余欲為，武青海，田永成，譚 杰

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)十分復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，涉及各種機(jī)械、電子電氣、氣動(dòng)零部件。為了保證制動(dòng)系統(tǒng)的安全可靠，各零部件都要通過嚴(yán)格的檢驗(yàn)才能組裝、使用，因此對相應(yīng)的試驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)備提出了很高的要求。同時(shí)，由于制動(dòng)系統(tǒng)由大量的零部件組成，需要的試驗(yàn)設(shè)備種類繁多。

從試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以將試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)分為被測件工裝及試驗(yàn)臺外形設(shè)計(jì)、氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)需充分考慮通用設(shè)計(jì)，以提高設(shè)計(jì)效率，兼顧可維護(hù)性和美觀。

1 被測件工裝及外形設(shè)計(jì)

對于生產(chǎn)和檢修用試驗(yàn)臺，工裝應(yīng)盡可能地設(shè)計(jì)成簡單、快速裝卡裝置，可以大大提高生產(chǎn)效率。對于多種被測件的，可用多種轉(zhuǎn)換板做中間過渡。外形設(shè)計(jì)則在保證實(shí)現(xiàn)全部功能的前提下，有效利用空間，簡化、優(yōu)化、美觀化設(shè)計(jì)。

2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原理設(shè)計(jì)、氣動(dòng)零部件選型設(shè)計(jì)應(yīng)滿足被測件試驗(yàn)要求和精度要求；對于有快速試驗(yàn)性能要求者，傳感器測點(diǎn)設(shè)計(jì)位置盡可能接近動(dòng)態(tài)變化點(diǎn)；

通過測量時(shí)間來測量流量或容積，設(shè)計(jì)時(shí)注意測量點(diǎn)處總?cè)莘e的控制，同時(shí)也要注意彎頭、快插等影響效率的管件運(yùn)用；通過測量壓差來測漏時(shí)，采取適當(dāng)措施消除鄰近管路影響。

3 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件總體設(shè)計(jì)

通用微機(jī)沒有測控接口，需要擴(kuò)展。在開發(fā)高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件試驗(yàn)臺時(shí)，用C8051F020單片機(jī)開發(fā)出一個(gè)通用測控系統(tǒng)（下位機(jī)），上位工控機(jī)與下位機(jī)用RS232連接。計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、測控系統(tǒng)、數(shù)顯表、傳感器、開關(guān)量輸入和輸出等組成。這套系統(tǒng)通用性較強(qiáng)，所有試驗(yàn)臺均適應(yīng)。大大提高了設(shè)計(jì)效率。原理框圖如圖1所示。

上位工控機(jī)通過RS232收發(fā)數(shù)據(jù)和命令、存儲數(shù)據(jù)、人機(jī)交互、自動(dòng)控制程序支持。下位機(jī)提供模擬量輸入輸出、開關(guān)量輸入輸出、頻率量輸入輸出等模塊。也可提供自動(dòng)控制程序支持。測控系統(tǒng)測量壓力值和當(dāng)前狀態(tài)分別通過RS232傳送給計(jì)算機(jī)、通過RS485傳送給數(shù)顯表。檢測按鈕根據(jù)需要控制電磁閥的開關(guān)。

圖1 計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)原理框圖

3.2 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）壓力傳感器選型設(shè)計(jì)

采用GE壓力傳感器，DC24V供電，4～20mA電流輸出，G1／4″內(nèi)螺紋連接。經(jīng)信號轉(zhuǎn)換到單片機(jī)AD端。嵌入式系統(tǒng)將采集到的數(shù)字信號上傳計(jì)算機(jī)，下傳數(shù)字顯示表。

（2）開關(guān)輸出量

采用并口數(shù)字輸出，用于控制電磁閥、繼電器等。工作電壓DC24V，工作電流0.7A，計(jì)40路。設(shè)計(jì)為每組為8路的驅(qū)動(dòng)板，可根據(jù)需要安裝任意組。

