地铁车辆调试用逻辑控制器设计

第47卷第1期Vol.47No.l
铁道技术监督检验与认证
RAILWAY QUALITY CONTROL_________________INSPECTION AND CERTIFICATION 地铁车辆调试用逻辑控制器设计
邓举明「，刘嘉宇2,贾海燕'
（1.青岛地铁集团有限公司运营分公司车辆部，山东青岛266000;
2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037；
3.中车四方车辆有限公司，山东青岛266111）
摘要：分别从外部接口组成和内部架构2个方面阐述地铁调试用逻辑控制器的结构：从电源、ARM 处理器外围电路、开关量输入/输出电路及通信电路4个方面阐述逻辑控制器的电子板卡主卡(或从卡)硬件电路设计，简要论述逻辑控制器电子板卡主卡(或从卡)的编程方式。

控制器采用模块化设计，与外部其他控制器通过CAN通信网络连接，电路简洁，通用性强，大大降低了调试用控制器成本。

关键词：地铁动车组；逻辑控制器；CAN通信；ARM处理器
中图分类号：U270.7:TP391.8文献标识码：B文章编号：1006-9178(2019)01-0024-06
Abstract:The articles specifies the structure of logic controller used for metro vehicle debugging in terms of such two aspects as external interface composition and internal architecture.It specifies the hardware circuit design of mas­ter(slave)electric board card used for logic controllers in terms of such four aspects as power supply,peripheral circuit of ARM processors;Dl/DO circuit and communication circuit,giving a brief introduction to the program­ming mode for the master(slave)electric board card used for logic controllers.The controller adopts a modular de­sign and connects to other external controllers via the CAN communication network.The circuit is simple and strong in versatility,thus greatly lowering the controller debugging costs.
Keywords:Subway Multiple-F nit;Logic Controller;CAN Communication;ARM Processor
0引言
目前，地铁车辆调试时，需要给车辆外接输入逻辑信号。

如果采用车辆专用微机，将导致成本太高；如果采用普通的微机控制器，远距离通信稳定性较差。

因此，需要研发一种价格低廉、通信稳定、编程简单、使用方便的地铁车辆调试用逻辑控制器。

1逻辑控制器结构
1.1逻辑控制器外部接口组成
该逻辑控制器的外部接口由1路DC110V电源输入接口、70路开关量输入信号、40路继电器输出信号、1路RS232通信和1路CAN通信接口组成1.2逻辑控制器内部架构
该地铁车辆调试用逻辑控制器应用模块化设计理念.由1块DC/DC隔离电源模块，1块电子板R主板和4块电子板从板组成主板和从板的硬件
收稿日期：2018-10-30
作者简介：邓举明.r程师电路完全相同，仅程序不同。

每块电子板卡主板（或从板）分别具有14路开关量输入、8路继电器输出、1个RS232接口和1个CAN接口匚电子板卡主板和从板之间利用CAN通信连接，将各自采集的数据相互发送，共同完成数据采集和逻辑控制；逻辑控制器与外部控制器之间采用CAN通信，由电子板卡主卡完成地铁车辆调试用逻辑控制器内部架构如图1所示不同的地铁车辆调试用逻辑控制器之间通过CAN通信连接：该设计方案至少保证6套调试用逻辑控制器组网后可正常工作：
2逻辑控制器电子板卡主卡（或从卡）硬件电路设计
开关量信号经过光耦和排阻等转换为ARM 芯片可以承受的高电平（3.3V）和低电平信号（0）,输入给ARM芯片脉冲量输入信号经过光耦和排阻等转换为ARM芯片可承受的矩形波型号（高电平信号为3.3V，低电平信号为0）,输入给ARM芯片.ARM芯片可以根据内部程序输出低电
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铁道技术监督第47卷第1期图1地铁车辆调试用逻辑控制器内部架构
平或高电平信号，间接控制板载继电器的得电与失电，进而控制开关量的输岀ARM芯片的CAN 通信引脚与CAN收发器连接，组成CAN通信接口.ARM芯片的USART引脚与MAX3232电平转换芯片连接，组成RS232通信接口逻辑控制器内部电子板卡主板或从板硬件原理如图2所示。

