LKJ设备检测装置的制作方法

本发明涉及铁路信号技术控制领域，具体涉及一种LKJ设备检测装置。

背景技术：

LKJ 列车运行监控系统是保障列车行车安全的一个重要设备，它的维修和维护是至关重要的。LKJ设备检测装置是LKJ2000型监控装置的配套测试诊断设备。目前，LKJ设备检测装置存在以下几项不足之处：

（1）不能进行自动化测试；

（2）不能同时对LKJ主机和插件进行测试。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种LKJ设备检测装置，能够对 LKJ2000 型监控装置整机和单板进行自动化测试、并可对LKJ主机和单板同时进行测试。

本发明的目的是以下述方式实现的：

LKJ设备检测装置，包括工控机、程控电源、主控箱和适配箱，所述工控机作为人机接口，设定测试功能、显示和存储检测结果；所述程控电源为LKJ整机、单板测试提供DC110V程控可调电源；所述主控箱通过RS485总线接收来自工控机的操作指令，根据选择的测试项目，控制输出相关的测试信号；所述适配箱在系统进行单板测试时，为各个待测单板提供插接位置并进行测试，为电源板测试时提供电子负载，为监控记录板测试时提供速度和脉冲信号。

所述主控箱包含母板Ⅰ和通过母板Ⅰ相连的主控通信板、信号切换板Ⅰ、频率量板、信号切换板Ⅱ、信号切换板Ⅲ、模拟量板、数字量板、主控电源板Ⅰ、主控电源板Ⅰ、信号切换板Ⅳ、母板共11个插件板；

主控通信板包括CPU以及分别和CPU相连的五路RS485收发器、 一路电流环、一路LAN芯片、两路RS422收发器、一路USB口、一路串口转换芯片；

母板Ⅰ完成主控箱内各插件的连接及输入/输出信号的转接；

数字量板产生测试所需的各种数字量信号供整机测试和单板测试使用，侦测输出的数字量信号及开关量输入信号状态并将信息发送给主控通信板；

模拟量板产生模拟量信号供整机和单板测试使用，侦测输出的模拟量信号状态并将信息发送给主控通信板；

频率量板产生LKJ2000整机和单板测试的频率信号，侦测输出的频率信号状态并将信息发送给主控通信板；

主控电源板Ⅰ提供主控箱内各个插件工作时需要的电源，输出的每个电压均有过压过流保护；

主控电源板Ⅱ提供主控箱内110V、50V信号电源，输出的每个电压均有过压过流保护。

所述数字量板产生的数字量信号包括16路50V机车信号、8路机车工况信号、19路开关量信号；所述模拟量板产生的模拟量信号包括4路压传信号、2路双针表入出信号、1路双针表里程计入和计出信号；所述频率量板产生的频率信号包括3路速度传感器信号、1路柴速信号、1路原边电压电流信号和1路轨道信号。

所述主控电源板Ⅱ具有高压程控电源110V输出电压电流检测电路，并控制其输出。

所述适配箱包括母板Ⅱ和通过母板Ⅱ连接的电子负载插件、待测电源板插槽、程控电源插件、数字量切换插件、低压信号切换插件、通信信号切换插件、待测插件插槽、测试插件、VME切换插件；

电子负载插件为电源板提供电阻负载，同时回采带载后的各通道电压值，通过RS485总线反馈给主控箱；

待测插件插槽通过各插件板的防插错编码识别各个待测插件类型；

通信信号切换插件根据确定的插件类型，控制相应的继电器闭合，完成单板测试；

测试插件采用RS485总线与主控箱通信，通过VME总线与被测监控记录插件通信，测试被测监控记录板的VME总线。

相对于现有技术，本发明使用时，不仅能较精确地模拟各种机车条件信号，同时采用闭环测试方法，采集LKJ2000监控装置接收的及LKJ设备检测装置产生的各种信号，并侦听LKJ2000监控装置对各种信号的处理情况，实现对LKJ2000监控装置的自动测试及故障诊断功能。本发明具有以下优点：