（3）開關(guān)輸入量

鍵盤輸入可用于開關(guān)量的手動(dòng)控制或做小型鍵盤輸入信息。失電時(shí)按動(dòng)按鈕則得電，得電時(shí)按動(dòng)按鈕則失電?？捎糜?jì)算機(jī)自動(dòng)控制或人工手動(dòng)控制。選用無鎖帶燈（DC24V）按鈕。設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用接線量少的方案，以方便生產(chǎn)及維護(hù)。按鈕輸入設(shè)計(jì)利用3～8譯碼器。兩片集成電路74HC138和74HC244，16根線，可以完成64個(gè)按鈕功能。開關(guān)量輸入16路。

（4）數(shù)顯表硬件設(shè)計(jì)

數(shù)顯表用Atmel89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)。為方便生產(chǎn)及減少維護(hù)，連線采用RS485總線，接收并顯示測控系統(tǒng)傳送的參數(shù)。

4 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件總體設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺的功能為采集測試信號，根據(jù)測試信息和測控要求進(jìn)行控制，記錄并輸出數(shù)據(jù)。圖2為試驗(yàn)臺軟件需求分析圖。

圖2 試驗(yàn)臺軟件需求分析

圖中可以看出試驗(yàn)臺數(shù)據(jù)分析處理、保存、報(bào)表及與用戶交互功能，可以借助PC機(jī)已有資源實(shí)現(xiàn)。接口程序則在下位單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)較佳，可以有效利用單片機(jī)的優(yōu)勢?？刂瞥绦虬才旁谏舷挛粰C(jī)均可。試驗(yàn)臺測控軟件無論安裝在上位機(jī)還是下位機(jī)各有利弊。

下位機(jī)編程最大的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，可以精確定時(shí)，適用于對時(shí)間有精確要求的測控系統(tǒng)。最大的缺點(diǎn)是修改程序比較麻煩。上位機(jī)編程優(yōu)點(diǎn)是修改程序比較便利，異地傳輸只要發(fā)個(gè)郵件就可以了。缺點(diǎn)是實(shí)時(shí)性較差，由于Windows是多任務(wù)處理系統(tǒng)，開發(fā)實(shí)時(shí)控制程序代價(jià)較大，另外命令傳輸也有延遲。

由于多數(shù)試驗(yàn)臺要求的時(shí)間精度在毫秒級，要求不高，再考慮易用性，所以更多的是選擇在上位機(jī)安裝測控程序。就設(shè)計(jì)通用性設(shè)計(jì)而言，控制程序安排在計(jì)算機(jī)上對單片機(jī)的通用設(shè)計(jì)更有利一些。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)要考慮與下位機(jī)通訊及協(xié)議設(shè)計(jì)、與用戶交互設(shè)計(jì)、控制程序設(shè)計(jì)等。盡可能具有通用性，以提高設(shè)計(jì)效率。差異部分僅僅在于測控程序的不同。

與用戶交互設(shè)計(jì)非常重要，關(guān)系到試驗(yàn)臺的易用性。首先是交互界面及命令設(shè)計(jì)，對于不同試驗(yàn)臺突出重點(diǎn)不同，界面也應(yīng)不同。根據(jù)試驗(yàn)臺工作原理，設(shè)計(jì)界面可提高易用性。隨著自動(dòng)化程度的提高，試驗(yàn)測試自動(dòng)化要求漸高，對此應(yīng)提供詳細(xì)的試驗(yàn)步驟指示，有利于操作者及時(shí)有效采取相應(yīng)辦法。否則，操作者會感到無所適從，影響工作效率。設(shè)計(jì)過程中，逐漸摸索出與控制程序共用的試驗(yàn)方法。

自動(dòng)試驗(yàn)控制程序設(shè)計(jì)采用編制一個(gè)簡單的解釋器程序，對自動(dòng)試驗(yàn)程序進(jìn)行控制。優(yōu)點(diǎn)是編制的程序相對于一個(gè)解釋器，一個(gè)控制程序外殼，理論上是獨(dú)立的，與具體試驗(yàn)臺無關(guān)，是一個(gè)通用控制程序。同時(shí)，它還對操作者提供試驗(yàn)步驟指示，這樣可以把試驗(yàn)程序控制與試驗(yàn)步驟指示結(jié)合為一體。為提高程序指示的可讀性，試驗(yàn)控制指令應(yīng)該盡可能通俗易懂。試驗(yàn)操作者可以在不改變試驗(yàn)程序原代碼的情況下，方便地改寫試驗(yàn)過程，比較靈活，也有利于研發(fā)工作。缺點(diǎn)是由于追求通用性，代碼量大，程序編制復(fù)雜，解釋程序影響效率，代碼執(zhí)行效率低，僅適用于實(shí)時(shí)性要求不高的場合。

