模塊、數(shù)據(jù)采集及控制模塊、程控電源及監(jiān)控模塊、模擬負(fù)載模塊組成。其LCU測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖l所示。

1．1 上位機(jī)
    上位機(jī)是本測(cè)試臺(tái)的核心部分，主要功能是模仿電力機(jī)車的控制信號(hào)并發(fā)送給LCU，同時(shí)根據(jù)反饋數(shù)據(jù)對(duì)LCU的運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)，以查找錯(cuò)誤，分析原因。另外，上位機(jī)還具有LCU邏輯梯形圖繪制功能；根據(jù)LCU邏輯梯形圖，自動(dòng)或手動(dòng)完成邏輯測(cè)試表的功能；自動(dòng)或手動(dòng)完成LCU測(cè)試功能，并具有測(cè)試報(bào)表打印功能和不斷豐富故障數(shù)據(jù)庫(kù)的功能。本上位機(jī)采用的CPU為賽揚(yáng)1．8 GHz，內(nèi)存512 MB，操作系統(tǒng)為WindowsXP．80 GB硬盤空間。同時(shí)具有良好的操作界面和人機(jī)交互能力，而且圖形界面簡(jiǎn)潔直觀，操作方便簡(jiǎn)單。
1．2 通信模塊
    通信模塊主要負(fù)責(zé)上位機(jī)和其他各功能模塊之間的通信，并在進(jìn)行單機(jī)箱測(cè)試時(shí)模擬另外一個(gè)機(jī)箱來完成聯(lián)機(jī)測(cè)試。本設(shè)計(jì)使用RS485作為上位機(jī)的通信協(xié)議，其它模塊間使用CAN總線進(jìn)行通信。設(shè)計(jì)中，為了防止總線干擾信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)，影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)和CAN總線之間進(jìn)行了數(shù)據(jù)隔離。其通信模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1．3 數(shù)據(jù)采集及控制模塊
    數(shù)據(jù)采集及控制模塊的主要功能是將通信模塊發(fā)過來的邏輯控制命令(5 V)轉(zhuǎn)換成LCU所能接收的邏輯控制命令(110 V)，并對(duì)LCU輸出信號(hào)進(jìn)行采集并發(fā)回上位機(jī)，以供上位機(jī)檢測(cè)。數(shù)據(jù)采集及控制模塊共由8塊一模一樣的電路板組成，這些電路板與被測(cè)SS4G型電力機(jī)車的LCU一一對(duì)應(yīng)。
    數(shù)據(jù)采集及控制模塊的具體工作原理是：上位機(jī)通過通信模塊的CAN總線向本模塊發(fā)送相關(guān)控制命令，然后單片機(jī)根據(jù)命令來控制24路光電開關(guān)的接通或關(guān)閉。為L(zhǎng)CU板提供24路輸入邏輯控制信號(hào)(高電平為70～135 VDC，低電平為O V)。為了確保24路邏輯控制信號(hào)的正確，本設(shè)計(jì)使用24路光電反饋電路將其轉(zhuǎn)化成TTL電平信號(hào)，再送回單片機(jī)進(jìn)行判斷。每塊LCU控制板的輸出有14路高輸出和4路低輸出，所以，對(duì)其輸出信號(hào)的采集也分為14路高輸出采集和4路低輸出采集，它們共用一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器，并采用分時(shí)復(fù)用的方式來對(duì)各個(gè)輸出進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。另外，在對(duì)LCU的高輸出進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，還需檢測(cè)其在帶載情況下的輸出電壓。
    本設(shè)計(jì)我們同樣采用分時(shí)復(fù)用的方式來對(duì)高輸出進(jìn)行帶載情況測(cè)試。此外，本模塊還具有自檢功能。數(shù)據(jù)采集及控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

1．4 程控電源及監(jiān)控模塊
    程控電源及監(jiān)控模塊主要是為L(zhǎng)CU測(cè)試臺(tái)提供工作電源，并實(shí)時(shí)對(duì)電源進(jìn)行監(jiān)控。本程控電源具有四種不同的輸出電壓(DC70 V、DC75 V、DCll0 V和DCl37 V)，可以測(cè)試LCU在不同電壓下的工作狀況。為了保證測(cè)試臺(tái)設(shè)備和被測(cè)LCU的安全，此模塊中設(shè)計(jì)有過流過壓報(bào)警及保護(hù)功能。當(dāng)工控機(jī)通過通信模塊的CAN總線向程控電源及監(jiān)控模塊發(fā)出調(diào)壓命令時(shí)，可由單片機(jī)控制程控電源進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)。在正常工作狀況，可通過霍爾傳感器對(duì)輸出電壓電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，以監(jiān)視電源的工作狀況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)電壓或電流不正常時(shí)，可延時(shí)100～500μs(防止電流毛刺)再對(duì)電壓電流進(jìn)行檢測(cè)，若仍不正常，則立刻關(guān)閉固態(tài)繼電器，同時(shí)向上位機(jī)發(fā)送電源異常數(shù)據(jù)。圖4所示是程控電源及監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)圖。