降氐隔离
图2逻辑控制器内部电子板卡主板或从板硬件原理
2.1电源设计
电源电路的稳定性直接决定着控制器的稳定性，因此首先考虑电子板卡主卡（或从卡）的电源设计：该逻辑控制器内部配备一个DC/DC隔离电源模块，将地铁车辆的DC110V电源转换为与外部电源隔离的稳定的DC12V电源供给电子板卡，以防止外部干扰源进入逻辑控制器电子板卡的电源输入端设计有一个7805电源芯片.该芯片能够将DC12V电源转换为DC5V电源；再经过一个电子板卡上的一个ASM1117电源芯片，将DC5V 电源转化为DC3.3V电源.供给ARM处理器芯片：电子板卡上的板载继电器线圈由DC12V电源直接供电：2.2ARM处理器外围电路设计
2.2.1ARM处理器的选择
处理器是逻辑控制器的控制核心ARM处理器具有高性能.低功耗.低价格，可反复擦写程序.丰富的可选择芯片，广泛的第三方支持和完整的产品线等优点：目前.全球几乎所有的半导体厂家都向ARM公司购买ARM内核技术，再配上多种不同的外部设备和接口，生产各种基于ARM内核技术的处理器芯片其中，比较典型的如意大利ST公司生产的基于ARM CORTEX-M3的STM32F103C8T6芯片，该芯片内部自带CAN通信控制器，引脚数量能够满足该电子板卡设计需求且价格低廉，因而在设计地铁车辆调试用逻辑控制器
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检验与认证地铁车辆调试用逻辑控制器设计
的电子板卡时选用该型号的ARM 处理器：
STM32F103C8T6芯片的主要参数如下：内核
为ARM C0RTEX-M3；数据总线宽度为32 bit ；最
高工作频率为72 MHz ；封装为LQFP48； FLASH
为 128 KB ； RAM 为 20 KB ； GPIO 为 37 个；最低
工作电压为2 V ；最高工作电压为3.6 V ； 16位定
时器为4个；电机控制定时器为1个；12位AD
转换单元为2个；12位AD 转换通道为10个；SPI
为2个；I2C 为2个；U ( S ) ART 为3个；控制 器局域网络(CAN)为1个；工作温度为-40T~
+85 C
2.2.2 ARM 处理器外围电路的设计
该逻辑控制器的ARM 处理器采用8 MHz 晶
振,DC3.3 V 电源供电；B00T0和BOOT1引脚均
设计为电位下拉模式，程序下载后自动从内部存储
器开始运行。

ARM 处理器每个(；PI()引脚均可通 过修改寄存器数值，设置为上拉输入、下拉输入、
浮空输入、模拟输入、普通推挽输出、普通开漏输
出、复用推挽输出和复用开漏输出等8种输入输出
模式 另外，ARM 处理器的许多GPIO 引脚还附
加很多特殊功能 ARM 处理器的外围电路原理如 图3所示。

h\\ 1)1()
沁 CI.K 斗Pr ()、1 ]:zrlhp
(8 MHz
](Z ：—1、7卩1)()GND
—10K NRST 丛VBAT I
,\L)D124I ))236\))34X VDDA
9
VCC_3V3
__________________5()UC-OIT/PD1 6 =卩\()—\\KlP 1
P\TT P\2~T l\\3"T 匕乂 1PA5~T IU6 T 1>,\7 T
L1TX(P\9) PA9 30111R\( PMO) PA103L Z
PA11 3g TAlllg PA13 3S ； pa H st
PAl^g
STM32K103C8T6
PAO-WKIP PBO PA1PB1
PA2PB2/B00T1PA3PB3/.iri)0PA4PB4/JNTRST
1>\5PB5PA6PB6PA7
PB7
PA8
PB8PA9PB9PA10PB10PAI 1PBl 1PA12
PB12PA13/J I'MS/SWDK)PR 13PA 14/J rCK/SWCLK PBI4PA15/JTDI
PBl 5
()S(： IN/PDO
PC13-TAMPER-RTC OSC 0UT/PD1PC14-OSC32 IN
PC15-OSC32_OUT
BOOTO
NRST
VBAT
VI)I) 1VSS 1\ 1)1) 2\ SS 2\ DI)_3VSS_3VDDA
VSSA
图3 ARM 处理器的外围电路原理
出
u X/B()()T1 II -直
2B1
R2TRST(PB4)「1() K
PIN
(一
PB8)
HQ
JU _____________
B12
113_____________
^14 织
5
2 pc 13
§ Mid()UC32—I 、N PC15-QgC32-01
23 VSS135 \ 0Al Y5518 VSSA
GND
GND
2.3开关量输入/输出电路设计2.
3.1开关量输入电路设计
电子板卡的开关量输入电路原理如图4所示。

