关键词：地铁车辆; 霍尔传感器; 非接触式检测; 记录仪
1 概述
由于各地铁车辆的设计企业标准和制造工艺的不同, 加上生产年代的差异, 对地铁车辆和地铁系统来讲,相互之间的电磁干扰是不可避免的。干扰严重时将会引起地铁车辆故障和事故, 造成一定的经济损失。同时对地铁车辆本身的机电、信号设备来讲, 由于受自然环境变化的影响, 设备中元器件的质量和老化现象, 同样会引起地铁车辆的故障。此外还有人为的操作不当所引起的地铁车辆故障和事故。所有这些故障的发生, 我们都需要通过一个完整的、实时的地铁车辆运营记录仪, 对地铁车辆运营状态进行科学的分析和取证, 从而得出合理的、正确的结论。特别是重大事故发生后, 地铁车辆运营记录仪具有一定的法律上的参考价值 （ 需经过有关权威机构认定） , 它能比较全面地记录车辆运营的有关信息, 比如在20 h 内, 对列车所有曾经触发过的状态及连续变化过程中参数的记录。
现在国内正在运营中的地铁列车, 基本上都没有安装地铁车辆运营记录仪, 一旦地铁车辆发生重要故障和事故, 司机可执行紧急事件按钮（ 紧急蘑菇按钮） 。这时有关主要信息便“永久”记录在地铁车辆的计算机控制单元的内存中。其存储的信息是简短的、部分的、前后几分钟内的记录, 而无法记录完整的有关列车的数据, 如司机当时的工作情况: 手动操作位置、各类按钮、指示灯、断路器、开关和设备的 I/O 等, 这样给故障和事故的分析带来一定的困难。目前国内外的地铁车辆运营商对此非常重视, 认为在地铁车辆上安装地铁车辆运营记录仪有助于提高科学化管理水平, 正确评估地铁车辆设备的性能和事故发生的真实原因。
在国外, 地铁车辆上安装运营记录仪是 20 世纪 90 年代才提出的新概念。据报道 1999 年国际电气电子工程师协会在有关技术文件中专门对地铁车辆运营记录仪进行描述, 如德国专家 W .Jochim 建议运营记录仪应记录以下4 类数据:
（ 1） 相应信号系统的车载设备的现状, 如: 设备是否接通、故障情况等。
（ 2） 相应列车的现状, 如: 使用哪个司机操纵台、换班时间等。
（ 3） 列车运营的实时信息, 如: 时间、行驶路程、速度等。
（ 4） 操作和监控过程的有关信息, 如: 车门开关、常用制动、紧急制动等。
针对这些建议, 有关国家的工程技术人员开始对这方面进行研究。例如德国 DEVAT 公司设计的 KW R6 运营记录仪, 是基于新车辆的开发, 采用网络原理对车辆的各个信号进行采集, 在软件和硬件的开发成本上比较大,不适用已有车辆的改造方案。
在国内, 无论新设计的车辆还是正在使用的车辆都没有应用先例, 本设计方案的提出是一种是经过研究的大胆设想, 在与北京西玛宏仪器仪表有限公司和上海展骥科技发展有限公司的共同研讨下, 并且经过试验证明了它的可行性, 所开发车辆运营记录仪具有实用性和经济性。
2 车辆运营记录仪的设计
一般通用记录仪所采集的参数为: 电压、电流、压力、温度等等, 其中需采集的电压、电流比较多, 它们采用互感器单元测量法（ 只能测量 50 H z的正弦交流电） 和分流器单元测量法（ 被测量信号无法隔离） 。利用这些传感器无论在测量精度, 中、高频率和响应时间等性能方面已不能满足当今更高的电子测量技术要求, 比如: 测量 0￣100 H z的交 /直流电压、电流信号和开关信号以及任何波形。如果我们要在现有的设备（ 如地铁车辆、工业逆变器等） 上更新或改造, 采用传统的测量方法是绝对不可能的（ 每个被测信号需要装、拆, 改动被测信号的导线） , 这样的项目改造风险性非常大。所以我们必须应用先进的测量方法, 在满足设计和需要的测量要求外, 还必须具备无风险性, 并达到技术可靠性要求。我们利用数字化 ID编码技术、先进的功率半导体电子器件和计算机硬、软件相结合, 来开发本系统。
2.1 设计原理
根据电磁场学原理, 当导线中通过交、直流的电流时, 其周围产生交变、永恒的电磁场, 电磁场的大小与流过的电流成正比。利用电磁场的变化, 我们可以检测到电流和电压的变化量。
2.1.1 霍尔传感器的选用
GUN3033 霍尔传感器芯片, 具有优越的电性能, 是能与被测主电路回路隔离的新一代电子控制电路检测元件, 综合了传统传感器的所有优点。它不但可以测量交、直流的信号, 而且可以测量瞬间的峰值信号, 过载能力强, 测量范围大, 特别是对大电流的监控和检测具有安全可靠性。其广泛应用在工业中的逆变器、医用交流变频器和车辆检测、接近检测等领域。
