新型列車(chē)自動(dòng)門(mén)的開(kāi)發(fā)

新型列車(chē)自動(dòng)門(mén)的開(kāi)發(fā)

1自動(dòng)門(mén)替代傳統(tǒng)策略隨著近年來(lái)鐵路客運(yùn)量的增加，人們對(duì)鐵路本身的要求也有所增加。作為列車(chē)車(chē)的最大可用部分，也是與游客最密切相關(guān)的部分。鑒于其巨大的挑戰(zhàn)，自動(dòng)駕駛有一種比傳統(tǒng)手動(dòng)駕駛更直接的趨勢(shì)。目前,國(guó)內(nèi)各個(gè)列車(chē)制造廠商都在積極進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā),并相繼有新產(chǎn)品投產(chǎn)。這里,我們簡(jiǎn)要介紹一種新的列車(chē)自動(dòng)門(mén)技術(shù)。2自動(dòng)關(guān)關(guān)自動(dòng)我們的控制要求是:按下開(kāi)門(mén)按紐,門(mén)自動(dòng)打開(kāi)。開(kāi)門(mén)速度控制在710mm行程上3.5±0.5秒完成。開(kāi)門(mén)過(guò)程中門(mén)若受阻擋,應(yīng)立即停止,1-2秒后繼續(xù)開(kāi)門(mén),直至完全打開(kāi)。門(mén)開(kāi)到最大位置,延遲10±0.5秒后自動(dòng)關(guān)門(mén)。關(guān)門(mén)速度為滿行程上6.5±0.5秒內(nèi)完成。關(guān)門(mén)過(guò)程中若受到阻擋,且門(mén)所處的位置小于滿行程的98%時(shí)應(yīng)立即開(kāi)門(mén),并再次延時(shí)10±0.5秒后自動(dòng)關(guān)門(mén)。門(mén)運(yùn)行至滿行程的80%時(shí),自動(dòng)減至原速度的一半繼續(xù)運(yùn)行。在門(mén)完全關(guān)閉或完全開(kāi)啟時(shí),若有外力拉動(dòng)門(mén)扇,其行程大于等于滿行程的5%時(shí),門(mén)應(yīng)做出相應(yīng)的開(kāi)啟或關(guān)閉動(dòng)作。3系統(tǒng)原理3.1程序存儲(chǔ)、顯示系統(tǒng)和程序電路本設(shè)計(jì)的單片機(jī)采用美國(guó)Microchip公司的PIC16F877,這是一款堪稱(chēng)中檔型里功能最強(qiáng)的單片機(jī)。它具有高性能RISC的CPU,僅有35條單字指令,除地址分支指令為兩個(gè)周期外,其余均為單周期指令,運(yùn)行速度較快。內(nèi)置8k×14bit的程序寄存器,368×8bit的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和256×8bit的E2PROM,存儲(chǔ)容量大。外圍有22個(gè)高達(dá)25mA驅(qū)動(dòng)電流的I/O口,8路模擬量輸入的10位A/D轉(zhuǎn)換器,3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器,14個(gè)中斷源,具有看門(mén)狗定時(shí)器,CCP模塊等功能部件,同時(shí)支持多種串、并行通訊方式,功能十分齊全,功耗也比較低,性?xún)r(jià)比非常高,與其它產(chǎn)品相比,在譬如高驅(qū)動(dòng)電流I/O口等方面更適合我們的要求。驅(qū)動(dòng)電機(jī)我們采用德國(guó)阿爾卡特公司生產(chǎn)的BG62X30無(wú)刷電機(jī),為了降低設(shè)計(jì)難度,提高產(chǎn)品的可靠性,我們不采用單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作的方式,而是由美國(guó)安森美公司開(kāi)發(fā)的高性能第二代單元無(wú)刷直流電機(jī)控制芯片MC33035作為控制器,與配套的MC33039一起,實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。3.2防擠壓功能實(shí)現(xiàn)列車(chē)自動(dòng)門(mén)的防擠壓功能一般可以通過(guò)力傳感器對(duì)單片機(jī)動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn),但這種設(shè)計(jì)需要額外的硬件,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,成本也相對(duì)較高,這里不準(zhǔn)備采用。我們知道,在對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的條件下,關(guān)門(mén)過(guò)程中遇到障礙物時(shí),電機(jī)速度降低,驅(qū)動(dòng)電流會(huì)增大,控制器就可以利用這點(diǎn)來(lái)判別門(mén)是否受到阻擋。這時(shí),防擠壓程度可以通過(guò)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流變化程度來(lái)反映,這樣,我們就可以設(shè)置一個(gè)閥值,當(dāng)電流變化超過(guò)這一設(shè)定值時(shí),門(mén)控器發(fā)出信號(hào),電機(jī)由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn),門(mén)即由關(guān)門(mén)動(dòng)作轉(zhuǎn)為開(kāi)門(mén),防擠壓功能實(shí)現(xiàn)。這樣的設(shè)計(jì)雖然略微增加了軟件部分的工作量,但避免了硬件方案的缺點(diǎn),是可行的。3.3轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)的確定我們沒(méi)有采用任何傳感器來(lái)確定門(mén)的具體位置,而是由無(wú)刷直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及控制器對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖的計(jì)數(shù)來(lái)確定門(mén)的具體位移,判別它是否位于滿行程的80%、98%或是移動(dòng)了滿行程的5%。我們可以知道一個(gè)脈沖作用內(nèi)門(mén)的行程值,就可以知道一個(gè)滿行程需要多少脈沖,這種通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖確定門(mén)的行程位置的方法實(shí)際證明是有效的。4系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1自動(dòng)門(mén)控制器硬件設(shè)計(jì)是所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),它由以下幾部分組成:(1)控制器單元;(2)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元;(3)狀態(tài)指示單元;(4)操作單元;(5)供電單元。這里我們只重點(diǎn)介紹系統(tǒng)的核心部分——自動(dòng)門(mén)的控制器,其框圖如圖2所示?？刂破鲉卧獙?shí)現(xiàn)開(kāi)、關(guān)門(mén)操作、關(guān)門(mén)防擠壓、80%減速、98%減速、運(yùn)動(dòng)方向識(shí)別、運(yùn)動(dòng)故障檢測(cè)及報(bào)警、驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)等功能。圖2中的RS232接口主要用于單片機(jī)的在線編程。與上位機(jī)通訊采用的是目前列車(chē)上運(yùn)用較廣的MODBUS_RTU通訊協(xié)議,并在此基礎(chǔ)上增加了LANWORKS通訊功能,以適應(yīng)電氣產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展要求。為了避免不必要的誤操作,我們?cè)趯?dǎo)軌兩端各安置了一個(gè)開(kāi)關(guān),當(dāng)門(mén)關(guān)閉或完全開(kāi)啟時(shí),可以通過(guò)門(mén)扇上的隔離鎖帶動(dòng)開(kāi)關(guān)將車(chē)門(mén)鎖閉,防止意外發(fā)生。4.2系統(tǒng)總體流程圖軟件部分我們采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě),由初始化、自檢、控制、ISP、通訊等各個(gè)模塊組成。值得一提的是,程序中各I/O口應(yīng)使用宏定義的方式聲明,以方便日后修改、調(diào)試。這里限于篇幅,不給出具體的程序代碼,僅給出軟件流程圖,它足以反映系統(tǒng)軟件部分的工作過(guò)程與設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)總體流程圖如圖3所示。其中,記數(shù)模塊通過(guò)記數(shù)電機(jī)脈沖,記錄關(guān)門(mén)時(shí)的受阻位置,若與上一次受阻位置相同,則記數(shù)器加一,否則清零,這是故障報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)中的一部分。自檢功能對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要,它可以讓我們提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,避免不必要的損失,防患于未然。