基于半实物仿真的上海轨道交通门控单元测试平台开发

仇佳捷张 峰宁 庆王建兵

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，200240，上海；2.上海申通地铁集团有限公司维护保障中心，200070，上海∥第一作者，硕士研究生）

基于半实物仿真的上海轨道交通门控单元测试平台开发

仇佳捷1张 峰1宁 庆1王建兵2

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，200240，上海；2.上海申通地铁集团有限公司维护保障中心，200070，上海∥第一作者，硕士研究生）

门控单元是地铁车门系统中的主控部件，其运行状况与地铁运营安全密切相关。对门控单元的检测是地铁检修中不可缺少的部分。针对一款应用于上海轨道交通的常用门控单元，采用半实物仿真技术与虚拟仪器技术相结合的方法，开发了门控单元测试平台，实现了门控单元的离线检测。该检测平台提供了丰富的操作信息和故障指示，可准确检测出门控单元的故障，提高了检测维护的效率。

城市轨道交通车辆；门控单元；检测平台；半实物仿真

First-author's address School of Electronic，Information& Electrical Eng.，Shanghai Jiao Tong Univ.，200240，Shanghai，China

目前，国内对于地铁门控系统的研究较少，对地铁门控系统的检测则主要依靠国外厂商，因此开发一款针对现行系统的检测设备对地铁门控单元的维修和维护很有意义。iFE公司生产的PMC 20-110R门控单元（Exterior of Door Control Unit，简为EDCU）已配置在上海轨道交通3号线与5号线上。本文介绍了该门控单元检测平台的开发情况。

1 门控系统

地铁列车一节车厢一般装有8或10套门，两侧对称分布。每套门由一个门控单元控制，并包含门位置传感器、限位开关、电磁阀、制动器及驱动器、电机等相关机构。

PMC 20-110R EDCU为整个车门系统的主控单元。EDCU以微处理器为中心，通过RS 485，RS 232等通信接口与列车主控设备及其他设备通信，并接收列车控制信号（如开门控制信号、关门控制信号、零速控制信号），以及门驱动机构元件发出的信号（如限位开关、紧急开关等），通过内置电机驱动电路来驱动电机，完成对门的开启和关闭。

门控单元是一个典型的嵌入式系统，包含电源模块、处理器、存储器、总线、通信接口、保护电路，以及负责对外输入输出的接口电路。其系统框图如图1所示。门控单元接口电路共对外提供一路电源输入接口、2种通信接口、3种数据接口，以及一路电机驱动接口。接口技术标准如表1所示。门控单元接受各个外部传感器的信号，并根据通信端口的控制信号进行相应的动作，如控制电机来驱动车门开合，或者给出相应的故障报警声光指示。

2 综合检测技术基础

2.1 半实物仿真技术

表1 EDCU端口技术指标

半实物仿真又称为硬件在回路中仿真（Hardware in the Loop Simulation，简为HILS）［1］。这种仿真试验将对象实体的动态特性通过建立数学模型、编程，在计算机上运行，并在条件允许的情况下尽可能在仿真系统中接入实物，用来构建更接近实际情况的相应物理环境，以取代相应部分的数学模型，从而取得更确切的信息。典型的半实物仿真系统如图2所示。其中，仿真计算机系统包括计算机硬件、系统数学模型及仿真程序、数据等；接口部分包括模拟量接口、数字量接口、实时数字通信系统等；仿真设备用以模拟各种物理效应，使被测实物可以在仿真的环境下工作；参试部件可以是传感器、控制器、执行机构等。本次参试部件（即待测设备）是复杂电系统设备。

2.2 虚拟仪器技术

所谓虚拟仪器（Virtual Instrument，简为VI），就是以通用计算机为核心、由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。VI由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，利用PC（个人电脑）显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，并利用PC强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，从而完成各种测试功能。本测试台采用美国NI公司的Lab VIEW。

图2 半实物仿真系统图

3 测试平台设计

被测的EDCU是一个带有微处理器的智能控制单元，接口种类多样，运行机制与工作方式较为复杂且是未知的，所以，测试平台的软硬件均采用模块化设计。针对EDCU各个端口的功能及输入输出特点对平台进行分模块设计和测试，最终进行所有模块的整合和调试工作。

