制动阀检修数字化系统关键技术的研究

雷长志，赵 栋，申建利

(1.中国电子科技集团公司第33研究所山西太原030006;2.太原科技大学，山西太原030024)

1 引言

“铁路货运量”是“克强指数”的重要经济指标之一，它反映了中国经济的发展状况。目前，中国铁路货运量逐年增大，货运安全对国民经济至关重要。因此，货车制动性能的好坏对货车安全运行有重要作用，建设一个智能的、高效的、可追溯的制动阀检修数字系统对提高检修制动阀技术以及提高货车安全都有重要的作用。

2 制动阀检修数字化系统及关键技术介绍

制动阀检修数字化系统的功能包括:电子标签管理、检修全信息化存储、工件数字测量、过程信息分类查询。其检修数字化流程框图如图1所示。

图1 检修数字化流程框图

从图1中可以看到，制动阀检修数字化流程从制动阀进入制动室开始，对货车各种制动阀进行RFID电子标签标记，然后通过RFID识别并采集制动阀图像，最后对制动阀的各种参数进行数字测量并将数据存入制动阀检修数据库中。

从流程图中可以看到，制动阀检修数字化系统的关键技术是对制动阀进行数字测量并将数据存入制动阀检修数据库。该技术采用数字游标卡尺智能数据采集器，将制动阀的各个参数采集到计算机中，并存入检修数据库中，以备将来对制动阀的检修参数、检修人员、检修时间等进行查找。

3 制动阀数字测量的硬件原理

数字游标卡尺有4个信号输入接口，分别为卡尺电源端口、卡尺时钟信号输出端、卡尺数据信号输出端、卡尺地端。卡尺时钟信号输出端和卡尺数据信号输出端的电平对应关系为:在时钟信号的上升沿，与其对应的电平信号就是卡尺输出的数据信号。

根据这个对应关系，本系统设计了智能数据采集器的硬件原理图，该原理图主要包括电源电路单元、时钟和数据信号电平转换电路单元、数据采集和串口通信电路单元三大部分，如图2所示。

图2 智能数据采集器的硬件原理图

电源电路单元是制动阀数字测量系统的动力单元，主要提供+5V和+1.55V两种电源标准。本系统中采用2种三端稳压器提供电源，一种是78XX系列的三端稳压器，一种是LM217系列的三端稳压器。78XX三端稳压器输出 +5V电源，LM217三端稳压器可以通过调整对地电阻的大小来输出+1.55V。调整电阻大小如下列公式(1)所示:

公式中，Vout是输出电压，RP1是对地电阻，根据输出电压+1.55V和电阻R1的值，可以很容易地计算出电位器RP1需要调整的数值。电平转换电路单元是制动阀数字测量系统的数据匹配单元，它将游标卡尺产生的时钟信号和数据信号转换成标准的TTL电平，供CPU使用。其电路如图3所示:

图3 电平转换电路

时钟和数据信号都是经过1个光耦将信号从非TTL电平转换成TTL电平，然后将光耦输出的信号经过反向器74ALS04整形，得到可以使CPU容易辨识的信号，这样有利于使用CPU的中断来进行编程。

数据采集和串行通信电路单元是整个数据采集器的核心单元，采用硬件电路结合软件编程，将数据信号采集到数据寄存器中，然后将数据寄存器中的数据通过RS－232协议发送到计算机中。该电路的CPU采用AT89C2051，该芯片体积小，便于操作，电路如图4所示。

图4 数据采集和串行通信电路

从图中可以看到，时钟信号输入到CPU的P3.0管脚，用于触发外部中断，数据信号输入到CPU的P1.0管脚，用于在中断处理程序中接收数据。P3.5管脚接1个外部开关，用于发送数据，当按下开关后，P3.5从高电平变成低电平，CPU通过P3.1(TXD)管脚将数据发送到MA232的11管脚，然后MAX232将数据转换成232电平送给计算机串口，从而实现上、下位机的通信。

该核心电路的软件程序是实现数据采集和串口通讯功能的重要方法。软件程序主要有初始化、主程序、外部中断程序、时钟中断程序、串口通信中断程序组成。

4 制动阀数字化测量系统的软件设计

本系统大致分为四大模块:系统管理、检修、数据管理和系统帮助。

系统管理模块主要包括系统登录、用户管理、检修信息管理、系统退出。系统登录主要是指当用户点击计算机桌面应用程序图标后，进入检修系统主界面，显示系统登录窗口，此时用户需要输入用户名和密码才能进入检修系统，否则不允许进入系统。用户管理主要是指对用户的添加，密码的修改以及用户的删除。检修信息管理主要是指系统需要检修的信息和检测标准的管理，如检修信息的增加、合格标准的修改等。系统退出主要是指当作业人员修改完成后，退出检修系统的操作。

检修模块主要是指作业人员登录系统后开始进行相关检修的操作。当点击检修操作后，操作人员需要选择需要检修的工件名称、工件类型、工件测试项，然后点击检修按钮。此时，系统将通过串口从下位机进行读数，并进行相关的计算以及根据此工件标准进行合格性的判断显示到系统界面，最后，系统把检修的相关信息存入数据库，以便于日后的数据管理操作。

数据管理包括检修数据查询、数据报表生成、数据报表打印。数据查询主要指经过检修操作后，数据库中存入大量的检修工件信息，若需要查询某些特定的数据时，可以通过本操作进行，如按作业人员、按工件名称、按工件类型或按时间进行查询检修信息。数据报表生成是指根据选定的选项生成类似于Excel的表格信息。数据报表打印是指当前一步生成数据报表后，需要进行打印为纸质文件而执行的操作。

系统帮助包括系统版本说明、系统说明书。系统版本说明主要用来显示本系统的版本号。系统说明书主要是通过经过编译的CHM文件来详细介绍本系统的各种功能以及具体的使用步骤。

本系统的开发软件平台为Microsoft Visual Studio 2005，数据库软件平台为Microsoft SQL Server 2000 Developer Edition。

软件主界面如图5所示。

图5 软件主界面

软件实现基本描述:

第一步，从下位机的串口读取数据包。

第二步，根据数据包格式对读到的数据进行解析。

第三步，把解析出来的数值更新到软件显示界面，并存入数据库。

在软件实现过程中最为重要的是，对数据包的解析过程。其关键技术如下:

因为下位机把一包数据用24位进行传输，因此软件接收部分，每接收到24位为一包数据，然后再对这24位数据进行解析。其基本算法如下:

Int s1=sp.ReadByte();

str=s1.ToString();

if(result.Length==24)

{

result=result.Substring(1，20);

result=Reverser(result);

Double value=Convert.ToInt32(result，2)*0.01;

result=value.ToString();

}

由于上位机收到的这24位数据为二进制格式的数据串，并且上传上的部分为二制的低位部分，后传上来的为二进制的高部分。因此，软件需要对这具字符串进行反转，得到正确顺序的二进制数据。这个函数是对收到的数据进行反转的。

private String Reverser(String str)

{

char［］arr=str.ToCharArray();

Array.Reverse(arr);

return new String(arr);

}

5 结论

该制动阀检修数字化系统的研制成功，大大的提高了制动阀检修精度，提高了制动阀的安全系数，对货车的安全运行有很大帮助。

［1］ 铁道部运输局装备部.铁路机车概要［M］.北京:中国铁路出版社，2009.

［2］ 徐科军.容栅传感器的研究与应用［M］.北京:清华大学出版社，1995.