鐵路調(diào)車車載設(shè)備檢測裝置的硬件設(shè)計

■ 梁明亮

梁明亮：鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院，講師，河南 鄭州，450052

《鐵路主要技術(shù)政策》提出，鐵路發(fā)展的總目標是實現(xiàn)鐵路現(xiàn)代化，要采用先進的監(jiān)控、檢測診斷技術(shù)，逐步完善列車安全保障體系，實現(xiàn)對機車車輛的動態(tài)監(jiān)測，提高設(shè)備的故障檢查檢測速度和準確率，以保障行車效率。基于ARM嵌入式技術(shù)的鐵路調(diào)車系統(tǒng)車載設(shè)備檢測裝置研究項目旨在解決鐵路調(diào)車作業(yè)時，當平調(diào)車載設(shè)備發(fā)生故障時，難以在短時間內(nèi)對調(diào)車機上的平調(diào)主機、平調(diào)接口控制器（也稱接口盒或接線盒）及列車監(jiān)控裝置接口電路及相關(guān)設(shè)備進行有效檢測、診斷和故障分析的問題。

1 技術(shù)背景與主要設(shè)計原理

在鐵路調(diào)車作業(yè)過程中，平面調(diào)車系統(tǒng)起著實現(xiàn)自動化選路、自動下達轉(zhuǎn)動道岔命令、自動測量溜放車輛過岔速度、保證調(diào)車作業(yè)安全等重要控制作用。同時車載平調(diào)系統(tǒng)主機把信號狀態(tài)、調(diào)車作業(yè)命令通過接口控制器（接口盒）及時傳送給機車監(jiān)控裝置主機。當機車調(diào)車系統(tǒng)設(shè)備或監(jiān)控設(shè)備出現(xiàn)故障時，車載設(shè)備技術(shù)人員一般在平調(diào)主機、平調(diào)接口控制盒、機車監(jiān)控裝置范圍內(nèi)查找故障，由于其原理及電路較復(fù)雜，難以快速準確地查找出存在故障的具體電路。

現(xiàn)有的故障診斷和排除方法通常有以下幾種：一是通過簡單的萬用表檢測，只能對設(shè)備損壞嚴重的情況進行判斷，準確率很低；二是不經(jīng)過嚴格檢測直接更換平面調(diào)車控制盒或其他設(shè)備，使得檢修面過大，增加維修費用；三是采用現(xiàn)有的功能單一的同類測試設(shè)備進行檢測，這類測試設(shè)備絕大多數(shù)只能向平調(diào)控制盒發(fā)送簡單的模擬信號，即只能對平調(diào)接口控制盒進行故障判斷，不能對平調(diào)主機送來的信號進行分析，且此類檢測產(chǎn)品技術(shù)手段落后，存在無觸摸液晶屏、界面不友好、操作麻煩、功能簡單等問題。使用此種設(shè)備進行故障檢測，容易再次出現(xiàn)調(diào)車設(shè)備故障，影響調(diào)車作業(yè)效率。

所設(shè)計開發(fā)的檢測裝置采用便攜式設(shè)計，重量輕；采用32位ARM系統(tǒng)，運算速度快，裝置性能好；開發(fā)語音提示功能；采用觸摸式高亮液晶顯示屏，設(shè)計友好顯示界面，方便現(xiàn)場技術(shù)人員操作；以先進的檢測診斷技術(shù)對鐵路平調(diào)主機輸出信號、平調(diào)接口盒、列車監(jiān)控接口電路進行全面故障檢測，快速檢測故障，提高檢測的準確率。

檢測裝置由ARM7控制器、電源電路和語音模塊、液晶及按鍵模塊、信號輸入/輸出電路等接口電路組成。

2 ARM7控制器設(shè)計

ARM7控制器電路（見圖1）。ARM7嵌入式微處理器為LPC2132，是PHILIPS 半導(dǎo)體公司推出的一個基于ARM7TDMI-S核、支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位微控制器。該處理器封裝較小功耗極低，價格低廉，具有2個32位定時器、8路10位ADC、10位DAC、PWM通道和47個可承受5V電壓的通用I/O接口，其在通信網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。

LPC2132為單電源供電，含有上電復(fù)位和掉電檢測電路，CPU操作電壓為3.0~3.6 V。本控制器采用3.3 V供電，系統(tǒng)時鐘使用外部11.0592 MHz晶振，支持LPC2132微控制器芯片內(nèi)部PLL及ISP功能，RST為系統(tǒng)復(fù)位按鍵，ISP為調(diào)試用功能鍵，J2為JTAG程序調(diào)試及下載端口。

