基于C8051F的列车制动智能监控系统设计

摘 要：本文针对机车运行过程中可能出现的制动故障，设计了一种以C8051F005单片机为核心控制器的列车制动监控系统，并给出了系统的总体结构、硬件组成及软件功能框图。此系统能对制动机进行实时监测、状态分析、故障报警与排除，从而保证列车安全稳定的运行，具有很好的经济效益和应用前景。关键词：列车 制动 C8051F005 监控Abstract: Aim at the braking fault in the course of locomotive moving, this paper puts forward a smart locomotive monitor-control system using C8051F005 as central microprocessor, proposes the main structure, hardware construction and software function flow chart of the system. Through real-time inspect, state analyze, fault alarm and release, the running safety of locomotive can be assured and it has great economic efficiency and application foreground.Key words: Locomotive, Brake, C8051F005, Monitor-control1 引言　　铁路运输至今仍然是我国客、货运输的命脉。随着我国综合国力的提高以及运输业的迅猛发展对铁路的安全性要求也越来越高。而列车行车安全作为铁路运输的重中之重，是以列车制动系统的稳定、可靠、正确运行为保证的。目前我国列车已多次提速，提速后的列车对制动系统的稳定性、可靠性提出了更加严格的要求。如果行车中制动系统出现故障或存在隐患，而不能被及时发现和处理，将直接危及车辆、旅客和物资的安全，造成重大损失。另外国内在自行研制列车制动机故障监控装置方面还是空白，虽然有引进国外的类似装置，但是使用范围受限。因此设计一套列车制动机故障监控系统来提高列车运行的可靠性至关重要。　　我们针对制动系统的工作原理，经过多方面调研设计出一种基于C8051F单片机的客列车制动故障智能监控系统，该系统不但能对制动系统进行实时监测、对制动故障进行报警，还可自动排除故障，最大程度地减少制动故障的发生;同时可以对列车制动系统长期运行的状态数据进行采集、存储，以用于分析，达到及时发现故障隐患，帮助相关技术人员了解制动系统性能、分析故障产生原因并进行处理，从而保证列车安全稳定的运行。2 智能监控系统总体结构　　整个智能监控系统主要由主机、子机、地面数据库及专家分析系统组成，如图1所示。主机系统具有良好的人机界面，可供乘务人员随时查询各个车厢的情况。地面数据库及专家分析系统与主机之间通过IC卡进行数据交换，子机与主机之间通过RS485总线进行网络通信。子机系统由传感器、控制阀、通信模块、存储器以及人机接口等部分组成，通过对制动管和制动缸的空气压力进行实时检测，将采集值与标定值进行比较，从而判断是否出现制动故障，以及故障类型，并可将故障信息存储，以备地面专家系统进行分析和处理。[align=center]图1 智能监控系统总体结构图[/align]3 智能监控系统硬件设计　　3.1 微处理器的选择　　本系统中的主机和子机均采用Cygnal公司出品的性能强大的混合信号系统级芯片C8051F005型单片机。选择这种单片机，主要考虑以下几点：　　1、列车制动时，制动管及制动缸的压力变化非常快，监视这两路压力变化的过程要求采样速率小于1/100s，且制动压力范围大，因此需要12位A/D，该单片机内置多通道12位A/D，转换速率为100Ksps，完全满足实际需求。　　2、该单片机具有2K字节的间址RAM和256直址RAM、32KFLASH程序存储器、多个I/O口、电源电压监视、专用看门狗和多个定时器/计数器等功能，这样可直接连接IC卡、显示及键盘电路，从而减少外围电路，提高整体电路的可靠性。　　3、该单片机具有内置的两路带回差的模拟比较器可方便的用于列车启动自动唤醒。　　4、列车制动系统中两路压力变化速度快，要求计算压力的上升和下降速度，计算工作量大，实时性要求高，而C8051F005单片机采用流水线指令结构，70%指令执行时间为一个或两个系统时钟周期，使用25MHz主频，指令周期平均执行时间只有0.1μs，可以很好地满足系统速度快、精度高的要求。　　基于以上原因本系统采用C8051F005作为核心控制器。　　3.2主机系统硬件结构　　主机系统硬件结构如图2所示。　　