CN107621375A - 一种城铁车辆牵引和制动集成测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种城铁车辆牵引和制动集成测试系统，包括信息采集设备，其特征在于：还包括牵引采集单元、制动采集单元、信息交换装置、测试模块，信息采集设备通过线缆分别与牵引采集单元、制动采集单元相连接，将采集到的信号传递给牵引采集单元与制动采集单元，牵引采集单元与制动采集单元为信息采集设备供电，牵引采集单元、制动采集单元使用光纤通信与信息交换装置相连接，并将信息采集设备传递过来的信号进行调制处理，传递给信息交换装置，信息交换装置直接通过PXI总线集成在测试模块上，将信息传递给测试模块，测试模块对信息交换装置传递过来的信息数据进行存储、处理以及分析。该系统体积小、操作简单，具有牵引系统测试和制动系统测试不同的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种轨道交通领域，尤其是涉及一种城铁车辆牵引和制动集成的测试系统。
背景技术
城铁车辆的牵引和制动系统试验中包含较多的试验项目，且试验过程中涉及电流、电压、温度、压力等多种物理量以及多个数字信号。为检测牵引、制动系统试验中的不同来源和不同种类的信号，试验人员常采用分散的多种实验仪器和设备体积和重量大，不易携带且导致车内凌乱。同时增加了试验人员的数量，并降低了试验的效率以及可靠性。此外对于获得的大量试验数据需试验人员进行分析和处理，现有的牵引和制动系统试验技术已无法满足我国轨道交通行业发展的需求。
发明内容
本发明的目的为提供动一种集成的城铁车辆牵引制动集成测试系统，该系统体积小、操作简单，具有牵引系统测试和制动系统测试不同的功能。
为达到上述目的，本发明提供一种城铁车辆牵引和制动集成测试系统，包括信息采集设备，其特征在于：还包括牵引采集单元、制动采集单元、信息交换装置、测试模块，信息交换装置和测试模块构成采集计算机，信息采集设备通过线缆分别与牵引采集单元、制动采集单元相连接，将采集到的信号传递给牵引采集单元与制动采集单元，牵引采集单元与制动采集单元为信息采集设备供电，牵引采集单元、制动采集单元使用光纤通信与信息交换装置相连接，并将信息采集设备传递过来的信号进行调制处理，传递给信息交换装置，信息交换装置直接通过PXI总线集成在测试模块上，将信息传递给测试模块，测试模块对信息交换装置传递过来的信息数据进行存储、处理以及分析。
所述的牵引采集单元由背板、AD采集模块、热电偶采集模块、采集单元电源板、全桥采集模块、光纤接口模块、主控模块、外置电源构成，背板作为牵引采集单元所有模块的接口，为各个模块之间的输入输出以及牵引采集单元对外部的输入输出提供接线，背板接受外部信息采集设备的连接，并接收到其它模块的信息传递出去；采集单元电源板接受从背板上传递过来的外置电源传递给背板，通过背板上的接线为所有的其它模块供电；AD采集模块接受背板上传递过来的电源电压，并接受经背板传递的除热电偶以外的信息采集设备信号，转化为标准的数字信号，经过SPI总线格式传递给背板；热电偶采集模块接受背板上传递过来的电源电压及经背板传递的热电偶信号，转化为标准的数字信号，经过SPI总线格式传递给背板；全桥采集模块用于接受背板上传递过来的电源电压及接收轴速信号（列车自带信号）转化为标准的数字信号，经过SPI总线格式传递给背板；主控模块接受背板上传递过来的电源电压，并通过背板上的SPI总线接口与AD采集模块、热电偶采集模块、全桥采集模块相连接，接受标准数字信号，按照光纤协议打包成帧，传递给光纤接口模块；光纤接口模块接受数据帧，通过背板上的光纤口，传递给信息交换装置。
制动采集单元与牵引采集单元的结构其不同点在于：根据输入量的不同，将AD采集模块、热电偶采集模块、全桥采集模块的相关外设电路参数进行了适当的调整。
