铁道车辆高/低电平信号智能发生器设计

邓举明 逄顺勇 刘永兴

(青岛地铁集团有限公司运营分公司 山东 青岛 266041)

0 引言

在铁道车辆制造及检修时，需对大量的电气设备进行试验。试验过程中，试验人员需模拟高/低电平信号输入到铁道车辆电气设备中。模拟产生高/低电平信号的传统方法是：试验人员将导线一端与铁道车辆的DC110 V电源正极连接，导线的另一端则作为高/低电平信号端与车辆电气设备信号输入端连接或断开。此方法不仅操作步骤繁琐，且有触电风险。为此，需研制一种铁道车辆高/低电平信号智能发生器替代上述传统试验方法，用于向铁道车辆电气设备模拟输入高/低电平信号[1-2]。

1 铁道车辆高/低电平信号智能发生器的功能要求

依据铁道车辆电气设备检测试验的实际需求，高/低电平信号智能发生器应具备下述功能：

(1)具有较好的绝缘防护及防尘性能；

(2)具有操作简易且安全性高等特征；

(3)具有发出30路高/低电平信号的功能：高电平，DC110 V；低电平，0；

(4)应由上位机和下位机两部分构成，且两者具有双向通信功能；

(5)上位机应具备形象直观的软件界面，使用者通过操作上位机软件，控制下位机发出高/低电平信号；

(6)下位机应服从上位机通信命令，并及时反馈下位机的高/低电平信号发出情况至上位机。

2 高/低电平信号智能发生器设计

2.1 总体设计思路

高/低电平信号智能发生器由上位机及下位机组成。为了提高“高/低电平信号智能发生器”抗震性能，上位机选择微型工控主机，微型工控主机与7寸显示器进行VGA通信。下位机为一块自主设计的集成电路板，集成电路板外部加装一款通用PLC塑料外壳。为了满足试验需求，下位机应具备30路继电器输出接口和1路RS232通信接口。高/低电平信号智能发生器的主要组成架构如图1所示。

图1 高/低电平信号智能发生器主要组成架构

上位机与“RS232转RS485模块”进行RS232通信，下位机与“RS232转RS485模块”进行RS232通信，两块“RS232转RS485模块”之间进行RS485通信，即上位机与下位机间接进行RS485通信，RS485通信具有可远距离通信的特点。然后，下位机集成电路板与“RS232转485模块”进行RS232通信，接收通信发来的30路高/低电平信号发出指令，控制30路继电器的输出。最后，下位机集成电路板再通过RS232通信将自身的30路高/低电平信号状态反馈发送给上位机串口。

2.2 上位机程序简述

微型工控主机安装上位机软件，上位机软件是一款利用VISUAL STUDIO 2015平台自主开发的软件[1]。上位机通过串口控件间接与下位机进行RS485通信[2]，通信波特率固定设置为57 600。

上位机主要功能包括通信端口选择，30路继电器吸合和释放的控制，显示下位机的高/低电平信号的状态反馈。上位机发送33个字符数据给下位机：第1个字符发送“X”，为每组数据开始字符；第19个字符发送“M”，为每组数组中间校验字符；第33个字符发送 “Y”,为每组数据结束字符。第2～18个字符和第20～32个字符，分别代表上位机对下位机的第1～30路高/低电平信号输出控制指令(当对应字符为“C”,表示需要该通道应输出高电平110 V；当对应字符为“O”,表示该通道应输出低电平0)。上位机对收到下位机的通信数据进行解码，并将30路高/低电平信号状态对应显示在上位机软件界面对应的指示灯。

上位机软件界面设计有30个Checkbox控件，分别对应下位机30路高/低电平信号输出：当软件界面上的Checkbox控件被选中时，下位机对应的继电器的线圈吸合，常开触点输出高电平(DC110 V)；当Checkbox控件被撤销选中时，下位机对应的继电器的线圈释放，常开触点输出低电平(0)。上位机收到下位机反馈的30路高/低电平信号输出状态数据后，进行数据解码。若下位机输出高电平(DC110 V)，则软件界面对应的指示灯显示红色；若下位机输出低电平(0)，则显示绿色。上位机软件界面如图2所示。