1)自动完成对 LKJ2000 型监控装置整机和单板的测试；

2)可对 LKJ2000 型监控装置进行单项测试；

3)可以单独对屏幕显示器进行测试；

4)在人工参与的情况下半自动进行故障诊断。

附图说明

图1是LKJ设备检测装置系统架构图。

图2是主控通信板原理图。

图3是信号切换板1原理图。

图4是数字量板原理图。

图5是模拟量板原理图。

图6是信号切换板2原理图。

图7是信号切换板3原理图。

图8是频率量板原理图。

图9是信号切换板4原理图。

图10是主控电源板1原理图。

图11是主控电源板2原理图。

图12是电子负载板原理图。

图13是程控电源板原理图。

图14是自动识别模块原理图。

图15是带CAN总线的测试流程图。

图16是不带CAN总线的测试流程图。

图17是继电器切换板插件原理图。

图18是测试板原理图。

具体实施方式

如图1所示，系统由工控机，程控电源，主控箱，适配箱四部分组成，他们之间通过线缆通信连接。

工控机（含显示器）：为整个系统的操作控制单元，显示整个系统的操作及测试情况，需要提供简洁友好的操作界面，方便客户操作。

程控电源：为系统整机，单板和显示器单独测试时提供DC110V程控可调电源，整机测试时提供给待测监控装置主机，单板测试时只需要提供给电源板，显示器单独测试时为显示器供电。

主控箱：主控箱作为整个系统信号产生及处理的核心，整个系统通信连接处理的枢纽。测试时通过RS485总线接受来自工控机的操作指令，根据选择的测试项目，控制输出相关的测试信号，包括程控电源输出电压，频率量信号，数字量信号，模拟量信号等，同时控制这些信号的走向整机、单板或显示器。

适配箱：适配箱在系统进行单板测试时，为LKJ2000监控装置主机的各个待测单板提供插接位置，进行测试，为电源板测试时提供电子负载，为监控记录板测试时提供速度和400Hz脉冲信号等功能。适配箱内单板测试时，每次只能测试一块待测单板。

工控机提供该检测装置的人机交互界面，测试者通过显示器操控测试装置进行相应的测试工作，测试人员选择测试项目：整机测试、单板测试、显示器测试或单项功能测试，主控箱根据测试选项输出测试时需要的测试信号，控制程控电源的电压输出，与适配箱保持通信，同时将测试结果反馈给工控机显示。 主控箱功能设计

