一种HXD2C机车北车心系统水压传感器的信号输出检测装置设计

李清池，刘洋，刘兴山

（中车永济电机有限公司，山西永济，044502）

0 前言

HXD2C型交流传动货运电力机车牵引控制系统三个方案组成，分别为东芝方案、庞巴迪安防、中车永济电机有限公司提供的北车心方案。其中北车心方案每台机车具有两个结构和原理基本相同的牵引辅助变流柜，每台牵引辅助变流柜是由3台牵引变流器、一台辅助变流器、共用的水冷却系统和相应的控制单元等组成。其中牵引辅助变流柜中冷却系统冷却水泵及水箱放置在牵引辅助变流柜内，复合冷却塔冷却风机、变流柜用散热器和主变压器散热器一起集成在机车上的复合冷却塔中，牵引辅助变流柜采用水冷散热，主变压器采用油冷散热，通过对应的管路与牵引变流柜冷却回路进行连接。机车冷却系统水压检测系统在机车运行过程中如果工作异常可直接切除一组变流柜。

1 冷却系统介绍

与技术引进HXD2、HXD2B电力机车主变流器冷却回路的设计（每个轴有一套独立的冷却系统）不同，该变流柜中1组牵引变流器和1组辅助变流器共用一套冷却系统，采用主管路水分配方式进行冷却。具体如图1所示。

图1 进水管路图

2 水压传感器的介绍

■2.1 电流源输出的基本思想

平时我们常见的工业用通讯如RS232、RS485、CAN等常用的总线，他们都是传输数字信号来传递通讯信号。再实际生产生活中，检测日常模拟物理量的传感器采用输出为4~20mA的电流型传感器最为常见。为工业测量电路设计及稳定性带来便利。

HXD2C机车北车心系统所采用的水压传感器就是采用的24V供电，官方所给出的电压波动范围为12~32Vdc，4~20mA 电流输出的方式。其为Baumer公司生产的电子式压力变送器。

■2.2 水压输出的检测

水压传感器检测电路具有水流、水压保护。检测到水泵不工作，封锁脉冲，水泵断开10s后断开主断。北车心系统所采用的水压传感器最大测量上限为25bar，通常在运用过程中不会出现过压问题。在输出端加上一个电阻，再检测电阻上电压即可检测到水压传感器工作是否正常，来判断水泵是否工作。在使用过程中出现过的问题均为辅助隔离后，另一个辅助还没有切换成功且时间大于10s，报出的水压异常。

3 测量电路的硬件设计

本设计的关键部分之一，就是要把水压传感器的输出数值给转换为电压信号，再交由AD转换电路转化成数值信号，单片机接收数值信号后使用串口发送给电脑进行数据处理。

■3.1 24V电源电路的选择

根据水压传感器的基本技术参数选择电源为直流24V±2，由于水压传感器的功耗电流仅为80 mA，即1.92W，故电源选取范围很多。本设计使用的电源为台湾明纬电源公司生产的NES-100-24型号电源，该电源的输入电压为200-220VAC，输出电压为24V，最大输出电流为4.5A，最大功率折算为108W，完全符合水压传感器的功率要求。

■3.2 AD转换电路的设计

由于水压传感器的输出信号为电流信号，电流信号在处理系统中通常转化为电压信号进行处理，在传感器电流输出端加上电阻，将电流信号转化为电压信号进行测量。通常情况下，工业用传感器的转化电阻为250Ω，但这样的弊端为当输出信号超量程后无法继续监控输出信号的超标值，故本设计的转化电阻也使用250Ω，但由两个电阻并联而成，一个为200Ω，另外一个为50Ω，这样能检测到大于25%的超标量，在系统监控中更加灵活。

AD电路使用的芯片为PCF8591，该芯片是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件，在单片机拓展系统中广泛使用。此类AD芯片具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口进行对外数据传输。本次设计中仅使用一组模拟输入，这也为后续拓展留下便利。单片机通过I2C总线对AD芯片进行控制，控制AD芯片采样输入及输出地址。通过I2C总线方式与DA芯片进行通信，减少了电路对单片机引脚的需求。电路原理图如图2所示。因为要是用I2C总线进行通讯，需要在SCL及SDA线路上各增加10k电阻进行上拉，保证通讯的稳定性。

图2 AD电路原理图

■3.3 通讯电路的设计

由于单片机系统的数据记录功能有限，故良好的数据存储系统在单片机上设计困难且硬件成本较高，故采用单片机与上位机通讯的方式将单片机采集的数据发送给上位机进行记录处理为不错的选择，也成为本设计的选取的方案。目前单片机与上位机通讯的成熟方案很多，基本都采用串口通信，串口通信在通信上多为RS-232、RS-485以及UART等通信。这些通信各有优缺点，北车心机车ACU与上位机采用的是RS-232通信，但为了方便现场的监控以及成本综合考虑，本设计采用UART串口通信。因为随着技术的发展，在实际生产技术的应用上，已经慢慢地使用UART技术取代了传统的RS-232串口。通讯芯片使用的是工业控制常见的CH340G，该芯片价格低，使用广泛，运用稳定，通讯接口与电源接口均为常见的Micro usb接口。该通讯接口不仅能为系统提供电源、通讯，后续还能对单片机主机程序进行升级，实现多合一功能。通讯电路的设计原理图如图3所示。

图3 通讯电路原理图

■3.4 主电路的设计

主控芯片采用常见的80C51单片机，本设计采用STC公司出品的STC89C51系列单片机，单片机均可实现同系列互换要求，为后续采购提供便利。因单片机系统采样及通讯功能相对单一，因此对于单片存储空间没有太多要求，STC89C51、STC89C52等单片机均能满足设计要求。在单片机最小电路基础上，增加I2C总线通讯及串口通讯电路即可满足设计要求。其主控芯片原理图如图4所示。

图4 主控芯片原理图

4 软件设计

根据硬件电路和系统要求，设计了本软件程序。单片机程序开始时对PCF8591进行设定，使其工作在AD模式下，指定AIN0口为输入口。因单片机没有专门的I2C总线模块，固需要单片机利用IO接口模拟I2C总线对AD模块进行通信。单片机读取AD模块的数值后利用UART模块将数据上传至上位机进行处理显示。系统流程图如图5所示。

图5 软件程序流程图

本设计上位机采用的是Labview编写，具体可实现实时水压显示，数据记录，报警水压设定等一些功能，UART通讯利用了labview中的visa模块，最终的显示屏幕截图如图6所示。

图6 水压检测系统上位机截图

5 总结

HXD2C机车北车心系统水压传感器为法国产Baumer公司生产的铁路产品传感器，对比普通工业用传感器，可以加深对北车心水压传感器的认识，对以后的检测测量提供帮助。目前单片机与上位机通讯的成熟方案很多，基本都采用串口通信，串口通信在通信上多为RS-232、RS-485以及UART等通信。这些通信协议各有优缺点，北车心机车ACU与上位机采用的是RS-232通信，但为了方便现场的监控以及成本综合考虑，本设计采用UART串口通信。因为随着技术的发展，在实际的生产应用中，已经慢慢地使用UART转接技术取代了传统的RS-232串口，目前绝大部门电脑都没有串口这个端口了。根据以上硬件及软件设计，经检测基本满足了要求，但是任存在可改进的地方，如上位机运行时软件占用内存较大，可以考虑使用VB进行编写，但由于时间限制，软件调试还需进一步优化。