TW-2型驼峰自动控制系统硬件检测设备的研究

2018-11-16李东奎胡卫东

铁路通信信号工程技术 2018年10期

李东奎胡卫东

(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 研究背景

TW-2型驼峰自动控制系统（简称TW-2系统）是目前国内编组站装备数量较多的驼峰控制系统，其下层控制板为自行研发的专用嵌入式微机模块系列，是整个系统关键组成部分。针对TW-2系统配套研发的硬件检测设备，能够自动检测不同类型的下层控制板，检测其上电运行、直流输入通道、直流输出通道、模拟量输入通道、串口通信接口和CAN通信接口等工作状态，并能对控制板尤其是输入输出通道进行动态老化拷机。

TW-2系统硬件检测设备可为电务维修部门提供便捷可靠的检测手段，减少故障维修时间，减少故障板件需返厂检修而影响现场使用的风险；同时对于维修后的板件和长时间备用的板件，能够在线下检测其功能完整性，减少现场更换上线使用存在的风险。

TW-2系统硬件检测设备可为硬件生产厂家的生产和维修提供可靠的技术保障，提高硬件出厂的质量和产量；同时检测设备的老化拷机功能，能够对输入输出通道进行动态老化，抑制下层控制板上道使用初期的“浴盆曲线”问题。

2 研究对象及检测需求

2.1 研究对象的分析

TW-2系统的结构设计为典型的DCS集散式控制系统，其系统结构如图1所示。

TW-2系统的下层控制板有4种：进路控制板KB-L、与KB-L配套的输入输出板IOB、减速器控制板KB-JA和测长板CB，它们分别完成对各种现场设备的采集和控制。其中KB-L与KB-JA两种控制板的硬件结构、性能特点、配线设计均一致，因此板件检测可归为一类。

下层控制板分为前、后板两部分，前板称为主模块，主要放置嵌入式CPU及其相关电路、通信控制电路、接口控制电路等；后板称为后出线模块，可通过连接器与外部电缆相连，主要放置接口电路；前、后板件通过CPCI总线连接。4种控制板的性能及特点如下。

图1 TW-2系统结构图Fig.1 TW-2 system structure

1）KB-L，KB-L-R：进路控制板及后出线板

2）KB-JA，KB-JA-R：减速器控制板及后出线板

两种控制板均采用Intel 386EX CPU，包括EEPROM及SRAM存储器、两路CAN总线接口、两路RS-232串口、16路直流输入、16路直流输出、2路雷达模拟量输入、2路踏板模拟量输入，统称为KB类控制板。

3）IOB，IOB-R：输入输出板及后出线板

IOB采用89C51 CPU（内置EEPROM及RAM存储器）、一路CAN总线接口、一路RS-232串口、64路直流输入、24路直流输出。

4）CB，CB-R测长板及后出线板

CB采用Intel 386 EX CPU，包括EEPROM及SRAM存储器、两路CAN总线接口、两路RS-232串口、16路测长模拟量输入。最多可支持16股道，通过片选依次对16股道电压进行扫描，经过A/D转换成数字量进行处理。

2.2 检测需求的定义

TW-2系统硬件检测设备应能够自动检测不同类型的下层控制板，检测其上电运行、直流输入通道、直流输出通道、模拟量输入通道、串口通信接口和CAN通信接口等工作状态。

1）KB类控制板，16路直流输入和16路直流输出的动态检测、2路雷达模拟量输入和2路踏板模拟量输入的检测，串口通信接口检测，CAN通信接口检测。

2）IOB控制板，64路直流输入和24路直流输出的动态检测，串口通信接口检测，CAN通信接口检测。

3）CB控制板，16路测长模拟输入的动态检测，串口通信接口检测，CAN通信接口检测。

4）各控制板的上电运行检测，包括内存检测、CPU检测等。

TW-2系统硬件检测设备应能够对控制板，尤其是输入输出通道进行动态老化拷机。通过设定控制板的运行工作时间，直流循环开关的次数等设置进行单板老化烤机检测，并将测试报告记录。

