电子元器件应用现状篇（1）

中图分类号：TM59 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（a）-0093-01

智能电网是国家电网建设的必然方向，需要采用新型的控制技术、信息技术和管理技术，对发电、输电、配电再到用电的全过程进行智能化改造。配电柜是供配电系统中的基础性设施，实现配电柜的智能化改造，采用数字化的控制模块能够实现和上层监控中心的双向信息交流。

1 中低压数字化配电柜整体方案

配电柜的数字化关键技术是微处理器控制系统的应用。数字化配电柜的控制系统结构主要有主单元、控制回路子单元等，子单元负责配电柜配电回路参数检测，测量回路上的电压、电流、母线接头温度、断路器开关状态以及柜内的环境温度湿度情况等，并据此自动进行电能质量的计算。主单元则主要负责汇总和显示子单元的测量数据，同时就地实现回路断路器的控制。主单元还是人机交会的主要设备，而且能够通过以太网接口，能够进行数据的进一步上传，给配网系统提供数字化、智能化的信息。为了保证子单元和总单元之间数据通信的实时性，采用CAN总线的互联的方式实现连接，连接方式比较灵活。

配电柜选型：国外设计研发的配电柜和国内的配电系统要求和习惯存在出入，不能盲目选择国外配电柜，很多进口配电柜往往有着很高的技术参数，但是很多情况下却不能将其充分利用，造成了一定程度上的浪费，很多国产配电柜只要按照3C要求进行生产，其性能和质量完全能够满足要求。所以进行配电柜选择时不能迷信进口，但是也不能为了价格选择不合格的国产产品，应该尽量选择国内知名厂商的国产柜型，和国内配电习惯和要求比较适配。

2 子单元

配电柜回路的子单元采用Cortex-3内核32位微处理器作为核心，内核时钟频率达到了72MPa，并配合128kB闪存和20KBSRAM，芯片具有强大的数字处理功能，通过合理的电路设计和处理软件能够获得配电柜较高的智能化水平。回路控制需要配备电流、电压、开关状态量和柜内温度、湿度以及开关控制和CAN通信接口电路。

3 状态信息采集

配电回路中存在高电压和强电流，可能会造成子单元的耗损和电子元件的破坏。为了保护弱电电路同时提高A/D转换精度，使用微型精密交流电流互感器和微型精密交流电压互感器连接电流互感器和电压互感器，转换信号为4～20mA电流信号和0～5V电压信号，经过低通滤波和采样保持之后输入A/D转换器，采用数字量输送给微处理器进行处理。

参数采集和处理电路中选择A/D转换芯片是影响电路性能的关键。所以，我们采用Maxim生产的14位8通道同步采集芯片，保证较高的转换速率，减少接口数量，能够在转换结束后和转换过程中进行信息采样，对交流电参量的采集非常适合。

处理器采用8路模拟量高输入口，三个接口负责交流电电流输入，三个接口负责电压输入，另有两个双向并行数字量输出，对应连接微处理器接口。CONVST管脚是转换启动信号，低电平进行模拟信号的获取跟踪，上升过程中进行启动转换。

母线接头温度和柜内环境参数采集采用单总线数字温度传感器和1-Wire总线协议，只需要一根信号线就能够进行数据的双向传输，并且有着很高的测量精度，能够将温度信号直接转变为电信号，微处理器处理更加方便。温度传感器同样能够并联使用，能够对多个点的温度进行同时监测，接入配电柜之前首先记录监测点的序列号，之后采用串口程序控制线路开关，对相应母线接头的温度进行智能化监控。配电柜内的环境温度/湿度情况监测使用输出全标定数字信号的温湿度测量传感器进行采集，将其安装在配电柜的内壁，设计中要考虑到，电力设备的启停操作和交流电网的不稳定因素会产生电压和电流的瞬态变化，可能会造成电子器件的烧损，需要接入抑制瞬态干扰的TVS设备。

开关量输出控制采用继电器操作电动机构实现，控制断路器进行开合闸操作，继电器通常内阻较小，要外接大电流驱动器件，通过微处理器接口连接驱动继电器进行控制。

CAN总线使用CAN隔离收发器，采用了内部集成通信隔离收发器件以及CAN控制器的芯片。

4 子单元软件设计

数字化配电柜回路控制子单元采用模块化的控制软件，结合硬件设计情况进行功能分析，确定子单元需要的功能单元：数据采集子模块、数据处理子模块、控制模块、通信子模块。数据采集主要有电流、电压、开关状态量、母线接头温度、柜内环境参数等。而数据助理子模块则主要负责有功功率、无功功率、功率因素等计算，并采用FFT算法分析谐波。

主程序首先完成未处理芯片内存管理，进行I/O接口初始化，进入等待状态，判断各种定时中断是否达到，主要有A/D采样、通信定时中断等，查询各中断，调用子程序。为了提高信号的实时性，将A/D采集的定时中断设置为最高优先级，A/D采样值送入设计环形数据采集区后，通过数据处理子程序计算电参量，并调用CAN通信子程序进行数据通信。

