基于STM32的站台门与信...统接口电压采集装置硬件设计_徐振兴.pdf

收稿日期:2023 03 15第一作者:徐振兴(1994)，男，汉族，河南郑州人，硕士，助理工程师，研究方向为电气工程。基于 STM32 的站台门与信号系统接口电压采集装置硬件设计徐振兴，高振天，孙奎(中船重工海为郑州高科技有限公司轨道交通事业部，河南 郑州 450015)摘要:该文针对站台门系统和信号系统在滑动门开关过程中出现的问题，提出一种基于 STM32的接口电压在线采集装置。以 STM32F103VCT6 为主控芯片设计了各电路模块，各模块相互配合，实现双方接口电压的数据采集，并通过隔离、放大、处理后传输给上位机。在样机测试过程中，该装置能够准确无误地对双方接口电压实时监测，从而对问题进行跟踪溯源，具有很强的实用价值。关键词:信号系统;站台门系统;电压在线监测中图分类号:U231 7文章编号:1000 0682(2023)04 0054 04文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 04 010Hardware design of platform door and signal system interfacevoltage acquisition device based on STM32XU Zhenxing，GAO Zhentian，SUN Kui(CSSC Haiwei Zhengzhou Hi tech Co，Ltd，Henan Zhengzhou 450015，China)Abstract:Aiming at the problems of sliding door switching in platform door system and signal sys-tem，this paper proposes an on line voltage acquisition device based on STM32 STM32F103VCT6 isused as the main control chip to design circuit modules，which cooperate with each other to realize thedata acquisition of interface voltage of both sides，and transmit to the upper computer through isolation，amplification and processing In the process of prototype testing，the device can accurately monitor thevoltage of the two interfaces in real time，so as to trace the source of the problem，which has a strongpractical valueKeywords:signal system;platform door system;on line voltage monitoring0引言在地铁列车行进到站的过程中，站台门系统(PSD)接收信号系统(SIG)发来的开关门命令，PSD根据命令来控制 DCU 对滑动门进行开关。同时，滑动门在全关且锁紧后会将门全关且锁紧信号及异常时的互锁解除信号发送给 SIG。在实际运营中，会出现车门打开，而 PSD 未收到开关门命令，导致 PSD 无法正常开关门的情况，例如郑州地铁二号线和城郊线在 2018 年共发生 22起由于屏蔽门系统未收到信号系统发出的开关门指令，导致屏蔽门系统无法进行正常开关门的情况。然而信号系统则表示已经确认向站台门系统发送开关门指令，此时就需要进行故障定位，界定双方责任，确认问题出在哪一方。该文以 SIM32 为基础，设计了一种站台门与信号系统接口电压在线采集装置，该装置能接收同一时刻站台门和信号系统发出控制命令的电压，并将该数据传输至上位机中。当出现开关门异常时，可以查询上位机数据，以此界定双方责任。1硬件电路设计该接口电压在线采集装置硬件部分包括电源模块、电压采集模块、存储模块、CAN 通讯模块、485 通讯模块、拨码开关模块和时钟模块，硬件系统框图如图 1 所示。45工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期图 1系统架构图该装置主控芯片采用 STM32F103VCT6，外围设置模块接口和电路保证芯片正常工作。电源模块由3 个小电源模块组成，以 24 V 电压作为输入，分别将电压降至 5 V 和 3 3 V。拨码开关模块采用 SWDIP 4 拨码开关进行输入，由于一条地铁线路中需要配置多个电压采集装置，因此通过该波动开关来对各装置实现区分。以太网通讯模块采用 W5500芯片作为收发器，能够实现和上位机的快速通讯。485 通讯模块选用 ADUM1201AZ 芯片进行数据通信。时钟模块选用 DS1302Z 芯片进行 TC 时钟计数，实现对时以及修改时间等功能。存储模块由铁电芯片和 SD 卡座 2 个小模块组成，实现数据的短期和长期存储。电压采集模块分为 3 类，分别为数字量采集、模拟量(非隔离)采集、模拟量(隔离)采集。现选择重要模块进行详细介绍。1 1电源模块如图 2 所示是电压采集装置电源模块原理图，由 3 个电压转换模块构成，由于 PSD 和 SIG 的供电电压都为 24 V，所以该采集板以 24 V 为输入电压。