摘 要：本文針對機車運行過程中可能出現的制動故障，設計了一種以C8051F005單片機為核心控制器的列車制動監控系統，并給出了系統的總體結構、硬件組成及軟件功能框圖。此系統能對制動機進行實時監測、狀態分析、故障報警與排除，從而保證列車安全穩定的運行，具有很好的經濟效益和應用前景。 關鍵詞：列車 制動 C8051F005 監控 Abstract: Aim at the braking fault in the course of locomotive moving, this paper puts forward a smart locomotive monitor-control system using C8051F005 as central microprocessor, proposes the main structure, hardware construction and software function flow chart of the system. Through real-time inspect, state analyze, fault alarm and release, the running safety of locomotive can be assured and it has great economic efficiency and application foreground. Key words: Locomotive, Brake, C8051F005, Monitor-control 1 引言 　　鐵路運輸至今仍然是我國客、貨運輸的命脈。隨著我國綜合國力的提高以及運輸業的迅猛發展對鐵路的安全性要求也越來越高。而列車行車安全作為鐵路運輸的重中之重，是以列車制動系統的穩定、可靠、正確運行為保證的。目前我國列車已多次提速，提速后的列車對制動系統的穩定性、可靠性提出了更加嚴格的要求。如果行車中制動系統出現故障或存在隱患，而不能被及時發現和處理，將直接危及車輛、旅客和物資的安全，造成重大損失。另外國內在自行研制列車制動機故障監控裝置方面還是空白，雖然有引進國外的類似裝置，但是使用范圍受限。因此設計一套列車制動機故障監控系統來提高列車運行的可靠性至關重要。 　　我們針對制動系統的工作原理，經過多方面調研設計出一種基于C8051F單片機的客列車制動故障智能監控系統，該系統不但能對制動系統進行實時監測、對制動故障進行報警，還可自動排除故障，最大程度地減少制動故障的發生;同時可以對列車制動系統長期運行的狀態數據進行采集、存儲，以用于分析，達到及時發現故障隱患，幫助相關技術人員了解制動系統性能、分析故障產生原因并進行處理，從而保證列車安全穩定的運行。 2 智能監控系統總體結構 　　整個智能監控系統主要由主機、子機、地面數據庫及專家分析系統組成，如圖1所示。主機系統具有良好的人機界面，可供乘務人員隨時查詢各個車廂的情況。地面數據庫及專家分析系統與主機之間通過IC卡進行數據交換，子機與主機之間通過RS485總線進行網絡通信。子機系統由傳感器、控制閥、通信模塊、存儲器以及人機接口等部分組成，通過對制動管和制動缸的空氣壓力進行實時檢測，將采集值與標定值進行比較，從而判斷是否出現制動故障，以及故障類型，并可將故障信息存儲，以備地面專家系統進行分析和處理。 [align=center] 圖1 智能監控系統總體結構圖[/align] 3 智能監控系統硬件設計 　　3.1 微處理器的選擇 　　本系統中的主機和子機均采用Cygnal公司出品的性能強大的混合信號系統級芯片C8051F005型單片機。選擇這種單片機，主要考慮以下幾點： 　　1、列車制動時，制動管及制動缸的壓力變化非?？欤O視這兩路壓力變化的過程要求采樣速率小于1/100s，且制動壓力范圍大，因此需要12位A/D，該單片機內置多通道12位A/D，轉換速率為100Ksps，完全滿足實際需求。 　　2、該單片機具有2K字節的間址RAM和256直址RAM、32KFLASH程序存儲器、多個I/O口、電源電壓監視、專用看門狗和多個定時器/計數器等功能，這樣可直接連接IC卡、顯示及鍵盤電路，從而減少外圍電路，提高整體電路的可靠性。 　　3、該單片機具有內置的兩路帶回差的模擬比較器可方便的用于列車啟動自動喚醒。 　　4、列車制動系統中兩路壓力變化速度快，要求計算壓力的上升和下降速度，計算工作量大，實時性要求高，而C8051F005單片機采用流水線指令結構，70%指令執行時間為一個或兩個系統時鐘周期，使用25MHz主頻，指令周期平均執行時間只有0.1μs，可以很好地滿足系統速度快、精度高的要求。 　　基于以上原因本系統采用C8051F005作為核心控制器。 　　