5 主单元设计

5.1 功能设计

回路控制主单元应该负责回路子单元数据采集和汇总工作，具备足够的网络通信接口，而且要具备可视化、可操作性强的人机交互界面。

5.2 硬件部分

为了实现人际交互，采用触控屏计算机安装在柜门表面，用于对开合闸操作的实时观测，并且负责将配电柜运行参数上传到上一层监控设备。

5.3 软件部分

软件给予CAN总线通信协议开发，采用空间程序进行USBCAN接口卡函数动态数据库，实现主单元和通信接口之间的数据交换。

主单元通过分析汇总子单元传输的数据，能够实现对配电柜现场运行状态的有效监测，包括母线接头温度、柜内环境情况、开关状态等，据此能够判断操动机构机械性能是否良好，对有功功率、功率因数、频率、谐波等信息进行准确计算和直观的显示，是故障预测分析的重要参考数据，能够比较直观全面的反映供电系统的运行情况。

6 结语

配电柜属于成套配电装置，是实现线路控制和保护的重要设备，直接面对用电客户，是供配电系统非常重要的基础设备，非智能化的配电柜需要采用定期维护的方式保证配电设备的正常运行，而数字化的配电柜则能够对自身的运行状态有一个完整的实时监控，及时发现配电柜中存在的问题，减少了配电柜的故障率，是保证整个电网安全性稳定性的基础。

参考文献

电子元器件应用现状篇（2）

中图分类号：TJ768.4 文献标识码：A 文章编号：

绪论

课题的背景及意义

气体绝缘金属全封闭组合电器（GIS）是指整个开关站设备包封在金属壳内并充以SF6气体作绝缘，这类设备具有尺寸小、占地面积小、可抵御苛酷环境条件、可靠性高等优点。近几年，随着智能化电气的发展,特别是智能化开关[1]、光电式互感器等机电一体化设备的出现,以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用,使以GIS开关为原型的变电站信息的采集、传输实现全智能化处理提供了理论和物质基础。

随着可编程逻辑控制器（PLC）的发展，PLC的功能得到极大的提升，形成了各种规模的系列化产品，以适用于各种环境和规模的工业控制场合。同时，随着电子技术的发展，PLC的硬件功能不断增强，除了提供逻辑处理功能以外，PLC还不断完善了数据运算能力，以便用于各种数字控制领域。随着PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。在保留PLC功能的前提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用开放的通信接口，如以太网、高速串口等；同时，PLC采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路具备很强的抗干扰能力，一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间更长。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以入器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。因此，整个系统具有极高的可靠性，在变电站综合自动化中得到了广泛的应用。

国内外发展现状

国外智能GIS发展现状

当前，世界上大型高压开关制造公司竞相改革GIS的二次技术，尤其欧洲几大制造公司表现的更为突出。

西门子公司

最新型8DN9 GIS采用了在线检测系统，利用计算机辅助的电子控制和监视单元进行连续控制和监测。用电流和电压传感器取代传统电流电压互感器。带间隔处理能力的数字间隔控制系统用于监测和记录所有基本运行参数，这样可以进行系统发展趋势分析，实现“状态检修”。

Alstom公司

在就地控制柜中安装计算机控制二次功能。用密度计、光电传感器、电流传感器和局放测量传感器对GIS进行周期性或永久性的状态监测，用光纤或屏蔽电缆传送信号，数字技术和计算方法将所有信息不仅用于间隔的自动控制，也用于监测整个设备。

ABB公司

GIS产品分为EXK和ELK型，其产品很有特点。ABB公司早在1984年就开始更新高压电器设备的二次系统控制技术，将一次和二次技术融合在一起，在二次技术上经历了3个发展阶段：传统技术、现代技术和智能技术。其中在EXK为智能化产品[2]有72.5、123KV电压等级，其中EXK-01型Smart-GIS中体现了智能技术应用，是先进的一次设备制造技术、新型传感器和现代计算机技术的整合。

我国智能GIS发展现状

随着淮北110千伏桓谭变电站投运，我国已建成的智能变电站数量已经超过10座以上。 其中有北川110千伏智能变电站、220千伏西泾智能变电站以及500千伏兰溪变电站，特别是世界最高电压等级的智能变电站——750千伏延安变电站投运，标志着我国智能变电站试点工程不断取得进展。这将拉开我国开始大规模建设智能变电站的序幕，同时对于我国建设坚强智能电网[4]也具有重要意义。

我国在淮北110千伏桓谭变电站的建设过程中，采用大量的新技术、新工艺、新设备来实现整个变电站的数字化、智能化。工程建设中应用国内领先的纯光纤电子式电流互感器；断路器独立地执行其当地功能，一次开关实现智能化；应用国内领先光学电压互感器技术；应用统一的信息共享平台；将通过配置光伏发电系统，以实现变电站的“零损耗”；应用智能化告警与分析策略高级智能功能应用智能站用电源及辅助设备系统；应用变压器新型光纤光栅温度传感器在线监控系统应用；采用GOOSE网络，实现网络化、信息共享标准化；应用GIS组合电气采用SF6压力、微水在线监测系统等，采用数字化的监视和控制手段减少了设备停电检修的几率和时间，实现一次设备100%在线监控。

