发电车安全管理系统集成化设计

刘保平 上海铁路局车辆处

作为客车运行安全的重要组成部分，发电车一直是列车运行安全的关键部位，如何有效地保证运用发电车的安全，将发电车故障率和乘务路风管理置于有效的控制下，铁道部、各铁路局均采用了一系列的技术手段来解决这一问题。其中，具有代表性的为安装在发电车上的客车运行安全监控系统（TCDS）、柴油机组运行监控系统以及发电车巡检仪（机房打卡记录仪）等等。这些系统在监控发电车的设备安全、乘务纪律方面发挥了巨大作用，但是由于这些监控设备在设计上突出重点不同，监控手段上存在各自为政的问题，使得这些设备不仅挤占了发电车的空间，而且在设备投入和人员管理及维护上也造成巨大的浪费。在此研究探讨对此类监控设备进行系统化集成，以达到资源有效配置，效果有效发挥和运行成本减少的目的。

1 集成监控系统的组成

监控系统由地面接收装置、网络传输系统、车载信息收集装置、车载无线发射装置和相关接口组成。

1.1 车载信息采集装置

车载信息采集装置主要由各类传感器及信号收集器构成，其中可收集的数据有：全列客车的轴温、风压，柴油机组的电压、电流、功率、水温、油温、油压及乘务机房巡检时间、巡检人等影响发电车安全质量和乘务管理的相关因素，如有必要，还可以添加视频和声音信息。

1.2 车载无线发射装置

车载无线发射装置由数据转换单元、数据处理单元、数据通讯单元几部分组成，其作用就是将传感器采集来的数据经过模数转换后，通过中央处理单元进一步编译后传输给数据接收装置。

1.3 地面接收装置

地面接收装置由地面基站、无线接收器和数据处理单元组成。集成的监控系统由于安装在运行的发电车中，其数据利用的是GPRS技术，通过分布在各地的基站传输到车辆段客整所，经过软件（地面专家系统）编译后显示出来，同时网络通道层层连接，同步满足局、部监控中心的需要。

2 集成监控系统的工作原理

全套的监控系统可在原客车安全监控系统TCDS平台的基础上，利用TCDS现有的控制电源、数据处理器、网络传输通道和数据处理软件达到硬件集成的目的。由于TCDS系统相对复杂，相关资料已对运行过程做了说明，现仅对发电车监控系统和电子巡检系统从数据采集到与客车安全监控系统（TCDS）连接及通讯进行分析。

发电车的监控数据包含柴油机组的电压、电流、功率、水温、油温、油压等，每一项数据均需要对应的传感器进行数据采集。我们可以看到，上述的数据由于需要被实时监控，在发电车设计制造时就已经在对应的位置安装有传感器，目前除需要在控制屏的线路上安装互感器外，已不需要额外进行改造。下面以电压采集为例，说明发电车的电压数据是如何实现与TCDS的数据传输。

在实现电压采集时，从成本因素考虑，可采用性价比高，结构简单的TLC0831芯片作为A/D转换器件，单片机采用STC89C51单片机。STC89C51单片机的优点是不需要编程器和下载线，直接通过串口就可以下载程序，开发方便，下载的电路就是RS232的通信电路。同时为充分利用TCDS现有电源，使新增部分与TCDS电源一致，可采用5V电源电压作为A/D的参考电压。由于参考电源的限制，测量的最大电压为5V，发电机发出的三相交流电电压值远远大于参考值，不适合直接进行数据采集，需要进行降压采集，所以整个数据采集和模数转换的原理图如图1所示。

利用TLC0831芯片和STC89C51单片机的物理连接实现A/D转换和数据通讯功能（如图2所示），其中所使用的TLC0831是TI公司推出的8位模数转换芯片，该芯片工作电压为5V，采用逐次逼近式转换结构，具有串行控制功能。250kHz的频率下，转换时间约为32μs。该芯片具有的串行控制功能使其在与微处理器接口时，能大大节省微处理芯片的I/O口。通讯转换器为MAX232，转换后可以使处理器通过RS232接口与计算机和其它处理器进行通讯，与TCDS的通讯可以在此得到实现。

图1 电压采集及A/D转换原理图

图 2 TLC0831、STC89C51、MAX232 连接电路

TLC0831的引脚功能如下：

1脚CS：SP1通信的片选；2脚 IN+：差分+输入；3脚 IN－：差分－输入(一般接地)；5 脚 REF：参考电压；6 脚 DO：SPI串行数据输出；7脚CLK：SPI通信时钟；8脚和4脚为电源和地。

3软件核心程序及流程图

TLC0831是一款SPI接口的器件，51单片机内部没有硬件SPI接口，因此需要利用软件模拟SPI的时序，参照TLC083l的操作时序（如图3所示），在片选CS有效(低电平)的期间内，利用时钟信号CLK来同步读取D0引脚上的数据。编写SPI程序的时候需要注意以下几点：

数据位：高位在前，还是低位在前。对应不同的情况程序上需要作相应的处理，比如左移或者右移，还有就是直接通过与或处理得到相应的位数据。

时钟沿：上升沿读取数据，还是下降沿读取数据。如果是上升沿读取，一般是先把时钟线拉低，之后再拉高，制造一个上升沿，之后去读取数据位；下降沿刚好相反。具体见下面的程序分析。

核心程序：

Fina=temp_read*1.95

函数_读取一次转换结果

Unsigned char read0831()

{

Unsigned char I;//定义循环变量

T0831_cs=1;//置高

Delay0831(10);//延时

T0831_sk=1;//时钟置高

T0831_cs=0;//cs拉低

T0831_sk=0;//时钟拉低

For(i=0;i<8;i++)；//循环 8 次，读取数据

{

T0831_sk=1;

T0831_sk=0;

If(T0831_do)//判断数据bit高低

Datasoute++;

Datasoute<<=1;左移一位

}

T0831_cs=1;//CS置高，清空寄存器

T0831_sk=1;//时钟置高

Delay0831(20);

Return(datasoute);返回数据

}

函数-软件滤波

Void filter(void)

{

Unsigned char I;//定义循环变量

Unsigned char temp[4];//累加数据

temp[0]=read0831();第一次读取

For(i=0;i<100;i++)；//延时一段时间

temp[1]=read0831();第二次读取

For(i=0;i<100;i++)；//延时一段时间

temp[2]=read0831();第三次读取

For(i=0;i<100;i++)；//延时一段时间

temp[3]=read0831();第四次读取

For(i=0;i<100;i++)；//延时一段时间

Temp_read=temp[0]+temp[1]+temp[2]+temp[3];//四次结果累加

Temp_read=Temp_read>>2;//右移二位，相当与除以4

由此发电车电压数据经过采集转换后被送入TCDS系统中，在具有PLC控制的列车网中，TCDS的通讯是通过列车网实现的，采用的是lonworks网络，分为列车级和车辆级，两级网络的数据传输通过网关和代理节点实现。带有发电车的TCDS系统，由于仅监控轴报数据这一项，且轴报采用的是RS485接口，因此新采集的数据在通讯时也需要通过网关进行电平转换和协议转换，但是相对于lonworks网络，所需要的通讯设备就要少得多。

4 结束语

这里需要说明的是，仅仅实现车上物理连接和程序是远远不够的，要想远程监控新增的发电车数据，还需要对 TCDS发生装置中固化的程序和地面专家系统的程序进行对应修改，这样才能完成整个数据的传输和监控。因此在TCDS系统开发和升级过程中，应预留扩展插槽，开放系统原程序，对设备的安装和程序的调用实现模块化设计，这样才能更好地发挥TCDS监控作用，并为以后的功能提升打下基础。