列车室外功能模拟器

北京康拓红外技术有限公司 张 锴 李 侠



列车室外功能模拟器

北京康拓红外技术有限公司 张 锴 李 侠

【摘要】设计一套应用于THDS-A系统的列车室外功能模拟器，其用途为模拟火车现场的过车状态，便于THDS-A型系统在室内完成调试工作，避免工作人员频繁往返于公司和现场两地调试THDS-A型系统。列车室外功能模拟器包括控制箱和模拟架两部分。两部分通过电缆连接实现信号的交换与传递，并最终为THDS-A轴温探测系统提供轴温、轴辆和车速信号。

【关键词】THDS-A系统；列车室外功能模拟器；模拟架

0 引言

随着中国铁路事业的快速发展，对于铁路红外线设备的需求也会随之增加，目前比较好的红外线轴温探测系统有北京康拓红外技术有限公司的THDS-A系统［1］。为了使THDS-A系统更加完善，设计了一套模拟器可以模拟火车现场的过车状态，方便室内测试THDS-A系统。

1 系统框图

如图1所示，模拟器系统主要有控制箱和模拟架两部分组成。控制箱主要负责控制各种信号的模拟，模拟架作为系统的载体实现各种信号。图中上位机作为系统模拟信号数据的备份，每次模拟过车完毕，便把数据通过串口发往上位机进行数据的存储。

图1 系统框图

2 功能要求

列车室外功能模拟器主要实现了以下功能：

1）模拟现场的轴温信号，为THDS-A系统的测温提供探测目标。利用两块黑体模拟火车的轴温，在过车过程中模拟器的控温板要始终使黑体稳定在一个温度定值，使测试的温度稳定一致［2］，［3］。模拟器系统可以提供从室温到120℃的轴温信号。

2）模拟现场的轴辆信号，为THDS-A系统提供轴辆信息。利用磁头信号盘的中断产生相应的磁头信号，通过磁头信号的触发数量决定模拟的轴辆信息。模拟器系统可以根据实际需求任意设置轴辆信息供THDS-A系统采集。

3）模拟现场的车速信号，为THDS-A系统提供速度信息。电机带动滚筒转动的同时，磁头信号盘会产生相应的磁头信号中断，通过相邻2#，3#磁头信号中断的时间间隔判断速度信号。模拟器系统装有48V的直流电机，可以模拟5km/h-210km/h的车速供THDS-A系统采集。

4）利用磁头信号的输出为模拟器系统和THDS-A系统提供系统接口。模拟器主板上的磁头信号输出到四个小电磁头上，小电磁头放在THDS-A系统的4个磁头上面，其变化的磁场产生4个磁头信号，触发THDS-A系统工作。两个系统是通过小电磁头进行隔离的，不会产生干扰。

5）实现与上位机的串口通讯，在多次测试中记录模拟器设置的数据并与THDS-A系统采集到的数据进行对比。

3 设计思路

整个模拟器系统的核心器件为两片C8051F单片机。一片设置在主板上，实现系统的人机接口，并进行系统的整体控制；另一片设置在控温板上，主要用于黑体温度的控制。两块芯片通过UART串口进行通信。系统通过人机界面设置，最终产生3个信号（轴温、轴辆、车速）供THDS-A系统进行测试。

1）轴温信号。利用模糊-PID算法在控温板上实现温度的控制［2］，在过车过程中要保持温度信号的稳定。最终的温度信号通过模拟架上的黑体得以实现。

2）轴辆信号。通过模拟架上的磁头信号盘中断触发主板上的单片机产生磁头信号，通过定时器和计数器判断1#磁头的触发位置，并最终通过后面产生的2#，3#，4#磁头测得准确的轴辆数。

3）车速信号。通过模拟架上的电机实现相应的转速，在过车过程中要保持车速平稳，所以采用自适应的调速方法［4］，快速稳定的实现某一设定速度。最终通过磁头信号盘上2#，3#磁头的中断信号来判断车速。

产生的3个信号分别通过模拟器控制箱作用到模拟架和THDS-A系统控制箱上。最终实现THDS-A系统在室内完成对火车信号的采集与分析工作。

4 模拟架的机械设计

模拟架是信号的一个载体，所有信号都是在模拟架上实现的。轴温信号是黑体产生的热信号，磁头信号是模拟架上的磁头信号盘中断触发并由模拟器控制箱产生的，速度信号是由电机转速和磁头信号盘共同实现的。模拟架实物如图2所示，包括电机、黑体、测速盘、磁头信号盘、光耦和模拟轮等。（图中扫描器属于THDS-A的设备，放置于模拟架上进行测试。）

图2 模拟架

5 软件设计

1）控温板程序流程

控温板系统初始化→接收到主板设置的温度信号→模糊-PID控温→发送温度准备好信号给主板。

2）主板程序控制流程

主板和控温板系统初始化→设置轴温、轴辆、车速信息→待电机转速和温度达到目标值并且稳定→开始过车→过车完毕通知控温板结束控温。

3）主要控制算法

a）模糊PID温度控制算法［2］，［3］。温度的调节与控制算法是很复杂的，这里采用模糊PID控制算法，通过实验首先确定模糊查询表，根据查询表来完成PID控制的P，I，D三个系数的调节。最后通过反馈完成温度的既快又准的调节与控制。

b）电机转速自适应调节算法［4］。在速度控制过程中使用测速盘对当前速度进行反馈，根据反馈回来的速度进行下一步调节，直至达到目标速度。

c）磁头信号触发算法。1#磁头信号何时触发需要通过对磁头信号盘上的每组2#，3#，4#磁头的间隔进行计时，通过冒泡排序法得到时间间隔最大那个位置，再通过中断计数完成1#磁头信号的触发，随后磁头信号盘上的2#，3#，4#磁头信号依次触发。

6 结论

列车室外功能模拟器能够很好的模拟现场火车的过车信号，供THDS-A型轴温探测系统进行测试，从而加强了THDS-A系统的测试环节，并且加快了THDS-A系统的软、硬件完善工作。

参考文献

［1］THDS-A探测站用户手册.北京康拓红外技术股份有限公司，2007.

［2］陈忠华.基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现［D］.大连理工大学，2006.

［3］Yau-Tarng Juang， Yun-Tien Chang， Chih-peng Huang. Design of fuzzy PID controllers using modified triangular membership functions. Information Sciences， 2008，（178）﹕1326～1327.

［4］江晓光，曲家騏.参数自适应控制在直流无刷电机驱动器中的应用［J］.微特电机，2002（2）﹕31～32.