1、Design of Cuba Train Power Supply Controller Based on Embedded System崔东宁（青岛市产品质量检验研究院，山东 青岛266100）张胜鑫杨志明（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛266000）供电控制器是列车综合控制柜的关键设备，对列车供电进行自动控制，对列车内的电气参数进行检测。目前列车的供电控制器主要是通过PLC来进行开发，这种设计方案的成本比较高，功能相对单一，开发不够灵活。基于嵌入式微控制器进行供电控制器开发的方案器件成本低，性价比高，可以大幅度降低产品成本，而且可以依据客户需求开发更多定制化的功能，如增加数据存
2、储、历史故障查询、多路的数据采集等功能，配合触摸显示屏，可以方便地进行参数显示、参数设置、数据存储和下载等功能，还可以实现多种语言环境的切换，方便客户根据自己需求进行语言环境切换，应用十分友好1。本文根据古巴列车项目实际需求，设计开发了基于嵌入式系统的供电控制器。1硬件电路总体方案设计根据供电控制系统的功能需求，本文设计一款基于高性能ARM控制器的供电控制器。系统主要包含以下部分：高性能嵌入式微控制器、电压电流采集单元、DI/DO单元、数据存储单元、USB数据下载单元、车号检测、LED指示单元、实时时钟、人机交互单元等2。图1供电控制器总体结构图ARM高性能微控制器对采集到的数据进行处理计算进
3、行供电控制，与人机交互单元进行数据通信、存储数据等；通过检测DI输入单元判断供电电源状态和供电反馈；通过DO单元对供电进行输出控制和故障保护；通过电压电流采集单元对三相电压、三相电流、漏电流数据进行采集，然后进行状态判定；通过SPI接口与大容量数据存储单元进行连接，存储和读取过程数据和故障数据；通过IIC接口与实时时钟单元连接，在系统运行过程中获取实时时间，并可以通过手动操作更新时间；通过IIC与LED指示单元进行连接，控制设备指示状态；通过GPIO与车号检测单元连接，检测车辆编号，后续根据车号进行自动供电控制；通过USB模块与数据下载单元连接，进行快速数据导出；通过串行通信接口与人机交互单元
4、进行连接，传输显示数据和显示屏下发的指令。电压电流采集单元采用高精度AD采集芯片AD7606、互感器、高精度运放电路等进行三相电压、三相电流、供电电压、漏电流、温度等进行数据采集，用于后续的计算和状态处理等。AD7606为16位精度ADC芯片，所有通道都具有200 ksps的采样率，采样精度高，转换速度快，工作温度范围宽，通过SPI总线与主控制器进行连接。动车组在运行过程中，由于存在过分相、车上用电环境复杂等问题，用电干扰较大，因此数字量输入单元电路部分加入了RC滤波电路、光耦隔离电路等确保采集到准确无误的外部状态；数字量输出单元受到干扰容易引起误输出，因此在输出电路部分加入了光耦隔离电路、输
5、出反馈检测等措施，确保输出稳定无误。大容量存储单元采用SD卡（Secure Digital Memory Card）进行供电控制器运行过程中的过程数据和故障数据的存储，SD卡体积小、数据传输速度快、可热插拔、应用技术成熟，具有非常优良的应用特性，它与ARM控制器之间的接口采用SPI总线。人机交互单元使用5.6寸工业级串口屏，工作温度范围在-4085，具有4线电阻式触摸采集功能，内置RTC和蜂鸣器，与ARM控制器之间的连接使用RS485传输数据，具有良好的抗干扰能力，保证了界面显示和指令交互的稳定性。LED指示单元采用多色指示灯，分别设置电源指示灯、运行指示灯、故障状态指示灯、通讯状态指示灯，方
6、便用户及时清晰地获悉设备的各项运行状态。2软件设计供电控制器软件主要包含电压电流检测、漏电流检测、供电状态监测、供电逻辑处理、人机交互单元处理、数据存储和下载处理、LED指示处理等部分。基于嵌入式系统的古巴车供电控制器设计摘要：供电控制系统是列车综合柜的关键设备，用以实现列车的自动供电控制。常规供电控制系统一般使用PLC进行开发，这种模式成本较高、功能相对单一、功能扩展不够灵活，基于高性能ARM嵌入式微控制器和触摸显示屏开发了一款新型供电控制器，目前已应用于古巴列车项目，应用反馈良好。关键词：供电控制；列车；ARMAbstract:The power supply control system
7、 is an important part of the train comprehensive cabinet,which is used torealize the automatic power supply control of the train.The conventional power supply control system is usually developedby PLC,which has high development cost,single function and inflexible function expansion.Therefore,this pa
8、per developsa new power supply controller based on high-performance ARM embedded microcontroller and touch screen.At present,ithas been applied in Cuba train project,and the customer feedback is good.Keywords:power supply control,train,ARM基于嵌入式系统的古巴车供电控制器设计42工业控制计算机2023年第36卷第2期图3供电控制流程图图4人机交互单元流程图2.