2.1.2 编译码器的选用
UM 3758108 编译一体化的收发芯片, 作为数字通信接口, 具有远距离（ 可达数千米） 的通信特性, 可以进行点对多点的信息传输, 可靠性高, 抗干扰性强, 广泛应用在国防通信和工业自动化控制领域。其最大的特点是: 收发模块之间的通信可以不采用软件协议来完成传输信息,最大寻址能力为 1 024, 从而实现 1 024 个监控点, 节约了上下机之间的软件、硬件开发成本。
2.2 数字采集器设计
H W -1 型数字采集器采用相同的 UM 3758108 编译一体化的收发芯片, 利用 CD4520 二进制计数器产生 BCD编码对 UM 3758108 进行周期性变化其地址, 寻址 1 024个不同的 ID 传感器, 同时对计算机进行时钟控制, 达到地址和时钟的同步。
2.3 ID 传感器的设计
我们将 GUN3033 霍尔传感器芯片、UM 3758108 编译收发芯片和 IC 进行模块化设计, 开发了模拟 ID 传感器和数字 ID 传感器, 模拟 ID 传感器采用 A/D 转换器, 数字ID 传感器采用编译器。如图 1 所示, 分别对模拟信号和开关信号进行自动检测, 使它们的输出量控制在: 电压5 V, 电流 20 m A。对于被检测的信号源要求是: ±6 Gs的电场强度和 5 m A 以上的电流。
2.4 系统设计方案
利用 ID 传感器、H W -1 型数字采集器和手提 PC 组成的远程数据采集系统如图 2 所示。这是主要应用在现有地铁列车的改造方案, 与网络式设计有比较大的区别,网络式设计成本高。而本设计成本相对比较低, 安全性、可靠性比较高, 经过调试, 基本满足设计要求, 同时可以应用到其它领域。
通过各类传感器（ 电压、电流、压力、温度等） 输出的模拟信号或数字信号 , 进入 H W -1 型数字采集器。 ID传感器与 H W -1 型数字采集器中间通过三芯屏蔽线 （ 正极、负极、D 数字线） , 其传输距离达到 1 km 以上, 传输着每个 ID 传感器的地址码和数据。其中 ACSII码中的“A”到“Z”字符用于开关信号的传输,“0”到“9”字符用于模拟信号的传输。然后由串行接口 RS232 传输到手提计算机（ 用户可以自备） 中。用户使用本系统可以完成检测100 个设备运行工作点的情况, 例如:地铁车辆运营记录检测各种设备 I/O 运行工作点, 可记录长达一周的数据,系统操作非常方便。本项目特为上海地铁车辆设计, 同时又能满足其他用户需求。
2.5 软件设计
软件的开发平台为 W in98 系统, 采用 VB6 编程中的通信控件, 专门开发了 ActiveX 控件。它能完成 ASCII码变成二进制码的显示, 并保存为动态数据库文件库（ M etro.db） , 可用于分析每个信号的特性, 如: 某一个IC-01 编码器的 7 个开关信号（ ID01 到 ID07） 在某一时刻输入值为“1000001”,（“1”表示高电平, “0”表示低电平） ,结果在应用软件的窗口中显示出“A”的字符。假如我们要分析 ID01 传感器在 5 s内显示的情况, 如图 3 所示 , 应用软件数据接收窗口显示“ADFF3”5 个字符, 我们分析 ID01传感器的前 4 个开关信号和后 1 个模拟信号的各个电平高或低, 通过图形软件显示出它们的曲线图。
3 项目应用简介
如图 4 所示, 地铁车辆运营记录仪可以检测各个信号, 如位置、按钮、指示灯、开关和设备的 I/O 等。首先确定不同地址的 ID 传感器的检测性质（ 数字 /模拟） , 便于H W -1 型数字采集器的寻址和数据的传输, 然后开始工作, 将信息发送到 PC 机内, 由 PC 机的应用软件完成数据的存储, 并建立动态数据库。
4 结束语
地铁车辆运营记录仪的系统设计方案具有独特性和创造性。目前国内对于运营记录仪的开发还处于初级阶段, 对于设计要求各有自己的特色和方法, 没有标准可参照。对于地铁车辆运营记录仪, 其设计必须满足车辆运营的要求和工作的可靠性以及性价比, 逐步完善运营记录仪的各个参数, 最终使用户得到满意。所以地铁车辆运营记录仪的市场前景无限。