基于可编程控制器的110kV智能化GIS二次控制系统设计与实现

系统控制要求

系统总体控制要求

传统的GIS控制系统主要是模拟控制板、多位控制开关、光字牌、辅助开关、中间继电器、接触器等构成，用户通过手动操作模拟控制台，通过一系列的中间继电器的联锁验证后，在满足主回路逻辑条件和内部电控元件的自锁保护条件下，对开关进行输出控制，光字牌则主要用来直接反映开关位置状态和其它报警信号。其现场安装接线和调试工作量大，大量元件造成整个系统可靠性较低，容易拒动和误动作，而且，无法进行智能控制和在线监控功能。

本文提出的基于PLC系统的GIS二次智能化控制和监测系统，省去了模拟控制板、光字牌和中间继电器等外设元件，它们都将以模拟或者数字信号的方式存在于PLC程序中或者直接显示于触摸屏。一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。

其中中间继电器均以中间变量的形式存在于PLC程序中，而模拟控制板和光字牌则直接在触摸屏中以图形状态体现，同时与PLC程序中的对应变量相关联。因此它不仅节省了元件成本，同时也提升了系统的安全性和稳定性。

同时，为监测GIS一次元件的正常运行，早日发现事故隐患，本系统根据GIS开关运行特性，除应满足电力系统要求的“五防”和“四遥”外，还增加了如下的智能化程序模块，以便用户能迅速判断开关的运行状况，更准确地确定开关的检修时间，使开关的状态检修更加有针对性，最终达到节约成本目的：

1) 断路器、三工位隔离、接地开关、快速接地开关等操作元件的合分闸操作记录，用于监视各一次主要操作元件是否达到额定的机械寿命。

2) 断路器事故分闸记录，记录开断电流的加权值，间接测量断路器弧触头的烧损情况[1]。

3) 记录各元件气室的SF6气体密度变化情况，同时增加监视SF6气体的下降变化率，以便更准确地判断故障。

4) 断路器、三工位隔离、接地开关、快速接地开关等操作元件的操作回路监视，包括常规的回路断线，电机回路故障等，还增加了电机操作电流监视，以判断机构有无卡涩等情况。

系统的主要功能组成

整个系统由设备控制部分、在线监测部分和安全监控部分组成。设备控制部分主要完成数据和状态信号采集、现场控制输出。在线监测部分主要进行现场模拟量数据的收集、分析，并向用户提供状态检修意见和报警功能。监控部分则通过比较经过CPU处理的数据，实时显示系统各元件的工作状态，并向设备控制层发出控制指令，实现“遥信、遥测、遥控、遥调”功能。

系统监控层通过西门子的软件STEP7和SIMATIC WINCC FLEXIBLE操作屏组态软件进行编程，它承担了控制操作、状态显示、数据处理、操作记录等功能。用户在就地操作时，可通过触摸屏了解整个系统的工作状态，查看报警信息、发出控制信号；用户在远方操作时，可通过WINCC组态后的画面，了解整个系统的工作状态，查看报警信息、发出控制信号。

此监控层实现的主要功能如下：

1）控制操作：对系统内的所有被控断路器和辅助开关进行实时控制。

2）状态显示：用图形实时地显示一次主接线图内主要元件的运行状态。

3）数据处理：利用实时数据和历史数据，对系统内采集的各状态量进行逻辑判断。

4）操作记录：实时地记录用户对本系统的每一个操作（包括日期、用户名、设备名、具体操作结果等）

5）报警功能：当某一指定状态量发生变位时，直接通过触摸屏中的虚拟光字牌显示系统报警信号。

6）安全设置：可以设置多级密码，按不同的操作权限分别加密，以特定管理员来限定用户级别，并记录其它用户信息；普通用户将无法创建其它用户或者查看其它用户信息；管理员和普通用户均须登录成功后方可进行控制操作或者查看操作记录。

可编程控制器的选型

系统的硬件配置和构成

GIS控制系统硬件配置与一次元件的构成是相互相存的，主要根据一次元件的内容来配置二次元件功能和配置，为了说明本文的主要功能，设计一次系统主接线如图2.1所示：

图2.1 一次系统主接线

其中CT11-CT14为电流互感器，用于测量一次系统电流，PT01为母线侧电压互感器，用于测量变电站母线电压，PT11为线路侧电压互感器，用于测量线路侧电压，CB11为线路断路器，DSES11为母线侧三工位开关，DSES13为线路侧三工位开关，FES1开关为线路侧快速接地开关。

通过分析比较国内外知名公司的工控产品并结合GIS智能控制系统的需求，选用了深圳鑫诺尔的HTS-2000VA正弦波逆变电源、西门子的SIMATIC S7-300可编程控制器和TP277触摸屏来构成此智能控制系统。系统硬件配置如图2.2所示：

