仇佳捷張 峰寧 慶王建兵

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，200240，上海；2.上海申通地鐵集團有限公司維護保障中心，200070，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

基于半實物仿真的上海軌道交通門控單元測試平臺開發(fā)

仇佳捷1張 峰1寧 慶1王建兵2

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，200240，上海；2.上海申通地鐵集團有限公司維護保障中心，200070，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

門控單元是地鐵車門系統(tǒng)中的主控部件，其運行狀況與地鐵運營安全密切相關(guān)。對門控單元的檢測是地鐵檢修中不可缺少的部分。針對一款應(yīng)用于上海軌道交通的常用門控單元，采用半實物仿真技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合的方法，開發(fā)了門控單元測試平臺，實現(xiàn)了門控單元的離線檢測。該檢測平臺提供了豐富的操作信息和故障指示，可準確檢測出門控單元的故障，提高了檢測維護的效率。

城市軌道交通車輛；門控單元；檢測平臺；半實物仿真

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

目前，國內(nèi)對于地鐵門控系統(tǒng)的研究較少，對地鐵門控系統(tǒng)的檢測則主要依靠國外廠商，因此開發(fā)一款針對現(xiàn)行系統(tǒng)的檢測設(shè)備對地鐵門控單元的維修和維護很有意義。iFE公司生產(chǎn)的PMC 20-110R門控單元（Exterior of Door Control Unit，簡為EDCU）已配置在上海軌道交通3號線與5號線上。本文介紹了該門控單元檢測平臺的開發(fā)情況。

1 門控系統(tǒng)

地鐵列車一節(jié)車廂一般裝有8或10套門，兩側(cè)對稱分布。每套門由一個門控單元控制，并包含門位置傳感器、限位開關(guān)、電磁閥、制動器及驅(qū)動器、電機等相關(guān)機構(gòu)。

PMC 20-110R EDCU為整個車門系統(tǒng)的主控單元。EDCU以微處理器為中心，通過RS 485，RS 232等通信接口與列車主控設(shè)備及其他設(shè)備通信，并接收列車控制信號（如開門控制信號、關(guān)門控制信號、零速控制信號），以及門驅(qū)動機構(gòu)元件發(fā)出的信號（如限位開關(guān)、緊急開關(guān)等），通過內(nèi)置電機驅(qū)動電路來驅(qū)動電機，完成對門的開啟和關(guān)閉。

門控單元是一個典型的嵌入式系統(tǒng)，包含電源模塊、處理器、存儲器、總線、通信接口、保護電路，以及負責(zé)對外輸入輸出的接口電路。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。門控單元接口電路共對外提供一路電源輸入接口、2種通信接口、3種數(shù)據(jù)接口，以及一路電機驅(qū)動接口。接口技術(shù)標準如表1所示。門控單元接受各個外部傳感器的信號，并根據(jù)通信端口的控制信號進行相應(yīng)的動作，如控制電機來驅(qū)動車門開合，或者給出相應(yīng)的故障報警聲光指示。

2 綜合檢測技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 半實物仿真技術(shù)

表1 EDCU端口技術(shù)指標

半實物仿真又稱為硬件在回路中仿真（Hardware in the Loop Simulation，簡為HILS）［1］。這種仿真試驗將對象實體的動態(tài)特性通過建立數(shù)學(xué)模型、編程，在計算機上運行，并在條件允許的情況下盡可能在仿真系統(tǒng)中接入實物，用來構(gòu)建更接近實際情況的相應(yīng)物理環(huán)境，以取代相應(yīng)部分的數(shù)學(xué)模型，從而取得更確切的信息。典型的半實物仿真系統(tǒng)如圖2所示。其中，仿真計算機系統(tǒng)包括計算機硬件、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及仿真程序、數(shù)據(jù)等；接口部分包括模擬量接口、數(shù)字量接口、實時數(shù)字通信系統(tǒng)等；仿真設(shè)備用以模擬各種物理效應(yīng)，使被測實物可以在仿真的環(huán)境下工作；參試部件可以是傳感器、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等。本次參試部件（即待測設(shè)備）是復(fù)雜電系統(tǒng)設(shè)備。

2.2 虛擬儀器技術(shù)

