CN107745718B - 一种机车电子编码式司机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机车电子编码式司机控制器，包括摇杆式控制器、硬件控制系统、上位机监控系统；所述硬件控制系统连接摇杆式控制器；所述上位机监控系统通过数据线连接硬件控制系统；硬件控制系统将摇杆式控制器的控制信息传送至上位机监控系统；上位机监控系统接收硬件控制系统的控制信息并进行显示。本发明利用智能化数字化电控手段替代传统机械控制手段，使系统在可靠性和响应速度方面进一步提高，同时控制器在体积上极大的缩小；取消了传统式司机控制器的凸轮和电器开关，采用模块化构架，使机械和强电部分完全分离，提高了控制器的可操作性、可维护性和抗干扰性。

Description

一种机车电子编码式司机控制器

技术领域

本发明涉及司机控制器，具体涉及一种机车电子编码式司机控制器。

背景技术

目前，机械式司机控制器有以下方面的缺点：由于现在运行的机车所用司机控制器牵引/制动单元操作手柄无防误操作功能，司机操作时不能有效防止误操作，从而给机车运行带来安全隐患，针对这一问题，对司机控制器牵引/制动手柄操作机构重新进行了设计，增加了警惕按钮功能有效地防止人为的误操作，但使其机械结构更加复杂；

东风4型机车司机控制器5#触指和东风5型机车司机控制器的3#触指时常发生烧损故障，严重时会烧坏司机控制器触头支架甚至凸轮组件，致使机车不能正常运用，有时还是造成生产事故的隐患。该电路带负载较重，司机控制器触指断电时，电路中无有效的操作过电压抑制措施，导致较大电弧生产而烧毁触指，防止的措施就是在该触指两端并联一个压敏电阻或一个阻容保护电路，来抑制触指分断感性负载所产生的操作过电压，但它并不能消除烧坏触头及其支架和凸轮组件的强大电弧；

由于调车作业对司机控制器和机车方向控制器操纵非常频繁，相对来说故障率较高，损坏的主要原因是摩擦阻力大，由于滚动摩擦比滑动摩擦阻力小，加上润滑良好而磨损小，为此选用滚动轴承来代替滚轮，使滚轮与滚轴之间的滑动摩擦被滚动轴承的滚动摩擦代替；

且机械式司机控制器体积较大，占用空间较多，可操作性和可维护性都较低。

司机控制器是司机操纵机车的重要部件，机车的方向指令，牵引指令，制动指令以及加载，减载指令等都是通过司机控制器发出[4]。司机控制器的快速反应性，准确性和稳定性对机车运营的影响比较大，其故障容易造成机毁人亡。因此，必须严格保障司机控制器的质量。由上述背景可知，机械式司机控制器从各方面已经完全不满足现代机车的控制要求，因此通过课题的研究，运用现代电子技术、计算机技术和机械结构设计相结合，寻求智能化数字化的控制解决方案，使其代替传统的机械式控制方法，从而使东风4型、5型等传统机车司机控制器在体积上极大的缩小，使控制安全性、可靠性和响应速度进一步提高，设计出具有实用价值的新型智能电子编码司机控制器。新型司机控制器能够完全去除传统机械式司机控制器的所有弊端，同时具有高可靠性、高抗干扰性、良好的操作可维护性和较小的体积等优点，对于东风4型、5型等传统机车控制的智能化数字化改进具有十分重要的意义。

司机控制器的现状：

国外的研发现状

随着科学技术的进步，在国外，从输出方式上，司机控制器从最初的触头输出、速动开关输出、编码器输出、光电编码器电流输出、电位器电压输出，更替到如今最为先进的磁编码输出；从控制方式上，也已从机械式过渡到了电子电气式；从信号处理上，从模拟信号处理发展到了数字信号处理；从控制核心器件上，从无处理器发展成为有处理器，进一步发展成为嵌入式系统，添加了操作系统。

国内的研发现状：

在国内，除过近几年快速发展的高铁和动车以外，绝大多数传统机车上安装的依然是机械式司机控制器，对新型电子编码司机控制器的应用还是较为欠缺的。

传统的机械式司机控制器按照操控手柄的操作方式可以分为平推式、手轮式、拌把式三种；也可按换向手柄的功能分为钥匙式和非钥匙式；当然还有更多的分类方式，比如有锁与无锁，是否带有警惕装置，而且这几种分类方式也可以融合在一起，比如可以既是有锁装置又是带有警惕机构的等等。