TW-2系统硬件检测设备应具有友好的人机交互界面，方便现场人员对各项功能进行操作，对出现的故障能够进行报警和提示。

3 检测设备组成

TW-2系统硬件检测设备采用19英寸标准机箱，流行的CPCI架构，内设加固显示屏（LCD SCREEN），主处理器板（MPU板）采用嵌入式PC104结构，MPU板通过RS-232串口和CAN网络与位于同一机箱内的测试板（KB类、IOB、CB）进行通信。设备结构简单坚固，便于现场使用，其设备硬件组成如图2所示。

图2 检测设备硬件组成图Fig.2 Hardware composition of detecting equipment

3.1 MPU板

MPU板采用嵌入式PC104结构，PC104结构实质上就是一种紧凑型的PC和 PC/AT 工业总线，其信号定义和PC/AT 基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统。

1）主处理器单元

a.CPU采用嵌入式AMD GEODE LX800微处理器，128 kB一级缓存,主频500 MHz，板载内存不低于256 MB；

b.显示输出：VGA最大显示分辨率≤1 280×1 024，与LCD SCREEN连接；

c.一路RS-232串口，波特率9 600 b；作为和测试板通信的工具，通过该串口可采集测试板数据或向测试板发送控制命令；

d.配备兼容IDE标准的1.8固态盘，容量不小于1 GB；

e.4个USB 2.0连接端口，支持USB2.0；一路百兆网口；

f.支持Windows2000/XP；

g.支持ISA总线。

2）CPLD接口单元

CPLD采用Altera公司的主流器件MAX II系列的EPM1270，其主要功能如下。

a.根据测试板的选择，产生相应的控制信号控制模拟开关的通断，用户不需要替换后出线接口单元；

b.根据测试板的选择，输出相应的直流信号到测试板同时采集测试板输出的信号，并加以处理，以待主处理器单元比对、校验；

c.根据主处理器单元命令，完成对CB测试板的通道选择。

3）模拟信号产生单元

模拟信号产生单元采用Intersil公司的精密压控函数发生器ICL8038芯片，该芯片能很好地保证信号的频率(0.001～300 kHz)，幅度以及占空比等，其主要功能如下。

a.产生雷达模拟信号，频率0～2 000 Hz，幅值0～12 V；

b.产生踏板模拟信号，脉宽1～200 Ms，幅值0～12 V；

c.产生测长模拟信号，频率175 Hz，幅值0～2 V。

4）后出线接口单元

只采用同一块后出线，就能方便地测试所有板卡，用户无需因为测试板的不同而更换后出线，只需将后出线的配线连接器插到待测试板的后出线板上即可。

3.2 CAN通信模块

提供主处理器板与测试板CAN通信功能。采用机箱内安装HT-2301智能型CAN模块的方式来实现与测试板的通信。

HT-2301板上嵌入Intel 386EX CPU专门处理CAN通信，通过双口RAM实现与MPU板的数据交换，板上共有两路独立带光电隔离的CAN通信接口。

3.3 显示模块（LCD SCREEN）

8.4 英寸加固液晶显示屏，体积小，重量轻，提高了系统的环境适应性和便携性。

无需外接单独供电，直接采用系统的12 V直流输入，结构更加简洁。

3.4 电源模块

采用通用电源模块，AC220 V输入，5 V、DC12 V输出，功率大于100 W。

4 关键测试技术

TW-2系统硬件检测设备的关键技术在于以下两点。

1）各种测试信号的模拟，不同的下层控制板需要不同的测试信号，应能根据不同测试板产生不同的测试信号；

2）不同测试板测试信号的切换，由于有4种3类下层控制板，而只有一个后出线接口板，应能根据不同测试板进行切换。

4.1 测试信号产生

主处理器板采用高可靠性的ISA总线与CPLD相连，通过操作CPLD内不同的寄存器来根据不同测试板产生相应的测试信号，该测试信号可以受应用程序控制，产生动态的数字信号，如图3所示。

图3 测试信号产生示意图Fig.3 Generation of testing signals

4.2 直流信号输出

主处理器板采用1个三极管和1个MOS管来产生8路直流输出信号，这样即使对于采集多达64路直流信号的IOB，也只需8个三极管就可以完成直流信号的产生工作。更重要的是这样设计还可以防止因主处理器板自身故障而导致误判断，因为1个控制单元可以控制8路信号的输出，如果主处理器板检测到来自同一个控制单元输出的8路信号均为错误，应用程序则会及时通知用户，以保障检测的可靠性，如图4所示。