3.1 测试平台硬件设计

测试平台的硬件设计采用半实物仿真。为了给EDCU提供一个更加接近实际运行状态的测试环境，在考虑测试的可控性的前提下，测试平台硬件设计时，EDCU尽可能多地接入真实模块或是特性接近真实元件的模拟模块。

采用基于工业计算机的测试平台架构。这种测试平台将处理器、储存器、总线以及部分面向内部的接口集成在带有数据采集设备的工业计算机中。测试平台主要分为测试主控和外围电路两部分，其整体系统框图如图3所示。

图3 EDCU检测平台系统框图

对EDCU测试运行方式进一步分析后，针对EDCU 6种不同的端口特性（见表1）进行相应的硬件设计。其中，门位置传感器供电（DC 12 V）无需独立测试，可以通过2路负开关量信号的测试得出结果。

适用于EDCU检测的硬件平台设计如下：

（1）110 V数字量输入信号14路，包括零速车辆控制信号、开门控制信号、关门控制信号、紧急装置控制信号等；测试端口配合电路设计方案为通过测试平台发出信号控制光耦和继电器等控制器件，以选择性地切换导通输入到EDCU相应端口的信号，达到测试所需要的运行条件。

（2）负开关量信号（12 V门位置反馈信号）2路，其端口设计与上述端口硬件一样，只是测试时的指令操作不同。

（3）110 V数字量输出信号8路，包括报警信号、蜂鸣器信号等。

（4）电机控制信号，从1个端口输出，指令不同时输出48 V/2 A、48 V/8 A、24 V/3 A三种不同的电压等级与功率，负责带动电机在不同速度下运转，并完成正反转功能。

（5）通信接口，包括RS 232和RS 485，用来传送指令以及接收EDCU响应信息，直接采用工业计算机上的相关接口。

以上（3）、（4）两种端口在检测流程中都涉及电流检测，所以采用模拟负载的形式。根据不同测试情况，工业计算机控制继电器来切换不同负载，以模拟EDCU的相应工作环境；通过霍尔传感器检测负载的电流［2］，并与标准运行电流进行比较，判定相关功能是否完好。模拟负载电流检测电路如图4所示。

图4 模拟负载电流检测电路

3.2 测试系统软件设计

测试平台软件设计采用配合NI数据采集卡的Lab VIEW。Lab VIEW是一种基于图形化的编程语言，通常用于测试测量、控制、仿真、数据分析、结果显示等。与传统的编程语言相比，其大大提高了测量系统的软件开发效率，图形用户界面操作直观、简便，为本测试平台的开发提供了良好的软件支持。

测试平台软件各功能明确、统一性强，整体通过不同方式调用功能模块来实现检测任务，因此，采用生产者-消费者模式架构设计［3］可大大简化开发的难度，缩短开发周期。软件主体分为生产者和消费者两个部分。生产者部分通过人机界面接收操作指令，并将指令传递给消费者部分，使其调用相关的功能模块。生产者部分在接收操作指令的同时产生消费者部分需要的相关参数和变量，并与操作指令一同传给消费者部分。其流程图如图5所示。

图5 软件流程图

消费者部分的测试子程序开发采用模块化思想，将测试程序按照其测试特点划分为多个模块。为了与整个系统测试框架相适应，本测试平台软件按照系统功能划分为五个模块。软件系统架构图如图6所示。

图6 软件模块架构图

（1）RS 232模块：通过软件调用计算机系统RS 232资源，通过计算机给待检测的EDCU发出相应的控制信号及相关数据，并接收EDCU返回的信号及数据。

（2）控制模块：通过软件控制数据采集卡的输出端口，来控制检测平台硬件的相应部分，为EDCU检测提供相应的外部坏境，包括切换合适的负载，以及给出相应的模拟实际信号输入状况。