国内铁路、地铁、轻轨上的机车司机控制器输出装置主要使用的是电位器。电位器主要分为两种：①线绕电位器；②精密到点塑料电位器。线绕电位器主要用在使用频率高、使用地方人流量非常大的地铁和轻轨的司机控制器上；精密到点塑料电位器则用在使用频率不很大、人流量不很多的地铁电路机车上。

司机控制器的发展趋势：

与现代电子技术和计算机技术相结合是司机控制器的发展趋势，这些新技术的应用将大为降低控制器的体积和占用空间，减少机械结构部分。例如：利用微处理系统构造的数字处理技术平台，将开关逻辑关系(闭合表)进行数字化，并存储在微处理系统中；采用非接触式位置编码器将操作手柄位置转换成数字式位置信号，输出到模拟量转换电路及微处理系统；取消了传统式司机控制器的凸轮和电器开关，采用机电分离结构，司机控制器的机械作为一整体，控制电路组件为一整体，通过螺栓连接；为了提高电子式司机控制器的可靠性，采用双卡热备份技术；将司机控制器的控制电路与输出信号进行完全隔离处理，避免了相互间的干扰。

随着电子技术和计算机技术的不断发展，机车电子编码式司机控制器将朝着小型化、智能化和网络化的方向不断发展。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种机车电子编码式司机控制器，包括摇杆式控制器、硬件控制系统、上位机监控系统；所述硬件控制系统连接摇杆式控制器；所述上位机监控系统通过数据线连接硬件控制系统；硬件控制系统将摇杆式控制器的控制信息传送至上位机监控系统；上位机监控系统接收硬件控制系统的控制信息并进行显示。

进一步地，所述硬件控制系统包括MCU模块、电源模块、数据采集模块、驱动执行模块、上位人机交互模块、下位显示调试模块；所述MCU模块分别连接电源模块、数据采集模块、驱动执行模块、上位人机交互模块、下位显示调试模块。

更进一步地，所述上位机监控系统包括控制单元、换向状态单元、控制状态单元、当前速度显示单元；所述控制单元包括换向手柄置0模块、换向到所要状态模块、控制调节模块、控制手柄锁住模块、继续换向模块；所述换向状态单元包括换向状态为前制模块、换向状态为前进模块、换向状态为0模块、换向状态为后退模块、换向状态为后制模块；所述控制状态单元包括控制状态为升模块、控制状态为保模块、控制状态为1模块、控制状态为0模块；所述当前速度显示单元包括当前速度值显示模块和当前速度表盘指示模块。

本发明的优点：

本发明利用智能化数字化电控手段替代传统机械控制手段，使系统在可靠性和响应速度方面进一步提高，同时控制器在体积上极大的缩小；取消了传统式司机控制器的凸轮和电器开关，采用模块化构架，使机械和强电部分完全分离，提高了控制器的可操作性、可维护性和抗干扰性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的一种机车电子编码式司机控制器的结构框图；

图2是本发明的一种机车电子编码式司机控制器的摇杆式控制器的结构示意图；

图3是本发明的一种机车电子编码式司机控制器的硬件控制系统原理框图；

图4是本发明的一种机车电子编码式司机控制器的硬件控制系统的MCU模块原理图；

图5是本发明的一种机车电子编码式司机控制器的硬件控制系统的电源模块原理图；

图6是本发明的一种机车电子编码式司机控制器的硬件控制系统的数据采集模块接口图；

图7是本发明的一种机车电子编码式司机控制器的硬件控制系统的上位人机交互模块原理图；

图8是本发明的一种机车电子编码式司机控制器的硬件控制系统的下位机调试接口图；

图9是本发明的一种机车电子编码式司机控制器的上位机监控系统框图；

图10是本发明的一种机车电子编码式司机控制器的硬件控制系统主程序流程图。

附图标记：

1为摇杆、2为底座、3为微动开关。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，如图1所示的一种机车电子编码式司机控制器，包括摇杆式控制器、硬件控制系统、上位机监控系统；所述硬件控制系统连接摇杆式控制器；所述上位机监控系统通过数据线连接硬件控制系统；硬件控制系统将摇杆式控制器的控制信息传送至上位机监控系统；上位机监控系统接收硬件控制系统的控制信息并进行显示。

