張玉石，孫佳隆，朱波

（青島杰瑞工控技術(shù)有限公司，山東青島，266061）

0 引言

國內(nèi)高鐵列車飛速發(fā)展，截止2020 年末，高速鐵路網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)突破3.79 萬公里[1]。北起佳木斯南至海南島均已實(shí)現(xiàn)高鐵覆蓋。不僅空間跨度大，溫度跨度同樣很大。據(jù)相關(guān)報(bào)道，國內(nèi)最北端到最南端的最大溫度差接近40 攝氏度[2]。由于過大的環(huán)境溫度差會導(dǎo)致車載電子元器件性能降低甚至損壞。而且，高鐵作為中國的一張科技名片正在加速走向世界。高鐵動車作為智能高速運(yùn)載工具，裝備有近2000 個智能傳感器。為了提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，部分智能檢測設(shè)備被安裝布置于車廂外側(cè)，尤其是高鐵中的近場車載智能檢測單元。此類精密智能電子檢測設(shè)備對工作環(huán)境溫度要求嚴(yán)苛，卻又無溫度調(diào)節(jié)保護(hù)。因此，高鐵如果要在世界各地安全、可靠的運(yùn)行，首先需要克服的就是環(huán)境溫度問題。

目前，高鐵列車內(nèi)的核心電子器件是通過車載空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)[3]。但是在車輛啟動的很長一段時間內(nèi)，車輛無法正常運(yùn)行，必須待室內(nèi)溫度及電氣件溫度升高到許用溫度后才能允許車輛開動。而車廂外的精密智能檢測單元則需要外圍保障設(shè)備對環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償。傳統(tǒng)的方法是將待啟動車輛拖拽至恒溫室，待車輛整體的溫度升高至許用溫度范圍內(nèi)時，才允許啟動機(jī)車。當(dāng)前溫控方法具有操作難度大、維護(hù)設(shè)備復(fù)雜、能量浪費(fèi)嚴(yán)重、施工難度高的特點(diǎn)，并且無法形成模塊化、產(chǎn)品化的功能系統(tǒng)。更為重要的是，以維護(hù)基地或服務(wù)站的方式嚴(yán)重增大了維護(hù)負(fù)擔(dān)，而且限制了車輛的開動效率。因此，研究高鐵列車的寬溫控制技術(shù)，并形成一種可車載的寬溫控制方法非常必要，而且對于節(jié)約能源、高鐵列車運(yùn)行的安全性及可靠性的提高、高鐵開動效率的提高具有重要意義。

1 寬溫控制架構(gòu)

寬溫控制方法是以STM32 單片機(jī)為控制中心，溫度檢測傳感器為檢測單元，風(fēng)扇及加熱器為執(zhí)行單元的車載設(shè)備寬溫控制系統(tǒng)?？刂圃頌橥ㄟ^溫度檢測手段，以加熱器及風(fēng)扇為執(zhí)行單元，進(jìn)而將車載設(shè)備的運(yùn)行溫度控制在許用溫度范圍內(nèi)。

從圖1 中可以看出STM32 為控制及信息采集中心，主要完成溫度的檢測、加熱器及車載風(fēng)扇的運(yùn)行控制。在具體運(yùn)行過程中，STM32 控制器首先檢測環(huán)境溫度。當(dāng)檢測溫度低于最低允許運(yùn)行值時，加熱器開啟并進(jìn)行溫度實(shí)時檢測。當(dāng)溫度到達(dá)允許開機(jī)溫度時，車載控制單元開機(jī)運(yùn)行。當(dāng)車載控制單元的運(yùn)行溫度達(dá)到最佳運(yùn)行溫度值時，將停止加熱。反之，當(dāng)運(yùn)行溫度高于許用溫度時，車載風(fēng)扇將會打開，進(jìn)而執(zhí)行降溫控制流程，直至溫度回歸許用溫度值。

圖1 寬溫控制架構(gòu)圖

2 寬溫控制方法

寬溫控制方法為主動溫度控制方法，通過對運(yùn)行環(huán)境溫度的檢測及調(diào)節(jié)，目的是為車載精密智能電子檢測單元的可靠運(yùn)行提供溫度保障。寬溫控制方法主要包括：溫度檢測單元、升溫單元、降溫單元。

■2.1 溫度檢測單元

溫度檢測單元為系統(tǒng)的智能感知單元，通過傳感器檢測環(huán)境溫度，進(jìn)而為溫度控制提供決策依據(jù)。溫度檢測傳感器采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。其數(shù)據(jù)的讀取只需要一根串口線。物理接口為RS232，由于STM32 板載了2 個RS232 通信接口，因此可方便的與數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度讀取。

在程序設(shè)計(jì)時，只需要初始化STM32 的串口通信，實(shí)時讀取串口數(shù)據(jù)并處理后得到環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)智能溫度檢測。

