基于ARM9的铁路客车发电机系统试验台的设计

摘要：针对铁路新型客车发电机和控制系统的应用，以及原有铁路客车发电机系统试验台存在的问题，设计了新型发电机系统试验台。该试验台以ARM9为核心，以嵌入式Linux为操作系统，具有以太网接口、SD卡存储器和液晶触摸显示屏的友好人机接口。设计了以IGBT为主控元件的负载调控模块，实现负载电流的自动调整。该试验台具有体积小、测控精度高、自动化程度高等特点。

关键词： ARM9； 嵌入式Linux；铁路客车；发电机；试验台

中图分类号：TP332.3 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)34-1790-03

Design of Test Platform for Passenger Train Generator System Based on ARM9

ZHANG Yang1, LIU Yi1, ZHU Bing1, HUANG Xiao-cun2

(1.Electronic & information Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001,China; 2.Physics & Electrical Information College, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

Abstract: In view of the new passenger train generator and control system's application, as well as the original passenger train generator system test platform's questions, the new test platform of generator system has been designed. This test platform takes ARM9 as the core, takes embedded Linux as the operating system, has the ethernet connection, the SD card memory and friendly man-machine connection of the touchable liquid crystal display monitor. It has designed load regulation module which takes IGBT as master element, has realized the load current automatic control. This test platform has many characteristics, such as the small volume, the high examination and control precision, the high automaticity and so on.

Key words: ARM9; embedded Linux; passenger train; generator; test platform

1 引言

当前我国铁路客车分为空调客车与普通客车两大类，普通客车使用车轴驱动发电机供电的模式。发电机系统和蓄电池组相互配合为客车供电。发电机系统由感应子式发电机、控制箱和整流箱组成。发电机系统工作质量直接影响列车的运行安全。根据铁路段修、厂修规程及铁道部TB/T1896-87铁路客车发电装置试验台技术条件的要求[1]，发电机系统分解检修后需要进行运转试验，以检验发电机系统的性能参数是否满足技术要求的规定，有效保证列车的运行安全。随着铁路客车的不断提速以及新型发电机和控制系统的应用，原有的铁路客车发电机系统试验台已不能满足对现有客车发电机和控制箱、整流箱的检测要求[2]。主要表现出调速范围小，能耗大，检测精度低，自动化程度低，试验操作繁琐等缺点。针对上述情况，设计了以基于ARM9内核的S3C2410X芯片为核心的铁路客车发电机系统试验台。试验台在测量精度、能耗、自动化程度、体积等方面均有所改进。

2 试验台总体结构及工作原理

新型铁路客车发电机试验台参照原有试验台设计方案[3-4]，并加以改进。试验台总体结构框图如图1中虚框内所示。试验台以ARM9为控制核心，由传感器、A/D转换器、D/A转换器、继电器、变频器、SD卡、液晶触摸显示屏等组成，蓄电池组用来模拟客车上的蓄电池组，利用电动机模拟客车运行带动发电机转动。发电机系统（发电机、整流箱和控制箱）为试验对象，如虚框外所示。

试验台以基于ARM9内核的S3C2410X为核心，由触摸屏输入所需参数和选择试验项目等。S3C2410X通过继电器控制变频器控制电机正反转；通过D/A转换器输出模拟信号控制变频器控制电机转速。负载调控电路调节负载电流大小。试验台通过传感器、A/D转换器测试发电机三相输出电压、输出电流等15项参数。并将采集的试验数据实时显示在液晶显示屏上，同时自动存入SD卡存储器。SD卡中的试验数据通过UART接口上报计算机，由打印机按规定的试验记录表格输出试验结果。通过以太网接口能够实现远程监控和查询等功能。

3 试验台硬件设计

按照功能层次，本试验台由ARM9最小系统、发电机转速测控模块、负载调控模块、数据采集处理模块、人机交互模块和数据通信模块组成。以下对各模块的构成进行具体的介绍。

ARM9最小系统由S3C2410X微处理器、SDRAM、NAND Flash、复位电路、电源等组成。S3C2410X是韩国三星公司生产的基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，时钟频率高达203MHz。SDRAM用于程序的运行，64M字节，由两片HY57V561620组成，工作在32位模式下。NAND Flash用于程序的存储，采用的是64M字节的K9F1208U0M。复位电路使用的芯片是MAX811，实现上电复位和手动复位的功能。系统由5V电源供电，经线性电源L1117-3.3和L1117-1.8输出3.3V和1.8V供系统使用。

转速测控模块调节发电机运转在设定转速，用于模拟发电机随着铁路客车运转的速度。由于S3C2410X内部没有计数器，而有五个可以输入外部时钟的定时器，所以转速测量部分采用定时器测量的方法。转速传感器即旋转编码器发出的脉冲信号作为定时器0的外部时钟信号，定时器1采用内部时钟，两个定时器同时工作，定时器1定时结束后产生中断，读取定时器0的计数值，从而可以测算出发电机转速。公式如下：

M=■

公式中：M为发电机转速；T为定时器1的定时时间；N为定时器0的计数个数；P为旋转编码器每转一圈所发出的脉冲数。转速控制部分，S3C2410X通过三个继电器控制变频器，通过变频器控制电动机的正转、反转和停止。同时S3C2410X输出数字信号，通过D/A转换器转换为0-5V模拟信号，控制变频器的输出频率来调节电动机转速。

负载调控模块用来模拟铁路客车内的用电设备运行。原有试验台都是用一个体积较大、安装麻烦的电阻箱负载，通过试验台上的转换开关调整系统的负载电阻，以此来调整负载电流的大小。这种方法操作不便、调节精度差，影响试验结果。本系统设计了新型负载调控模块，该模块由EXB841、高速IGBT和负载电阻组成。S3C2410X内部有4个具有PWM功能的定时器，利用定时器2可以发出任意占空比的方波，经由专用驱动器EXB841，控制IGBT的通断，从而调整负载电流的大小。负载电流可由公式表示：