模块 1 采用 MC34063A 芯片将来自 PSC 的 24 V 电压降压至 5 V 供电压采集模块使用，模块 2 将 24 V电压降压至 5 V，该 5 V 电压主要用于 485 通讯模块，模块 3 采用 VT2AMS1117 3 3 V 芯片将5 V 电压降压至 3 3 V，主要用于以太网通讯、数据存储、拨码开关、时钟等模块。通过电源模块的降压，保证了接口电压采集装置的正常使用。图 2电源模块原理图1 2时钟模块时钟模块原理图如图 3 所示，该模块采用DS1302Z 芯片来进行时间计时，读取和接收的时间顺序分别为年、月、日、周、时、分、秒。采用 2 个电源进行主备供电，当主电 VCC2 电压丢失时，备用电VCC1 可通过 BT1 供电，以确保在电压采集装置失电后，芯片仍能计时。右侧 5、6、7 三接口与主控芯片相连，使用 I2C 总线模式进行信息传递，当 CE 接口为高电平时进行数据传输，SCLK 负责串行接口的数据移动，I/O 口进行时间的写入和读取。左侧2、3 接入晶振，确保芯片正常运行。通过时钟模块，可以将每次采集的电压数据进行时间标记，如果出现无法开关门的情况，可以通过时间标记快速锁定电压数据进行分析。图 3时钟模块原理图552023 年第 4 期工业仪表与自动化装置1 3电压采集模块电压采集模块分为 3 种，其中数字量采集模块在实际工况中并未使用不详细介绍。电压模拟量(隔离)的采集原理图如图 4 所示，该原理图共有 8个，分别对 PSD 电源电压、关门命令驱动电压、开门命令驱动电压(开短车)、开门命令驱动电压(开长车)、SIG 源电压1、SIG 源电压2、门全关信号驱动电压和互锁接触信号驱动电压进行采集。电压经过端口采集先进行分压处理，通过 HCPL 7840 光耦器件对电压进行放大后的输出信号作为后级运算放大器的输入信号，最终经过运算放大器后将该电压值输入到主控芯片中进行处理。电压模拟量(非隔离)的采集原理图如图 5 所示，主要采集安全回路的输出电压和反馈电压，采用CD4051B 芯片进行处理，共有 8 个信号输入 X0 X8，通过 A、B、C 接口的电平变化自主选择其中的一个信号连接至 X 接口，再经过分压放大处理将该电压信号输入到主控芯片中。图 4模拟量(隔离)采集原理图图 5模拟量(非隔离)采集原理图1 4存储模块数据存储模块分为 2 个，如图 6 所示。第一个模块为 SD 卡座原理图，主控芯片可以将采集到的数据每隔一段时间发送到该 SD 卡上，进行数据的长期存储。第二个模块为铁电 FAM 原理图，采用FM25V05 芯片进行数据存储，通过 SPI 串行外设接口与主控芯片进行数据传输，每隔 1 s 就进行以此数据存入，每隔 1 min 进行数据读出并传输给上位机，采用该模块是为了防止掉电数据丢失，在掉电的1 min 的数据都存在该芯片中，可以根据需要进行读取。65工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期图 6存储模块原理图2嵌入式软件设计嵌入式软件以 STM32F103 芯片为基础进行设计，主要包括系统初始化、看门狗监控程序、数据采集程序、数据接收处理程序和数据传输程序。如图7 所示，系统初始化主要是配置系统的时钟、通信传输初始化、指示灯初始化、电压采集初始化、时钟计数初始化、串口初始化，创建相关任务。共创建了 4个程序处理任务，分别是看门狗监控任务、数据采集任务、数据接收处理任务和数据传输任务，任务优先级依次由低到高。图 7软件流程图看门狗程序负责对整个系统的程序进行监控，防止程序跑飞，当程序跑飞时，及时进行复位，重启系统，主要用于监视通信是否正常，每 1000 ms 执行一次。数据采集程序将 ADC 采集到的数据进行预处理，每隔 200 ms 采集一次，1 s 后将 5 次采集到的数据进行打包，同时通过 I2C 读取时钟模块在该秒的时间存放在一个数组里。数据接收和处理程序主要用于当前时刻电压数据的读取、时间的读取和时间的更改，上位机在任意时刻可通过固定数据帧指令经 485 串口进行以上操作，在接收到数据帧后，程序会对该数据帧进行判断，准确无误后执行相应操作。数据传输程序每隔 1 分钟将当前时间之前 1 分钟内的数据经 SPI 读取存储模块里的数据，读取后通过 485 串口传输至上位机，同时传输给 SD 卡进行长期保存。3结论该接口电压采集装置运行时不影响 PSD 和 SIG接口的正常工作，具有很好的独立性。在样机测试过程中，该装置能够准确无误地将双方接口电压实时传输给上位机，采集到的数据能够很好地分析列车进出站过程中，车门打开而滑动门无法正常打开时 PSD 和 SIG 的过错方，从而方便相关人员进行故障分析，提高了列车运行过程中的可靠性和安全性。参考文献:1 高振天，孙奎，张乐彬 站台门与信号系统接口故障在线监测系统设计J 工业仪表与自动化装置，2021(02):41 44+58 2 朱爱华 信号系统与站台门及防淹门接口监测方案及应用 J 长江信息通信，2022，35(04):102 104 3 云超 信号系统与站台门系统接口故障处理浅析 J 数字通信世界，2020，182(02):64+33 4 子云 兰州轨道交通 1 号线信号系统与站台门接口方案探讨J 科技创新与应用，2018，246(26):108 110 5 艳平 站台门系统与信号系统接口设计分析 J 科技创新与应用，2020，308(16):96 97欢迎投稿!欢迎订阅!欢迎刊登广告!国内邮发代号:52 49国际发行代号:BM529定价:18 00 元/期108 00 元/年地址:西安市高新区沣惠南路 8 号邮编:710075电话:029 81871277网址:http:/yb zdh shaangu group com电子邮箱:gyybbjb126 com752023 年第 4 期工业仪表与自动化装置