关键词：单片机;内燃机车;电气故障;检测
Abstract：This paper have introduced a kind of locomotive electrical fault detection and the design that shows installation. This installation is control core with 89 C51WD single-chip microprocessor, can automatic detection and show the fault place of locomotive electrical circuit. The basic structure of the system,the hardware const ruction and the design of the softwareare int roduced
Key words：single-chip microprocessor; Diesel locomotive;Electrical fault; Detection;
1.引言
目前铁路牵引动力仍以内燃机车为主，如何及时掌握内燃机车动态信息一直是困扰现场技术人员的问题。由于内燃机车电气电路的逻辑关系错综复杂，故障点多面广，且随着客运列车提速运行和货物列车重载牵引，机车处满功率运行状态，温度高、振动大、电气电路工作条件恶劣，发生故障难以避免。而机车一旦发生故障，司乘人员无法进行检查处理，势必影响列车正常运行。
本文提出了一种机车电气故障检测及显示装置的设计方法，该装置能自动检测及显示走车控制电路、主发电机励磁回路及励磁机励磁回路的故障处所，能减少和避免机破事故的发生，保证了行车安全。
2.装置的主要技术特点
a.、根据励磁电路的工作情况, 能自动转换对L和F励磁电路的检测。
b.、能按运行方向自动检测走车控制电路。
c、能显示或处理被检测电路的故障处所，显示器采用大屏幕液晶显示屏，以图文并茂的形式显示。
d.、故障检测采用光电隔离形式,抗干扰能力强。
e、能自动记录故障部位及发生故障的日期和时间。
3. 装置的组成
本装置系统的构成如图1所示，整个装置分为主机箱和显示屏两大部分，主机箱包括检测、系统控制等电路，安装在机车电气室内。显示部分包括两块大屏幕液晶显示器及相关的按键及控制电路，安装在机车两头的驾驶操作台上，主机和显示屏之间传送的数据及命令信息通过RS485通信总线进行传递和交换。操作人员可通过显示器面板上的按键控制本装置，实现不同的检测内容或显示相关的故障处所。
图1 装置的构成
4.硬件设计
本装置硬件电路如图2所示，包含信号检测、信号采集、系统控制处理、显示等几个部分。机车电气电路各主要监测点信号经取样和光电隔离后，送往信号采集接口，在CPU的控制下轮流对各信号取样，并根据机车电气电路的逻辑关系进行对比分析，若存在问题则按故障部位将数据保存下来，并形成相应的故障图形代码通知显示电路进行显示。显示控制电路通过RS485接口与系统控制电路双向通信，接受系统控制电路发出的各种指令，将检测的数据、图形在液晶显示器上显示出来。按键由显示控制电路上的CPU进行处理，操作人员执行的按键命令通过RS485接口传回系统控制电路，实现对装置进行相关的操作。
图2 装置硬件框图
4.1 信号检测：本装置主要是为了检测机车主回路、励磁回路和控制回路工作状态的，因此必须采集这些回路的工作状态，并把这些状态信息送至装置的中央控制板进行分析判断。在检测电路的设计上，一共安排了36个检测取样点，这些被测点基本上包含了机车运行的电器关键部位及常见故障发生部位，通过检测线连接至机车各控制回路的检测点上，其中7个检测线同时还作为处理线。由于机车的控制回路大都工作在高电压、大电流状态，且机车工作环境较恶劣，电磁干扰严重，为了防止机车本身的电气噪声干扰本装置的正常工作，在电路上采用了光电隔离措施，从信号的取样到电源实现全隔离，保证了本装置不受机车的电气干扰影响。
4.2 系统控制:CPU采用Atmel公司的AT89C55WD单片机，它是整个装置的核心控制。CPU通过采集机车各检测点的状态信息，并依据机车电气系统的逻辑关系，判断各回路的工作状态，当机车某部分存在故障时，能通过自动故障处理板电路发出相应的控制动作进行应急处理，同时将故障部位，产生故障的时间等相关信息记录在EEPROM中，并通过RS485接口将记录的数据信息发送出去，通知显示控制电路在液晶屏上显示出来。操作人员在显示控制板上输入的相关命令也通过RS485接口由系统控制器CPU接收，并根据命令内容完成具体操作。此外，为了防止单片机受意外干扰，程序跑飞，出现死机，在CPU中利用了89C55WD自带的看门狗功能，在执行正常程序过程中不断对看门狗定时器清零，当程序跑飞后看门狗能自动复位单片机，使其恢复到正常工作状态。
