李光耀

(呼和浩特鐵路局 科研所，內(nèi)蒙古呼和浩特010051)

機(jī)車安全信息綜合監(jiān)測(cè)裝置(簡(jiǎn)稱TAX)是一種與列車運(yùn)行安全有關(guān)的檢測(cè)設(shè)備，與信息傳輸設(shè)備于一體的信息共享的工作平臺(tái)，它集中供電，提供主機(jī)多級(jí)通信。隨著車載系統(tǒng)信息化以來(lái)，一些與機(jī)車運(yùn)行有關(guān)的輔助安全檢測(cè)及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備越來(lái)越多，如內(nèi)燃機(jī)車油耗設(shè)備、軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備、弓網(wǎng)檢測(cè)設(shè)備、無(wú)線列調(diào)語(yǔ)音錄音設(shè)備等，它們?cè)谘芯亢凸ぷ鬟^(guò)程中均需要從TAX提取車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，如時(shí)間、公里標(biāo)、速度、車次、車號(hào)、主副司機(jī)號(hào)等信息才能使檢測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生實(shí)際意義。如直接在既有機(jī)車上進(jìn)行研究、試驗(yàn)不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)橄到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期都相對(duì)比較長(zhǎng)，機(jī)車承擔(dān)著繁重的運(yùn)輸任務(wù)，在時(shí)間上不允許;再者機(jī)車上空間比較狹小，電源等供給條件比較單一且取電不方便;若另購(gòu)置一臺(tái)機(jī)車安全信息綜合監(jiān)測(cè)裝置，價(jià)格比較昂貴，另外它本身體積大，移動(dòng)不方便，鑒于上述原因提出了TAX信息模擬裝置課題，它不僅體積小、移動(dòng)方便，而且成本相對(duì)于機(jī)車安全信息綜合監(jiān)控裝置低很多。

據(jù)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)外大多專注于機(jī)車安全信息綜合監(jiān)測(cè)裝置的改進(jìn)和研究，對(duì)于專門(mén)為其他項(xiàng)目服務(wù)、針對(duì)TAX信息模擬裝置還沒(méi)有研究。

1 設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)

1.1 總體設(shè)計(jì)思想

本裝置主要是模擬TAX的通信記錄單元，通過(guò)RS－485串行通信方式，以28 800波特率、每隔50 ms周期地按固定順序向外發(fā)送，供其他各功能單元(或設(shè)備)使用，并將列車運(yùn)行情況等信息顯示在自身液晶屏幕上，使用人員可以根據(jù)需求通過(guò)液晶屏幕上面的觸摸屏設(shè)置所需的各類信息內(nèi)容。裝置設(shè)計(jì)時(shí)考慮到使用方便、穩(wěn)定、數(shù)據(jù)處理速度快、抗干擾性強(qiáng)等原則，在功能設(shè)計(jì)上，選擇常規(guī)、成熟功能，在電子元器件選型上，選用性能穩(wěn)定的電子元器件，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

本裝置數(shù)據(jù)傳輸采用RS485通信實(shí)現(xiàn)，它主要是負(fù)責(zé)周期的向外發(fā)送信息，時(shí)間間隔50 ms，信息內(nèi)容為設(shè)置好的TAX信息，包括本板地址、特征碼、檢測(cè)單元代碼、時(shí)間、速度、機(jī)車信號(hào)、機(jī)車工況、信號(hào)機(jī)編號(hào)、信號(hào)機(jī)種類、公里標(biāo)、總重、計(jì)長(zhǎng)、輛數(shù)、本/補(bǔ)、客/貨、車次、區(qū)段號(hào)(交路號(hào))、車站號(hào)、司機(jī)號(hào)、副司機(jī)號(hào)、機(jī)車號(hào)、機(jī)車型號(hào)、列車管壓力、裝置狀態(tài)、備用、校驗(yàn)和，用MAX485集成模塊實(shí)現(xiàn)。為保證通信可靠，不受外界干擾，增加了光電隔離技術(shù)，用高速光電耦 TLP113和2701實(shí)現(xiàn)，具體如圖2所示。