发明的积极效果在于：（1）该系统集成了牵引采集单元、制动采集单元，牵引测试数据、制动测试数据均统一采集、处理、展示，将城铁列车牵引测试与制动测试融为一体，可以完成城铁列车牵引与制动两大系统的测试。（2）相较于传统的分别采集各种数据，分别使用不同专业设备进行处理分析的做法，本系统将所需的硬件集成在一起，减小了物理体积，方便移动携带，适用于多种场合，对场地需求较小。（3）因采用集成测试的方式，相较于传统做法，本系统减少了设备和连接装置的数量，操作相对简单，降低了对试验人员的需求，并提高了试验的效率以及可靠性。（4）本系统集成了多种不同格式的输入量，通过修改输入量的种类与数目，修改测试软件，可针对不同的或新增的试验项目灵活改造测试系统。（5）将所有测试数据统一传递给测试模块，测试模块内置测试软件统一后续处理，实现了自动分析和处理试验数据，提高了试验的效率和计算精度。
附图说明
图1为本发明结构组成框图；
图2为牵引采集单元内部结构框图；
图3为制动采集单元内部结构框图；
图4为牵引采集单元详细内部结构框图；
图5为信息交换装置内部结构框图；
图6为测试模块运行流程图。
具体实施方式
本系统的核心是基于虚拟仪器技术和FPGA技术，集成了多种不同功能的模块，实现对牵引制动系统多种数据采集、同步显示、实时分析功能，既保证了硬件具有广泛的硬件基础，也方便今后的维护与扩展。
参考图1，本系统由信息采集设备、牵引采集单元、制动采集单元、信息交换装置、测试模块组成。信息交换装置和测试模块构成采集计算机，信息采集设备通过线缆分别与牵引采集单元、制动采集单元相连接，将采集到的信号传递给牵引采集单元与制动采集单元，牵引采集单元与制动采集单元为信息采集设备供电，牵引采集单元、制动采集单元使用光纤通信与信息交换装置相连接，并将信息采集设备传递过来的信号进行调制处理，传递给信息交换装置，信息交换装置直接通过PXI总线集成在测试模块上，将信息传递给测试模块，测试模块对信息交换装置传递过来的信息数据进行存储、处理以及分析。
信息采集设备用于读取本系统需要采集的数据信息，根据本系统所测量的数据型式不同，选择不同的传感器。
本发明所述的信息采集设备包括电流传感器、电压传感器、测速雷达、气压传感器、液压传感器、加速度传感器、温度传感器。信息采集设备所检测到的信号包括速度、移动距离、电机电压、网侧电压、辅助电源输出电压、充电机输出电压、蓄电池充电电压、充电机输出电流、蓄电池充电电流、电机电流、辅助电源输出电流、牵引变流器输出电流、加速度、网侧电流、温度。
牵引采集单元、制动采集单元分别通过线缆与信息采集设备的各种传感器相连接，为传感器提供所需的电力，并接受传感器传递的信息。
参照图2、图3、图4，基于嵌入式系统技术，将多种制式的信号调制整合，并按照统一的格式传递给上位机，形成专门针对牵引制动系统测试的集成采集单元。
牵引采集单元由背板、AD采集模块、热电偶采集模块、采集单元电源板、全桥采集模块、光纤接口模块、主控模块、外置电源构成。背板作为牵引采集单元所有模块的接口，为各个模块之间的输入输出以及牵引采集单元对外部的输入输出提供接线，背板接受外部信息采集设备的连接，并接收到其他模块的信息传递出去；采集单元电源板接受从背板上传递过来的外置电源的直流24V电源，并转化为+24V，-24V，+15V，-15V，12V电压传递给背板，通过背板上的接线为所有的其他模块供电；AD采集模块接受背板上传递过来的电源电压，并接受经背板传递的信息采集设备信号（除热电偶以外），转化为标准的数字信号，经过SPI总线格式传递给背板；热电偶采集模块接受背板上传递过来的电源电压及经背板传递的热电偶信号，转化为标准的数字信号，经过SPI总线格式传递给背板；全桥采集模块用于接受背板上传递过来的电源电压及接收轴速信号（列车自带信号）转化为标准的数字信号，经过SPI总线格式传递给背板；主控模块接受背板上传递过来的电源电压，并通过背板上的SPI总线接口与AD采集模块、热电偶采集模块、全桥采集模块相连接，接受标准数字信号，按照光纤协议打包成帧，传递给光纤接口模块；光纤接口模块接受数据帧，通过背板上的光纤口，传递给信息交换装置。
具体的方案如下：
背板主要由150针、56针大小的接口组成，为牵引采集单元的其他模块的输入输出提供接口，并为固定其他模块提供物理支撑。考虑到牵引制动测试时振动较大，内部模块需要固定，同时信息采集设备采集量也就是采集单元的输入量巨大的原因，针对牵引制动测试进行了优化，采用了背板连接其他模块的结构。