所謂虛擬儀器（Virtual Instrument，簡為VI），就是以通用計算機為核心、由用戶設(shè)計定義、具有虛擬面板、測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。VI由I/O接口設(shè)備完成信號的采集、測量與調(diào)理，利用PC（個人電腦）顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結(jié)果，并利用PC強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析、處理，從而完成各種測試功能。本測試臺采用美國NI公司的Lab VIEW。

圖2 半實物仿真系統(tǒng)圖

3 測試平臺設(shè)計

被測的EDCU是一個帶有微處理器的智能控制單元，接口種類多樣，運行機制與工作方式較為復(fù)雜且是未知的，所以，測試平臺的軟硬件均采用模塊化設(shè)計。針對EDCU各個端口的功能及輸入輸出特點對平臺進行分模塊設(shè)計和測試，最終進行所有模塊的整合和調(diào)試工作。

3.1 測試平臺硬件設(shè)計

測試平臺的硬件設(shè)計采用半實物仿真。為了給EDCU提供一個更加接近實際運行狀態(tài)的測試環(huán)境，在考慮測試的可控性的前提下，測試平臺硬件設(shè)計時，EDCU盡可能多地接入真實模塊或是特性接近真實元件的模擬模塊。

采用基于工業(yè)計算機的測試平臺架構(gòu)。這種測試平臺將處理器、儲存器、總線以及部分面向內(nèi)部的接口集成在帶有數(shù)據(jù)采集設(shè)備的工業(yè)計算機中。測試平臺主要分為測試主控和外圍電路兩部分，其整體系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 EDCU檢測平臺系統(tǒng)框圖

對EDCU測試運行方式進一步分析后，針對EDCU 6種不同的端口特性（見表1）進行相應(yīng)的硬件設(shè)計。其中，門位置傳感器供電（DC 12 V）無需獨立測試，可以通過2路負開關(guān)量信號的測試得出結(jié)果。

適用于EDCU檢測的硬件平臺設(shè)計如下：

（1）110 V數(shù)字量輸入信號14路，包括零速車輛控制信號、開門控制信號、關(guān)門控制信號、緊急裝置控制信號等；測試端口配合電路設(shè)計方案為通過測試平臺發(fā)出信號控制光耦和繼電器等控制器件，以選擇性地切換導(dǎo)通輸入到EDCU相應(yīng)端口的信號，達到測試所需要的運行條件。

（2）負開關(guān)量信號（12 V門位置反饋信號）2路，其端口設(shè)計與上述端口硬件一樣，只是測試時的指令操作不同。

（3）110 V數(shù)字量輸出信號8路，包括報警信號、蜂鳴器信號等。

（4）電機控制信號，從1個端口輸出，指令不同時輸出48 V/2 A、48 V/8 A、24 V/3 A三種不同的電壓等級與功率，負責(zé)帶動電機在不同速度下運轉(zhuǎn)，并完成正反轉(zhuǎn)功能。

（5）通信接口，包括RS 232和RS 485，用來傳送指令以及接收EDCU響應(yīng)信息，直接采用工業(yè)計算機上的相關(guān)接口。

以上（3）、（4）兩種端口在檢測流程中都涉及電流檢測，所以采用模擬負載的形式。根據(jù)不同測試情況，工業(yè)計算機控制繼電器來切換不同負載，以模擬EDCU的相應(yīng)工作環(huán)境；通過霍爾傳感器檢測負載的電流［2］，并與標準運行電流進行比較，判定相關(guān)功能是否完好。模擬負載電流檢測電路如圖4所示。

圖4 模擬負載電流檢測電路

3.2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

測試平臺軟件設(shè)計采用配合NI數(shù)據(jù)采集卡的Lab VIEW。Lab VIEW是一種基于圖形化的編程語言，通常用于測試測量、控制、仿真、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示等。與傳統(tǒng)的編程語言相比，其大大提高了測量系統(tǒng)的軟件開發(fā)效率，圖形用戶界面操作直觀、簡便，為本測試平臺的開發(fā)提供了良好的軟件支持。