参考图2，如图2所示，所述摇杆式控制器包括摇杆1、底座2、微动开关3；所述底座2设置在摇杆1下方；所述微动开关3设置在底座2的下方。

参考图3和图4，如图3和图4所示，所述硬件控制系统包括MCU模块、电源模块、数据采集模块、驱动执行模块、上位人机交互模块、下位显示调试模块；所述MCU模块分别连接电源模块、数据采集模块、驱动执行模块、上位人机交互模块、下位显示调试模块。

参考图9，如图9所示，所述上位机监控系统包括控制单元、换向状态单元、控制状态单元、当前速度显示单元；所述控制单元包括换向手柄置0模块、换向到所要状态模块、控制调节模块、控制手柄锁住模块、继续换向模块；所述换向状态单元包括换向状态为前制模块、换向状态为前进模块、换向状态为0模块、换向状态为后退模块、换向状态为后制模块；所述控制状态单元包括控制状态为升模块、控制状态为保模块、控制状态为1模块、控制状态为0模块；所述当前速度显示单元包括当前速度值显示模块和当前速度表盘指示模块。

上位机监控系统和硬件控制系统的具体的详细工作过程如下：

在硬件控制系统中采用MAX232芯片实现电平转换和串行数据的收发。利用串行通信标准RS232-C来实现下位机向司机控制器实时监控系统的上位机发送信息以及上位机接收下位机的控制信息并加以显示。在下位机程序中设置摇杆式控制器每个按键相应的发送指令，并设置合适的波特率、数据位、停止位和奇偶校验，配置完成并与上位机成功连接后，上位机一直处于接收命令的状态，一旦操作摇杆式控制器，上位机接收到MSP430单片机通过串口传回来的相应的数值，经软件算法处理，将电信号转化为对应的串口发送的数据，上位机接收每个按键被触发生成的数据，进行相应的显示。

驱动执行电路：

由于原先的机械式编码，控制驱动的是高电压110V的通断状态，而单片机输出端最大电压为5V，无法满足司机控制器的工作需求。因此需要使用继电器去驱动110V的工作电压。利用线圈通电产生磁场来吸合开关，以此控制驱动执行模块。断电的瞬间，将产生大的电流脉冲，为了保护继电器以外的电路，需在继电器线圈两端加一个反向二极管。电流只在线圈与二极管之间形成回路，从而起到了保护继电器外部电路的功能。由于在实验室环境，执行的逻辑编码采用小功率继电器模拟仿真完成。单片机端口拉电流很小，需用三极管来放大电流。通过继电器的通断来模拟司机控制器触点的接触与否。

下位机显示电路：

其工作原理：CS为液晶的片选信号线，在进行数据操作前，需拉成“高电平”；SCLK为串行同步时钟线，每操作一个数据，需要它从“低电平”上升到“高电平”，即产生一个上升沿；SID为串行数据，操作都由三个字节组成，第一个为控制字，第二、第三个为数据字，8位数据的高4位在第二个数据字，其后4位补零；低4位在第三个数据字，其后4位也补零。以上电平变换均可由程序控制。

司机控制器下位机主程序：

系统主程序不仅体现了系统的操作全过程，而且反应出各子模块之间的内部逻辑关系。它由各子程序模块组成，其主程序流程如图10所示。系统上电之后，首先进行系统初始化，使各个功能模块进入准备运行阶段。之后调用输入控制手柄及换向手柄子程序，以实现对输入信号的采集。最后执行输出继电器通断及液晶显示子程序，实现执行模块功能的运行。如果运行到具有锁住功能的程序，则需要看是否解锁，如果执行解锁，则表明当时只是保持稳定的运行状态；如果不解锁，则表明控制器将停止工作，此程序过程就实现了控制器对火车运行状态的控制。

