计算机联锁中安全电源控制板测试频率发生器的设计与实现

陈 忱，刘培顶

（1.西南交通大学 信息科学与技术学院，成都 610031；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司 电化电信处，天津 300142）

计算机联锁中安全电源控制板测试频率发生器的设计与实现

陈 忱1，刘培顶2

（1.西南交通大学 信息科学与技术学院，成都 610031；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司 电化电信处，天津 300142）

计算机联锁系统中通常会设计有安全输出电路，用来保障计算机联锁平台的安全性能。在某些型号计算机联锁系统的安全输出电路中，会通过安全电源控制板对一个连续固定频率信号的选频，来隔离输出用以控制安全继电器的电源信号。为此设计了一种基于51系列单片机和MAX038信号发生芯片的频率发生器，用以来模拟输出该频率信号，基于Qt设计了上位机程序来实现对频率信号的监测与调控。文中详细介绍了该发生器在结构的搭建、硬件和软件方面的设计。

计算机联锁；频率发生器；AT89S52；MAX038；Qt

计算机联锁系统是轨道交通信号系统的一个子系统，负责保障列车行车安全，需要符合“故障-安全”原则。某些型号计算机联锁系统中会设计与安全相关的安全输出电路。需要主电源控制单元输出一个连续固定的频率信号至安全电源控制板，通过对该信号选频作用，安全电源控制板会隔离输出用于驱动安全继电器的直流电源，在出现任何故障时安全电源控制板均能可靠地切断安全继电器的驱动电源输出，用以保障联锁系统的安全性。该频率信号的准确性和稳定性直接关系到安全电源控制板功能的实现。

在最终成型的计算机联锁系统应用当中，该频率信号是由计算机联锁平台的操作系统控制和产生，但在整个联锁平台研发的初期，各板卡都能由操作系统控制的联合调试之前，需要对各块板卡的功能进行逐一验证和单独调试，以检测其性能是否满足联锁系统的设计要求，这时就需要能提供一种方便快捷的辅助测试工具。为验证安全电源控制板的选频功能，测试其性能参数，特此设计一种短期内易于开发获取且能产生高精度稳定可调频率信号的发生器，服务于安全电源控制板的研发工作，亦能应用于其他需要可调频率信号输入的项目当中。

频率发生器设计基于51系列单片机和MAX038信号发生芯片，在安全电源控制板的设计初期以及调试过程中，用以模拟主电源控制单元输出的频率信号，并结合频率发生器设计了基于Qt的上位机程序，以便能更好地实时监测和调节输出信号的频率和占空比数值，通过该方式来模拟现场工作环境，检验驱动信号的频率变化对安全电源控制板输出电压的影响。

1 总体结构及硬件设计

在供电方面，该频率发生器采用5V USB单独供电，能够保障频率发生器中各个芯片模块都工作在正常范围内，以实现各自的功能。在数据通信方面，频率发生器采用RS232接口的方式，一方面用以烧写单片机控制程序，方便调试；另一方面用来与上位机进行串口通信，实时监测发生信号的频率值和占空比值，并发送控制命令，为频率发生器结构框图如图1所示。

图1 频率发生器结构框图

该频率发生器具体由单片机控制模块，MAX038频率发生模块，A/D转换模块，信号放大模块，以及RS232接口模块组成。

（1）单片机控制模块选用AT89S52型8 bit单片机，主要负责与PC端上位机的交互，控制频率信号的产生以及监测。

选用51系列单片机，主要依据其功能完全能够满足该系统设计要求，即串口通信，I/O控制等，且其指令系统熟悉，易于操作，性价比高，便于获取。

（2）频率发生模块选用的是MAX038型信号发生器芯片，主要负责准确地产生高频方波信号。

选用MAX038芯片，主要依据其可产生高精度的频率信号且稳定可调的特点，有利于实时监测。其输出频率由内部基准电压及一个外部电阻、电容决定，工作频率范围0.1 Hz～20M Hz。频率值和占空比值都可通过外部器件独立可调。输出波形Vp-p为2 V。

频率发生模块电路如图2所示，MAX038通过恒定电流对外部电容CF的充放电，获得信号输出。充放电电流由流进IIN引脚的电流控制，并由加在FADJ、DADJ引脚上的电压进行频率值和占空比值的调节。