測試平臺軟件各功能明確、統(tǒng)一性強，整體通過不同方式調(diào)用功能模塊來實現(xiàn)檢測任務(wù)，因此，采用生產(chǎn)者-消費者模式架構(gòu)設(shè)計［3］可大大簡化開發(fā)的難度，縮短開發(fā)周期。軟件主體分為生產(chǎn)者和消費者兩個部分。生產(chǎn)者部分通過人機界面接收操作指令，并將指令傳遞給消費者部分，使其調(diào)用相關(guān)的功能模塊。生產(chǎn)者部分在接收操作指令的同時產(chǎn)生消費者部分需要的相關(guān)參數(shù)和變量，并與操作指令一同傳給消費者部分。其流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

消費者部分的測試子程序開發(fā)采用模塊化思想，將測試程序按照其測試特點劃分為多個模塊。為了與整個系統(tǒng)測試框架相適應(yīng)，本測試平臺軟件按照系統(tǒng)功能劃分為五個模塊。軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 軟件模塊架構(gòu)圖

（1）RS 232模塊：通過軟件調(diào)用計算機系統(tǒng)RS 232資源，通過計算機給待檢測的EDCU發(fā)出相應(yīng)的控制信號及相關(guān)數(shù)據(jù)，并接收EDCU返回的信號及數(shù)據(jù)。

（2）控制模塊：通過軟件控制數(shù)據(jù)采集卡的輸出端口，來控制檢測平臺硬件的相應(yīng)部分，為EDCU檢測提供相應(yīng)的外部壞境，包括切換合適的負載，以及給出相應(yīng)的模擬實際信號輸入狀況。

（3）端口測試模塊：通過軟件檢測數(shù)據(jù)采集卡相應(yīng)端口是否接收到經(jīng)過檢測平臺硬件電路處理后的EDCU信號輸出。

（4）電流測試模塊：通過軟件與數(shù)據(jù)采集卡模擬量輸入端口配合，輔之以檢測平臺相應(yīng)的硬件電路實時采集外部電流信號，畫出電流波形及記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

（5）通信模塊：通過軟件調(diào)配計算機相關(guān)資源，實現(xiàn)通信信號的發(fā)送及接收與EDCU同步。

所有的測試子程序都可以通過以上模塊功能的配合來實現(xiàn)。如電機控制測試，需要進行無負載情況下輸出測試和有負載情況下輸出電流匹配測試，可通過RS 232模塊發(fā)送指令，控制模塊切換測試環(huán)境，端口測試模塊與電流測試模塊分別負責(zé)兩個測試分項的檢測工作。

整個測試軟件采用LabVIEW中的子VI技術(shù)。首先，根據(jù)每一個測試模塊的具體要求編寫相應(yīng)的測試子VI程序，并配合硬件平臺進行單個模塊調(diào)試；然后，各個功能模塊的子VI程序通過一定的時序及邏輯約束集成在整體框架下進行整體調(diào)試集成，完成整個測試平臺軟件的開發(fā)工作。

4 測試與結(jié)果分析

采用本測試平臺對EDCU運行檢測程序，選擇對應(yīng)的項目進行檢測。圖7所示為輸入端口測試的界面。其左側(cè)一列為整個平臺所包含的測試功能，包括自動測試、燒寫程序、存儲器測試、輸入輸出測試、電機測試、信號燈測試及控制按鈕測試等；右側(cè)為選定項目測試界面，包含相應(yīng)測試細分條目及各條的測試數(shù)據(jù)。根據(jù)所測條目，這些測試數(shù)據(jù)包含數(shù)值顯示、開關(guān)量顯示、指令回饋及波形顯示，并依據(jù)各項指標綜合給出故障指示。

在對上海軌道交通5號線門控單元的實際測試中，本測試平臺均能準確檢測出故障類型，定位故障部位，且與實際故障表現(xiàn)一致。依據(jù)本平臺測試過程中給出的測試信息及出具的綜合故障報告，維保人員可方便地進行故障上報、維修保養(yǎng)等工作。

圖7 EDCU輸入端口測試界面

5 結(jié)語

本測試平臺采用基于半實物仿真技術(shù)及虛擬儀器的檢測技術(shù)，其軟硬件的開發(fā)均采用面向?qū)ο笮枨蟮哪K化設(shè)計。測試平臺在硬件上設(shè)置了簡單的接口，軟件上提供了友好的人機界面以及豐富的提示信息，可以準確檢測出EDCU的故障，并對相應(yīng)故障部位進行定位，為實際檢測應(yīng)用及相關(guān)工程人員培訓(xùn)提供了良好的平臺支持。

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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）