输入控制手柄及换向手柄信号子程序：

当接收到数据采集模块的信号指令时，它会对机车运行状态指令进行识别，通过扫描分析后，微处理器将产生相应的状态输出信号驱动继电器。

输出控制液晶12864显示子程序：

为了合理利用单片机的I/O端口，使用串行数据来驱动液晶显示。在控制器通电后，系统初始化后，它将提示司机接下来的操作和显示目前火车的运行状态，方便司机对火车进行控制。

输出控制继电器通断信号子程序：

控制继电器的子程序与输出控制液晶12864显示的子程序是并行关系，机车电子编码式司机控制器必须同传统机械式司机控制器的工作逻辑保持一致，只有这样才能使得电子编码式控制器与机械式控制器电力驱动设备间具有良好的兼容性。

上位机后台程序：

后台程序设计即是通过编写软件使上位机能够运行，将相应的状态显示于上位机界面上。上位机运行的根据是单片机通过串口传回来的相应的数值，由于单片机的程序设计只需要添加一个串口发送程序，为了论文的简洁和工整，将这一部分也放在上位机的后台程序设计中。

通信协议：

为确保数据在计算机和单片机之间准确无误的传送，本文使用通信协议来规范数据的传输。PC机与MSP430单片机之间的通信协议规约如下：波特率：9600bps；

传送方式：PC机和单片机两者都是采取查询方式传送数据，传送格式为字符串格式。控制按钮转换出的信息包含五个字节，经过处理后，第一个字节为字符‘a’，中间字节为3位有效数据位，最后一个字节为字符‘b’。

串口发送程序：

上位机的正常运行需要单片机通过串口持续将发送的指令传给上位机，因此还需要在原有单片机的程序里加入串口发送程序。首先进行串口初始化，执行void init_com(void)函数，选用定时器1，工作于8位自动重载模式，用于产生波特率，设置晶振为12Mhz；设定串行口工作方式1允许接收，波特率倍增，然后启动定时器1，完成串口初始化。在下位机源程序中各个执行段插入串口数据发送函数。

机车电子编码式司机控制器下位机和上位机软件的调试过程：

下位机和软件的调试之后开始对下位机和软件组合调试。系统通电进行复位，液晶显示“换向时，请将控制手柄置0”。根据提示将操作手柄的控制手柄置0，显示器提示“当前情况：换向状态”，同时上位机控制手柄“0”，上位机界面控制手柄界面变为红色，证实系统运行正常并且可以进行下一步操作；此时可以操作换向手柄的“前进”、“前制”、“后退”、“后制”，同时上位机换向手柄模块分别显示红色，证明程序正常运行。当按动换向手柄的“0”位时，屏幕显示“当前情况:换向状态:控制手柄锁住”，再一次操作控制手柄的“保”时，状态解除，并可重新进行操作。

本发明利用智能化数字化电控手段替代传统机械控制手段，使系统在可靠性和响应速度方面进一步提高，同时控制器在体积上极大的缩小；取消了传统式司机控制器的凸轮和电器开关，采用模块化构架，使机械和强电部分完全分离，提高了控制器的可操作性、可维护性和抗干扰性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种机车电子编码式司机控制器，其特征在于，包括摇杆式控制器、硬件控制系统、上位机监控系统；所述硬件控制系统连接摇杆式控制器；所述上位机监控系统通过数据线连接硬件控制系统；硬件控制系统将摇杆式控制器的控制信息传送至上位机监控系统；上位机监控系统接收硬件控制系统的控制信息并进行显示；所述上位机监控系统包括控制单元、换向状态单元、控制状态单元、当前速度显示单元；所述控制单元包括换向手柄置0模块、换向到所要状态模块、控制调节模块、控制手柄锁住模块、继续换向模块；所述换向状态单元包括换向状态为前制模块、换向状态为前进模块、换向状态为0模块、换向状态为后退模块、换向状态为后制模块；所述控制状态单元包括控制状态为升模块、控制状态为保模块、控制状态为1模块、控制状态为0模块；所述当前速度显示单元包括当前速度值显示模块和当前速度表盘指示模块，所述硬件控制系统包括MCU模块、电源模块、数据采集模块、驱动执行模块、上位人机交互模块、下位显示调试模块；所述MCU模块分别连接电源模块、数据采集模块、驱动执行模块、上位人机交互模块、下位显示调试模块。