1．5 模擬負(fù)載模塊
    在對(duì)LCU進(jìn)行測(cè)試時(shí)，還需要測(cè)試其高輸出在帶負(fù)載情況下的工作狀況，所以，本設(shè)計(jì)還給出了模擬負(fù)載單元，以模仿電力機(jī)車上的負(fù)載。每塊LCU控制板對(duì)應(yīng)一組可選負(fù)載(共需8組)，每組負(fù)載有4種可選阻值(根據(jù)SS4G電力機(jī)車實(shí)際情況選330歐、220歐、110歐和55歐)；另外還需具有負(fù)載自檢功能，應(yīng)可判定負(fù)載電阻是否短路、斷路或阻值異常等情況。其工作原理是在正常工作時(shí)，由單片機(jī)通過4路光電開關(guān)對(duì)電阻阻值進(jìn)行選擇，以作為L(zhǎng)CU高輸出的負(fù)載。負(fù)載自檢是通過單片機(jī)選擇要檢測(cè)的電阻阻值，同時(shí)自檢電源的導(dǎo)通開關(guān)打開，以對(duì)要檢測(cè)的電阻進(jìn)行通電，然后對(duì)電阻的電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并反饋給單片機(jī)以供檢測(cè)是否正常。其模擬負(fù)載模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
    本測(cè)試臺(tái)的硬件系統(tǒng)是以富士通公司生產(chǎn)的16位高性能單片機(jī)MB90F543G為核心的嵌入式系統(tǒng)MB90F543G具有兩個(gè)符合V2．0標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線接口，十分方便CAN總線的擴(kuò)展，同時(shí)具有8路8／10bit的A／D轉(zhuǎn)換器和8個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，34個(gè)中斷源，4字節(jié)指令隊(duì)列，可增強(qiáng)指令執(zhí)行速度。
2．1 CAN總線接口電路
    由于MB90F543G單片機(jī)本身具有兩路CAN控制器，因此，只需要增加CAN收發(fā)器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)其擴(kuò)展。本系統(tǒng)采用飛利浦公司生產(chǎn)的PCA82C-250C芯片作為CAN收發(fā)器，該芯片與ISO／DIS 11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，同時(shí)具有傳輸速度高(最高可達(dá)1Mbps)，抗干擾能力強(qiáng)，可支持多達(dá)110個(gè)節(jié)點(diǎn)連接等特點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中，為了保護(hù)CAN收發(fā)器，另外還增加了涌浪保護(hù)芯片NUP2105。本系統(tǒng)中的CAN總線接口電路如圖6所示。

2．2 RS485接口電路
    RS485轉(zhuǎn)換接口位于上位機(jī)與通信模塊之間，主要用于上位機(jī)向其它功能模塊傳輸命令和接收其他模塊的反饋數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)采用6LBCl84芯片作為RS485的收發(fā)器，同樣，設(shè)計(jì)時(shí)也增加了NUP2105涌浪保護(hù)芯片以用于保護(hù)6LBCl84，避免燒毀器件。RS485的接口電路如圖7所示。

2．3 LCU輸入控制和反饋電路
    LCU輸入控制電路用來控制LCU輸入電壓的開斷，即為L(zhǎng)CU提供邏輯輸入信號(hào)。反饋電路則用于取樣LCU輸入邏輯信號(hào)，并將其反饋回單片機(jī)，以驗(yàn)證LCU的輸入邏輯是否符合要求。本系統(tǒng)使用KP4010光電開關(guān)來控制電路的開閉。其電路如圖8所示。

2．4 AD轉(zhuǎn)換電路
    系統(tǒng)選用TLV2556IDW芯片作為AD轉(zhuǎn)換器。TLV2556IDW是TI公司生產(chǎn)的12 Bit的AD轉(zhuǎn)換器，它具有11路模擬電壓輸入通道，可編程輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等優(yōu)點(diǎn)。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和AD轉(zhuǎn)換的精確度，本設(shè)計(jì)同時(shí)采用ADuMl311BRWZ數(shù)據(jù)隔離芯片來在AD轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)隔離。設(shè)計(jì)中，4路LCU低輸出分別使用了4個(gè)模擬輸入端口，而14路LCU高輸出則通過分時(shí)復(fù)用的方式來使用1路模擬輸入端口。其AD轉(zhuǎn)換電路如圖9所示。

3 結(jié)束語
    本文根據(jù)SS4G電力機(jī)車邏輯控制單元的特點(diǎn)，對(duì)LCU測(cè)試臺(tái)硬件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，由于本設(shè)計(jì)方案采用的是模塊化設(shè)計(jì)思想，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。系統(tǒng)中的各子模塊及其功能完全可以滿足現(xiàn)行電力機(jī)車邏輯控制單元的測(cè)試需求。