李光耀

(呼和浩特鐵路局 科研所，內(nèi)蒙古呼和浩特010051)

機車安全信息綜合監(jiān)測裝置(簡稱TAX)是一種與列車運行安全有關(guān)的檢測設(shè)備，與信息傳輸設(shè)備于一體的信息共享的工作平臺，它集中供電，提供主機多級通信。隨著車載系統(tǒng)信息化以來，一些與機車運行有關(guān)的輔助安全檢測及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備越來越多，如內(nèi)燃機車油耗設(shè)備、軌道動態(tài)檢測設(shè)備、弓網(wǎng)檢測設(shè)備、無線列調(diào)語音錄音設(shè)備等，它們在研究和工作過程中均需要從TAX提取車輛運行數(shù)據(jù)，如時間、公里標(biāo)、速度、車次、車號、主副司機號等信息才能使檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生實際意義。如直接在既有機車上進行研究、試驗不現(xiàn)實，因為系統(tǒng)的開發(fā)周期都相對比較長，機車承擔(dān)著繁重的運輸任務(wù)，在時間上不允許;再者機車上空間比較狹小，電源等供給條件比較單一且取電不方便;若另購置一臺機車安全信息綜合監(jiān)測裝置，價格比較昂貴，另外它本身體積大，移動不方便，鑒于上述原因提出了TAX信息模擬裝置課題，它不僅體積小、移動方便，而且成本相對于機車安全信息綜合監(jiān)控裝置低很多。

據(jù)調(diào)研，目前國內(nèi)外大多專注于機車安全信息綜合監(jiān)測裝置的改進和研究，對于專門為其他項目服務(wù)、針對TAX信息模擬裝置還沒有研究。

1 設(shè)計原理與實現(xiàn)

1.1 總體設(shè)計思想

本裝置主要是模擬TAX的通信記錄單元，通過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)計時考慮到使用方便、穩(wěn)定、數(shù)據(jù)處理速度快、抗干擾性強等原則，在功能設(shè)計上，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

本裝置數(shù)據(jù)傳輸采用RS485通信實現(xiàn)，它主要是負(fù)責(zé)周期的向外發(fā)送信息，時間間隔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、檢測單元代碼、時間、速度、機車信號、機車工況、信號機編號、信號機種類、公里標(biāo)、總重、計長、輛數(shù)、本/補、客/貨、車次、區(qū)段號(交路號)、車站號、司機號、副司機號、機車號、機車型號、列車管壓力、裝置狀態(tài)、備用、校驗和，用MAX485集成模塊實現(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 模擬信息存儲設(shè)計

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存儲器，用于程序代碼和非易失性數(shù)據(jù)存儲，能承受至少20 000個擦寫周期。盡管FLASH存儲器可以每次寫一個字節(jié)，但必須首先擦除整個扇區(qū)。128字節(jié)的扇區(qū)規(guī)模使數(shù)據(jù)更新更加容易，可以不浪費程序存儲器或RAM空間，尤其適于作為通用的非易失性臨時存儲。該128字節(jié)的扇區(qū)在64 k字節(jié)FLASH存儲器中是雙映射的，它的地址范圍從0x00到0x7F，本裝置就利用這個區(qū)域存儲設(shè)定的TAX模擬信息。

每次設(shè)定TAX模擬信息完成后寫入一次FLASH，起始地址為0，共占用72字節(jié);當(dāng)裝置開機時讀取一次FLASH，從地址0開始連續(xù)讀取72字節(jié)。這里需要注意的是寫FLASH存儲器可以清除數(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扇區(qū)(將扇區(qū)內(nèi)的所有字節(jié)設(shè)置為0xFF)，寫、擦除時序由硬件自動控制。

1.4 時鐘電路設(shè)計

(1)系統(tǒng)時鐘

本設(shè)計系統(tǒng)時鐘采用外部振蕩器驅(qū)動電路產(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)實時時間電路

本裝置選擇DS1302芯片運行和保持時間，晶振為32.768 kHz，外配后備電池，在裝置斷電后可以保持時鐘正常運行，為設(shè)備提供實時準(zhǔn)確時間;當(dāng)裝置運行時，每秒讀取一次該時間，經(jīng)分析計算后將年、月、日、時、分、秒按TAX信息中時間格式壓縮成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)送給各檢測單元(或設(shè)備);同時其自帶的31字節(jié)存儲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)時間的設(shè)置。

1.6 軟件設(shè)計

鑒于上述硬件和功能需求，裝置軟件設(shè)計流程如圖5、圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 WHILE(1)循環(huán)流程圖

2 實際應(yīng)用測試

以HTK/L-YHJL-I型內(nèi)燃機車油耗計量儀為測試平臺搭建了測試環(huán)境，需要器材有TAX信息模擬裝置、HTK/L-YHJL-I型內(nèi)燃機車油耗計量儀主板和顯示器、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，開通電源，HTK/L-YHJL-I型內(nèi)燃機車油耗計量儀主板指示燈顯示工作，油耗顯示器的車次、總重和司機號顯示為TAX信息模擬裝置傳輸來的內(nèi)容，整套設(shè)備工作正常，如圖8所示。

圖7 測試平臺

圖8 裝置測試正常圖片

如果要修改各類信息內(nèi)容及系統(tǒng)時間，點擊工作界面中的“修改”按鈕，進入修改界面，如圖9所示，通過觸摸界面右方的數(shù)字按鈕進行所選元素內(nèi)容的修改，通過“↑”、“↓”鍵進行所要修改元素項的選擇，當(dāng)移動圖9(a)中的最后一行“公里標(biāo)”時，再繼續(xù)按“↓”鍵可進入圖9(b)界面繼續(xù)修改其他元素;當(dāng)移動圖9(b)中的最后一行“車站號”時，再繼續(xù)按“↓”鍵可進入圖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時間，自動跳轉(zhuǎn)到工作主界面，如圖8所示，并按照新設(shè)定的內(nèi)容進行工作。

圖9 修改元素界面

經(jīng)過上述測試，說明TAX信息模擬裝置完全符合設(shè)計要求，可以為以后的相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)提供很大方便、節(jié)約大量成本。

3 結(jié)束語

本裝置根據(jù)實際需求而提出立項，為自主研發(fā)設(shè)計。據(jù)調(diào)研全鐵路目前還沒有關(guān)于這方面的研究，一些與機車運行有關(guān)的檢測及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備在研發(fā)和試驗中還是千方百計地從機車的TAX箱獲取數(shù)據(jù)，很不方便且影響了研發(fā)進度，因此對于這些項目的研發(fā)與試驗來說，都急需一套這樣簡單方便的TAX信息模擬裝置。它外形輕巧，使用和移動方便，不僅為相關(guān)項目的研發(fā)、試驗提供了捷徑、降低了研發(fā)成本，而且使項目開發(fā)過程擺脫了機車上狹小空間等局限，縮短項目研發(fā)周期。因此TAX信息模擬裝置在整個鐵路內(nèi)都具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。