圖2 RS485通信

本裝置模擬的TAX信息是在原TAX2信息40字節(jié)數(shù)據(jù)串前增加32字節(jié)數(shù)據(jù)，用于需要增加擴(kuò)充的車次等信息，多字節(jié)存放格式為低字節(jié)在前，高字節(jié)在后，與原40字節(jié)數(shù)據(jù)串一起發(fā)送，這樣兼容了原40字節(jié)的TAX信息方案，不僅適應(yīng)新設(shè)備，還可適應(yīng)未改造的其他設(shè)備，確保其他設(shè)備在過(guò)渡期間能夠正常工作。其通信協(xié)議如表1。

表1 通信協(xié)議表

續(xù)表1

1.3 模擬信息存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

本裝置CPU選用新華龍公司生產(chǎn)的C8051F020，它內(nèi)部有64 k+128字節(jié)的可編程FLASH存儲(chǔ)器，用于程序代碼和非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，能承受至少20 000個(gè)擦寫(xiě)周期。盡管FLASH存儲(chǔ)器可以每次寫(xiě)一個(gè)字節(jié)，但必須首先擦除整個(gè)扇區(qū)。128字節(jié)的扇區(qū)規(guī)模使數(shù)據(jù)更新更加容易，可以不浪費(fèi)程序存儲(chǔ)器或RAM空間，尤其適于作為通用的非易失性臨時(shí)存儲(chǔ)。該128字節(jié)的扇區(qū)在64 k字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器中是雙映射的，它的地址范圍從0x00到0x7F，本裝置就利用這個(gè)區(qū)域存儲(chǔ)設(shè)定的TAX模擬信息。

每次設(shè)定TAX模擬信息完成后寫(xiě)入一次FLASH，起始地址為0，共占用72字節(jié);當(dāng)裝置開(kāi)機(jī)時(shí)讀取一次FLASH，從地址0開(kāi)始連續(xù)讀取72字節(jié)。這里需要注意的是寫(xiě)FLASH存儲(chǔ)器可以清除數(shù)據(jù)位，但不能使數(shù)據(jù)位置1;只有擦除操作能將FLASH中的數(shù)據(jù)位置1。所以在寫(xiě)入新值之前，必須先擦除待編程的地址。一次擦除操作將擦除整個(gè)扇區(qū)(將扇區(qū)內(nèi)的所有字節(jié)設(shè)置為0xFF)，寫(xiě)、擦除時(shí)序由硬件自動(dòng)控制。

1.4 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)時(shí)鐘

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)鐘采用外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生，晶體振蕩器為外部振蕩器源，頻率為22.118 4 MHz，由于它對(duì)PCB布局非常敏感，所以應(yīng)將晶體盡可能地靠近CPU的XTAL引腳，并在晶體引腳接負(fù)載電容，引線應(yīng)盡可能地短并用地平面屏蔽，防止其他引線引入噪聲或干擾。電路如圖3所示。

圖3 晶體振蕩電路圖

(2)實(shí)時(shí)時(shí)間電路

本裝置選擇DS1302芯片運(yùn)行和保持時(shí)間，晶振為32.768 kHz，外配后備電池，在裝置斷電后可以保持時(shí)鐘正常運(yùn)行，為設(shè)備提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確時(shí)間;當(dāng)裝置運(yùn)行時(shí)，每秒讀取一次該時(shí)間，經(jīng)分析計(jì)算后將年、月、日、時(shí)、分、秒按TAX信息中時(shí)間格式壓縮成4字節(jié)，保存到待發(fā)送的72字節(jié)信息中的35～38字節(jié)中，然后發(fā)送給各檢測(cè)單元(或設(shè)備);同時(shí)其自帶的31字節(jié)存儲(chǔ)空間可以用于保存軟件版本等必要信息，其電路如圖4所示。