I=τ■

公式中：I为负载电流；U为整流输出总电压；τ为定时器发出方波的占空比；R为负载电阻。从负载调控模块的调试方式可以看出，采用改进的负载电流调控方法，能够实现负载电流的连续可调，具有切换范围大、体积小、安装方便、操作简单等特点。

数据采集模块通过各类型传感器和A/D转换器采集发电机三相输出电压、发电机三相输出电流、整流输出总电压、总电流、负载电流、充电电流、励磁电流、发电机前后轴承温升、整流箱模块温升等15项参数。以上参数是衡量客车发电机系统性能优劣的重要指标，且对参数检测的精度要求较高，S3C2410X内部含有8通道10位AD转换器，其中两个通道被触摸屏占用，而且其转换精度也达不到系统要求。因此选用MAX197作为A/D转换器，它是MAIXM公司的8通道12位的逐次比较型转换芯片，8+4并行数据接口，5MHZ的带宽，100KSPS的吞吐率。由于MAX197只有8通道，所以在其通道0前加一个八选一的模拟开关CD4051，这样CD4051的8个通道加上MAX197剩余的7个通道，就有了15个数据采集通道。

人机交互模块采用了液晶触摸显示屏，能实时显示试验数据，试验操作更加方便简捷。由于S3C2410X内部集成了可编程LCD控制器和触摸屏控制器，支持带有触摸功能的液晶显示屏，因此硬件实现较为简单。

数据通信模块设计了UART接口和以太网接口。UART接口可以完成与近距离PC机之间的串行通信，将数据上传至PC机进行显示、打印、存储。由于S3C2410X内部集成有UART控制器，所以只需外加MAX232电平转换芯片和DB-9接口。以太网接口的设计采用CS8900A-CQ3以太网控制器，外加隔离变压器和RJ-45接口。试验数据可以通过以太网接口送入网络数据库，实现信息的集成化和远程监督查询。

4 试验台软件设计

试验台选用嵌入式Linux作为操作系统，选用Qt/Embedded[5]作为GUI（图形用户接口）界面开发工具。试验台的软件设计工作包括：嵌入式系统交叉开发环境的构建，系统引导程序Bootloader的编写，Linux操作系统内核的移植，设备驱动程序的设计, 基于Qt/Embedded的用户界面及应用程序开发。其中最重要的工作是设备驱动程序的设计和基于Qt/Embedded的用户界面及应用程序的开发。

设备驱动程序实现了系统内核和具体硬件之间的接口。Linux内核把驱动程序划分为3种类型：字符设备驱动，块设备驱动和网络设备驱动。本试验台需要设计的驱动程序有：A/D驱动，D/A驱动，LCD驱动，触摸屏驱动，SD卡驱动，网卡驱动和串口驱动等。其中触摸屏驱动属于字符设备驱动，具体设计过程如下。触摸屏驱动程序入口从S3C2410_TS_INIT开始。首先将触摸屏相关寄存器的物理地址映射到虚拟地址、设置与ADC相关的I/O口状态、对相关的寄存器进行设置。接着注册中断和字符设备。字符设备操作的结构被S3C2410_FOPS定义。只需定义打开(open)、读取(read)和关闭过程(release)。定义TS_RET结构体来存储触摸笔动作和A/D转换得到的坐标值。采用了多次测量求平均的均值滤波法，使得到的坐标更为准确。

试验台的应用程序采用模块化的设计思想，主要包括数据采集程序、负载调控程序、发电机转速测控程序、触摸屏控制程序、SD卡存储数据程序等。本文给出发电机转速测控程序流程，如图2所示。该部分采用了闭环反馈控制，将通过定时器测得的转速与设定转速比较，经PID算法计算出控制量控制转速变化，最终使测得转速与设定转速相一致。

试验台图形用户界面基于Qt/Embedded设计，主要完成数据显示和事件收集两大工作，采用典型的下拉框、文本框驱动方式。主窗口的创建使用最常用方法，基于QMainWindow类创建一个用户类。在主窗口类中使用new QAction( )设计系统所需的动作，通过addTo( )函数添加到菜单中，并将相应动作发出的信号和合适的插槽连接起来，如连接到转速测控、负载调控、数据采集等程序中的函数。当用户点击一个菜单项的按钮时,应用程序会执行其相应的代码。

5结论

在满足发电机系统基本性能检测要求的基础上，以ARM9为核心的铁路客车发电机系统试验台设计了负载调控模块，液晶触摸显示屏的人机交互接口，SD卡存储器和以太网接口等。在嵌入式Linux操作系统上基于Qt/Embedded设计了友好的图形用户接口界面。试验台具有操作简捷、测控精度高、实时性好、体积小、自动化程度高的特点，较好地满足了车辆检修部门的需求。

参考文献：

[1] 翟国富,王淑娟,邵青,等.铁路客车J5型发电机仿真试验系统的研究[J].铁道车辆,2000,38(12):15-17.

[2] 郝春霖.浅谈需改进的发电机试验台[J].内蒙古科技与经济,2006(8):55-56.

[3] 宋永增.客车发电机综合试验微机数据采集系统[J].北方交通大学学报,2001,25(4):90-93.

[4] 黄胜群,孙法明.5KW发电机试验台的研制[J].铁道机车车辆工人,2007(11):9-12.

[5] 何剑锋,邬文彪,李宏穆,等.嵌入式Linux系统的Qt/Embedded图形界面开发[J].电子工程师,2007,33(7):46-48.