圖2 寬溫控制電路

■2.2 升溫單元

升溫單元主要由加熱器及控制單元組成。同時，加熱器為車載寬溫控制器的末端執(zhí)行器之一。當(dāng)溫度傳感器檢測到環(huán)境溫度低于車載精密智能電子檢測單元的許用開機(jī)溫度時，將不為車載單元供電而是先打開加熱器，將環(huán)境溫度升至車載單元的最佳工作溫度。然后接通車載單元電源并實(shí)現(xiàn)開機(jī)。由于STM32 引腳輸出為3.3V,無法直接驅(qū)動加熱器，因此，可加裝固態(tài)繼電器。STM32 輸出引腳控制固態(tài)繼電器吸合，進(jìn)而為加熱器接通電源，實(shí)現(xiàn)加熱。當(dāng)溫度達(dá)到最佳工作溫度時，STM32 控制固態(tài)繼電器斷開，將停止加熱。

在程序設(shè)計(jì)時，只需要初始化引腳為下拉輸出，通過位操作控制引腳為“0”或“1”，即控制引腳為低電平或高電平，進(jìn)而控制加熱器的接通和斷開。

■2.3 降溫單元

降溫單元主要由車載風(fēng)扇及控制單元組成。同時，車載風(fēng)扇為車載寬溫控制器的末端執(zhí)行器之一。當(dāng)溫度傳感器檢測到環(huán)境溫度高于車載精密智能電子檢測單元的最佳工作溫度時，將接通車載風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)散熱。同理，由于STM32 引腳輸出為3.3V,無法直接驅(qū)動車載風(fēng)扇散熱，因此，可加裝固態(tài)繼電器。STM32 輸出引腳控制固態(tài)繼電器吸合，進(jìn)而為車載風(fēng)扇接通電源，實(shí)現(xiàn)散熱。當(dāng)溫度達(dá)到最佳工作溫度時，STM32 引腳輸出為0V，控制固態(tài)繼電器斷開，將停止散熱。

在程序設(shè)計(jì)時，只需要初始化引腳為下拉輸出，通過位操作控制引腳為“0”或“1”，即可控制引腳為低電平或高電平。進(jìn)而控制車載風(fēng)扇的接通和斷開。

■2.4 操作站

操作站為人機(jī)交互中心，可通過觸摸屏控制設(shè)備的啟動、停止、故障查看等。操作站與STM32 之間通過總線通信，可將控制命令實(shí)時發(fā)送至STM32。同時觸摸屏可將系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并形成數(shù)據(jù)報(bào)表，方便操作及監(jiān)控查詢。

車載操作站采用80 并口通信協(xié)議與STM32 進(jìn)行控制信號交互。采用并口通信方式，數(shù)據(jù)在同一時間既可以上傳也可以下達(dá)，因此大大提高了通信的控制速率。其中，加熱器及風(fēng)冷控制采用BOOL 量進(jìn)行通信，溫度值采用WORD類型。通信數(shù)據(jù)存儲于通信數(shù)據(jù)緩存器，可通過程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲并形成報(bào)表。進(jìn)而為設(shè)備的智能控制決策提供依據(jù)。

圖3 車載設(shè)備溫度控制系統(tǒng)操作站界面

點(diǎn)擊加熱控制可手動打開加熱器，此時操作狀態(tài)欄顯示正在加熱，并且溫度儀表數(shù)值開始上升。再次點(diǎn)擊加熱控制可手動關(guān)閉加熱器，此時操作狀態(tài)欄顯示已停止加熱，并且溫度儀表數(shù)值穩(wěn)定。點(diǎn)擊風(fēng)冷控制可手動打開車載風(fēng)扇，此時操作狀態(tài)欄顯示正在冷卻，并且溫度儀表數(shù)值下降。再次點(diǎn)擊風(fēng)冷控制可手動關(guān)閉車載風(fēng)扇，此時操作狀態(tài)欄顯示已關(guān)閉冷卻，并且溫度儀表數(shù)值穩(wěn)定。當(dāng)環(huán)境溫度在許用溫度范圍內(nèi)時，頂部狀態(tài)開關(guān)將亮綠燈，此時可接通車載控制單元開機(jī)。當(dāng)有錯誤發(fā)生時，頂部報(bào)警燈將亮起，提示檢查操作并更改。

3 總結(jié)

車載設(shè)備寬溫控制方法是高鐵動車車載設(shè)備的一種有效環(huán)境溫度控制方法?？捎行ПＵ细哞F列車核心設(shè)備在寬溫條件下的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。本研究提出：通過以數(shù)字溫度傳感器DS18B20 為溫度檢測方法，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的實(shí)時監(jiān)測；通過以加熱器作為升溫方法，實(shí)現(xiàn)低溫運(yùn)行條件下的溫度提升，進(jìn)而保障車載設(shè)備在低溫條件下的穩(wěn)定可靠運(yùn)行；通過以車載風(fēng)扇為降溫單元，實(shí)現(xiàn)高溫運(yùn)行條件下的溫度降低，進(jìn)而保障了車載設(shè)備在高溫條件下的可靠運(yùn)行。需要指出的是，本研究為高鐵列車車載精密智能電子檢測單元的溫度控制提供一種方法，并且在其他溫度控制領(lǐng)域同樣具有指導(dǎo)意義。