图2 上位机软件界面

2.3 下位机软硬件设计

2.3.1下位机功能概述

下位机控制器是一块集成电路板。该集成电路板间接与上位机进行RS485通信，接受上位机的通信控制。该集成电路板设计30路继电器,每个继电器的常开触点一端与DC110 V电源正极连接[3]，另一端与集成电路板上的接线端子连接。下位机中的单片机对通信数据解码后，控制30个继电器吸合或释放。

2.3.2硬件电路设计

下位机集成电路板以AVR单片机为核心，由滤波稳压电路、通信电路、单片机外围电路高/低电平输出电路和下载电路五部分组成。下位机硬件架构如图3所示。

(1)滤波稳压电路。外部DC5 V电源经过多个电解电容滤波和稳压后，转化为稳定的DC5 V电源，为单片机，三极管及板载继电器供电。

(2)通信电路。单片机USART引脚RXD和TXD与MAX3232芯片进行USART通信，MAX3232芯片与微型工控主机开展RS232通信，实现单片机与微型工控主机的RS232通信。

(3)单片机外围电路。单片机外围电路是以AVR单片机为主处理单位设计而成的电路，主要负责USART通信和三极管控制，单片机由DC5 V电源供电，如图4所示。

(4)高/低电平输出电路。通过软件将单片机的30个通用I/O引脚设置为输出引脚，向外输出DC5 V/0的高/低电平信号，上述信号经三极管放大后，驱动板载5 V继电器得电/失电，控制DC110 V高/低电平的输出。

(5)下载电路。单片机的PB5/MOSI，PB6/MISO，PB7/SCK 和RST引脚与下载座连接，用于HEX程序下载。

2.3.3程序设计简述

下位机AVR单片机采用C语言编程。单片机工作流程如下：首先，AVR单片机配置通用I/O引脚方向和串口参数。AVR单片机接收上位机的RS232通信指令后，按照指令要求，通过自身内部单片机的通用I/O引脚输出高/低电平(5V/0)，通过控制集成电路上的30个三极管处于截止区/饱和区，间接驱动30个5 V板载继电器吸合及释放,吸合时输出DC110 V高电平，释放时输出低电平0。然后再回发33字节给上位机：第1个字符发送“S”，为每组数据开始字符；第19个字符发送“L” ，为每组数组中间校验字符；最后1个字符发送“N”，为每组数据结束字符。第2～18个字符和第20～32个字符，分别代表下位机的第1～30路高/低电平输出通道的实际输出状态(当对应字符为“C”,表示需要该通道正在输出高电平110 V；当对应字符为“O”,表示该通道正在输出低电平，值为0)。上述过程，循环往复。

图3 下位机硬件架构

图4 单片机外围电路

3 应用案例

铁道车辆高/低电平信号智能发生器已在青岛地铁列车网络控制系统的试验台中获得应用，信号智能发生器高/低电平信号输出端与列车网络控制试验台的主控微机的开关量信号输入端对应进行电气连接。试验人员通过点击鼠标勾选(或取消勾选)上位机软件界面上的复选框，即可方便快捷地控制下位机向列车网络控制试验台的主控微机信号输入端发出30路高/低电平输入信号(主要包括开门、关门、停放制动、紧急制动和零速等30路信号)，并在上位机软件界面实时显示上述高/低电平信号输出状态(有输出时对应指示灯显示红色，无输出时对应指示灯显示绿色)，形象直观，大大提高了列车网络控制试验台的试验效率。

4 结论

铁道车辆高/低电平信号智能发生器由上位机和下位机两部分组成。 上位机采用微型工控主机和显示器， 下位机是利用单片机自主设计的一块集成电路板。 上位机与下位机通信， 控制下位机输出30路高/低电平信号。 该信号智能发生器具有造价低， 体积小， 形象直观和自动化程度高等特点， 具有很大的市场需求， 后续考虑设计增加信号发生器的高/低电平输出路数， 并在铁道行业内其他公司推广使用。