主控箱包含主控通信板、信号切换板1、频率量板、信号切换板2、信号切换板3、模拟量板、数字量板、主控电源板1、主控电源板2、信号切换板4、母板共11个插件板。

如图2所示，主控通信板作为主控箱内的核心部件，提供测试时整机/单板/显示器需要的各种测试通信口及系统对内对外的通信接口。

1.通信接口包括：5路RS485, 1路20mA电流环，1路LAN，2路RS422，1路USB，1路RS232。

Ø5路RS485，其中2路作为整机或单板测试时的通信总线，1路作为主控箱与适配箱的通信总线，1路作为主控箱与工控机的通信总线，1路作为主控箱内各插件的通信总线；

Ø 1路20mA电流环，作为H型通信插件的电流环测试；

Ø 1路RS232，作为整机、单板的转储测试通信口；

Ø 2路RS422，作为整机、单板的422测试通信口；

Ø 1路USB，作为监控记录插件H程序升级测试通信口；

Ø 1路LAN，预留作为工控机和主控箱的通信口。

具体设计：

Ø CPU模块选用ST公司STM32F407VCT6VTR，高达168MHz主频，片内具有1MB的FLASH存储器及196+4KB的RAM，满足设计要求。

Ø RS485/RS422收发器选用ADI公司的ADM2687E，自带电源隔离，传输速率：500kbps，5V或3.3V供电。

Ø 电流环通信时采用AVAGO公司的HCPL-4100,20mA电流环传输隔离器。HCPL-4200,20mA电流环隔离接收器。

Ø LAN通信：PHY芯片采用TI公司的DP83848I芯片，具有较低的功耗，工业级的温度范围。

Ø 采用MAX31826芯片，用于插件的ID识别和温度检测。

Ø 采用DS1682芯片，用于插件累积工作时间记录。

如图3所示，信号切换板1主要是实现整机和单板测试时部分信号的切换使用。需要切换的信号为：2路RS485，4路CAN信号，共12个信号。

1.具体设计：

CPU模块采用ST公司STM32F107VCT6VTR，片内具有256KB 的FLASH存储器及64KB的SRAM。

Ø 采用RS485总线与箱内其他插件进行通信。

Ø MCU通过插件板的RS485接受来自工控机的测试指令（整机、单板、显示器测试），控制相应的继电器切换，输出测试信号。

如图4所示，数字量板产生测试所需的各种数字量信号供整机测试和单板测试使用，即16路50V机车信号、8路机车工况信号、19路开关量信号，并侦测输出信号及开关量输入信号状态并将信息发送给主控通信板。

1.具体设计：

CPU模块采用ST公司STM32F107VCT6VTR，片内具有256KB 的FLASH存储器及64KB的SRAM。

Ø 采用RS485总线与系统内其他插件通信。

Ø 控制50V和110V的电压调理电路，输出10V~50V和20V~110V的连续可调电压，电压调节精度：0.5V。同时采集输出的50V色灯信号、110V的机车工况信号。采集测试的电压与MCU通信时需进行通信隔离。

Ø 输出110V的开关量信号，同时回采输入的110V的开关量信号，采集测试的电压与MCU通信时需进行通信隔离。

Ø 测试输入的110V的紧急制动信号，隔离后与MCU通信。

Ø 输出固定的50V、110V的电源，同时回采该50V，110V电源电压。

Ø 检测输入的24V的供电电压、电流。

Ø 采用MAX31826芯片，用于插件的ID识别和温度检测。

Ø 采用DS1682芯片，用于插件累积工作时间记录。

如图5所示，模拟量板产生模拟量信号供整机和单板测试使用，包含4路压传、2路双针表入出、1路双针表里程计入/出，信号输出后，侦测输出信号状态并将信息发送给主控通信板。

1.具体设计：

CPU模块采用ST公司STM32F107VCT6VTR，片内具有256KB 的FLASH存储器及64KB的SRAM。

Ø 采用RS485总线与系统内其他插件通信。

Ø 输入的24V/200mS里程计脉冲信号，经光耦隔离后，通过74HC245驱动后给MCU测试。

Ø MCU通过74HC574输出200ms的脉冲信号经光隔离后，成为24V/200mS里程计脉冲信号。

Ø 输入的双针表时速、限速信号经电阻取样放大后，送入A/D转换芯片，经过通信隔离后送给MCU进行通信处理。

Ø MCU经过通信隔离后，与D/A通信，输出2路0~5V电压信号，经运放将电压信号转换成0~20mA的电流信号，驱动双针表时速和限速指针，同时回采输出的时速和限速信号，经AD取样转换后，经隔离芯片与MCU通信。

Ø MCU经过通信隔离后，与D/A通信，经运放缓冲后输出4路0~5V管压信号，同时回采输出的4路管压信号，经AD取样转换后，经隔离芯片与MCU通信。

Ø 采用MAX31826芯片，用于插件的ID识别和温度检测。

Ø 采用DS1682芯片，用于插件累积工作时间记录。

如图6所示，信号切换板2主要是实现整机和单板测试时部分信号的切换使用。需要切换的信号为：2路RS422通信信号，1路RS232，1路USB，共14个信号。

1.具体设计：

CPU模块采用ST公司STM32F107VCT6VTR，片内具有256KB 的FLASH存储器及64KB的SRAM。

Ø 采用RS485总线与箱内其他插件进行通信。

Ø MCU通过RS485接受来自工控机的测试指令（整机、单板、显示器测试），控制相应的继电器切换，输出测试信号。

如图7所示，信号切换板3主要是实现整机和单板测试时部分信号的切换使用。需要切换的信号为：3路速度、1路柴速、1路原边电流、1路原边电压、1路轨道信号，共11个信号。