图2.2 系统硬件配置图

深圳鑫诺尔的HTS-2000VA正弦波逆变电源专门为通信系统、电力系统及工业自动化应用而设计的高品质逆变器，产品具有直流输入过欠压、输出过载保护、短路保护、直流输入与交流输出完全电气隔离等保护功能。并可提供RS232数字通信口、输入与输出有或无的故障干接点，也可通过计算机进行监控逆变电源的工作状态及历史记录，同时可以通过LCD或LED显示逆变电源的工作状态。

SF6密度变送器采用秦川集团宝鸡仪表有限公司 MSK—20型远传六氟化硫气体密度控制器，该仪器用于高压开关设备灭弧气体—六氟化硫(SF6)密度监测[3]的专用仪表，是该公司最新研制的机电一体化产品。仪表由MS-20型六氟化硫气体密度变送器、YX—100SF6六氟化硫气体压力（密度）表组合而成。变送器输出的4~20mA信号可接入PLC实时显示六氟化硫气体的密度，并可实现报警和闭锁功能。仪表外观新颖，美观大方。具有独特先进的环境温度补偿功能，改变了传统的一般六氟化硫气体压力表的压力监测值与温度压力变化曲线对照来计算六氟化硫气体实际密度的繁杂检测过程。该表在使用温度范围内的任何温度下指示的压力值即指示的是室温20℃的压力（密度）值。

断路器三相电流二次测量采用香港恒发科技有限公司 HF-SD(DP)420E型交流电流传感器，采用霍尔电流元件，输入电流（交流）0-10A，电流测量范围0-50A ，输出电流4-20mA，响应时间≤20mS，线性度 ≤1%FS，直流电源为5-24VDC。能满足断路器三相故障电流采样使用。

可编程控制器采用SIMSTIC S7-300系统，是西门子公司的新一代高端产品，它具有完善的指令集，且采用了模块化的设计，使得其在计算性能、可扩展性和稳定性等方面有突出的优势；彩色触摸屏TP277配以西门子经典组态软件SIMATIC WINCC FLEXIBLE操作屏组态软件，使得整个人机界面操作简单灵活，且管理功能强大，可以直观准确的实现GIS系统的各项监控功能，并完全满足系统智能控制的要求；远方控制中心采用基于西门子WINCC控制系统的上位PC机，用于就地设备的操作、状态显示、历史记录、SOE显示和RTU功能。

PLC硬件配置

硬件设备中PLC元件表见表3.1，其中包括CPU（中央处理单元）、电源模块、开关量输入模块、开关量输出模块、光纤接口PROFIBUS DP主站或从站等，这些模块均为西门子SIMATIC S7-300 PLC系列的标准模块。其中数字量输入模块（DI16XDC24V SM321输入模块）采用高速输入响应模块，响应时间小于200μS，满足高压开关开入量10ms测量要求。模拟量输入模块采用高速输入响应模块，响应时间小于10mS，能满足电流测量要求。

表2.1 可编程控制器的硬件配置表

I/O点及地址分配

根据控制要求，对可编程控制器的I/O点及地址进行分配，详见表2.2。

表2.2 可编程控制器的I/O点及地址进行分配表

电气控制系统原理图

表2.3 可编程控制器的I/O点及地址进行分配表

系统控制程序的设计

系统控制流程图

图3.1 主程序框图

控制程序的设计

图3.2 断路器（或三工位开关、快速接地开关）的控制程序框图

图3.3 电机电流采集和判断程序框图

结 论

本次论文主要完成了间隔层的智能化GIS开关操作柜设计研究，说明了西门子S7-300型在GIS智能化设计过程的应用情况，通过S7-300丰富的编程功能和强大的硬件配置，完成了基本间隔要求的开关操作、联锁设计、就地电量/电度采集，实现了变电站的遥控，遥信和遥测的功能，有效地实现了高压开关的最安全控制；利用采集的开关机构操作过程电流信号以及操作时间，可以进一步分析开关机械设备的状况；同时，由于GIS自身的结构特点，不可避免存在SF6气体的泄漏，本次系统对SF6气体压力在线连续监视和诊断，很大程度上确保GIS的安全运行，促使用户在压力波动大时提前检修设备，避免事故的发生，为用户的实现状态检修提供依据；智能判断故障设备并自动告警，进一步提高了系统的可用性；采用标准的通信协议以及高速安全的网络通信与电站级管理系统连接，实现了变电站综合自动化对高压电器的智能化要求。

参考文献

[1] 邹积岩，. 开关智能化的概念与相关的理论问题[J]. 高压电器，2000，36(6):43-46.