3.2主機系統硬件結構 　　主機系統硬件結構如圖2所示。 　　主機配置了漢字顯示屏、操作靈活方便的設置查詢鍵、日時鐘電路、狀態指示與報警電路以及支持熱插拔的RS485接口。當需要查詢制動系統狀態時，可將主機與任一車廂的子機RS485接口連接，通過網絡查詢任意車廂中子機采集的制動系統實時狀態及已記錄的狀態信息。 　　主機中還配置了8M位E2PROM和8M位IC卡，用于存儲子機所采集的各車廂制動故障信息，并可由乘務人員提取這些信息到終點站進行地面分析。當某臺子機將制動故障信息傳來時，主機會立即中斷一切操作并顯示子機傳來的信息。主機還可以向多臺子機發布廣播命令，如設置所有子機日時鐘，保持與主機日時鐘一致，這樣可以保證多臺子機傳送的故障記錄信息進行分析時結果更準確、可靠。 [align=center]　 圖2 主機系統硬件結構圖[/align] 　　3.3 子機系統硬件結構 　　子機主要完成實時數據采集、存儲、報警、故障排除以及聯網通信等多種功能，是本系統中的關鍵部分。系統中通過兩路壓力傳感器和一路溫度傳感器實時采集制動管和制動缸的壓力及環境溫度，其中測量的溫度用于壓力傳感器的非線性補償。并根據當前測量的壓力值及其變化速度分析判斷制動系統的工作狀態，監視列車啟動、緊急制動、正常停車制動、停車保壓等全過程，經過計算分析可判斷出不緩解、不制動、制動靈敏度差、制動保壓泄露、緩解過程時間過長及靈敏度差、無緊急制動等故障類型，故障類型不同子機會伴有相應的聲光報警。當判斷出列車制動系統不緩解時，在報警同時打開排風閥進行故障排除，同時檢測緩解狀態，若經過幾個工序處理故障排除后則解除報警，否則等待維修人員處理后解除報警。子機還同時將壓力值、壓力上升、下降速度和故障類型、故障發生時間、故障解除時間等信息保存到E2PROM中，以便將以上信息實時傳給主機。 [align=center] 圖3 子機系統硬件結構圖[/align] 　　3.4 系統抗干擾措施 　　為了提高整個系統的可靠性，軟硬件均采取了相應保護措施。硬件上除具備一般的抗干擾技術外，在整個系統各個輸入輸出端口均采用了光電隔離，電源及外部連接端口設計了浪涌吸收電路，進行防雷擊和瞬時電壓保護，并且系統使用內外兩個看門狗以監視電壓和程序的運行。軟件設計則采用冗余、防陷阱等技術。 4 系統軟件功能設計 　　系統軟件功能框圖如圖4所示。系統經過初始化自檢后，進入鍵盤掃描與處理狀態，根據各鍵值的不同來完成系統時間調整、壓力速度切換顯示、寫IC卡以及系統啟動等功能，當系統啟動后，可以根據采集的壓力、溫度值進行故障判斷、分析、報警、排除以及信息存儲等處理。 [align=center] 圖4 軟件功能框圖[/align] 5 結束語 　　該列車制動機故障智能監控系統已經過全面測試和試驗。本系統與目前國內正在使用的其他同類系統相比具有很大的優越性。不僅檢測結果準確可靠，而且具有監測、記錄、報警和故障排除的功能，同時實時性和精度符合鐵道部部頒標準，目前該裝置已經通過鑒定，可以從技術上確保了機車的安全穩定運行，具有較好的經濟效益和應用前景。 項目的經濟效益： 　　經過廣泛調研，發現單以準高速客車為例，如果制動系統出現故障，甩車一天修理，僅就一輛客車計算，滿員76人，以一天9個單程，85%的上座率，每人次75元票費，檢修費2400元計算，直接損失就高達4.6萬元，若采用本系統，就能及時地發現行車時制動系統發生的故障，并報警排除，極大程度地減少故障發生率，因此可以產生較高的經濟效益。 本文作者創新點: 　　本文提出一種采用C8051F005單片機為核心控制器的新型列車制動故障監控系統，不但能對制動系統進行實時監測、對制動故障進行報警，對列車制動系統長期運行的狀態數據進行采集、存儲、分析，而且可以及時發現故障隱患、自動排除故障。該系統作為河北工業大學科研課題“制控系統監控裝置研究”（項目編號613007）的研究成果，已經通過鑒定，系統的實時性和精度均達到鐵道行業標準。該系統的研制成功填補了制動機故障監控裝置設計的空白，在技術上確保機車的安全穩定運行，具有很好的社會經濟效益和應用前景。 參考文獻： 　　[1] 潘琢金，施國君.C8051Fxxx高速SOC單片機原理及應用.北京航空航天大學出版社，2002 　　[2] 劉教瑜，周游.基于自適應PID控制的多孔陶瓷透氣度測試系統的設計[J].微計算機信息，2006，4-1：121-123 　　[3] 余先濤，陳亭志，莫易敏.機車單元制動器工況監測系統的研制，內燃機車，2004，11：16-17，43 　　[4] 何立民.MCS-51 系列單片機系統設計系統配置與接口技術.北京：北京航空航天大學出版社，1990 　　[5] 周航慈.單片機應用程序設計技術（修訂版）.北京：北京航空航天大學出版社，2000