3 接口電路設(shè)計

接口電路主要包括語音模塊、液晶及按鍵模塊、信號輸入/輸出電路等。語音和液晶電路見圖2，信號輸入輸出電路見圖3。

語音模塊U4由集成電路WT588D和FLASH存儲器25X16組成，LPC2132的第15、19、21腳分別作為數(shù)據(jù)線、檢測信號和復(fù)位信號與WT588D相連接，SPK1、SPK2用于外接揚聲器。WT588D為3.3 V供電，25X16為5 V供電。WT588D語音芯片是一款功能強大的可重復(fù)擦除燒寫的語音單片機芯片。WT588D讓語音芯片不再為控制方式而尋找合適的外圍單片機電路，高度集成的單片機技術(shù)足以取代復(fù)雜的外圍控制電路。配套WT588D VioceChip上位機操作軟件可隨意更換WT588D語音單片機芯片的任何一種控制模式。語音模塊有PWM音頻和DAC音頻2種輸出方式：PWM音頻輸出為直接驅(qū)動揚聲器的方式，揚聲器兩端接SP+和SP-，此狀態(tài)輸出時，SP+/SP-兩端不可短路、不可接電容電阻到地。也可采用DAC音頻輸出方式，此時 PWM+/DAC端做音頻輸出，PWM-端騰空。DAC端接一個1.2 K電阻和104電容到地，再把音頻輸出給三極管8550構(gòu)成的功率放大電路。

圖1 ARM7控制器電路

圖2 語音和液晶電路原理

圖3 信號輸入/輸出電路

采用彩色液晶觸摸屏和5個獨立式按鍵作為裝置顯示和人機對話窗口。液晶模塊分辨率為320×240，+3.3 V供電，采用16位并行標準8080數(shù)據(jù)接口，內(nèi)置背光亮度驅(qū)動控制（PWM方式），內(nèi)置SSD1289液晶控制器。SSD1289液晶控制器由16位并行數(shù)據(jù)接口、內(nèi)部控制器和LCD驅(qū)動器組成。液晶數(shù)據(jù)傳輸方式為16位并行方式，LPC2132的16根I/O口線分別接液晶模塊的數(shù)據(jù)線。

液晶模塊底板帶ADS7843觸摸屏控制器。ADS7843是TI公司生產(chǎn)的四線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在125 kHz吞吐速率和2.7 V電壓下，功耗為750μW。在關(guān)閉模式下，功耗僅為0.5μW。由于具有低功耗和高速等特性，被廣泛應(yīng)用在電池供電的小型手持設(shè)備上。觸摸屏部分由觸摸傳感部件和觸摸屏控制器ADS7843組成。觸摸傳感部件是一個四線電阻屏幕，屏上引出四根線，分別對應(yīng)X軸和Y軸各兩根。測量X方向的時候，將X+，X-之間加上參考電壓Vref，Y-斷開，Y+作為A/D輸入，獲得X方向的電壓；同理測量Y方向的時候，將Y+，Y-之間加上參考電壓Vref，X-斷開，X+作為A/D輸入，進行A/D轉(zhuǎn)換獲得Y方向的電壓，之后再完成電壓與坐標的換算，整個過程類似一個電位器，觸摸不同的位置分得不同的電壓。以上所需要的參考電壓、A/D轉(zhuǎn)換等工作由觸摸屏控制器ADS7843直接完成的，微處理器LPC2132只需將相應(yīng)的控制命令傳輸?shù)紸DS7843即可，以獲得相應(yīng)電壓的數(shù)據(jù)。

信號輸入/輸出電路的主要功能為接收平調(diào)系統(tǒng)送入的各種信號、模擬輸出人為設(shè)定的各種信號狀態(tài)。U31(74HC245)、R300～R305、R310～R315、J3等元件構(gòu)成信號輸入通道，U31為雙向驅(qū)動器，其第1引腳DIR設(shè)置為高電平（+5 V），A1-A6為信號輸入端、B1-B6為信號輸出端，即平調(diào)系統(tǒng)輸入的信號經(jīng)J3到U31的A1-A6，從B1-B6、R300～R305、R310～R315到LPC2132的數(shù)據(jù)口D0—D5。U32(74HC245)、R310～R315、J4等元件構(gòu)成模擬信號輸出通道，U32第1引腳DIR同樣設(shè)置為高電平（+5 V），即在模擬信號輸出工作狀態(tài)時，信號從LPC2132的數(shù)據(jù)口D0—D5輸出，經(jīng)R310～R315、U32的A1-A6、B1-B6，最終從J4輸出。

測試裝置電源采用監(jiān)控系統(tǒng)的+12 V直流電源供電。+5 V電路由三端集成穩(wěn)壓電路7805產(chǎn)生，+3.3 V電源由LM1117產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

在鐵路智能檢測設(shè)備中，采用先進的ARM嵌入式技術(shù)、數(shù)字語音技術(shù)和液晶觸摸屏技術(shù)，具有操作簡便、界面友好、功能較強等優(yōu)點。本檢測裝置采用便攜式設(shè)計，重量輕，旨在解決鐵路企業(yè)實際技術(shù)問題，滿足了鐵路沿線調(diào)車機平調(diào)及監(jiān)控接口設(shè)備故障時的維修使用，對于提高檢測速度和準確率有重要作用。設(shè)計開發(fā)完成后，已直接應(yīng)用于鐵路監(jiān)控車間及車載設(shè)備維保部門，裝置運行可靠，使用方便，驗證了系統(tǒng)設(shè)計的可行性，有很好地推廣應(yīng)用價值和市場前景。

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