1.具体设计：

CPU模块采用ST公司STM32F107VCT6VTR，片内具有256KB 的FLASH存储器及64KB的SRAM。

Ø 采用RS485总线与箱内其他插件进行通信；

Ø MCU通过RS485接受来自工控机的测试指令（整机、单板、显示器测试），控制相应的继电器切换，输出测试信号。

如图8所示，频率量板产生LKJ2000整机和单板测试的频率信号，包含3路速度传感器、1路柴速、1路原边电压/流信号，1路轨道信号，信号输出后，侦测输出信号状态并将信息发送给主控通信板。

1.具体设计：

CPU模块采用ST公司STM32F107VCT6VTR，片内具有256KB 的FLASH存储器及64KB的SRAM。

Ø 采用RS485总线与系统内其他插件通信。

Ø MCU控制DDS芯片输出需要频率的方波信号，幅值5V，经过电压跟随器，数字电位计和运放进行幅度调整，输出最终的速度信号，同时回采输出的速度信号。

Ø MCU控制DDS芯片产生的方波信号，经过分频器，存储器，D/A转换，跟随器，反向放大器调理，输出最终的柴速、轨道信号，同时回采输出的轨道、柴速信号。

Ø MCU控制DDS芯片产生的正弦波信号，经过数字电位计和反向放大器调理，输出最终的原边电流、电压信号，同时回采输出的原边电流、电压信号。

Ø 采用MAX31826芯片，用于插件的ID识别和温度检测。

Ø 采用DS1682芯片，用于插件累积工作时间记录。

如图9所示，信号切换板4主要是实现整机和单板测试时部分信号的切换使用。需要切换的信号为：4路管压、2路双针表入、1路双针表里程计入，共10个信号。

1.具体设计：

CPU模块采用ST公司STM32F107VCT6VTR，片内具有256KB 的FLASH存储器及64KB的SRAM。

Ø 采用RS485总线与箱内其他插件进行通信。

Ø MCU通过RS485接受来自工控机的测试指令（整机、单板、显示器测试），控制相应的继电器切换，输出测试信号。

如图10所示，主控电源板1提供主控箱内各个插件工作时需要的电源，输出的每个电压均有过压，过流保护。

1.具体设计：

Ø 输出24V电源到主控箱内的各个插件。

Ø 输出一路15V，100mA的电压，作为显示器单独测试时的使能信号。

Ø 采用MAX31826芯片，用于插件的ID识别和温度检测。

Ø 采用DS1682芯片，用于插件累积工作时间记录。

2.芯片选型：

Ø 选用MINMAX的AZF-60S24电源模块，输出功率60W，输出电压24V。

Ø 24V转15V选用MINMAX的MAU324电源模块，输出功率2W，输出电压15V。

Ø 选用LM22670降压芯片将24V转换成5V给485芯片供电，，够提供高达 3A 负载电流。宽输入电压范围：4.5V 至 42V，输出电压低至 1.285V。

Ø 采用LTC2945芯片，用于插件板24V供电的电流检测,芯片采用I²C通信接口，检测电压范围0V—80V。

如图11所示，主控电源板2提供主控箱内110V、50V信号电源，输出的每个电压均有过压，过流保护。具有高压程控电源110V输出电压电流检测电路，并控制其输出。

1 具体设计：

Ø 输出50V，120mA和110V、100mA的电压信号给数字量板作为调理电压。

Ø 显示器单独测试时提供XTGZ110V、50mA信号给显示器。

Ø 侦测高压程控电源110VDC的输出，在适度的范围内（66V-164V）时，控制MOS导通来控制110V电源给整机测试或单板测试。

Ø 采用MAX31826芯片，用于插件的ID识别和温度检测。

Ø 采用DS1682芯片，用于插件累积工作时间记录。

母板完成主控箱内各插件的连接及输入/输出信号的转接。10个插件口，其中的8个采用HATING48芯连接器，数字量插件采用64芯连接器。

插件布局原则：背部外引线插件口需靠近信号进出的插件。通信及低压信号尽量靠左端布局，50V、110V及220V的电压信号尽量靠近电源板布局。

布线要求：24V供电电源母板走线应尽可能的加粗（使用D、B、Z三个管脚），以减少传输阻抗及压降；通信信号（CAN和RS485）应采用综合电缆（四芯屏蔽线）进行配线。