4.3实时时钟电路和非挥发性存储电路：为了能够记录下机车在牵引作业中出现的故障部位及产生故障的时间，供机车入库检修时作为检修参考，因此，装置应设置时钟和非挥发性存储电路。本装置的实时时钟电路采用Philips公司的PCF8563集成芯片。该电路使用32768Hz的晶体振荡器，经调校后精度可以保证每月误差在±10秒以内，基本能满足监测记录仪对时钟的需求。同时为了能够记录存储故障的相关信息，在电路中采用了非挥发性存储电路芯片24C32，该芯片存储容量有4K字节，能记录512条故障部位及出现故障的时间信息等内容，PCF8563和24C32均采用IIC总线，由于AT89C55WD单片机没有IIC接口，这里用单片机的输入输出口采用软件模拟IIC接口的方式来实现。
4.4显示及控制：显示控制器的CPU也是采用Atmel公司的AT89C55WD单片机来进行控制管理，其主要功能有三个：一是控制大屏幕液晶显示器;二是完成键盘扫描;三是与中央控制板上的主CPU通信。
本装置的液晶显示屏采用了320×240点阵屏幕，能显示15行汉字，每行汉字20个，能满足装置的显示要求。液晶驱动控制器采用的是东芝公司生产的T6963C，可以支持大量的LCD格式，并可以在同一屏幕上显示字符和图形，以及提供了字符属性功能。性能较优越。T6963C可以和单片机直接接口，控制方便。在本装置中，我们采用了89C55WD单片机对其进行控制，按系统控制CPU发出的命令，将要求的文字和图形在屏幕上进行显示。
4.5键盘：本装置在显示器面板下方安排了6个功能按键，供操作人员根据要求进行检测回路的切换、时钟及日期的调整设定、记录数据的翻阅查询等。按键的管理由显示控制器上的CPU完成，在查询到有键按下时，将此键的键码通过RS485接口传送给系统控制CPU，由其分析判断后发出相应的控制动作或将控制命令通过RS485接口回传，并在屏幕上按照按键命令显示相关信息。
5. 软件设计
装置的软件分为系统控制电路软件和显示控制电路软件两部分。两部分程序均采用Keil公司的Keil C51编写。Keil C51是目前用于51内核单片机的最新编程语言,运用其丰富的库函数和复杂运算能力，可以弥补汇编语言编写单片机程序的许多不足，而且最终生成的目标代码在经过优化后和采用汇编语言编制的程序相差不大。采用Keil C51可以使编程人员从汇编语言编程的烦琐工作中解脱出来，专心于写出更优化、规范的程序。
5.1系统控制主程序：程序流程如图3所示。在主程序中，先完成初始化工作，接着等待键盘扫描后得到的按键代码，由键码控制输出切换电路，将信号检测线接入检测回路，再读取相应回路的工作状态，经过逻辑判断后将结果送到显示控制，由其在屏幕上显示出相应的文字和图形。另一方面，主程序还不断读取PCF8563的时钟，在出现故障时，将故障代码、当前的日期时间等信息进行存储。主程序还判断是否正处在联机数据查询状态，如果是联机数据查询，则根据收到的指令把数据从存储器中读出并送串行口寄存器，通过RS485接口把相关信息送至显示控制器，在屏幕上显示出存储的内容。
系统控制的串行口中断程序主要是判断每一条从RS485口收到的命令信息，根据信息内容决定下一步动作内容，并不断将当前的时间信息发往显示控制器，在屏幕上显示实时时钟信息。
5.2显示控制主程序：显示控制的主程序流程图如图4所示，主要是先完成键盘扫描，判断出被按下的按建，并将其键码通过串行中断子程序发往系统控制CPU，由系统控制电路根据按建作出相应的控制并返回相应的信息.在检测状态下，系统控制的CPU进行某一部位检测时，将检测情况通过代码发往显示控制CPU，由其根据此代码从事先设置好的图形库中调出相应的显示图形在屏幕上显示出来。
6. 结论
本文介绍的机车电气故障检测及显示装置，充分发挥了89C55WD单片机的硬件资源，外围硬件电路结构简单，系统可靠性高。并利用C51语言功能强大的优势，发挥其逻辑运算及控制能力强的特点，大大提高了电气故障检测判断的处理效果，能够实现在线测量，对于安全行车和机车维修无疑是一个有力的保障。
本文作者创新点：目前司乘人员在机车电气故障发生后，由于无任何仪器和仪表支撑检测，只能靠试灯人工查找，而且对故障部位的判断往往依赖于维修人员的经验，存在较大的缺陷和不足。本装置利用单片机检测技术和软件处理能力，能自动检测和显示机车电气故障的处所，解决了机车人工检测的弊病，并能有效地减少机破、机故的发生，确保行车安全。
参考文献
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