朱雨恒，朱菊香，權(quán)海洋

（1.南京信息工程大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇南京，210044 ；2.無錫學(xué)院 軌道交通學(xué)院，江蘇無錫，214105）

0 引言

城市軌道交通作為我國綜合交通體系的重要組成部分，對人們的出行、完善運輸體系有著至關(guān)重要的作用。隨著國內(nèi)軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，隨之而來的就是逐年升高的發(fā)車密度與軌道車輛安全性能的不斷要求。因此，對于與行車安全密切相關(guān)的制動系統(tǒng)就有了更高的要求[1]。

中繼閥作為制動系統(tǒng)內(nèi)部重要的一環(huán)，它是實現(xiàn)電空轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵[2]。我國的軌道車輛性能測試技術(shù)相對于國外起步較晚。目前，國內(nèi)對中繼閥的測試研發(fā)一般還停留在人工測試或者半自動化測試。1982 年鐵道部科技局在沈陽機車車輛段配件工廠就JZ-7 型機車制動機試驗臺進行了技術(shù)鑒定，并認定可以推廣使用，這是我國首次有了專業(yè)的檢測裝置臺[4]。近些年，國內(nèi)學(xué)者對中繼閥的研究也有了不斷地深入。王學(xué)影、陳勇飛等人通過 PCI-1711 采集板卡和Labview 軟件設(shè)計出的性能 檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了中繼閥的性能測試[5]。巨子琪、王樂等人針對傳統(tǒng)制動閥進行了進一步的改進，將人工的手動閥控制改為電磁閥控制，優(yōu)化后可以使試驗臺的控制變得更加靈活[6]。

本文針對于中繼閥檢測的嚴格要求，為了簡化測試要求，設(shè)計并驗證了中繼閥自動化檢測控制板與測試系統(tǒng)，將信號采集，控制命令，數(shù)據(jù)處理相融合，簡化了中繼閥測試流程的復(fù)雜性。

1 中繼閥控制板卡組成

■1.1 控制板總體框圖

中繼閥制動系統(tǒng)的控制板總體設(shè)計框圖如圖1 所示。

板卡由傳感器信號采集、信號處理、USB 通信接口、DAC 模擬信號輸出、多路繼電器控制、雙路PWΜ 脈寬調(diào)制輸出、電源供電模塊以及雙控制器核心電路組成。傳感器信號采集處理模塊主要用來對中繼閥試驗臺上面的6 路傳感器信號進行采集處理量化編碼；USB 串口通信模塊用來完成板卡與其它設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸[7]；DAC 模擬輸出模塊用來模擬輸出1～5V 的控制電壓從而控制試驗臺比例閥的壓力值；多路繼電器模塊用來控制試驗臺所需要的電磁閥的開閉；雙路PWΜ 脈寬調(diào)制模塊用來控制PWΜ 型電磁閥的關(guān)斷量；電源用來對整個系統(tǒng)進行供電；核心控制電路由用來協(xié)調(diào)各個模塊的運行，輸出所需要的控制命令信號。

■1.2 傳感器信號采集電路

本模塊是用來對壓力傳感器模塊的輸出信號進行采集轉(zhuǎn)換，所采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為AD7606，支持8 路信號的采集，對儀表放大器的輸出電壓進行轉(zhuǎn)換，輸入輸出特性如下所示：

式中：Vout表示儀表放大器輸出的電壓信號，UADC表示ADC 的參考電壓，位數(shù)為N，測量量為D1。

設(shè)計模塊擁有完善的集成的數(shù)據(jù)采集解決方案，并且防止電路輸入出錯，內(nèi)部提供了模擬輸入鉗位保護，輸入內(nèi)部鉗位，使芯片最大能耐受采樣信號電平為±16.5V，其內(nèi)部具有抗混疊模擬濾波器，可有效濾除干擾信號，可采用單電源的工作方式且無需驅(qū)動運算放大器和外部雙極性電源，通過數(shù)字濾波器提供采樣功能，具體的接口模式可通過引腳來

表1 接口模式選擇

在如圖2 所示的電路圖中，串行選擇時只焊接R9 電阻即可，反之只焊接R3 電阻。即將芯片上的PAR#引腳和GND 相連時為并行輸出，可通過內(nèi)部選通CS#和RD#輸入信號。當需要選擇串行工作模式時，則需將此引腳和高電平相連，然后通過CS#和SCLK 輸入信號。該模塊可選擇是否使用芯片內(nèi)部的基準電壓，在本設(shè)計中將REF SELECT引腳接高電平即表示使用AD7606 芯片內(nèi)部基準電壓。

圖2 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)過初步采集轉(zhuǎn)換之后壓力傳感器輸出的信號一般都很微弱，同時由于集成電路的設(shè)計以及對外部環(huán)境都會形成一定的干擾信號,其輸出信息也很易受到噪音影響，也因此使得在集成電路中會形成混疊現(xiàn)象，故需要對信號進行增強。所以本設(shè)計中在其信號輸入的部分進行了二階RC 低通濾波設(shè)計，RC 低通濾波電路是開關(guān)電源中常見的濾波電路，本設(shè)計中的RC 濾波電路是使輸入的高頻信號進行衰減，從而保證低頻信號能夠穩(wěn)定的通過，二階RC 低通濾波電路相對于比一階信號濾波器電路來說,它對同頻帶的高頻信號有著更良好的抑制能力和過濾效率。它工作的截止頻率與一階RC 低通濾波電路的工作截止頻率一樣高,其工作截止頻率的計算公式如下所示：

