摘 要：本文針對(duì)機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的制動(dòng)故障，設(shè)計(jì)了一種以C8051F005單片機(jī)為核心控制器的列車制動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件組成及軟件功能框圖。此系統(tǒng)能對(duì)制動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)分析、故障報(bào)警與排除，從而保證列車安全穩(wěn)定的運(yùn)行，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：列車 制動(dòng) C8051F005 監(jiān)控 Abstract: Aim at the braking fault in the course of locomotive moving, this paper puts forward a smart locomotive monitor-control system using C8051F005 as central microprocessor, proposes the main structure, hardware construction and software function flow chart of the system. Through real-time inspect, state analyze, fault alarm and release, the running safety of locomotive can be assured and it has great economic efficiency and application foreground. Key words: Locomotive, Brake, C8051F005, Monitor-control 1 引言 　　鐵路運(yùn)輸至今仍然是我國(guó)客、貨運(yùn)輸?shù)拿}。隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提高以及運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展對(duì)鐵路的安全性要求也越來(lái)越高。而列車行車安全作為鐵路運(yùn)輸?shù)闹刂兄兀且粤熊囍苿?dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、正確運(yùn)行為保證的。目前我國(guó)列車已多次提速，提速后的列車對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性提出了更加嚴(yán)格的要求。如果行車中制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或存在隱患，而不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，將直接危及車輛、旅客和物資的安全，造成重大損失。另外國(guó)內(nèi)在自行研制列車制動(dòng)機(jī)故障監(jiān)控裝置方面還是空白，雖然有引進(jìn)國(guó)外的類似裝置，但是使用范圍受限。因此設(shè)計(jì)一套列車制動(dòng)機(jī)故障監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)提高列車運(yùn)行的可靠性至關(guān)重要。 　　我們針對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，經(jīng)過(guò)多方面調(diào)研設(shè)計(jì)出一種基于C8051F單片機(jī)的客列車制動(dòng)故障智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但能對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、對(duì)制動(dòng)故障進(jìn)行報(bào)警，還可自動(dòng)排除故障，最大程度地減少制動(dòng)故障的發(fā)生;同時(shí)可以對(duì)列車制動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，以用于分析，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，幫助相關(guān)技術(shù)人員了解制動(dòng)系統(tǒng)性能、分析故障產(chǎn)生原因并進(jìn)行處理，從而保證列車安全穩(wěn)定的運(yùn)行。 2 智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 　　整個(gè)智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由主機(jī)、子機(jī)、地面數(shù)據(jù)庫(kù)及專家分析系統(tǒng)組成，如圖1所示。主機(jī)系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，可供乘務(wù)人員隨時(shí)查詢各個(gè)車廂的情況。地面數(shù)據(jù)庫(kù)及專家分析系統(tǒng)與主機(jī)之間通過(guò)IC卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，子機(jī)與主機(jī)之間通過(guò)RS485總線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。子機(jī)系統(tǒng)由傳感器、控制閥、通信模塊、存儲(chǔ)器以及人機(jī)接口等部分組成，通過(guò)對(duì)制動(dòng)管和制動(dòng)缸的空氣壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將采集值與標(biāo)定值進(jìn)行比較，從而判斷是否出現(xiàn)制動(dòng)故障，以及故障類型，并可將故障信息存儲(chǔ)，以備地面專家系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理。 [align=center] 圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖[/align] 3 智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 　　3.1 微處理器的選擇 　　本系統(tǒng)中的主機(jī)和子機(jī)均采用Cygnal公司出品的性能強(qiáng)大的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片C8051F005型單片機(jī)。選擇這種單片機(jī)，主要考慮以下幾點(diǎn)： 　　1、列車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)管及制動(dòng)缸的壓力變化非常快，監(jiān)視這兩路壓力變化的過(guò)程要求采樣速率小于1/100s，且制動(dòng)壓力范圍大，因此需要12位A/D，該單片機(jī)內(nèi)置多通道12位A/D，轉(zhuǎn)換速率為100Ksps，完全滿足實(shí)際需求。 　　2、該單片機(jī)具有2K字節(jié)的間址RAM和256直址RAM、32KFLASH程序存儲(chǔ)器、多個(gè)I/O口、電源電壓監(jiān)視、專用看門狗和多個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能，這樣可直接連接IC卡、顯示及鍵盤電路，從而減少外圍電路，提高整體電路的可靠性。 　　3、該單片機(jī)具有內(nèi)置的兩路帶回差的模擬比較器可方便的用于列車啟動(dòng)自動(dòng)喚醒。 　　4、列車制動(dòng)系統(tǒng)中兩路壓力變化速度快，要求計(jì)算壓力的上升和下降速度，計(jì)算工作量大，實(shí)時(shí)性要求高，而C8051F005單片機(jī)采用流水線指令結(jié)構(gòu)，70%指令執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，使用25MHz主頻，指令周期平均執(zhí)行時(shí)間只有0.1μs，可以很好地滿足系統(tǒng)速度快、精度高的要求。 　　基于以上原因本系統(tǒng)采用C8051F005作為核心控制器。 　　3.2主機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 　　主機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。 　　主機(jī)配置了漢字顯示屏、操作靈活方便的設(shè)置查詢鍵、日時(shí)鐘電路、狀態(tài)指示與報(bào)警電路以及支持熱插拔的RS485接口。