0 引言
    電力機車" title="電力機車">電力機車邏輯控制單元(Logic Control Unit——LCU)是電力機車上重要的控制部分，它使用現(xiàn)代化的電子元件來取代原來電力機車上的有觸點繼電器，從而提高了電力機車控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。目前，我國生產(chǎn)的新型電力機車上都裝置了LCU，而老型電力機車經(jīng)過大修后，也都加裝了該裝置。但是，由于電力機車的運行環(huán)境通常十分惡劣，在機車邏輯控制單元使用一段時間后，可能會導(dǎo)致LCU故障的發(fā)生，所以必須定期對LCU進行全面的檢測。本文主要針對SS4G型電力機車LCU測試臺" title="測試臺">測試臺的硬件系統(tǒng)提出了一種可行的設(shè)計方案。

1 LCU測試臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本文中的LCU測試臺系統(tǒng)采用的是模塊化設(shè)計思想，系統(tǒng)的主要功能模塊由上位機" title="上位機">上位機、通信模塊" title="通信模塊">通信模塊、數(shù)據(jù)采集及控制模塊、程控電源" title="程控電源">程控電源及監(jiān)控模塊、模擬負載模塊組成。其LCU測試系統(tǒng)框圖如圖l所示。

1．1 上位機
    上位機是本測試臺的核心部分，主要功能是模仿電力機車的控制信號并發(fā)送給LCU，同時根據(jù)反饋數(shù)據(jù)對LCU的運行情況進行檢測，以查找錯誤，分析原因。另外，上位機還具有LCU邏輯梯形圖繪制功能；根據(jù)LCU邏輯梯形圖，自動或手動完成邏輯測試表的功能；自動或手動完成LCU測試功能，并具有測試報表打印功能和不斷豐富故障數(shù)據(jù)庫的功能。本上位機采用的CPU為賽揚1．8 GHz，內(nèi)存512 MB，操作系統(tǒng)為WindowsXP．80 GB硬盤空間。同時具有良好的操作界面和人機交互能力，而且圖形界面簡潔直觀，操作方便簡單。
1．2 通信模塊
    通信模塊主要負責上位機和其他各功能模塊之間的通信，并在進行單機箱測試時模擬另外一個機箱來完成聯(lián)機測試。本設(shè)計使用RS485作為上位機的通信協(xié)議，其它模塊間使用CAN總線進行通信。設(shè)計中，為了防止總線干擾信號進入系統(tǒng)，影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，本設(shè)計對單片機和CAN總線之間進行了數(shù)據(jù)隔離。其通信模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1．3 數(shù)據(jù)采集及控制模塊
    數(shù)據(jù)采集及控制模塊的主要功能是將通信模塊發(fā)過來的邏輯控制命令(5 V)轉(zhuǎn)換成LCU所能接收的邏輯控制命令(110 V)，并對LCU輸出信號進行采集并發(fā)回上位機，以供上位機檢測。數(shù)據(jù)采集及控制模塊共由8塊一模一樣的電路板組成，這些電路板與被測SS4G型電力機車的LCU一一對應(yīng)。
    數(shù)據(jù)采集及控制模塊的具體工作原理是：上位機通過通信模塊的CAN總線向本模塊發(fā)送相關(guān)控制命令，然后單片機根據(jù)命令來控制24路光電開關(guān)的接通或關(guān)閉。為LCU板提供24路輸入邏輯控制信號(高電平為70～135 VDC，低電平為O V)。為了確保24路邏輯控制信號的正確，本設(shè)計使用24路光電反饋電路將其轉(zhuǎn)化成TTL電平信號，再送回單片機進行判斷。每塊LCU控制板的輸出有14路高輸出" title="高輸出">高輸出和4路低輸出，所以，對其輸出信號的采集也分為14路高輸出采集和4路低輸出采集，它們共用一個AD轉(zhuǎn)換器，并采用分時復(fù)用的方式來對各個輸出進行AD轉(zhuǎn)換。另外，在對LCU的高輸出進行檢測時，還需檢測其在帶載情況下的輸出電壓。
    本設(shè)計我們同樣采用分時復(fù)用的方式來對高輸出進行帶載情況測試。此外，本模塊還具有自檢功能。數(shù)據(jù)采集及控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

1．4 程控電源及監(jiān)控模塊
    程控電源及監(jiān)控模塊主要是為LCU測試臺提供工作電源，并實時對電源進行監(jiān)控。本程控電源具有四種不同的輸出電壓(DC70 V、DC75 V、DCll0 V和DCl37 V)，可以測試LCU在不同電壓下的工作狀況。為了保證測試臺設(shè)備和被測LCU的安全，此模塊中設(shè)計有過流過壓報警及保護功能。當工控機通過通信模塊的CAN總線向程控電源及監(jiān)控模塊發(fā)出調(diào)壓命令時，可由單片機控制程控電源進行輸出電壓調(diào)節(jié)。在正常工作狀況，可通過霍爾傳感器對輸出電壓電流進行實時采樣，以監(jiān)視電源的工作狀況。當發(fā)現(xiàn)電壓或電流不正常時，可延時100～500μs(防止電流毛刺)再對電壓電流進行檢測，若仍不正常，則立刻關(guān)閉固態(tài)繼電器，同時向上位機發(fā)送電源異常數(shù)據(jù)。圖4所示是程控電源及監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)圖。

