焦運(yùn)良，范 晶，戴貽康

(華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京 100083)

0 引言

城市軌道交通運(yùn)行速度快、乘客數(shù)量多、運(yùn)營(yíng)受天氣環(huán)境影響小等特點(diǎn)，使得地鐵軌道交通成為我國(guó)大中型城市的主要公共交通方式。地鐵列車門開關(guān)頻繁，容易造成車門的故障并威脅乘客的人身安全[1]。因此，研制一款智能化、實(shí)時(shí)故障檢測(cè)和監(jiān)控的地鐵門控器系統(tǒng)模擬測(cè)試平臺(tái)顯得尤為重要。本文所設(shè)計(jì)的基于ARM芯片的地鐵門控器模擬測(cè)試平臺(tái)，應(yīng)用于地鐵車廂列車門的在軌功能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)列車門的智能化模擬測(cè)試和實(shí)時(shí)故障檢測(cè)，具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 門控器單元工作原理

門控器單元是整個(gè)地鐵列車門控系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)采集和處理各種集控信號(hào)，以控制車門進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作[2]。針對(duì)北京博得公司生產(chǎn)的試驗(yàn)地鐵列車門為研究對(duì)象，每節(jié)車廂分別配備四扇內(nèi)藏門，每個(gè)車門上面設(shè)有分別控制的門控器單元，也可以通過總線實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制，如圖1所示。門控器單元與車門的其他機(jī)械部分的電氣連接通過專用的多路連接器相連，實(shí)現(xiàn)門控器單元與車門的電氣、物理設(shè)備互通和控制；單個(gè)車門以RS485的通信方式實(shí)現(xiàn)門控器單元內(nèi)部的通信互通，而多個(gè)車門之間則是通過多功能車輛(MVB)總線連接在一起，完成同其他車門的門控器單元和主控控制臺(tái)的通信[3]。系統(tǒng)由110 V直流電源供電，通過專用的輸入端口采集列車運(yùn)行狀態(tài)、車門狀態(tài)、預(yù)警故障狀態(tài)等信號(hào)，輸出端口則負(fù)責(zé)傳送門控器單元輸出的處理信號(hào)和控制命令，到達(dá)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如蜂鳴器、指示燈、電磁鐵和直流電機(jī))實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作等。

圖1 門控器單元系統(tǒng)框圖

以執(zhí)行開門動(dòng)作為例，整個(gè)過程的流程框圖如圖2所示。車門在正常運(yùn)行時(shí)，門控器單元實(shí)時(shí)采集和檢測(cè)車門狀態(tài)信號(hào)，主要采集“開門”、“關(guān)門”、“零速”等控制線信號(hào)，以及鎖閉信號(hào)和緊急解鎖信號(hào)。在檢測(cè)到零速信號(hào)和開門信號(hào)電平為高，鎖閉信號(hào)和緊急解鎖信號(hào)電平為高，關(guān)門信號(hào)電平為低時(shí)，門控器單元的ARM主控單元即認(rèn)為滿足開門操作要求，通過內(nèi)部總線發(fā)送控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及蜂鳴器和指示燈，蜂鳴器鳴叫兩次(可調(diào))，并伴隨指示燈亮起兩次，電磁鐵吸合打開鎖鉤，直流伺服電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，由皮帶帶動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，車門受力打開，從而實(shí)現(xiàn)列車門的開啟動(dòng)作。

圖2 開門流程框圖

2 模擬測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一款地鐵門控器模擬測(cè)試平臺(tái)，以ARM芯片為核心主控芯片，設(shè)計(jì)和驗(yàn)證模擬測(cè)試專用板卡的電路和功能；使用Keil MDK軟件進(jìn)行軟件程序調(diào)試、功能仿真；采用Qt語言進(jìn)行監(jiān)測(cè)界面編寫，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)門控器單元系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、高效調(diào)控。專用模擬測(cè)試板卡擔(dān)負(fù)著控制激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)流向的任務(wù)，上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)檢測(cè)、采集系統(tǒng)的各種狀態(tài)信號(hào)，存儲(chǔ)、保存和記錄出現(xiàn)的各種故障狀態(tài)信息，有效地模擬測(cè)試地鐵列車門控系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，并保證其可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