[2] Georg Sche,Fred Engler,Alfred Jaussl,elal. Intelligent GIS-- a Fundamental Change in the Way Primay and Secondary Equipment is Combined[J]. ABB Review, 1996(8):4-14

电子元器件应用现状篇（3）

一、锂电池的性能特点

锂电池是目前常用的二次电池，可以反复充电和放电，其对充电器的要求是：在电池电压较低时，应采用不大的电流进行充电，当电池电压在正常范围时，采用标准容量电流进行充电，当充电快结束时，充电电流限制在较小的电流上。一般情况下，当电池电压小于3V时，充电电流应小于0.5C；当电池电压在3V-4.1V之间时，充电电流大约1C（此处C指电池容量）；当电池电压接近4.2V时，充电电流为0.1C，进入涓流充电一段时间，就应停止充电。当电池温度超出规定时，应停止充电以保护电池。

二、充电器的系统设计

1.系统组成的设计

作为技能大赛课题，电路系统设计时除了要考虑能良好实现上述锂电池充电的功能要求外，还要充分考虑技能大赛相关的知识和技能要求。根据国家电子技能大赛的有关文件，其知识内容应涵盖：模拟电路、数字电路、单片机原理与接口电路、通信原理、传感器原理、电子测量技术、电子产品整机制造与装接工艺、Protel99 SE软件、C语言编程、电子装接工、调试工等应知内容；其技能内容应涵盖：元器件识读与检测、手工焊接、各种仪器仪表的使用与检测方法、单元电路装接与检测调试、电子电路读图方法、单片机电路装接与调试、检测等。结合锂电池充电器的实际要求，本电路系统组成如图1所示。

（1）CPU控制采用89C2051单片机，考核单片机原理与接口电路相关知识；

（2）稳压电源采用7805，考核稳压电源相关知识；

（3）开关电源采用LM2576，体现新材料和和新知识；

（4）电流控制与电压判别采用LM358，考核集成运放的基本应用。LM358选用贴片元件，体现了电子产品制造新技术的应用；

（5）温度检测电路由LM324和热敏电阻构成，体现传感器于接口电路知识；

（6）模拟电池由LM358和分立元件构成，体现模拟电路知识；

（7）倒计时定时控制电路设计成单独的电路，需学生在万能板上装接布线，考核学生的电路装接能力。

2.系统参数设计

1.CPU

2.开关电源充电电路

3.电流控制电路

4.电压判别电路

5.温度检测电路

6.键盘控制

五、充电器制作

1.PCB板设计

PCB板的设计与制作直接影响硬件设计的成败，设计PCB板时，首先确保原理图正确，原理图见附图，然后进行元件布局与电路布线，努力将系统中各元件之间、电路之间可能产生的不良影响降到最低。

原理图绘制完成后，先检查每个元件的封装由于Protel2004采用了原理图符号和PCB封装集成在一起的集成库，故可在原理图中直接修改每个元件的封装，再使用设计项中的Update命令将封装传递到同一项目中的PCB中。

在将原理图成功传递到PCB后，先进行元件布局，再通过布线将其一一连接，在所有器件的连线和网络都传递到PCB后，仔细检查PCB图上的封装会连接飞线，根据实际情况进行调整元件位置。

考虑到技能大赛的实际需要，元件封装既有通孔元件，也有贴片元件，以考核学生两种不同性质元件的手工焊接技能；电路板也设计成印刷电路板和万能板两部分，全面考核学生的装接技能。电路板见图10。

2.装配焊接与要求

（1）印制板插件位置正确，元器件极性正确，元器件、导线安装及字标方向均应符合工艺要求；接插件、紧固件安装可靠牢固，印制板安装对位；无烫伤和划伤处，整机清洁无污物。

（2）要求电子产品的焊点大小适中，无漏、假、虚、连焊，焊点光滑、圆润、干净，无毛刺；引脚加工尺寸及成形符合工艺要求；导线长度、剥头长度符合工艺要求，芯线完好，捻头镀锡。

3.电路调试

（1）不接模拟电池，调W3使充电电压为4.2V（3分）。

（2）按键选择进入在充电状态，调节模拟电池电压为3.5V，调节W4使限流电流为0.6A。

（3）完成上述调节以后，按键选择进入低压充电状态，测量此时充电电流为为0.2A，如果偏离很大，则要修改软件参数。

（4）按键选择进入涓流充电状态，测量此时的充电电流为60mA，如果偏离很大，则要修改软件参数。

（5）调节W1，使UC4的2脚未4.1V实现涓流判断，调节W2使UC4的6脚为3V时实现低压判断。

电子元器件应用现状篇（4）

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）12-0163-01

前言

伴随着现代汽车大工业的迅速发展，单片机和电子控制单元的应用越来越广，需求越来越多，使用率越来越高。电子控制单元的种类亦层出不穷。国内大部分电子控制单元采用单片机加器件来实现，优点是价格低廉，缺点缺很多；大部分集成芯片依靠进口，成本很高，不适合普及应用。总结了国内、国际发展状况和特点。本文设计一款集成度高，使用方便，价格低廉的集成电子控制单元。

1 电子控制单元简介

电子控制单元（ECU）又称行车电脑。从用途上讲则是汽车专用微机控制器。它和普通的单片机一样，由CPU、ROM、RAM、I/O、A/D等模块组成。功用是根据其内存的程序和数据对空气流量计及各种传感器输入的信息进行运算、处理、判断，然后输出指令，向喷油器提供一定宽度的电脉冲信号以控制喷油量，从而实现集中控制功能。汽车电子的核心是电子控制单元，不但应用在发动机上，在许多低速控制系统中都有广泛的应用。随着电子控制单元的种类不断增多，复杂而庞大的线路也成为一大困扰。汽车中的各个单元之间需要一种可靠的，高效的数据传输总线，并能将各种单元进行有效的连接，组成一个网络，CAN总线就能有效的实现这个功能。

2 电子控制单元（ECU）的单元设计

2.1 MCU的总体设计

鉴于设计成本以及成品的整体尺寸，本设计选用了应用广泛并且运行稳定的8051内核作为微控制器MCU。此微控制器具有8位数据宽度，能处理8位二进制数据或者程序代码，并协调和控制各个单元模块完成工作，以实现对编译指令的解码，资源调度以及分配，并可以保护中断以及恢复现场等功能。本控制器的结构如图1所示。

本设计采用标准硬件描述语言VHDL作为设计语言，成功设计、裁剪并综合了一款兼容标准8051的IP核，微处理器是由定时器/计数器（Timer）、逻辑运算单元（ALU）、串口以及控制单元组成的。并配置RAM、ROM及其RAMX等存储单元，组成处理器整体。微控制器模块采用自上而下的设计原理，顶层是程序测试层，由testbenchfiles等文件构成，分别对测试第二层各个模块进行仿真测试，第二层包括内/外RAM，内置ROM，加上微控制器核。微控制器是本设计的中心部分，分别由定时/计数器（Timer）、算数逻辑单元（ALU）、及中央控制单元和用于通信功能的串口组成。其中算数逻辑单元包括算数逻辑核，加减法运算核以及多路选择器，和进位调整器组成，用于实现基本的加减等算数运算，与或非等逻辑运算。控制单元包括用于储存状态的存储单元，以及用于处理各种状态的状态机（FSM），控制单元用于编码指令的解码控制。

2.2 CAN总线的实现

按协议标准来分，CAN总线分为两种，一种是标准的CAN总线，标准CAN总线具有11位标志符。另一种是扩展式的CAN总线，标识符长度长达29位。综合考虑本设计产品的复杂性，运算速度，设计选用了标准的CAN总线。如图5所示，设计采用自上而下的设计方法，分别设计了时序逻辑单元，用于处理时序信息；位处理逻辑单元，用于处理各个位上的数据信息以及位逻辑运算；以及用于存储数据信息的存储器单元。CAN总线通过接口逻辑单元（IML）与微处理器MCU相连，并向处理器传输中断信息和状态信息等数据信息。

3 系统仿真，FPGA验证及结果

应用ModelSim仿真软件分别对微控制器的算数逻辑单元，定时/计数器，串口，以及CAN总线等各个单元进行了时序的仿真，达到了预期的时序要求。编写用于自启动的bootloader文件，并将整体代码下载到FPGA上进行系统级验证，达到了预期的效果。完成各种MCU的控制功能，并具有稳定的CAN总线通信功能。

4 结语

本文结合了多门学科技术，结合市场需求，研制了一款标准的电子控制单元，并综合了CAN现场总线，使此款控制单元更加具有通用性。MCU核是一款完全兼容8051内核的处理器，采用自上而下的设计方法，设计各个模块单元。并依据模块的特性，设计仿真测试文件，进行了仿真测试，并设计引导程序，实现了在FPGA中的验证。实验表明，该ECU能准确地采集信息，并可以在CAN总线网络上可靠通信。具有集成度高，稳定性好，应用方便等特点，拥有较高的应用价值和前景。

参考文献

[1]麻友良，丁卫东.汽车电器与电子控制[M].北京机械工业出版社，2003，1.

[2]张道文，ECU输入信号模拟电路的设计[J].小型内燃机与摩托车，2003，5.

电子元器件应用现状篇（5）

中图分类号：V260 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（c）-0123-01

伴随航空工业技术日新月异的发展，对单一航空型号电子元器件的使用越来越广泛，使用数量越来越多，所以对于电子元器件的质量来说，对航空事业的发展起到一定的作用。航空电子元器件在使用的过程中不断进行改造与更新，在设计、选材、工艺及生产制造方面都展现出一定的优势，使电子元器件的质量有所提高。但为了更好的适应航空航天的型号，电子元器件的质量与安全可靠性还应进行科学合理的改造与提高。因此，在航空电子元器件的选择、采购及检测的过程中，应加强对其质量的控制，使其能够在航空工业中得到充分的运用。

1 电子元器件质量保证的意义

电子元器件是所有电子设备的重要组成部分，它的质量对电子设备的正常运行具有重要作用。近年来，随着我国国防科技的发展，逐渐将电子元器件应用于航空工业中，使其走向智能化、电子化。电子元器件的大量使用，使其品种逐渐增多，适用于各个领域。现阶段，电子元器件的质量问题是其生产制造工作的重中之重，其作用在当下社会也日益突显。电子元器件作为航空产品中重要的组成部分，其性能与质量需要有一定的技术基础。电子元器件的质量分为固有质量和使用质量两种。固有质量是由生产部门决定的，包括其设计、选材及工艺等。使用质量则是由电子元器件的使用者对其进行选择、采购及检测等，最终对其质量进行控制。电子元器件的质量保证是为保证电子元器件的质量而进行的相关活动，对其生产部门与使用者进行质量的控制工作。航空电子元器件的质量是保证航空型号电子元器件使用过程中是否可靠的重要条件，也是确保航空产品及工作顺利进行的重要基础。

2 航空电子元器件特点

近年来，我国高新技术不断发展，现代武器设备都逐渐应用电子化与自动化的技术，使其更加智能。据相关数据显示，在设备系统稳定可靠的前提下，对其零件与元件的质量可靠性越高。而航空工业中对电子元器件的使用日渐增多，所以，为保证其系统的稳定与可靠，就应保证电子元器件的质量达到一定的标准。

航空电子元器件的特点有四个：可靠性强，寿命长，体积轻便且功耗低，环境适应能力强。

2.1 可靠性强

为适应航空型号，电子元器件在寿命、质量及可靠性方面应积极展现其自身的优势。航空电子元器件的可靠性表现在多方面，首先，对于电子元器件的性能来说，应以满足航空专业的稳定可靠为主，在一定的时间内应保证不影响航空产品的性能。除此之外，电子元器件对于不同的环境条件应具有一定的适应能力，不会因为周围环境的影响使其自身的功能削弱，而影响航空产品的整体使用效果。航空电子元器件在生产制造的过程中应根据相应的生产规范进行生产，并制定相关的制度与规范，进而确保不同等级的电子元器件能够具有一定的可靠性，在实际的应用中发挥自身的作用。

2.2 寿命长

电子元器件的寿命与其较强的可靠性具有一定的密切联系，只有电子元器件的使用寿命延长，才能保证其较高的可靠性。针对工作周期不长的航空产品来说，可以采用寿命较短的电子元器件，但由于航空产品具有相当的重要性，所以在电子元器件的选择上仍以寿命长的元器件为主。

2.3 体积轻便且功耗低

航空产品中元器件的功耗、体积的有效降低对航空产品的整体功耗及体积来说具有一定的减轻作用。降低电子元器件的重量与体积不仅要对其进行结构的改造，同时也应对装联工艺进行相应的改造。在航空电子元器件功能不改变的前提下，对其质量与体积进行相应的改造，并减少其功耗，进而促进航空电子元器件质量的提高。

2.4 环境适应能力强

航空产品主要用于环境较为恶劣的条件下，所以其电子元器件也应具有一定的环境适应能力，在各种环境下都不会影响其自身功能的发挥，有效的促进航空产品的高效使用。

3 航空电子元器件质量保证体系

3.1 技术队伍的建设

针对航空电子元器件的质量与可靠性的研究设立了相关的岗位，并根据相关的研究情况对其进行有效的改造。针对设立的不同岗位，其工作内容与职务各不相同，但都为航空事业及电子元器件的改造工作共同努力。航空技术队伍的建设，一定程度上对航空电子元器件的质量控制工作做出了相应的贡献。

3.2 航空电子元器件质量保证对策

3.2.1 电子元器件生产单位实行质量认证

加强对电子元器件生产单位的质量认证工作，在航空产品的电子元器件的选择方面，应尽量选择质量好且生产情况稳定的元器件供应商。这对于航空产品的稳定性与可靠性具有积极的意义。

3.2.2 建立健全航空电子元器件标准体系

航空电子元器件标准体系的建立是对其设计的规范，同时对于强化元器件的质量控制具有重要意义。现阶段，我国仅参考国外先进的电子元器件标准体系进行我国标准体系的建设。但由于我国的工业基础较落后，所以对于既有的标准无法进行实际有效的运行。因此，我国应以自身的实际情况为基础，建立符合我国国情的航空电子元器件标准体系。

3.2.3 重视电子元器件目录的编制工作

对于电子元器件目录的编制工作应予以一定的重视，因为不同型号元器件的有效记录对于元器件型号的选用时具有一定的辅助作用，能够有效的对其进行采购管理，同时也能够保证元器件型号的稳定性。

3.2.4 建立电子元器件信息管理平台

为加强航空电子元器件的质量控制工作，对电子元器件的信息管理工作十分重要。通过对相关信息的有效管理，实现元器件使用部门与生产部门的有效沟通与连接。

4 结语

综上所述，伴随我国航空事业的飞速发展，对航空产品起到至关重要作用的航空电子元器件越来越得到众多的关注。文章通过对航空电子元器件质量控制工作的意义及其特点进行详细的分析，探究出航空电子元器件质量控制工作的具体策略与建议。通过对电子元器件自身特点的分析，找出有效提高其质量控制的方法。航空工业的发展一定程度上带动了我国社会经济的发展，同时也提高了我国航空事业在国际中的地位。所以，对于航空电子元器件质量的控制工作应予以一定的重视，对于航空事业的发展具有一定的推动作用。