如图12所示，电子负载板，单板测试时为电源板提供电阻负载，同时回采带载后的各通道电压值，通过RS485总线反馈给主控箱。

具体设计

CPU模块采用ST公司STM32F107VCT6VTR，片内具有256KB 的FLASH存储器及64KB的SRAM。

Ø 根据上述表格内的负载要求，选择功率电阻如下图所示。

Ø 工控机将测试选择指令通过RS485总线反馈给负载板MCU，控制继电器切换，实现是否带载测试。

Ø 每路电压都有取样电压，通过AD转换监测电压值是否符合指标要求,AD取样后应隔离与MCU通信。

Ø 采用MAX31826芯片，用于插件的ID识别和温度检测。

Ø 采用DS1682芯片，用于插件累积工作时间记录。

如图13所示，程控电源板提供单板测试时所用的+5V,+12V,-12V，+15V，+15V1，+15V2,+24V电源，同时为适配箱内的电子负载板，监控记录板H和测试板提供电源，其中+5V，+15V1，+24V程控可调，编程调节精度0.1V，各路电源均具有过流保护功能。采用RS485总线与主控箱通信。

1.具体设计：

Ø 插件板通过RS485总线与外部通信。

Ø 使用MINMAX的AC-DC模块AZF-60S36将220VAC转成36V，使用降压电源芯片生成系统需要的24V，插件板需要的5V、3.3V电压。

Ø 使用MINMAX的DC-DC模块MJWI10-48D12将36V转成+12V和-12V。

Ø 使用MINMAX的DC-DC模块MJWI20-48D15将36V转成固定15V。

Ø 通过RS485总线接受外部通信指令，MCU控制程控芯片+外置功率MOS管输出需要的可调的电压，+5V，+15V1，+24V程控可调。

Ø 程控芯片选型：选用Exar公司的PMIC-XR77129， 输入电压：6~40V,支持4路程控输出。

Ø 功率MOS管选型：MOS管选用TI的CDS18532Q5B，为公司现有器件，VDS=60V，ID=23A。

Ø 采用MAX31826芯片，用于插件的ID识别和温度检测。

Ø 采用DS1682芯片，用于插件累积工作时间记录。

Ø 采用LTC2945芯片，用于插件板24V供电的电流的检测,芯片采用I²C通信接口，检测电压范围0V—80V。

LKJ2000整机目前有8种插件板，适配箱母板上预留有两个待测插件接口，一个为电源板测试插口，另一个为监控记录板、地面信息处理板、通信板、扩展通信板、模拟量入出插件板、数字量输入板、数字量入出板测试接口。测试这7中插件板时，需要首先进行人工选择+自动侦测，对要测试的插件进行识别确认，确认后，工控机根据插件类型控制主控箱和适配箱输出相应的测试信号。

1.插件板类型识别

自动侦测识别：由于每一种插件板均有唯一的一个防插错编码，利用这个防插错编码进行插件板的自动识别。如图14所示，，该部分简称:自动识别模块。该模块的接口处为一个48芯插座和一个全编码的防插错齿座，每个齿可采用弹片式设计，弹片引线接高电平，当插件插入式，弹片弹开，电平为低。由于防插错编码的唯一性，后台可根据高低电平的组合判断插入插件的类别。高低电平组合的判断可由测试板进行识别判断，通过RS485总线发给主控箱。