9、1上电自检和初始化装置上电之后，首先对控制各个外设，如定时器、GPIO、SPI、USB、文件系统等进行初始化。因为后续需要根据车号进行不同车厢的供电处理，上电初始化外设之后就要进行车号读取；然后读取内部存储器存储的报警阈值、压缩机运行时间等参数，保证程序每次上电都使用最新的设定参数；最后检查大容量存储卡存储的数据，删除超出一定期限的旧数据，保证设备内部只存储指定期限内的各项数据，实现内容存储的高效可靠。初始化和自检完成之后，开始运行主程序。2.2数据采集和处理在供电控制器系统中数据采集分为两类：模拟信号和数字信号。模拟信号包括三相电压、三相电流、漏电流、直流电压等，数字输入信号包括自动供电、紧
10、急断电、I路有电、II路有电、I路供电反馈、II路供电反馈等信号。三相电压和三相电流属于60 Hz交流信号，每个周期采集128个数据，采用均方根值计算方法计算得到电压和电流数据，自动供电时，电源过压（相电压大于AC253 V）或者欠压（相电压小于AC187 V）时，延时7 s切断过欠压保护输出，过压持续时间超过3 min，切断该路供电，并自动切换到另一路供电；漏电流、直流电压等信号采集后使用滤波算法进行数字滤波，有效防止外部干扰引起的数据波动，漏电流超过150 mA（可修改阈值）判断为漏电流超标故障，直流供电电压小于42 V时，判断为直流欠压故障。数字量输入信号由于数量较多，采用IIC方式连接
11、IO扩展芯片，使用采集的数字量进行逻辑处理时配合采用延时确认等方式，有效防止瞬态干扰造成的逻辑误处理。控制器根据压缩机1、压缩机2输入运行信号，记录压缩机1和压缩机2累计运行时间。自动供 电 时，CPU板 根 据 设定车 厢号及DIDO板 的、路有无电情况进行供电控制：奇数车厢号通过DO单元输出路供电，偶数车厢通过DO单元输出控制路供电。只有一路供电时，选择有电回路供电，当控制器检测“紧急停电”信号时，立即在显示屏显示紧急停电状态。图2为供电故障输出流程图，图3为供电控制流程图。2.3数据存储和下载数据存储功能设计采用FatFs文件系统和SD卡共同实现。FatFs组件的编写遵循ANSI C(C
12、89)，完全分离于磁盘I/O层，因此不依赖于硬件平台3。SD卡体积小、重量轻、容量大，非常适合板载存储需要。数据存储分为过程数据和故障数据两类：过程数据每隔一分钟记录一次，包含供电控制器运行过程中的时间标签、三相电压、三相电流、供电电压、漏电流、供电状态等数据；故障数据文件记录故障发生时的故障数据、故障类型、产品状态等信息，以及故障发生时刻的电气数据，便于后续下载分析。设备上直接配置了一个USB接口，数据下载时可以使用优盘直接进行数据下载，为保证数据的安全性，下载的数据进行了加密处理，需要使用专用软件进行解析才能看到实际运行数据。2.4人机交互人机交互单元使用一块5.6英寸的彩色触摸屏，主要功