通過此A/D 轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計可以有效的為單片機提供壓力信息，從而實現(xiàn)對采集信號的進一步處理。

■1.3 比例閥、電磁閥控制電路

設(shè)計需要控制10 路繼電器的開關(guān)，用來對制動系統(tǒng)中的多路開關(guān)型電磁閥進行控制，在設(shè)計中加入雙向光耦隔離，經(jīng)打板驗證可以支持高低電平觸發(fā)方式，采用ULN2803 作為驅(qū)動芯片，相比與一個三極管的電流放大倍數(shù)大了很多，提高了電流驅(qū)動能力，其中一路控制模塊如圖3 所示。

圖3 電磁閥驅(qū)動模塊

對比例閥的控制中，該模塊設(shè)計用于傳遞轉(zhuǎn)換單片機的輸出指令信號，從而模擬制動命令，設(shè)計主要采用了DAC7512 芯片，使其能夠輸出0～5V 的電壓，需給其提供5V 基準電壓，在測試過程中基準電壓芯片往往會略低于5V，故本設(shè)計直接替換為78L05 提供基準電壓，經(jīng)最后測試整體模塊輸出可達5V，其控制電路如圖4 所示。

圖4 比例閥驅(qū)動模塊

■1.4 主控電路

主控電路由兩塊控制芯片組成，控制板卡 STΜ32F429完成對系統(tǒng)中多 路電磁閥控制以及控制 DAC8552 輸出 0～5V 電壓完成對 SΜC 電氣比例閥控制。采集 板卡STΜ32F407 通過 ADI 公司的多通道采集芯片 AD7606，將6 路 1～5V 壓力傳感器輸出的壓力數(shù)據(jù)發(fā)送給控制板卡，保障了系統(tǒng)實時性。 此外，采集板卡在系統(tǒng)中需要計算不同測試 階段各個壓力氣缸達到氣壓穩(wěn)定所需要的 時間以及通過指示燈表征系統(tǒng)正常運行和異常運行狀態(tài)。雙控制器之間使用CAN 總線協(xié)議完成信息交互，確保信息傳輸過程中不發(fā)生丟包丟幀現(xiàn)象。

圖5 脈寬調(diào)制模塊

■1.5 PWM 型電磁閥驅(qū)動設(shè)計

采用快速關(guān)斷ΜOS 管進行電磁閥脈寬的輸出控制，通過一個三極管以及光耦隔離從而驅(qū)動ΜOS 管對應(yīng)的導(dǎo)通程度，從而控制電路的輸出電壓進一步控制PWΜ 型電磁閥的開閉大小。

2 測試流程設(shè)計

試驗臺的測試系統(tǒng)軟件設(shè)計平臺使用的是Keil5,系統(tǒng)測試的流程如圖6 所示。在試驗臺電氣連接成功之后開啟空壓機給試驗臺供氣，再分別選擇所需要進行的性能測試實驗，對對應(yīng)的電磁閥、比例閥進行開關(guān)或者脈寬調(diào)節(jié)控制，在完成一個測試實驗之后記錄實驗結(jié)果并切換到下一個實驗。

圖6 氣壓監(jiān)測流程圖

3 測試與驗證結(jié)果分析

借助于中繼閥機械部件的搭配，結(jié)合所設(shè)計的控制板進行測試驗證，設(shè)計的控制板可以達到測試所需的自動化檢測要求，滿足整體試驗臺的性能指標，其控制板如圖7 所示。

圖7 控制板實物圖

■3.1 常規(guī)制動測試

通過控制命令使試驗臺上面的緊急制動閥，然后SV、RV 閥依次得電，記錄得電后BC 壓力傳感器數(shù)據(jù)從0 上升到590kPa 的時間，數(shù)據(jù)記錄如表2 所示。

表2 常規(guī)制動記錄表

■3.2 緊急制動測試

通過控制命令使試驗臺上面的緊急制動閥，然后SV、RV 閥依次失電，記錄得電后BC 壓力傳感器數(shù)據(jù)從0 上升到590kPa 的時間，數(shù)據(jù)記錄如表3 所示。

表3 緊急制動記錄表

4 結(jié)論

本文以ARΜ 控制器為控制核心，以中繼閥機械試驗臺為平臺，通過一系列的實驗與論證。結(jié)果表明控制板的設(shè)計有效融合了試驗臺的控制需求，具有結(jié)構(gòu)簡單合理，性能可靠等優(yōu)點。多通道采集辦卡配合高精度壓力傳感器以及雙控制器的設(shè)計改變了試驗臺的手動操作，大大降低了對實驗人員的操作要求，實現(xiàn)了對中繼閥實驗平臺的自動化性能檢測。在軌道交通的領(lǐng)域中有一定的參考價值。

雖然本設(shè)計實現(xiàn)了中繼閥自動化測試試驗臺控制板的設(shè)計，但由于技術(shù)知識水平的局限性，所設(shè)計的控制板的集成度還不夠高，下一步考慮將最小系統(tǒng)板去除，直接將控制芯片設(shè)計在底板上面，去除插件模塊，以及對數(shù)據(jù)處理的軟件算法進行進一步改進。