2.测试流程图：

根据插件板类型，可分为带CAN总线的插件和不带CAN总线的插件。分别为：监控记录板、地面信息处理板、通信板、扩展通信板和模拟量入出插件板、数字量输入板、数字量入出板。测试流程图如图15和图16所示。

如图17所示，继电器切换板插件根据确定的插件类型，控制相应的继电器闭合，完成单板测试。7个插件板总共135个信号，由135个继电器来控制，确定待测板的类型后，由MCU控制相应的继电器驱动芯片，继电器闭合，主控通信板控制输出相应的测试信号，完成测试。测试结果，主控板通过侦听CAN总线信息来判断测试情况。由于切换测试信号较多，需要两个继电器切换板，即：继电器切换板1和继电器切换板2，两个切换板架构完全相同，唯一的区别就是切换的信号不同。具体切换信号在进行电路设计时仔细规划整理，合理布局。

具体设计：

Ø CPU模块采用ST公司STM32F107VCT6VTR，片内具有256KB 的FLASH存储器及64KB的SRAM。

Ø 根据确定的插件板类型，MCU控制相应的继电器驱动芯片MC1413，控制待测的插件继电器先后全部闭合，然后主控箱输出相应的测试信号。

Ø 通过RS485总线与适配箱内的其他插件及主控箱通信。

测试用监控记录插件作为适配箱的核心处理单元通过VME总线与母板上其他待测插件（通信板，扩展通信板、地面信息处理板除外）进行通信，将测试结果通过CAN总线反馈给主控箱，测试通信板，扩展通信板、地面信息处理板时可直接通过CAN总线将测试结果反馈给主控箱，监控记录板H和待测监控记录板之间预留有SPI通信口。

具体设计：

采用公司现有的监控记录插件，需要进行特殊处理， 外观结构：移除蹑手及面板上关于监控记录插件的标识，采用新的面板。

如图18所示，测试板采用RS485总线与主控箱通信，通过VME总线与被测监控记录插件通信，测试被测监控记录板的VME总线。测试时，测试板为待测监控板提供模拟的3路速度信号，柴速频率信号、原边功率信号，两路CAN电压信号的采集，绝缘节信号，主从控制信号同时接受待测监控板的400Hz的方波脉冲信号和系统故障信号SYSFAIL*，测试结果由待测监控记录板通过CAN总线传送给主控箱。

具体设计：

Ø 通过RS485总线与外部通信。

Ø VME总线用于测试板插件与被测主机板的通信，模拟单板的开关量输入板，开关量输入\出板，模拟量输入\输出板。选用IDT公司的IDT70V24S/L芯片，3.3V供电，高速4K*16数据线，双口RAM。左端口和测试板单片机连，右端口和VME总线连。

芯片选型：

Ø MCU及RS485选型同开关量板。

Ø IDT70V24S/L选用IDT公司双端口的RAM芯片。

Ø 采用MAX31826芯片，用于插件的ID识别和温度检测。

Ø 采用DS1682芯片，用于插件累积工作时间记录。

母板作为适配箱箱内各个插件的信号连接板，为待测插件板预留有两个插口，一个插件口测试除电源板外的其余7种LKJ2000主机的插件，包括监控记录插件、地面信息插件、通信插件、模拟量入出插件、扩展通信插件、数字量输入插件、数字量入出插件，另一个插件口测试电源板。其余插件板位置分别是：继电器切换板1和2、测试板、控制板（即监控记录插件H）、程控电源板、负载板。

母板背部有2个接插件口，为外部测试信号及220V电源信号的接口。

程控电源与工控机之间采用USB-A型口通信。

1.工控机与主控箱之间预留采用LAN通信，标准的RJ45接口，四根通信线TX+、TX-和RX+、RX-；

2.工控机和主控箱之间有1路RS485通信，定义：RS485_A3, RS485_A3, RS485_G.；

3.工控机和主控箱之间有4路CAN，CANAH、CANAL，CANBH、CANBL，EXCANAH、EXCANAL，EXCANBH、EXCANBL，送给主控箱后，由主控箱进行切换给整机、单板。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。