（3）端口测试模块：通过软件检测数据采集卡相应端口是否接收到经过检测平台硬件电路处理后的EDCU信号输出。

（4）电流测试模块：通过软件与数据采集卡模拟量输入端口配合，辅之以检测平台相应的硬件电路实时采集外部电流信号，画出电流波形及记录相关数据。

（5）通信模块：通过软件调配计算机相关资源，实现通信信号的发送及接收与EDCU同步。

所有的测试子程序都可以通过以上模块功能的配合来实现。如电机控制测试，需要进行无负载情况下输出测试和有负载情况下输出电流匹配测试，可通过RS 232模块发送指令，控制模块切换测试环境，端口测试模块与电流测试模块分别负责两个测试分项的检测工作。

整个测试软件采用LabVIEW中的子VI技术。首先，根据每一个测试模块的具体要求编写相应的测试子VI程序，并配合硬件平台进行单个模块调试；然后，各个功能模块的子VI程序通过一定的时序及逻辑约束集成在整体框架下进行整体调试集成，完成整个测试平台软件的开发工作。

4 测试与结果分析

采用本测试平台对EDCU运行检测程序，选择对应的项目进行检测。图7所示为输入端口测试的界面。其左侧一列为整个平台所包含的测试功能，包括自动测试、烧写程序、存储器测试、输入输出测试、电机测试、信号灯测试及控制按钮测试等；右侧为选定项目测试界面，包含相应测试细分条目及各条的测试数据。根据所测条目，这些测试数据包含数值显示、开关量显示、指令回馈及波形显示，并依据各项指标综合给出故障指示。

在对上海轨道交通5号线门控单元的实际测试中，本测试平台均能准确检测出故障类型，定位故障部位，且与实际故障表现一致。依据本平台测试过程中给出的测试信息及出具的综合故障报告，维保人员可方便地进行故障上报、维修保养等工作。

图7 EDCU输入端口测试界面

5 结语

本测试平台采用基于半实物仿真技术及虚拟仪器的检测技术，其软硬件的开发均采用面向对象需求的模块化设计。测试平台在硬件上设置了简单的接口，软件上提供了友好的人机界面以及丰富的提示信息，可以准确检测出EDCU的故障，并对相应故障部位进行定位，为实际检测应用及相关工程人员培训提供了良好的平台支持。

［1］ 单家元，孟秀云，丁艳.半实物仿真［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［2］ 仇佳捷，包涌金，张峰，等.基于半实物仿真技术的复杂电系统设备检测平台的硬件设计［J］.电测与仪表，2012，49（4）：92.

［3］ 戴焯.传感器原理与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2010.

［4］ 阮奇桢.我和Lab VIEW-一个NI工程师的十年编程经验［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.

［5］ 何善福.上海地铁车辆门控单元检测试验台研制［D］.上海：上海交通大学，2011.

［6］ 陶艳红，余成波.传感器与现代检测技术［M］.北京：清华大学出版社，2009.

［7］ Brendecke Thomas，Kucukay Ferit.Virtual real-time environment for automatic transmission control units in the form of hardware-in-the-loop［J］.International Journal of Vehicle Autonomous Systems，2002（28）：171.

［8］ 秦英孝.可靠性·维修性·保障性概论［M］.北京：国防工业出版社，2002.

［9］ 邢震，陈鞍龙，杜晓红，等.上海地铁主控制系统半实物仿真与测试研究［J］.计算机仿真，2007，24（2）：207.

Detecting Platform Development for Shanghai URT Door Control Unit Based on HILS

Qiu Jiajie，Zhang Feng，Ning Qing，Wang Jianbing

Door control unit（DCU）is the key control device in metro door control system，which has a close relationship with metro safe operation，and the door control unitdetection is essential to maintain the metro system.In this paper，the development of a detecting platform for common door control unit adopted in Shanghai metro is introduced，which is based on HILStechnology and the virtual instrument technology，and is able to finish the task of offline detecting for door control unit.This platform provides a plentiful indications of operation and malfunctions，and could improve the efficiency of inspection and maintenance.

urban rail transit train；door control unit；detecting platform；hardware-in-loop simulation（HILS）

U 270.38+6：U 231

2012-04-28）