13、能有：参数和状态显示、参数设置、恢复出厂设置、语言设置、时间同步、故障显示和查询等功能。显示屏界面每个页面顶部一直显示当前车厢号和实时时间，方便用户查看。为保证设备的安全性，显示屏中参数设置、恢复出厂设置等关键界面加入了密码保护，输入正确密码后才可进行操作4。人机交互单元程序流程图如图4所示。由于该产品为古巴车项目产品，为方便当地用户和我方售后人员使用，特别设计了中文和西班牙语两种界面。中文和西班牙语界面举例如图5和图6所示。图5电源参数中文界面3测试和运行分析产品设计完成之后，经过实验室分析和测试，各项功能满足设计要求。目前产品已经装车运行，自动供电控制、照明供电、空（下转第46页）图2供电
14、故障输出流程43（上接第43页）调机组供电、电源故障检测、漏电流检测等各项功能运行正常。人机交互部分的触摸显示屏在实际应用中，关键电气参数内容显示清晰，故障查询功能极大地方便了售后服务人员，获得了用户好评。4结束语根据实际项目需求，本文设计了一款基于ARM高性能嵌入式控制器的古巴车供电控制器，实现了列车的自动供电控制、故障保护、漏电流检测、人机交互、数据数据和下载等功能，相比传统的供电控制系统功能更加丰富实用，能够满足用户更多个性化的需求。经过实验和实际装车运行，古巴车项目供电控制器运行稳定，满足设计要求。参考文献1宋海峰.基于嵌入式系统的新型牵引供电系统监控装置研究D.北京：北京交通大学，2
15、0102许畅.信息化智能供电设备嵌入式软件设计与实现D.成都：电子科技大学，20203崔鹏伟，闫学文.基于SD卡的FATFS文件系统的研究与应用J.工业控制计算机，2013，26（11）：141-1424吴向臣，吴茂林.ARM+FPGA设备的人机界面数据交互设计与实现J.微型机与应用，2015，34（9）：89-91，95收稿日期：2022-08-08照数据的特点将计算数据进行划分；主程序将划分好的数据发送到显存中，从而将显存中的数据进行更新，并调用GPU加速图形数据的计算；GPU将对显存中的数据进行裁剪、坐标转换、缩放、光栅着色处理，并对处理完成的图形数据送至内存中；最后在画面中显示，从而实
16、现战场状态的实时显示。3.3图形及字符显示优化设计在电子化指挥显示系统中，需要显示的信息包含信息仪表、军标符号及字符等内容。存在绘制完成后的图形变形的问题，比如在绘制直线时，绘制的结果出现锯齿形。这不利于作战指挥人员做出合理的判断，尤其是在特殊军标符号绘制出现变形时，将导致作战指挥人员误判。字符绘制是HKM9000驱动软件使用FreeType的标准字库，TreeType能够将TrueType库中的汉字信息转化为像素图，但存在显示字符速率慢的问题，造成实时显示性能降低。采用面积采样法对绘制基本图元进行优化，面积采样法是考虑显示器的像素点实际上并不是一个点，而是具有一定大小的图形。从而单像素在采集连续画面时，不仅只采集一个点，而是采集该像素范围内所有点的均值。这样可以将每个像素范围内的画面信息包含在内，避免因分辨率低导致采样点过于稀疏的问题。对于字符显示速率慢的问题，从HKM9000驱动软件在HKM9000硬件层次上设置汉字字模高速缓冲管理功能，同时对编码表转换部分进行优化，达到汉字字符串的高速显示。此外，还可将字模直接加载到图形处理芯片的存储器中，这样可以降低对CPU和总线资源的占用，提