門控器模擬測(cè)試平臺(tái)通過JTAG口進(jìn)行軟件程序燒寫，在線完成各項(xiàng)功能的模擬測(cè)試[4]?？紤]地鐵實(shí)際運(yùn)行環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，本文采用半實(shí)物仿真的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的測(cè)試[5]。芯片選型方面，由于ARM芯片處理能力強(qiáng)、價(jià)格便宜，芯片引腳數(shù)量多、適合功能擴(kuò)展等特點(diǎn)，因此選擇ARM系列處理器STM32F103ZEH6芯片為主控芯片，搭建起模擬測(cè)試平臺(tái)的整體架構(gòu)[6]。

2.1 模擬測(cè)試平臺(tái)功能需求

模擬測(cè)試平臺(tái)的主要作用是對(duì)地鐵列車門進(jìn)行開、關(guān)、防擠壓、緊急解鎖和鎖閉等基本功能的模擬測(cè)試。其中產(chǎn)生的各種狀態(tài)信號(hào)、參數(shù)大小和過程量等數(shù)據(jù)均可以通過圖形化控制界面配置，以及通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)試。

模擬測(cè)試平臺(tái)通過產(chǎn)生相應(yīng)的模擬開關(guān)門等信號(hào)組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)門控器系統(tǒng)功能的模擬測(cè)試，其基本的模擬測(cè)試功能有：

(1)開門自檢功能模擬測(cè)試；

(2)電控開門功能模擬測(cè)試；

(3)電控關(guān)門功能模擬測(cè)試；

(4)電磁鐵吸合/松開模擬測(cè)試；

(5)防夾和緊急解鎖功能模擬測(cè)試；

(6)多扇車門響應(yīng)動(dòng)作的延遲功能模擬測(cè)試。

2.2 模擬測(cè)試平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

地鐵門控器系統(tǒng)模擬測(cè)試平臺(tái)的硬件部分是由專用模擬測(cè)試板卡、EDCU電子門控器單元、伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和上位機(jī)檢測(cè)診斷系統(tǒng)組成的，其中專用模擬測(cè)試板卡是整個(gè)系統(tǒng)硬件部分的核心，實(shí)現(xiàn)模擬測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)基本功能。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 地鐵門控器系統(tǒng)的模擬測(cè)試平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖

專用模擬測(cè)試板卡負(fù)責(zé)產(chǎn)生各種狀態(tài)信號(hào)，通過上位機(jī)下達(dá)模擬測(cè)試命令，然后測(cè)試板卡進(jìn)行信號(hào)采集，將采集到的各個(gè)信號(hào)輸入給ARM芯片綜合分析后，得到各個(gè)狀態(tài)信號(hào)，再輸入給電子門控器單元(EDCU)進(jìn)行判斷、處理和分析，并發(fā)布和輸出控制命令信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，控制車門實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作和產(chǎn)生輔助的聲光提示信息，伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和并將電機(jī)狀態(tài)信息反饋回專用模擬測(cè)試板卡，而上位機(jī)檢測(cè)診斷系統(tǒng)則負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)實(shí)現(xiàn)的過程中產(chǎn)生的各種信號(hào)、狀態(tài)和動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)和監(jiān)控，據(jù)此協(xié)調(diào)和輔助對(duì)系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行提供有效的保障。

專用模擬測(cè)試板卡主要由MVB總線接口電路、采集和控制電路(ARM)、通信電路(MAX)、鎖存電路、驅(qū)動(dòng)電路、報(bào)警電路等組成，原理框圖如圖4所示。

圖4 模擬測(cè)試平臺(tái)專用板卡原理框圖

從圖4中可以看出：

(1)接口電路采用軌道交通領(lǐng)域電氣標(biāo)準(zhǔn)MVB總線接口，并將外部普通的端口轉(zhuǎn)換為ARM可識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)接口；