牵引采集单元采用外置的工频交流220V转直流24V电源供电。24V直流电源通过背板接入牵引采集单元电源板。采集单元电源板将DC24V通过5个铁路专用隔离电源模块URA_ZP-6WR3分别转换为+24V，-24V，+15V，-15V，12V。为了提高电源功率，使用两个电源模块并联转换±24V，±15V的方式。同样地，采集单元电源板通过与背板的接口，将±24V，±15V，12V的电压传递到其它模块中。
AD采集模块内部含5块AI采集板共40路电流/电压采集通道，最高200KSPS采样率，16Bit分辨率，1‰精度，通道间同步，±20mA/±10V最大输入范围。AD采集模块用于对信号进行调制与隔离。AD采集模块接受传感器传递过来的模拟信号，进入采样电路，将车辆中的被测物理量转为电信号；之后进入调理电路，调理电路采用运行运算放大器记性积分调制；最后进入AD转换电路，通过高速AD转换芯片和SN74AHVC286331将传感器所传递过来的模拟信号转化为标准的数字信号，并通过SPI总线传递给主控模块。
热电偶采集模块用于接受热电偶根据温度所产生的电压信号，含16路热电偶采集通道，最高200SPS采样率，14Bit分辨率，0.25℃精度，通道间同步，适用K型热电偶。热电偶采集模块用于采集热电偶温度信号，信号首先进入采样电路，将车辆中的被测物理量转为电信号；之后进入调理电路，调理电路采用运行运算放大器记性积分调制；最后进入AD转换电路，通过AD转换芯片AD6836、AD7806和TI芯片SN74AHVC286331将电压信号转换为SPI总线信号。
全桥采集模块用于接收轴速信号。信号首先进入全桥采集模块的采样电路，将车辆中的被测物理量转为电信号；之后进入调理电路，调理电路采过运算放大器将脉冲信号转化为5V的脉冲信号；最后进入AD转换电路，传递给AD7806转换为SPI总线信号。
主控模块通过SPI总线接收AD采集模块、热电偶采集模块、全桥采集模块所传输的数字信号，并利用FPGA 将这些信号打包调制，按照光纤的网络协议，将它们打包成一个个数据帧，并传递给背板，通过背板传递给光纤接口模块。
光纤接口模块接受主控模块的数据，将接收到的数据帧传递给光纤。牵引采集单元通过光纤连接到信息交换装置上。
制动采集单元的结构与牵引采集单元两者的区别在于采集通道的不同，所以AD采集模块、热电偶采集模块、全桥采集模块的具体设计需要根据信息采集设备采用的传感器不同，而在电路参数上略有不同。制动采集单元得到信息采集设备所检测到的信号包括闸瓦压力、加速度、制动缸压力、主风缸压力、辅助风缸压力、空簧压力、温度。
集成后的牵引采集单元、制动采集单元，单元体积仅326mmX238mmX333mm、重量12.6kg，采集计算机327.5mmX365mmX124.5mm、重量9.4kg，发明占用的空间和重量很小。
参照图5，信息交换装置与测试模块通过计算机内部总线相连接，二者共同组成了采集计算机，其大小与普通的笔记本电脑大小相当。
信息交换装置具备多种数据接口，包括光纤接口板、MVB通信板和CAN通信板。在与牵引采集单元、制动采集单元相连接时，考虑到轨道交通领域测试的数据量与实时传输的需要，采用光纤传输的方式进行大数据传输。同时，信息交换装置上的CAN通信与MVB通信接口使得信息交换装置可以直接与城铁列车网络相连接，将车辆数据传递给测试模块。
MVB通信板采用Duagon-PXI D215，具备双MVB接口（一公一母），配置标准 (双)DB9线缆。CAN通信板具备双通道CAN总线接口，通道间隔离、数据传输率5Kbps--1Mbps、通信速率软件可设最大支持1Mpbs、板载SRMA512K*36bit*2、CAN2.0电平标准，支持CAN协议下的同步、延迟、错误、检测等特性，配置标准DB37公头--(双)DB9母头标配线缆。光纤接口板具有双通道光纤接口，数据传输率高于2Gbps以及RS485接口，RS485可达10Mbps通信速率。
信息交换装置接受到数据后，利用自带的缓存用于存储数据，内部总线为板卡内传输总线，通过DMA（存储器直接访问）方式直接进行高速数据传输。缓存器中的信息数据，最终通过牵引、制动装置集成测试软件存储到测试模块硬盘。