圖4 DS1302時(shí)鐘電路

1.5 液晶顯示及觸摸屏

本裝置選用北京寧和電子有限公司的彩色液晶顯示控制模塊NH056DN04實(shí)現(xiàn)信息顯示，上面加置一觸摸屏，用于TAX模擬信息中各類信息內(nèi)容及系統(tǒng)時(shí)間的設(shè)置。

1.6 軟件設(shè)計(jì)

鑒于上述硬件和功能需求，裝置軟件設(shè)計(jì)流程如圖5、圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 WHILE(1)循環(huán)流程圖

2 實(shí)際應(yīng)用測(cè)試

以HTK/L-YHJL-I型內(nèi)燃機(jī)車油耗計(jì)量?jī)x為測(cè)試平臺(tái)搭建了測(cè)試環(huán)境，需要器材有TAX信息模擬裝置、HTK/L-YHJL-I型內(nèi)燃機(jī)車油耗計(jì)量?jī)x主板和顯示器、雙路輸出穩(wěn)壓電源、導(dǎo)線若干，如圖7所示。

當(dāng)接線完畢，開(kāi)通電源，HTK/L-YHJL-I型內(nèi)燃機(jī)車油耗計(jì)量?jī)x主板指示燈顯示工作，油耗顯示器的車次、總重和司機(jī)號(hào)顯示為T(mén)AX信息模擬裝置傳輸來(lái)的內(nèi)容，整套設(shè)備工作正常，如圖8所示。

圖7 測(cè)試平臺(tái)

圖8 裝置測(cè)試正常圖片

如果要修改各類信息內(nèi)容及系統(tǒng)時(shí)間，點(diǎn)擊工作界面中的“修改”按鈕，進(jìn)入修改界面，如圖9所示，通過(guò)觸摸界面右方的數(shù)字按鈕進(jìn)行所選元素內(nèi)容的修改，通過(guò)“↑”、“↓”鍵進(jìn)行所要修改元素項(xiàng)的選擇，當(dāng)移動(dòng)圖9(a)中的最后一行“公里標(biāo)”時(shí)，再繼續(xù)按“↓”鍵可進(jìn)入圖9(b)界面繼續(xù)修改其他元素;當(dāng)移動(dòng)圖9(b)中的最后一行“車站號(hào)”時(shí)，再繼續(xù)按“↓”鍵可進(jìn)入圖9(c)界面繼續(xù)修改其他元素。若修改結(jié)束，可以按“確定”按鈕，顯示圖9(d)“設(shè)置完成”界面，等待大約3s時(shí)間，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到工作主界面，如圖8所示，并按照新設(shè)定的內(nèi)容進(jìn)行工作。

圖9 修改元素界面

經(jīng)過(guò)上述測(cè)試，說(shuō)明TAX信息模擬裝置完全符合設(shè)計(jì)要求，可以為以后的相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供很大方便、節(jié)約大量成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

本裝置根據(jù)實(shí)際需求而提出立項(xiàng)，為自主研發(fā)設(shè)計(jì)。據(jù)調(diào)研全鐵路目前還沒(méi)有關(guān)于這方面的研究，一些與機(jī)車運(yùn)行有關(guān)的檢測(cè)及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備在研發(fā)和試驗(yàn)中還是千方百計(jì)地從機(jī)車的TAX箱獲取數(shù)據(jù)，很不方便且影響了研發(fā)進(jìn)度，因此對(duì)于這些項(xiàng)目的研發(fā)與試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，都急需一套這樣簡(jiǎn)單方便的TAX信息模擬裝置。它外形輕巧，使用和移動(dòng)方便，不僅為相關(guān)項(xiàng)目的研發(fā)、試驗(yàn)提供了捷徑、降低了研發(fā)成本，而且使項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程擺脫了機(jī)車上狹小空間等局限，縮短項(xiàng)目研發(fā)周期。因此TAX信息模擬裝置在整個(gè)鐵路內(nèi)都具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。