(2)采集和控制電路采用ARM芯片，可采集控制線上的電平信號(hào)，并配置初始化、自檢、工作等狀態(tài)參數(shù)，傳送和發(fā)布控制命令字等；

(3)通信電路采用MAX芯片，接收和發(fā)送各狀態(tài)信號(hào)、存儲(chǔ)信號(hào)地址以及讀寫Flash等，實(shí)現(xiàn)與各部分的相互通信；

(3)鎖存電路主要以D觸發(fā)器、存儲(chǔ)芯片為主，延時(shí)存儲(chǔ)和記憶某些狀態(tài)信息，用于故障信息的存儲(chǔ)、保存和記錄；

(4)驅(qū)動(dòng)電路采用專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片IR2110S和MOS管組成上下對(duì)稱的橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，高效和穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制正反轉(zhuǎn)[7]；

(5)報(bào)警電路主要包括指示燈控制部分、蜂鳴器控制部分和緊急解鎖旋鈕控制部分，輔助提供開關(guān)門、防擠壓和緊急解鎖等功能的聲光提示。

2.3 模擬測(cè)試平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

本文的模擬測(cè)試平臺(tái)是以ARM為核心芯片，因而軟件程序主要是以嵌入式C語言為主，上位機(jī)的診斷監(jiān)控系統(tǒng)以直觀形象的界面顯示，采用Qt語言來編寫。軟件調(diào)試環(huán)境采用主流的ARM集成開發(fā)軟件Keil MDK，其集成開發(fā)環(huán)境μVision4，對(duì)ARM芯片和Cortex-M3內(nèi)核的處理器程序調(diào)試實(shí)現(xiàn)完美支持，效率高，功耗小且多窗口靈活顯示[8]。Qt語言的小巧靈活、多平臺(tái)移植性和全功能化的圖形用戶界面開發(fā)工具等，使得編寫可視化的圖形界面變得十分快捷簡(jiǎn)單[9]。

本模擬測(cè)試平臺(tái)硬件上先連接好：地鐵門控器的各輸入輸出控制線，上位機(jī)與門控器單元，PC與門控器單元等。再通過ST-Link燒寫器將測(cè)試固件程序在Keil MDK軟件環(huán)境下燒寫進(jìn)門控器單元，上位機(jī)打開監(jiān)控軟件環(huán)境和顯示界面，然后開始上電進(jìn)行模擬測(cè)試。PC進(jìn)行系統(tǒng)整體功能測(cè)試程序的在線燒寫、編譯、仿真和修改，調(diào)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行；上位機(jī)則是對(duì)各信號(hào)電平，電機(jī)正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速、角度以及車門的開關(guān)速度曲線、閉合度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

地鐵門控器系統(tǒng)的模擬測(cè)試主要分為單項(xiàng)和基本功能測(cè)試。單項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目包括輸入輸出端口有效測(cè)試、芯片引腳可控測(cè)試、連接器端口互通測(cè)試等；基本功能測(cè)試則包括開門自檢功能模擬測(cè)試、電控開門功能模擬測(cè)試、電控關(guān)門功能模擬測(cè)試、防夾和緊急解鎖功能模擬測(cè)試等。

3 模擬測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)證

本文所設(shè)計(jì)的基于ARM的地鐵門控器系統(tǒng)模擬測(cè)試平臺(tái)，利用所里現(xiàn)有的地鐵車廂真實(shí)環(huán)境，進(jìn)行真實(shí)的地鐵開關(guān)門等功能的模擬測(cè)試，實(shí)時(shí)診斷和監(jiān)控該測(cè)試平臺(tái)的模擬測(cè)試。

3.1 測(cè)試平臺(tái)模擬測(cè)試

整個(gè)模擬測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)的調(diào)試和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)過程的步驟如下：

(1)按照?qǐng)D4所示搭建好試驗(yàn)環(huán)境，準(zhǔn)備好進(jìn)行模擬測(cè)試的條件與平臺(tái)。

(2)將初始化和自檢程序燒寫進(jìn)門控器單元，預(yù)先進(jìn)行地鐵門控器系統(tǒng)的初始化和車門的自檢。

(3)先進(jìn)行單項(xiàng)模擬測(cè)試項(xiàng)目：輸入輸出端口有效測(cè)試、芯片引腳可控測(cè)試、連接器端口互通測(cè)試等，上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試過程，及時(shí)反饋和總結(jié)測(cè)試的結(jié)果。