测试模块承担采集计算机除信息交换功能以外的其他功能，作为采集单元数据接收、显示、处理、储存及用户交互终端，通过信息交换设备与牵引采集单元、制动采集单元进行数据通讯，同时还要通过RS485接口接收雷达数据，通过以太网口和同步口接收功率分析仪数据。
牵引、制动系统集成测试模块可以不断读取信息交换装置中的缓存器中的信息数据，并将其存储在计算机的固态硬盘上。同时，牵引、制动系统集成测试模块还根据城铁领域的牵引制动试验的需求，设计了数据处理与分析程序，可以对试验数据进行实时的分析。采集计算机的测试程序采用图形化编程语言开发，直观且易于扩展，实现通道配置、实时显示、存储、回放以及离线分析等功能。同时，测试软件可进行二次开发，以配合牵引采集单元接入不同类型的传感器和新增测试项目，增强测试系统对不同试验项目的适用性和灵活性。
参照图6，在使用时，测试程序首先进行初始化，验证使用者权限，并根据全局设置配置采集通道与采样率，之后选择所进行的测试项点，进行通道属性配置，采集试验数据，并对试验数据进行分析处理，将结果与数据进行存储与显示。如果试验仍未结束，可以重复采集相关试验数据，并继续进行试验。
本系统的使用过程如下：
1、根据试验需求，在所需要进行检测的位置安装相应的信息采集设备。例如，测量电机电流就要安装电流传感器中的电机电流传感器。
2、将信息采集设备通过线缆连接到牵引采集单元（或制动采集单元）对应的接口上。
3、将牵引采集单元、制动采集单元的外置电源接上工频交流电，并将牵引采集单元、制动采集单元通过光纤连接到信息交换装置上。
4、将测速雷达直接连接到采集计算机的RS485接口上。
打开采集计算机，运行牵引、制动系统集成测试软件流程，通过软件设置，即可得到相关试验数据，并对这些数据进行分析处理。
Claims (2)
1.一种城铁车辆牵引和制动集成测试系统，包括信息采集设备，其特征在于：还包括牵引采集单元、制动采集单元、信息交换装置、测试模块，信息交换装置和测试模块构成采集计算机，信息采集设备通过线缆分别与牵引采集单元、制动采集单元相连接，将采集到的信号传递给牵引采集单元与制动采集单元，牵引采集单元与制动采集单元为信息采集设备供电，牵引采集单元、制动采集单元使用光纤通信与信息交换装置相连接，并将信息采集设备传递过来的信号进行调制处理，传递给信息交换装置，信息交换装置直接通过PXI总线集成在测试模块上，将信息传递给测试模块，测试模块对信息交换装置传递过来的信息数据进行存储、处理以及分析。
2.根据权利要求1所述的一种城铁车辆牵引和制动集成测试系统，其特征在于：所述的牵引采集单元由背板、AD采集模块、热电偶采集模块、采集单元电源板、全桥采集模块、光纤接口模块、主控模块、外置电源构成，背板作为牵引采集单元所有模块的接口，为各个模块之间的输入输出以及牵引采集单元对外部的输入输出提供接线，背板接受外部信息采集设备的连接，并接收到其它模块的信息传递出去；采集单元电源板接受从背板上传递过来的外置电源传递给背板，通过背板上的接线为所有的其它模块供电；AD采集模块接受背板上传递过来的电源电压，并接受经背板传递的除热电偶以外的信息采集设备信号，转化为标准的数字信号，经过SPI总线格式传递给背板；热电偶采集模块接受背板上传递过来的电源电压及经背板传递的热电偶信号，转化为标准的数字信号，经过SPI总线格式传递给背板；全桥采集模块用于接受背板上传递过来的列车自带的电源电压及接收轴速信号转化为标准的数字信号，经过SPI总线格式传递给背板；主控模块接受背板上传递过来的电源电压，并通过背板上的SPI总线接口与AD采集模块、热电偶采集模块、全桥采集模块相连接，接受标准数字信号，按照光纤协议打包成帧，传递给光纤接口模块；光纤接口模块接受数据帧，通过背板上的光纤口，传递给信息交换装置。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20180123 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |