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的安全性和可靠性。目前，我國生產的新型電力機車上都裝置了LCU，而老型電力機車經過大修后，也都加裝了該裝置。但是，由于電力機車的運行環境通常十分惡劣，在機車邏輯控制單元使用一段時間后，可能會導致LCU故障的發生，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">測試臺的硬件系統提出了一種可行的設計方案。
1 LCU測試臺的系統結構
本文中的LCU測試臺系統采用的是模塊化設計思想，系統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、數據采集及控制模塊、程控電源" title="程控電源">程控電源及監控模塊、模擬負載模塊組成。其LCU測試系統框圖如圖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送給LCU，同時根據反饋數據對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據庫的功能。本上位機采用的CPU為賽揚1．8 GHz，內存512 MB，操作系統為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機測試。本設計使用RS485作為上位機的通信協議，其它模塊間使用CAN總線進行通信。設計中，為了防止總線干擾信號進入系統，影響系統運行的穩定性，本設計對單片機和CAN總線之間進行了數據隔離。其通信模塊的結構框圖如圖2所示。
1．3 數據采集及控制模塊
數據采集及控制模塊的主要功能是將通信模塊發過來的邏輯控制命令(5 V)轉換成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回上位機，以供上位機檢測。數據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。
數據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總線向本模塊發送相關控制命令，然后單片機根據命令來控制24路光電開關的接通或關閉。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，本設計使用24路光電反饋電路將其轉化成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轉換器，并采用分時復用的方式來對各個輸出進行AD轉換。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。
本設計我們同樣采用分時復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。數據采集及控制模塊的結構框圖如圖3所示。
1．4 程控電源及監控模塊
程控電源及監控模塊主要是為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。為了保證測試臺設備和被測LCU的安全，此模塊中設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控模塊發出調壓命令時，可由單片機控制程控電源進行輸出電壓調節。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，以監視電源的工作狀況。當發現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，則立刻關閉固態繼電器，同時向上位機發送電源異常數據。圖4所示是程控電源及監控模塊結構圖。
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控制板對應一組可選負載(共需8組)，每組負載有4種可選阻值(根據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，同時自檢電源的導通開關打開，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構框圖如圖5所示。
2 硬件電路設計
本測試臺的硬件系統是以富士通公司生產的16位高性能單片機MB90F543G為核心的嵌入式系統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轉換器和8個中斷優先級，34個中斷源，4字節指令隊列，可增強指令執行速度。
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收發器即可實現對其擴展。本系統采用飛利浦公司生產的PCA82C-250C芯片作為CAN收發器，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個節點連接等特點，因而得到了廣泛的應用。本設計中，為了保護CAN收發器，另外還增加了涌浪保護芯片NUP2105。本系統中的CAN總線接口電路如圖6所示。
2．2 RS485接口電路
RS485轉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據，本設計采用6LBCl84芯片作為RS485的收發器，同樣，設計時也增加了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。本系統使用KP4010光電開關來控制電路的開閉。其電路如圖8所示。
2．4 AD轉換電路
系統選用TLV2556IDW芯片作為AD轉換器。TLV2556IDW是TI公司生產的12 Bit的AD轉換器，它具有11路模擬電壓輸入通道，可編程輸出數據長度等優點。為了提高系統的穩定性和AD轉換的精確度，本設計同時采用ADuMl311BRWZ數據隔離芯片來在AD轉換器和單片機之間進行數據隔離。設計中，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用的方式來使用1路模擬輸入端口。其AD轉換電路如圖9所示。
3 結束語
本文根據SS4G電力機車邏輯控制單元的特點，對LCU測試臺硬件系統進行了詳細的設計，由于本設計方案采用的是模塊化設計思想，因此，系統設計簡單，維護方便。系統中的各子模塊及其功能完全可以滿足現行電力機車邏輯控制單元的測試需求。