當(dāng)需要查詢制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)，可將主機(jī)與任一車廂的子機(jī)RS485接口連接，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢?nèi)我廛噹凶訖C(jī)采集的制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)及已記錄的狀態(tài)信息。 　　主機(jī)中還配置了8M位E2PROM和8M位IC卡，用于存儲(chǔ)子機(jī)所采集的各車廂制動(dòng)故障信息，并可由乘務(wù)人員提取這些信息到終點(diǎn)站進(jìn)行地面分析。當(dāng)某臺(tái)子機(jī)將制動(dòng)故障信息傳來(lái)時(shí)，主機(jī)會(huì)立即中斷一切操作并顯示子機(jī)傳來(lái)的信息。主機(jī)還可以向多臺(tái)子機(jī)發(fā)布廣播命令，如設(shè)置所有子機(jī)日時(shí)鐘，保持與主機(jī)日時(shí)鐘一致，這樣可以保證多臺(tái)子機(jī)傳送的故障記錄信息進(jìn)行分析時(shí)結(jié)果更準(zhǔn)確、可靠。 [align=center]　 圖2 主機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　3.3 子機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 　　子機(jī)主要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、報(bào)警、故障排除以及聯(lián)網(wǎng)通信等多種功能，是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分。系統(tǒng)中通過(guò)兩路壓力傳感器和一路溫度傳感器實(shí)時(shí)采集制動(dòng)管和制動(dòng)缸的壓力及環(huán)境溫度，其中測(cè)量的溫度用于壓力傳感器的非線性補(bǔ)償。并根據(jù)當(dāng)前測(cè)量的壓力值及其變化速度分析判斷制動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，監(jiān)視列車啟動(dòng)、緊急制動(dòng)、正常停車制動(dòng)、停車保壓等全過(guò)程，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可判斷出不緩解、不制動(dòng)、制動(dòng)靈敏度差、制動(dòng)保壓泄露、緩解過(guò)程時(shí)間過(guò)長(zhǎng)及靈敏度差、無(wú)緊急制動(dòng)等故障類型，故障類型不同子機(jī)會(huì)伴有相應(yīng)的聲光報(bào)警。當(dāng)判斷出列車制動(dòng)系統(tǒng)不緩解時(shí)，在報(bào)警同時(shí)打開(kāi)排風(fēng)閥進(jìn)行故障排除，同時(shí)檢測(cè)緩解狀態(tài)，若經(jīng)過(guò)幾個(gè)工序處理故障排除后則解除報(bào)警，否則等待維修人員處理后解除報(bào)警。子機(jī)還同時(shí)將壓力值、壓力上升、下降速度和故障類型、故障發(fā)生時(shí)間、故障解除時(shí)間等信息保存到E2PROM中，以便將以上信息實(shí)時(shí)傳給主機(jī)。 [align=center] 圖3 子機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　3.4 系統(tǒng)抗干擾措施 　　為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，軟硬件均采取了相應(yīng)保護(hù)措施。硬件上除具備一般的抗干擾技術(shù)外，在整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)輸入輸出端口均采用了光電隔離，電源及外部連接端口設(shè)計(jì)了浪涌吸收電路，進(jìn)行防雷擊和瞬時(shí)電壓保護(hù)，并且系統(tǒng)使用內(nèi)外兩個(gè)看門狗以監(jiān)視電壓和程序的運(yùn)行。軟件設(shè)計(jì)則采用冗余、防陷阱等技術(shù)。 4 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)軟件功能框圖如圖4所示。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初始化自檢后，進(jìn)入鍵盤掃描與處理狀態(tài)，根據(jù)各鍵值的不同來(lái)完成系統(tǒng)時(shí)間調(diào)整、壓力速度切換顯示、寫(xiě)IC卡以及系統(tǒng)啟動(dòng)等功能，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，可以根據(jù)采集的壓力、溫度值進(jìn)行故障判斷、分析、報(bào)警、排除以及信息存儲(chǔ)等處理。 [align=center] 圖4 軟件功能框圖[/align] 5 結(jié)束語(yǔ) 　　該列車制動(dòng)機(jī)故障智能監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)全面測(cè)試和試驗(yàn)。本系統(tǒng)與目前國(guó)內(nèi)正在使用的其他同類系統(tǒng)相比具有很大的優(yōu)越性。不僅檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，而且具有監(jiān)測(cè)、記錄、報(bào)警和故障排除的功能，同時(shí)實(shí)時(shí)性和精度符合鐵道部部頒標(biāo)準(zhǔn)，目前該裝置已經(jīng)通過(guò)鑒定，可以從技術(shù)上確保了機(jī)車的安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。 項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益： 　　經(jīng)過(guò)廣泛調(diào)研，發(fā)現(xiàn)單以準(zhǔn)高速客車為例，如果制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，甩車一天修理，僅就一輛客車計(jì)算，滿員76人，以一天9個(gè)單程，85%的上座率，每人次75元票費(fèi)，檢修費(fèi)2400元計(jì)算，直接損失就高達(dá)4.6萬(wàn)元，若采用本系統(tǒng)，就能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)行車時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生的故障，并報(bào)警排除，極大程度地減少故障發(fā)生率，因此可以產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 　　本文提出一種采用C8051F005單片機(jī)為核心控制器的新型列車制動(dòng)故障監(jiān)控系統(tǒng)，不但能對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、對(duì)制動(dòng)故障進(jìn)行報(bào)警，對(duì)列車制動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、分析，而且可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患、自動(dòng)排除故障。該系統(tǒng)作為河北工業(yè)大學(xué)科研課題“制控系統(tǒng)監(jiān)控裝置研究”（項(xiàng)目編號(hào)613007）的研究成果，已經(jīng)通過(guò)鑒定，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和精度均達(dá)到鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)的研制成功填補(bǔ)了制動(dòng)機(jī)故障監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)的空白，在技術(shù)上確保機(jī)車的安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 潘琢金，施國(guó)君.C8051Fxxx高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版社，2002 　　[2] 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