图2 MAX038信号发生电路

信号振荡频率计算式：

为满足输出信号频率在500 Hz左右的需要，根据芯片数据手册，选定CF=100 nF，设定IIN=100 uA，通过公式计算就能实现当VFADJ=±2.4 V时，对应调制频偏为±70%，当VDADJ=±2.3 V时，占空比值为10%～90%。故可以仅用通过对可变电阻R_FADJ和R_DADJ的调节就能对频偏和占空比值进行调节。

输出信号波形的选择是由两个输入引脚A0和A1的逻辑电平来设定，设计中是通过单片机I/O口直连的方式来控制MAX038的A0、A1引脚，从而控制MAX038输出相应的波形。

（3）A/D转换模块选用PCF8591转换芯片，主要负责对调节频率值和占空比的电压值，以及最后输出频率信号的电压值进行A/D转换，进而对其监测。

选用PCF8591芯片，主要依据其是一款8 bit AD/DA转换芯片，具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口，转换速率由I2C总线最大速率决定。能够满足该频率发生器对多路模拟输入进行分时转换，且能与控制芯片串口通信的要求。

A/D转换模块电路如图3所示，3路模拟信号输入分别接的是调节频率值的电压值、调节占空比的电压值以及最后输出信号的电压值，在分批次进行A/D转换后，通过I2C总线方式传送至单片机，再通过单片机与上位机实现交互。

图3 A/D转换电路

（4）信号放大模块选用的是AD811型运算放大器芯片，主要负责将输出信号放大，使其满足与安全电源对接板对接的要求。

信号放大模块电路如图4所示，由于MAX038输出信号Vp-p为2 V，需要对其输出信号进行放大处理，才能达到安全电源输出板选频输入信号的要求。根据AD811芯片手册，选用正向闭环，增益2倍的放大方式，电路中RG与RFB则选用562 Ω，从而获得相应的放大效果，使其实现与安全电源输出板的对接。

（5）RS232接口模块选用的是常用MAX232型转换芯片，在系统调试过程中用以实现单片机程序的烧写，在系统运行过程中用以实现单片机与上位机之间的串口通信。

图4 信号放大电路

3 软件设计

软件设计部分包括了单片机端下位机程序和PC机端上位机软件程序。主要完成频率发生器与上位机之间数据通信的功能。

在单片机端，系统上电后，其中，频率发生模块即可以开始工作。根据该模块核心MAX038芯片的工作机制，通过可变电阻的调节，可以实现对输出信号频率和占空比的调节。这时通过程序启动A/D转换，将决定频率值和占空比值的两个电压值，以及最终输出信号的电压值经过转换传输到单片机。之后在单片机内部利用程序，参照既定的公式计算得出当前输出的频率值和占空比值，再利用串口通信，将计算结果传输至PC机上位机端，实现输出信号频率值和占空比值的实时监控。单片机程序流程图如图5所示。

在PC机端，基于Qt软件设计了上位机程序，其界面如图6所示。上位机界面需设计的简洁友好，且包含所有基本操作。Qt设计师为程序员们提供了可供使用的新选择，它提供一种可视化的设计能力，相比手工编码所设计的窗体，可进行更快速、更容易的测试和修改。使用Qt设计师所创建的窗体最终仍旧是C++代码，因此，可把Qt设计师看作是一个传统的工作集，并且不会对编译器强加其他特殊要求。用户只需要发送操作命令和知道操作结果，不需要知道具体的执行过程。在创建对话框时总是包

Testing frequency generator for security power control model in Computerbased Interlocking System

CHEN Chen1,LIU Peiding2
( 1.School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.Department of Electrifcation and Communication,The Third Railway Survey and Design lnstitute Group Corporation,Tianjin 300142,China)

In the Computer-based Interlocking System,a safety output module is usually designed to guarantee the safety performance of computer-based interlocking platform.In some kinds of safety output module of the Computerbased Interlocking System,the frequency-selecting function of a continuous fxed frequency signal was used to isolate the output for controlling the power signal of safety relay.The authors designed a frequency generator based on 51series single-chip microcomputer and MAX038 signal generator chip to simulate the output of this frequency signal,and PC program based on Qt to implement the monitoring and regulation of the frequency signal.This article described the construction,hardware and software design of the generator.

computer-based interlocking;frequency generator;AT89S52;MAX038;Qt

U284.362∶TP39

A

1005-8451（2016）05-0054-04

2015-11-09

陈 忱，在读硕士研究生；刘培顶 ，助理工程师。