外部开关或按钮的触点一端接电子板卡的端子
X0,另一端接DC 12 V 电源负端。

当外部开关或按
钮触点闭合后，端子X0的电位变为0,光耦inO 输入端内部发生二极管导通发光，光耦inO 的输出
端感应到光线后导通接近短路 这时光耦inO 输出
端的正端电平被拉低，电位接近0：由于inO 输岀
端的正端与ARM 芯片的输入引脚PA1连接，此时
PA1引脚被拉低为低电平(正常没有输入信号
时.ARM 处理器引脚默认为高电平)。

排阻RP1在光耦的输入端起到限流作用.防
止光耦输入端因过流烧毁 排阻RP2在光耦的输 出端起到限流作用，防止光耦输出端因过流烧毁 2.3.2开关量输出电路设计
电子板卡的开关量输出电路原理如图5所不。

电子板卡的继电器R1线圈一端接DC12 V 正
极：当需要驱动电子板卡的继电器R1动作时，
ARM 处理器的输出引脚电平设置为低电平，使光
耦输入端的内部发光二极管导通发光；此时光耦
输出端感应到光线后导通，光耦输出端使 ULN28O3芯片引脚1的电位变为DC 12 V,此时
芯片ULN2803引脚18的电位变为DCO 。

继电器
R1线圈得电动作。

端子排JP7的1和2端子短路
连接。

在该电路中，光耦实现外部电路与ARM 处理
器的电气隔离.以及不同电压等级电路转换作用；
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铁道技术监督
第47卷第1期
EL817
GND
图4电子板卡的开关量输入电路原理
RP3
RP41K
—e z 寸 u > ■~ PM E v 2 OOOC L, 9 2 OC 6
［口 £ ：空5-
3- o O
ULN2803芯片是八重达林顿晶体管阵列.其作用 在于功率放大。

由于ARM 引脚输出的电流信号无 法直接驱动40 mA 左右的大负载，所以用ULN2803 来实现ARM 处理器对负载的间接连接。

当
ULN2803芯片输入引脚为高电平时.其对应的输
出引脚输出低电平。

2.4通信电路设计
该逻辑控制器的电子板卡包含RS232和CAN
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检验与认证地铁乍辆调试用逻辑控制器设计
2种通信方式o RS232通信主要用于将电子板卡自身的数据对外输出至电脑终端，用于在电脑终端查看电子板卡运行状态；CAN通信主要用于控制器内部主卡和从卡之间的通信连接，以及不同的控制器的主卡之间的通信连接0
2.4.1RS232通信电路设计
电子板卡的RS232串口电路采用MAX3232芯片作为RS232通信电平转换芯片,MAX3232芯片输入引脚T2in和R2out分别与AKM处理器的LSART的TX和RX引脚对应连接,将ARM处理器的USART的TTI.电平转化为标准白勺RS232的电平信冒
2.4.2CAN通信电路设计
电子板卡的CAN通信电路原理如图6所示
CAN由德国BOSCH公司开发，是国际上应用最广泛的现场总线之一。

近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境，地铁车辆调试用逻辑控制器的ARM芯片自带1个CAN控制器，ARM处理器的CAN通信引脚外接1个TJA1050CAN收发器，即可作为一个设备节点挂接到CAN通信网络中，实现CAN通信。

TJA1050芯片采用5V供电，ARM处理器PB9引脚(CAN TX功能)与TJA1050芯片的1脚连接，ARM处理器PB8引脚(CANRX功能)与TJA1050芯片的4脚连接:TJA1050芯片6和7脚分別为CAN收发器输出的CANI.和CANH引脚：当CAN控制器位于控制网络的两端时，需在CANL和CANH引脚间并联1个1200的电阻。

3逻辑控制器功能与编程方法
3.1逻辑控制器基本功能
使用者可以多次对该逻辑控制器内部每块电子板卡编写或擦除程序，可以实现70路开关量输入信号采集、40路继电器信号输出、1路RS232通信和1路CAN通信。

使用者可以根据不同的调试需求，对该逻辑控制器编写不同的程序，从而实现该逻辑控制器对地铁车辆输入不同模拟调试信号一利用该逻辑控制器，不仅可以采集地铁车辆输出的幵关量信号，还可以与电脑实现RS232通信、打地铁乍辆控制器实现CAN通信另外，利用该逻辑控制器，还可以将多块逻辑控制器组网，实现远距离向地铁车辆提供调试信号和采集车辆输出信号
3.2逻辑控制器编程方法
使用者对该逻辑控制器内部电子板卡编程时,使用Keilu Vision5开发平台，同时引用STM32的C语言标准函数库编程，通过调用STM32的C 语言标准函数库的函数接口来配置STM32的寄存器，具有快速开发、易于阅读及维护成本低等优点。

