摘要：现代化进程在加速发展,人们的出行越来越依赖于地铁,地铁给人们的生活带来了极大的便捷。基于此，介绍了基于STM32的地铁电动客车空调控制器的结构和功能，并重点阐述了其硬件设计
和程序设计的原理。
关键词:地铁;通风;空调;设计
引言
近年，地铁电动客车以其快捷、方便的优势，逐渐成为人们日常出行的主要交通工具。空调控制系统决定着乘客出行的舒适度，故地铁电动客车空调的控制系统应具备实时、安全、可靠等特性[1]。传统控制方法是采用可编程控制器（PLC）作为核心控制单元，其控制性能优良、易于上手，但成本过高，不易进行功能扩展，而且需要增加列车网络通信模块，不能满足控制复杂多变的要求。本文提出的空调控制器基于STM32开发，性能稳定、成本可控，可以完全取代传统的PLC。
1地铁空调的作用分析
地铁客室空调机组是用以调节车内环境，处理车内空气的温度、湿度和洁净度，给旅客及司乘人员提供一个健康舒适的乘车环境。厦门地铁某线路电客车空调机组的结构型式为车顶单元式，各空调机组均设有两套独立的制冷系统，以增加空调机组的可靠性。空调机组采用谷轮全封闭卧式涡旋压缩机，制冷剂为Ｒ407C，以热力膨胀阀作节流元件。每台压缩机均配有独立的变频器，可根据车内负荷大小进行控制压缩机运转频率，实现能量调节。空调机组配用独立的电气控制柜，可实现本地控制和集中控制[2]。如，厦门地铁某线路电客车每辆车空调系统设一个PLC控制单元，其制冷控制方式分为“自动制冷”和“手动制冷”两种模式。在自动制冷模式下，空调系统目标温度的设置根据国际标准UIC553温度控制曲线，空调系统目标温度按外部环境温度进行自动调节控制。在手动制冷模式下，空调系统目标温度的设置有列车司机手动设置，通常设定温度范围为22℃-28℃。由于地铁车辆在实际运营时，高低峰时期的乘客量变化剧烈，会引起列车客室热负荷的剧烈变化，若将载荷变化这一因素加入到空调目标温度控制中，对车厢空调目标温度根据载荷变化进行微调，当载客量少的时刻适当增大空调设置温度，载客量大的时刻减小空调设置温度，加快空调制冷效率，迅速将车厢温度调整至舒适的环境，从而提高乘客乘车舒适性[3]。综上对厦门地铁某线路电客车空调控制系统进行优化，当列车载客率小于1/4定员载荷时，列车TCMS将载客率小于1/4定员载荷的信号发送至空调系统，空调控制器自动将原设置的目标温度上升1℃(例如:空调目标温度设置为25℃时，当列车小于1/4定员载荷工况，目标温度修正为26℃;当列车大于1/4定员载荷工况，目标温度维持不变即为25℃)。
2空调控制器功能介绍
该型空调控制器由基于STM32芯片的嵌入式硬件电路以及内嵌RT-Thread操作系统的控制软件两部分组成，其依据来自空调控制盘的模拟量（客室内外温度）和数字量信息（继电器等触点反馈信号），执行列车控制与管理系统（TCMS）、触摸屏、便携式测试单元（PTU）的控制信号，完成对当前空调工作状态的判断，并经由空调控制盘实现对空调机组的风阀、通风机、冷凝风机、压缩机的启停控制。空调控制器采集空调控制盘的故障信号，并对故障信号进行相应的处理、显示和上报。空调控制器系统框图如图1所示。
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图1空调控制器系统框图
空调控制系统分集控和本控两种模式，集控模式通过司机室进行操作，本控模式可通过控制盘上的上位机软件、触摸屏进行控制。1）集控模式。当客室空调集中控制时，司机室中的司机显示单元（DDU）上发送过来的操作信号起作用，该信号控制整列车的空调机组的运行[4]。DDU上的客室空调界面有“自动”“手动”“通风”“停止”“新风门关闭”等功能，可以集中开启/关闭空调和设定空调工作模式。2）本控模式。本控是指空调系统的控制信号由触摸屏或者维护软件设定，命令由RS485、USB送达控制器，与TCMS的控制信号相互独立。
3硬件设计
空调控制器硬件主要包括核心处理单元、MVB接口、RS485接口、USB接口、AD模块、数据存储等，其架构如图2所示。
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图2空调控制器硬件构架图
空调控制器的核心处理单元采用基于Cortex-M3内核的32位微处理器，型号为STM32F103ZET6，主频72MHz。由于地铁电动客车为车载设备提供DC110V电源，而STM32F103系列微控制器需要3.3V的电源，因此电源控制模块采用DC-DC110V转换模块，型号为V110B24C200BG，其输入电压范围为DC66~154V，输出为DC3.3~48V。MVB接口适用于中距离传输的变压器耦合（EMD）通信，其采用FPGA芯片和成熟可靠的MVB逻辑IP核，符合IEC61375-1-2012《铁路电子设备列车通信网络(TCN)第1部分：通用架构》的要求。触摸屏采用HMILevi700L，7英寸电阻屏，800×480分辨率，支持串行接口[5]。另外空调控制器配有USB接口，用于连接PTU，通过PTU实现故障下载和本地控制功能。
4程序设计
空调控制器在STM32的硬件平台上移植了RT-Thread实时操作系统，该系统采用面向对象的C语言进行编写。其系统稳定，功能丰富，被广泛应用于新能源、电网、风机等高可靠性行业和设备上，已经被验证是一款高可靠的实时操作系统[6]。该系统采用事件驱动方式来设计应用层，为了避免阻塞，影响BSP层工作，一般处理是放在一个RT-Thread任务里，采用轮询的方式完成各项服务。程序结构如图3所示。
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图3程序结构图
启动服务在System_bsptask_create（void）完成，其中的子服务通过rt_thread_init（）和rt_thread_startup（）来实现，主要创建秒定时服务、信息采集服务、MVB通信服务、故障记录服务、RS485通信服务、USB通信服务等。空调控制器基于以上服务实现应用层的逻辑，通过周期性地执行空调控制逻辑，从而不断刷新输入，判断相应工况，执行输出，记录数据。空调控制功能逻辑如图4所示。
图4空调控制功能逻辑图
结束语
基于STM32开发的地铁电动客车空调控制器接口丰富，且具有良好的扩展性；STM32F103系列处理器运算和存储性能强大、稳定；RT-Thread嵌入式实时操作系统可根据需求进行裁剪，与硬件良好兼容。该空调控制器已应用于深圳地铁3号线增购项目和苏州市轨道交通4号线项目，对地铁电动客车空调的控制效果良好，完全符合地铁电动客车对车载设备安全性、可靠性、可维护性的要求。而且，在未来该平台在其他平台上同样具有可复用性，可以取代现有的控制类产品，为公司提供更加稳定、成熟、低成本的产品。
参考文献
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