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(guó)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(wàn)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(guó)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(huì)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(guó)的一張科技名片正在加速走向世界。高鐵動(dòng)車作為智能高速運(yùn)載工具，裝備有近2000 個(gè)智能傳感器。為了提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，部分智能檢測(cè)設(shè)備被安裝布置于車廂外側(cè)，尤其是高鐵中的近場(chǎng)車載智能檢測(cè)單元。此類精密智能電子檢測(cè)設(shè)備對(duì)工作環(huán)境溫度要求嚴(yán)苛，卻又無(wú)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(dòng)的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，車輛無(wú)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(dòng)。而車廂外的精密智能檢測(cè)單元?jiǎng)t需要外圍保障設(shè)備對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償。傳統(tǒng)的方法是將待啟動(dòng)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(shí)，才允許啟動(dòng)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(wú)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(cè)傳感器為檢測(cè)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(cè)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(cè)、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(cè)環(huán)境溫度。當(dāng)檢測(cè)溫度低于最低允許運(yùn)行值時(shí)，加熱器開啟并進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)。當(dāng)溫度到達(dá)允許開機(jī)溫度時(shí)，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(shí)，將停止加熱。反之，當(dāng)運(yùn)行溫度高于許用溫度時(shí)，車載風(fēng)扇將會(huì)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(dòng)溫度控制方法，通過對(duì)運(yùn)行環(huán)境溫度的檢測(cè)及調(diào)節(jié)，目的是為車載精密智能電子檢測(cè)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(cè)單元、升溫單元、降溫單元。

■2.1 溫度檢測(cè)單元

溫度檢測(cè)單元為系統(tǒng)的智能感知單元，通過傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度，進(jìn)而為溫度控制提供決策依據(jù)。溫度檢測(cè)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(gè)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(shí)，只需要初始化STM32 的串口通信，實(shí)時(shí)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(cè)。

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(shí)，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(cè)到環(huán)境溫度低于車載精密智能電子檢測(cè)單元的許用開機(jī)溫度時(shí)，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(wú)法直接驅(qū)動(dòng)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(shí)，STM32 控制固態(tài)繼電器斷開，將停止加熱。

在程序設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)，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(cè)到環(huán)境溫度高于車載精密智能電子檢測(cè)單元的最佳工作溫度時(shí)，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(wú)法直接驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(dòng)、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(shí)發(fā)送至STM32。同時(shí)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(hào)交互。采用并口通信方式，數(shù)據(jù)在同一時(shí)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(chǔ)于通信數(shù)據(jù)緩存器，可通過程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)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(dòng)打開加熱器，此時(shí)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(dòng)關(guān)閉加熱器，此時(shí)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(dòng)打開車載風(fēng)扇，此時(shí)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(dòng)關(guān)閉車載風(fēng)扇，此時(shí)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(shí)，頂部狀態(tài)開關(guān)將亮綠燈，此時(shí)可接通車載控制單元開機(jī)。當(dāng)有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，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(dòng)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(cè)方法，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；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(cè)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。