Keilu Vision5是-个集成开发环境(IDE),提供编译器、安装包和调试跟踪等多种功能STM32的C语言标准函数库是意大利ST公司开发的一个固件函数包，它由程序、数据结构和宏组成，包括微处理器所有外部设备的性能特征。

该函数包还包括每一个外部设备的驱动描述，为使用者访问底层硬件提供了一个中间应用编程界面(API)。

通过使用固件函数包，无需深入掌握底层硬件细节，使用者就可轻松应用每一个外部设备"因此，使用STM32的C语言标准函数库可以大大减少用户的程序编写时间，进而降低开发成本。

每个外部设备驱动都由一组函数组成.这组函数覆盖该外部设备的所有功能每个外部设备器件的开发都由一个通用的API驱动，API对该驱动程序的结
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铁道技术监督第47卷第1期
构、函数和参数名称都进行了标准化.
4结语
地铁车辆调试用逻辑控制器的样机已经研制完成经过初步功能试验，证明该逻辑控制器能够达到预期效果.70路开关量输入信号和40路继电器输出信号功能正常，1路RS232通信接口和I路CAN通信接口性能稳定:控制器电路简洁，通用性强，有效地解决了需同时向地铁车辆首尾两端（远距离）供给调试信号时常出现的通信信号不稳
（上接第17页）为T,无发车请求时显示为I; FSJ信息，未锁闭显示为?，锁闭显示为！:JFAJ 信息，有接车辅助时显示为T,无接车辅助时显示为1;FFAJ信息，有发车辅助时显示为t,无发车辅助时显示为！.区间方向控制命令信息界面显示内容见表4：
表4区间方向控制命令信息界面显示内容
序号编号发车口名称FQJ FSJ FFAJ JFAJ 11X t l
22XF个I I 33S T T I 44SF r
4.3.3区间闭塞分区状态信息
区间闭塞分区状态用箭头图符显示，“空闲”显示为f,“占用”显示为1。

区间闭塞分区状态信息界面显示内容见表「
表5区间闭塞分区状态信息界面显示内容
序号编号名称状态
114543G t
224573G T
334623G I
444663G 定情况，同时大大降低了调试用控制器成本。

下一步，实验室计划完成该逻辑控制器的电磁兼容、交变湿热和老化等试验：待上述试验全部通过后，将尝试批量投产应用该逻辑控制器
参考文献
[1J刘火良.杨森.STM32库开发实战指南[M],北京：机械工业出版社,2013.
；2]工绍伟.郑德智，吴玉勇.嵌入式微系统[M].北京：机械工业出版社,2016.
（编辑冯姗姗）
5结语
通过对车站计算机联锁接口测试方法的研究与实施，能有效提高计算机联锁接口测试效率。

接口仿真测试可以作为计算机联锁仿真试验的一个阶段，并确认接口测试需要的时间，为丁程实施提供参考目前.该测试方法和模拟工具已应用于京沈、怀邵衡高铁的工程项目中。

工程实践证明，测试内容和测试方法对于验证接口信息正确性发挥了重要作用。

参考文献
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测试平台设计[J].铁道通信信号，2013,49（S1）：93-97.
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2015[S],北京：中国铁道出版社.2015.
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[4]中国铁路总公司.高铁列控中心接口暂行技术规范：铁总运
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[5]袁湘鄂.段武.计算机联锁系统[M].北京：中国铁道出版
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[6]中国铁路总公司.车站计算机联锁操作显示技术规范：铁总
运〔2016〕147号[SJ.北京：中国铁路总公司，2016. [7]徐徳龙.-种高速铁路衔接站点灭灯进路联锁软件实现方法
[J].铁道标准设计.201&62（5）：154-161.
（责任编辑刘春雨）
国家铁路局开放铁路技术标准信息服务平台
自2019年1月1日起，国家铁路局开放铁路技术标准信息服务平台.公开铁路工程建设标准
为贯彻落实国务院《深化标准化工作改革方案》有关要求.推进标准公开，促进标准推广应用.国家铁路局组织开展了铁路技术标准网上公开T.作.建立铁路技术标准信息服务平台.为社会公众提供铁路匚程建设标准文本免费在线查阅
平台支持电脑端及手机端访问.实现标准的多条件检索和内容浏览公众可登陆国家铁路局政府“资料中心一标准公开"栏目查阅,也可直接访问网址http://biaozhun.
摘编自国家铁路局网站
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