自檢程序流程圖如圖4所示。其中,Umax為自動(dòng)門(mén)不受阻力時(shí)電機(jī)的最大電壓,根據(jù)實(shí)際情況及經(jīng)驗(yàn),其對(duì)應(yīng)的最大壓力一般不超過(guò)100N。4.3干擾和故障記錄設(shè)計(jì)4.3.1系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)以上簡(jiǎn)要闡述了自動(dòng)門(mén)的軟、硬件設(shè)計(jì)。然而我們的工作并沒(méi)有結(jié)束,系統(tǒng)能否在運(yùn)行過(guò)程中安全無(wú)誤地實(shí)現(xiàn)控制功能才是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的標(biāo)志。由于實(shí)際工作環(huán)境中存在各式各樣的干擾,這些干擾對(duì)自動(dòng)門(mén)的可靠運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生不利的影響,甚至?xí)斐烧麄€(gè)系統(tǒng)的癱瘓而無(wú)法運(yùn)行,導(dǎo)致嚴(yán)重事故的發(fā)生。可見(jiàn),控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的地位,馬虎不得,下面我們從硬件和軟件兩方面同時(shí)著手解決這個(gè)問(wèn)題。硬件抗干擾方面我們加強(qiáng)了互相影響的各模塊之間的隔離,這點(diǎn)在圖1和圖2中均有體現(xiàn),另外在設(shè)計(jì)電路時(shí)也充分考慮了各種影響,這些都是最基本的,這里不再詳細(xì)敘述。盡管在硬件設(shè)計(jì)中采取了一定的防范措施,但強(qiáng)烈的干擾和偶然出現(xiàn)的因素還是會(huì)影響我們的系統(tǒng),弄亂程序中正常的PC值、破壞RAM中的數(shù)據(jù)等而使系統(tǒng)出錯(cuò),所以在軟件設(shè)計(jì)時(shí)還要采取額外的措施。干擾使PC指針出錯(cuò)時(shí)表現(xiàn)為程序不能按預(yù)計(jì)的軌道執(zhí)行,造成程序進(jìn)入死循環(huán)或?qū)⒍嘧止?jié)指令拆散執(zhí)行等嚴(yán)重后果。針對(duì)這種情況,我們采取的措施首先是設(shè)置看門(mén)狗電路,這很容易理解,一旦程序沒(méi)有按照事先設(shè)計(jì)的軌道運(yùn)行,并超過(guò)一定的時(shí)間限制,看門(mén)狗電路就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào),強(qiáng)行讓單片機(jī)復(fù)位,使程序從頭再來(lái),避免“死機(jī)”。還有就是在非程序區(qū)中設(shè)置“軟件陷阱”,當(dāng)程序彈飛到軟件陷阱中時(shí),程序?qū)⒆詣?dòng)執(zhí)行事先編寫(xiě)好的干擾處理復(fù)位子程序,將程序重新納入正常軌道。還需要注意的是,在編程時(shí)我們應(yīng)該在多字節(jié)指令間盡可能插入2條NOP指令,這樣就可以保護(hù)NOP指令后的多字節(jié)指令不被拆散執(zhí)行。當(dāng)然,最好還是多使用單字節(jié)指令來(lái)編寫(xiě)我們的程序。4.3.2led燈控制器設(shè)計(jì)再完善的系統(tǒng)由于各種軟、硬件自身原因或是疲勞失修總會(huì)發(fā)生故障,如果不讓工作人員第一時(shí)間內(nèi)得知,后果不堪設(shè)想,這時(shí)故障報(bào)警系統(tǒng)就顯得十分必要,它是系統(tǒng)不可或缺的一部分。在設(shè)計(jì)中,我們采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)兩片74HC595來(lái)控制一組LED燈,通過(guò)顯示不同的信號(hào)來(lái)指明故障原因,提高檢修人員的工作效率和速度。顯示的錯(cuò)誤診斷代碼如表1所示。5自動(dòng)門(mén)系統(tǒng)的應(yīng)用前景展望總之,列車(chē)自動(dòng)門(mén)的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,需要軟、硬件等各個(gè)方面綜合起來(lái)考慮。自動(dòng)門(mén)作為新型列車(chē)門(mén)發(fā)展的趨勢(shì),憑借其較之傳統(tǒng)手動(dòng)門(mén)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì),應(yīng)用前景一片光明。實(shí)踐證明,我們?cè)O(shè)計(jì)的