主机配置了汉字显示屏、操作灵活方便的设置查询键、日时钟电路、状态指示与报警电路以及支持热插拔的RS485接口。当需要查询制动系统状态时，可将主机与任一车厢的子机RS485接口连接，通过网络查询任意车厢中子机采集的制动系统实时状态及已记录的状态信息。　　主机中还配置了8M位E2PROM和8M位IC卡，用于存储子机所采集的各车厢制动故障信息，并可由乘务人员提取这些信息到终点站进行地面分析。当某台子机将制动故障信息传来时，主机会立即中断一切操作并显示子机传来的信息。主机还可以向多台子机发布广播命令，如设置所有子机日时钟，保持与主机日时钟一致，这样可以保证多台子机传送的故障记录信息进行分析时结果更准确、可靠。[align=center]　图2 主机系统硬件结构图[/align]　　3.3 子机系统硬件结构　　子机主要完成实时数据采集、存储、报警、故障排除以及联网通信等多种功能，是本系统中的关键部分。系统中通过两路压力传感器和一路温度传感器实时采集制动管和制动缸的压力及环境温度，其中测量的温度用于压力传感器的非线性补偿。并根据当前测量的压力值及其变化速度分析判断制动系统的工作状态，监视列车启动、紧急制动、正常停车制动、停车保压等全过程，经过计算分析可判断出不缓解、不制动、制动灵敏度差、制动保压泄露、缓解过程时间过长及灵敏度差、无紧急制动等故障类型，故障类型不同子机会伴有相应的声光报警。当判断出列车制动系统不缓解时，在报警同时打开排风阀进行故障排除，同时检测缓解状态，若经过几个工序处理故障排除后则解除报警，否则等待维修人员处理后解除报警。子机还同时将压力值、压力上升、下降速度和故障类型、故障发生时间、故障解除时间等信息保存到E2PROM中，以便将以上信息实时传给主机。[align=center]图3 子机系统硬件结构图[/align]　　3.4 系统抗干扰措施　　为了提高整个系统的可靠性，软硬件均采取了相应保护措施。硬件上除具备一般的抗干扰技术外，在整个系统各个输入输出端口均采用了光电隔离，电源及外部连接端口设计了浪涌吸收电路，进行防雷击和瞬时电压保护，并且系统使用内外两个看门狗以监视电压和程序的运行。软件设计则采用冗余、防陷阱等技术。4 系统软件功能设计　　系统软件功能框图如图4所示。系统经过初始化自检后，进入键盘扫描与处理状态，根据各键值的不同来完成系统时间调整、压力速度切换显示、写IC卡以及系统启动等功能，当系统启动后，可以根据采集的压力、温度值进行故障判断、分析、报警、排除以及信息存储等处理。[align=center]图4 软件功能框图[/align]5 结束语　　该列车制动机故障智能监控系统已经过全面测试和试验。本系统与目前国内正在使用的其他同类系统相比具有很大的优越性。不仅检测结果准确可靠，而且具有监测、记录、报警和故障排除的功能，同时实时性和精度符合铁道部部颁标准，目前该装置已经通过鉴定，可以从技术上确保了机车的安全稳定运行，具有较好的经济效益和应用前景。项目的经济效益：　　经过广泛调研，发现单以准高速客车为例，如果制动系统出现故障，甩车一天修理，仅就一辆客车计算，满员76人，以一天9个单程，85%的上座率，每人次75元票费，检修费2400元计算，直接损失就高达4.6万元，若采用本系统，就能及时地发现行车时制动系统发生的故障，并报警排除，极大程度地减少故障发生率，因此可以产生较高的经济效益。本文作者创新点:　　本文提出一种采用C8051F005单片机为核心控制器的新型列车制动故障监控系统，不但能对制动系统进行实时监测、对制动故障进行报警，对列车制动系统长期运行的状态数据进行采集、存储、分析，而且可以及时发现故障隐患、自动排除故障。该系统作为河北工业大学科研课题“制控系统监控装置研究”（项目编号613007）的研究成果，已经通过鉴定，系统的实时性和精度均达到铁道行业标准。该系统的研制成功填补了制动机故障监控装置设计的空白，在技术上确保机车的安全稳定运行，具有很好的社会经济效益和应用前景。参考文献：　　[1] 潘琢金，施国君.C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用.北京航空航天大学出版社，2002　　[2] 刘教瑜，周游.基于自适应PID控制的多孔陶瓷透气度测试系统的设计[J].微计算机信息，2006，4-1：121-123　　[3] 余先涛，陈亭志，莫易敏.机车单元制动器工况监测系统的研制，内燃机车，2004，11：16-17，43　　[4] 何立民.MCS-51 系列单片机系统设计系统配置与接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，1990　　[5] 周航慈.单片机应用程序设计技术（修订版）.北京：北京航空航天大学出版社，2000