(4)進(jìn)行基本功能模擬測(cè)試，采用半實(shí)物仿真的技術(shù)，對(duì)整個(gè)地鐵門控器系統(tǒng)進(jìn)行全面準(zhǔn)確的功能模擬測(cè)試。其測(cè)試流程圖如圖5所示。實(shí)時(shí)觀測(cè)測(cè)試平臺(tái)軟件運(yùn)行界面的各種信號(hào)狀態(tài)和車門的實(shí)際運(yùn)行情況，據(jù)此判定各項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目的順利與否。

(5)在實(shí)驗(yàn)過程中，針對(duì)可能出現(xiàn)的異常或故障情況，進(jìn)行在線調(diào)試程序，并且及時(shí)、正確地將上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控和診斷的結(jié)果存儲(chǔ)、保存和記錄。

圖5 模擬測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試試驗(yàn)流程圖

3.2 測(cè)試平臺(tái)功能驗(yàn)證

按照上面的步驟進(jìn)行試驗(yàn)，模擬測(cè)試軟件啟動(dòng)后，模式選擇區(qū)用于測(cè)試程序的控制和切換；參數(shù)設(shè)置區(qū)用于參數(shù)設(shè)置及響應(yīng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示；狀態(tài)信息顯示區(qū)實(shí)時(shí)顯示程序運(yùn)行中的狀態(tài)信息；運(yùn)行控制區(qū)則是通過向門控器發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)車門的功能模擬測(cè)試。首先進(jìn)行參數(shù)的配置，就是燒寫進(jìn)測(cè)試程序。

配置完成后便開始進(jìn)行單項(xiàng)和基本功能測(cè)試。單個(gè)測(cè)試包含多個(gè)信號(hào)的測(cè)試。

基本功能測(cè)試則是相應(yīng)地組合多個(gè)信號(hào)有效時(shí)，門控器單元控制伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度，對(duì)車門進(jìn)行開關(guān)門等對(duì)應(yīng)的操作，而上位機(jī)的監(jiān)控診斷系統(tǒng)開始對(duì)信號(hào)和過程量進(jìn)行監(jiān)控，以及開關(guān)門速度曲線等的繪制，直觀形象地顯示出來。以電控開門為例，診斷監(jiān)控系統(tǒng)的界面顯示如圖6所示。

圖6 電控開門門體速度曲線

按下電控開門按鈕，專用模擬測(cè)試板卡產(chǎn)生相應(yīng)的電平信號(hào)，門控器單元開始控制車門打開：列車門的開門指示燈閃爍兩次，蜂鳴器鳴叫兩次，由快到慢直至車門完全打開，并且監(jiān)控軟件開始繪制開門曲線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車門的狀態(tài)。

按照?qǐng)D5所示的測(cè)試流程，分別對(duì)系統(tǒng)的其他基本功能進(jìn)行模擬測(cè)試，在整個(gè)過程中，若監(jiān)控到發(fā)生異?；蚬收?，就實(shí)時(shí)記錄下來并保存在監(jiān)控軟件中，以便進(jìn)行有效的診斷和維護(hù)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)北京博得公司生產(chǎn)的地鐵車輛門控器單元為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出一款基于ARM的地鐵門控器系統(tǒng)模擬測(cè)試平臺(tái)。通過專用模擬測(cè)試板卡模擬列車門的各種信號(hào)，門控器單元處理與分析來控制伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)車門的控制，而上位機(jī)監(jiān)控軟件則實(shí)時(shí)監(jiān)控車門運(yùn)行過程中的信號(hào)、狀態(tài)、運(yùn)行曲線等，保障整個(gè)系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。通過實(shí)際的在軌半實(shí)物仿真模擬測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證了測(cè)試平臺(tái)完全智能化模擬和實(shí)時(shí)故障監(jiān)控、檢測(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行十分穩(wěn)定高效。