4.3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

由于測控系統(tǒng)需要進(jìn)行模擬量輸入輸出、開關(guān)量輸入輸出、頻率量輸入輸出、計(jì)時(shí)、兩路串口通訊等工作，又要盡快完成控制任務(wù)，故程序設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少延時(shí)等待。例如，AD采樣程序中，選擇通道，延時(shí)等待、啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換、等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，就有很大的提高效率余地，這在快速采樣時(shí)是效率的瓶頸?？梢圆捎弥袛喑绦蛟O(shè)計(jì)，以提高CPU使用效率。

串行通訊程序設(shè)計(jì)

測控系統(tǒng)將采集到的傳感器數(shù)據(jù)上傳工控機(jī)，下傳數(shù)字顯示表。上下傳相同數(shù)據(jù)，故可采用相同的數(shù)據(jù)格式，接收者分別處理，以數(shù)據(jù)包傳輸數(shù)據(jù)。為提高程序效率，降低編程復(fù)雜度，只考慮程序代碼的簡捷問題。試驗(yàn)臺的主要測量參數(shù)為壓力，可以優(yōu)先考慮壓力參數(shù)的傳遞。同時(shí)要注意主程序和通訊中斷程序分別修改通訊緩沖區(qū)指針時(shí)的沖突問題。

測控系統(tǒng)與數(shù)顯表通訊采用半雙工的RS485串行接口，由于要區(qū)分不同的數(shù)顯表，故除傳輸數(shù)據(jù)外還要傳輸針對目標(biāo)機(jī)的地址數(shù)據(jù)。為提高CPU效率采用中斷程序設(shè)計(jì)，程序比較復(fù)雜。

5 高度閥試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

5.1 試驗(yàn)臺工裝設(shè)計(jì)

高度閥工裝設(shè)計(jì)是其設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。主要問題在于：

（1）數(shù)控轉(zhuǎn)臺的測量軸與被測件高度閥的被測軸很難設(shè)計(jì)成一個(gè)軸，設(shè)計(jì)成兩根軸則需要解決同軸問題。如同軸較差，測量精度無法保證，嚴(yán)重時(shí)會破壞被測件或工裝。（2）為承受杠桿螺母安裝力矩需要足夠的強(qiáng)度和剛度。（3）試驗(yàn)工裝應(yīng)滿足快速安裝、拆卸，方便生產(chǎn)運(yùn)用。

經(jīng)過多種設(shè)計(jì)方案比較，試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)角度測量精度達(dá)1.5′，可較好滿足高度閥角度測量和生產(chǎn)要求，這一方案通過了認(rèn)證并在生產(chǎn)中已運(yùn)用5年，高度閥試驗(yàn)臺見圖3。

圖3 高度閥試驗(yàn)臺

5.2 光柵編碼器程序設(shè)計(jì)

光柵編碼器有A、B、Z三相輸出?？赏瑫r(shí)利用A、B兩相輸出有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）提高角度測量精度4倍，則脈沖數(shù)3 600×4＝14 400。（2）可分辨轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

5.3 高度閥死區(qū)測量程序設(shè)計(jì)

調(diào)整高度閥的目標(biāo)是調(diào)整驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)角度，找到該點(diǎn)高度閥關(guān)閉、且處于流量特性曲線的原點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)軸的該位置叫做零位，該點(diǎn)位于充、排風(fēng)兩點(diǎn)的中間。該區(qū)間稱作高度閥的死區(qū)，在該范圍內(nèi)高度閥關(guān)閉，既不向空簧充風(fēng)，也不排風(fēng)。死區(qū)測量時(shí)的壓力為400 kPa，程序通過高度閥杠桿控制進(jìn)氣量完成。由于閥內(nèi)氣腔很小，壓力精確控制較難。通過較高的測量精度捕捉壓力微弱變化、較小的步進(jìn)間距、先快后慢法充風(fēng)，較好的解決快速精確壓力控制和充排風(fēng)始點(diǎn)檢測問題。

6 結(jié)束語

通過不斷總結(jié)高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，解決了設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題，特別是通用模塊設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，為今后試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)做了有益探索。