1．5 模擬負載模塊
    在對LCU進行測試時，還需要測試其高輸出在帶負載情況下的工作狀況，所以，本設(shè)計還給出了模擬負載單元，以模仿電力機車上的負載。每塊LCU控制板對應(yīng)一組可選負載(共需8組)，每組負載有4種可選阻值(根據(jù)SS4G電力機車實際情況選330歐、220歐、110歐和55歐)；另外還需具有負載自檢功能，應(yīng)可判定負載電阻是否短路、斷路或阻值異常等情況。其工作原理是在正常工作時，由單片機通過4路光電開關(guān)對電阻阻值進行選擇，以作為LCU高輸出的負載。負載自檢是通過單片機選擇要檢測的電阻阻值，同時自檢電源的導(dǎo)通開關(guān)打開，以對要檢測的電阻進行通電，然后對電阻的電壓進行AD轉(zhuǎn)換，并反饋給單片機以供檢測是否正常。其模擬負載模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

2 硬件電路設(shè)計
    本測試臺的硬件系統(tǒng)是以富士通公司生產(chǎn)的16位高性能單片機MB90F543G為核心的嵌入式系統(tǒng)MB90F543G具有兩個符合V2．0標準的CAN總線接口，十分方便CAN總線的擴展，同時具有8路8／10bit的A／D轉(zhuǎn)換器和8個中斷優(yōu)先級，34個中斷源，4字節(jié)指令隊列，可增強指令執(zhí)行速度。
2．1 CAN總線接口電路
    由于MB90F543G單片機本身具有兩路CAN控制器，因此，只需要增加CAN收發(fā)器即可實現(xiàn)對其擴展。本系統(tǒng)采用飛利浦公司生產(chǎn)的PCA82C-250C芯片作為CAN收發(fā)器，該芯片與ISO／DIS 11898標準完全兼容，同時具有傳輸速度高(最高可達1Mbps)，抗干擾能力強，可支持多達110個節(jié)點連接等特點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計中，為了保護CAN收發(fā)器，另外還增加了涌浪保護芯片NUP2105。本系統(tǒng)中的CAN總線接口電路如圖6所示。

2．2 RS485接口電路
    RS485轉(zhuǎn)換接口位于上位機與通信模塊之間，主要用于上位機向其它功能模塊傳輸命令和接收其他模塊的反饋數(shù)據(jù)，本設(shè)計采用6LBCl84芯片作為RS485的收發(fā)器，同樣，設(shè)計時也增加了NUP2105涌浪保護芯片以用于保護6LBCl84，避免燒毀器件。RS485的接口電路如圖7所示。

2．3 LCU輸入控制和反饋電路
    LCU輸入控制電路用來控制LCU輸入電壓的開斷，即為LCU提供邏輯輸入信號。反饋電路則用于取樣LCU輸入邏輯信號，并將其反饋回單片機，以驗證LCU的輸入邏輯是否符合要求。本系統(tǒng)使用KP4010光電開關(guān)來控制電路的開閉。其電路如圖8所示。

2．4 AD轉(zhuǎn)換電路
    系統(tǒng)選用TLV2556IDW芯片作為AD轉(zhuǎn)換器。TLV2556IDW是TI公司生產(chǎn)的12 Bit的AD轉(zhuǎn)換器，它具有11路模擬電壓輸入通道，可編程輸出數(shù)據(jù)長度等優(yōu)點。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和AD轉(zhuǎn)換的精確度，本設(shè)計同時采用ADuMl311BRWZ數(shù)據(jù)隔離芯片來在AD轉(zhuǎn)換器和單片機之間進行數(shù)據(jù)隔離。設(shè)計中，4路LCU低輸出分別使用了4個模擬輸入端口，而14路LCU高輸出則通過分時復(fù)用的方式來使用1路模擬輸入端口。其AD轉(zhuǎn)換電路如圖9所示。

3 結(jié)束語
    本文根據(jù)SS4G電力機車邏輯控制單元的特點，對LCU測試臺硬件系統(tǒng)進行了詳細的設(shè)計，由于本設(shè)計方案采用的是模塊化設(shè)計思想，因此，系統(tǒng)設(shè)計簡單，維護方便。系統(tǒng)中的各子模塊及其功能完全可以滿足現(xiàn)行電力機車邏輯控制單元的測試需求。