摘要：为实时准确地获取后节机车的运行工况信息，保证机车正常安全运行，本文基于ARM技术开发了实时显示系统，用于显示后节各个电机电流、转向架电压、励磁电流等信号，并通过SD卡存储数据。实验及使用结果验证了该系统的可靠性与实时性。
关键词：工况信息；ARM技术；SD卡存储；实时显示
0引言
机车司机室是列车运行操纵的人机界面，里面的设备是机车乃至列车设备的集中反映。司机室规范化设计已经纳入了各型机车的制造，其在设备设置科学性、统筹规划性等方面取得了一定的进步，减轻了司机生理和心理负担，使司机操纵作业更加便利，也更加标准，很大程度上提高了列车运行的安全指数和工作效率。但是，现有机车司机室还存在一定的缺陷。
货运机车运行时，其两节火车头相接共同作为动力单元，则在运行过程中，司机室中的仪表只能以指针的方式显示本节机车的运行工况，不能显示后节机车的运行工况，司机难以得到准确的后节各电机电流、转向架电压、励磁电流等信号，只能凭感觉及经验来对机车进行操纵，有时不能准确地进行作业，这样就埋下了巨大的安全隐患，不利于机车正常运行。
在此情况下，我们研制了电力机车后节工况显示装置，以此来实时准确地获取后节机车的运行工况信息，掌握机车的运行状态，保证机车正常安全运行。
1系统设计思想
图1系统框架图
如图1所示，该系统由六个单元模块组成：供电模块、隔离保护模块、放大电路、微处理器模块、存储模块和显示驱动及数码管。供电模块为整个硬件电路提供电源，信号则从机车传感器直接获取，经过隔离、放大处理后转变成适合处理器的信号，由微处理器对数据进行分析处理，最终送至数码管显示出后节机车的实时运行数据。
（1）供电模块
机车司机室的工作电压一般在110V左右，该装置直接从机车上取电，通过开关电源直接输出DC5V电压，再经LM1117_3.3变换输出DC3.3V电压。
（2）隔离保护模块
隔离保护模块采用高阻抗输入，不影响机车原始工况信号。该模块有电路保护、限幅限流等作用，当装置内部出现故障时，迅速隔断电路，保护装置的核心部分，不影响机车原始工况信号。其中，电流不超过50mA，信号电压不超过15V，电源电压不超过150V。
（3）放大电路
隔离后的信号进入放大电路，转变成适合微处理器自带12位AD采集模块的信号。
（4）微处理器模块
微处理器模块是系统的核心单元，主要负责数据采集，采集速度为50次/秒，同时进行数据的分析及处理，并扩展存储模块。
（5）显示驱动及数码管
因使用数码管较多，则采用显示驱动模块增加CPU的带载能力。
（6）存储模块
将采集到的数据存储到SD卡中，以便后期对该数据进行分析、查找故障原因。
2系统设计
2.1隔离放大模块
图2 隔离放大电路
本系统共有8路这样的隔离保护电路，如图2所示为第1路。F1、F3为自恢复保险丝，F2、F4为保险管，D1为TVS管。TVS管是一种高效能保护器件，当两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏[1]。
运放单元对隔离后的信号进行放大，转变成适合微处理器的信号ADC1_IN0。
2.2 控制模块
图3 微处理器控制电路
图3为微处理器控制电路，主要实现数据采集处理分析以及下载程序功能，通过I2C通信控制驱动模块，通过SWD调试模块下载程序。
微处理器模块是硬件电路的核心部分，包括晶振电路、主控芯片STM32F103以及复位电路组成的最小系统。信号由传感器采集而来，原始数据通STM32F103的片内的AD转换器进行采集并进处理和分析。本系统采集了8路数据信号和1路光照强度信号，并把数据存储在SD卡中。
本系统采用基于ARM Cortex-M3内核设计的STM32F103微控制器，具有以下优势[2]：
（1）最高主频为72 MHz，且内部还可以硬件分频，处理速度快。
（2位数为32位，并有内存保护和浮点运算单元，有较大的数据吞吐量。
（3）可多达112个I/O口，12个通道DMA，2个12位的1μs采样时间的ADC。
（4）可实现低功耗运行，当系统的电压比较低时，也能保持较高处理速度。
2.3驱动电路及数码管
图4 驱动电路及数码管显示
图4所示的驱动模块接收微处理器的控制信号，并通过多个数码管进行不同显示。本装置还具有亮度自动调节功能，随着驾驶室的光线亮度自动调节数码管的亮度，防止观察数据时刺眼；同时兼具低功耗的特点。
2.4存储模块
图5存储单元
如图5所示，芯片将采集到的电机电流、一架二架电压以及励磁电流等数据存储到SD卡中。一旦出现故障可对数据进行分析，以便发现故障原因利于后期维护。
3试验与调试
如图6所示现场试验调试时，将电力机车后节工况显示装置接通电源，并将信号线与直流稳压电源接通，通过直流稳压电源给予该装置电压信号，并适当调节其大小，观察后节工况显示装置显示面板的显示信息。该装置可以在线实时采集后节机车各电机电流、一架二架电压、励磁电流等信息，并将采集处理后的信息持续迅速地传输至本节司机室。
经测试表明该装置通用兼容性强，可以兼容所有电力机车。
图6 装置调试
4总结
电力机车后节工况装置可以在线实时采集后节机车相应信息，并将采集处理后的信息持续迅速地传输至本节司机室，并用数码管显示信息，精确易读并可智能调节其亮度，为司机提供准确数据以便进行操作判断，减少隐患。另外，该装置简单易于安装，传输速度快。
司机室及机车设备的进一步完善，在机车的日常安全运行中起到了关键作用。该装置体积小、重量轻，通过机车的既有接口可以方便的显示后节工况信息，解决生产实际难题，保障机车行车安全，此装置适合机车操纵需要。
参考文献：
[1]TVS管的特性与工作原理[EB/OL].与非网，引用日期2015-11-16.
[2]喻金钱，喻斌.STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器开发与应用[M].北京：清华大学出版社，2011：243-257.
作者简介：
崔培（1988-），女，助教，硕士研究生，研究方向电气工程。
河北省教育科学研究“十三五”规划课题（1803107）：赛教融合在盾构专业教学中的实践研究
论文作者:崔培1,成巍坤2,王晓芸1,陈腾1,于伟彪1
论文发表刊物:《电力设备》2018年第35期
论文发表时间:2019/5/27
标签：机车论文; 模块论文; 工况论文; 信号论文; 微处理器论文; 装置论文; 电路论文; 《电力设备》2018年第35期论文;