参考文献

电子元器件应用现状篇（6）

中图分类号：C35文献标识码： A

印制线路板（PCB）即采用“印制”方法制作导线的电路板，是电子产品的重要部件之一。现代电子电器中，电子元器件之间的相互连接，一般都要使用印制线路板。不断发展的印制线路板技术使电子产品设计、装配走向标准化、规模化、机械化和自动化，体积越来越小，成本越来越低，可靠性、稳定性越来越高，装配、调试、维护、维修越来越简单。随着电子技术在各个领域的应用，印制线路板的使用越来越广泛，印制线路板的设计已成为电子技术专业人员从事科学研究、产品开发、技术应用的一个必备手段。

在实际工作中，一个完善的印制线路板设计方案首先要符合电路的设计要求，完成规定的电路连接；其次要符合电子整机装配、调试、维修的要求，便于生产，维护，维修，对特殊电路还要考虑分布参数的影响；同时还要符合印制线路板生产工艺的要求，能够生产制造出来。

印制线路板的设计是根据设计人员的意图，将电路原理图转换成印制板图、选择材料和确定加工技术要求的过程。其设计的好坏直接影响到产品的质量，本文将逐一介绍PCB设计中板的板材、形状、尺寸和板厚的确定，孔、焊盘的确定，元器件的布置，印制线路板的布线，印制导线的确定。

1. 板材、形状、尺寸和板厚的确定

1.1 印制线路板的板材

一般用覆箔层压板制成，常用的是覆铜箔层压板。板材选用时要从电气性能、可靠性、加工工艺要求、经济指标等方面考虑。超高频印制线路最优良的材料是覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板。在有阻燃要求的电子设备上，还要使用阻燃性覆铜箔层压板。

1.2 印制线路板的形状

印制线路板的形状由整机结构和内部空间位置的大小决定，形状应尽量简单，一般为矩形。但是在收录机、电视机等大批量生产的产品中，整机的不同部位上往往需要几块大小不一样印制线路板。

1.3 印制线路板的尺寸

印制线路板的外形尺寸要从整机的内部结构和板上元器件的数量、尺寸及安装、排列方式来确定。机械强度决定印制板的尺寸不能过大，在无支撑点的情况下，一般尺寸不应超过150 mm×200 mm。

1.4 印制线路板的厚度

印制线路板的厚度应根据印制板的功能及所装元件的重量、印制板插座规格、印制板的外形尺寸和所承受的机械负荷来决定。多层印制板总厚度及各层间厚度的分配应根据电气和结构性能的需要以及覆箔板的标准规格来选取。常见的印制线路板厚度有0.5mm、l mm、1.5mm、2mm等。

2.孔、焊盘的确定

(1) 孔的确定。印制线路板孔在这里主要是引线，用作元器件固定或定位。引线孔的孔径应大于元器件引脚的直径和导线的线径，但不宜过大，否则会造成焊接不良。若元器件引线的直径为di，引线孔的孔径为d，通常则取d=(di+0.3)mm。

(2) 焊盘的确定。元器件在印制线路板上的固定，是通过将元器件的引脚焊接在焊盘上实现的。常用焊盘的形状有圆形、岛形、椭圆形和方形。

焊盘的内孔一般不小于0.6mm，因为小于0.6mm的孔开模冲孔时不易加工，通常情况下以金属引脚直径值加上0.2mm作为焊盘内孔直径。焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于l mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而且走线与焊盘不易断开。相邻的焊盘要避免成锐角或大面积的铜箔。成锐角会造成波峰焊困难，而且有桥接的危险，大面积铜箔因散热过快会导致不易焊接。

3.元器件的布置

(1)元器件要均匀、整齐、平行的排列在印制板上，同一类尤其是同一种元器件的排列尺寸应尽量一致。这样既可以使设计出美观漂亮的印制板，也便于在生产中对元器件进行加工成型、插件和焊接。

(2)位于边缘的元器件和布线距印制板的边缘距离一般应大于2 mm，以免在切割印制线路板时损伤布线。如果确定使用波峰焊机进行焊接，印制板的夹入侧的元器件距印制板的边缘距离要大于夹入尺寸，否则将影响焊接质量或不能一次完成焊接。如果印制板要装入结构设计的导轨中，还要考虑导轨槽的深度，印制板插入导轨两侧的元器件距板的边缘距离应大于导轨槽的深度，以免在装配中损坏元器件。

(3)高频元器件之间的连线要尽可能地缩短，以减少分布参数和互相的电磁干扰，必要时可设置印制导线保护环和保护线。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量原理。

(4)带高压的元器件要布置在调试时手不易触到的地方，以避免高压电击对调试者构成伤害。

(5)发热的元器件要布置在印制板通风的位置或上部(印制板为垂直安装时)，以利于散热。

(6)热敏元件应远离发热元件。对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域(如设备的底部)，千万不要将它放在发热器件的正上方，多个器件最好是在水平面上交错布局，以避免发热元件对其影响。

(7)大而重的元器件不宜放在印制板上，如必须安装时，要选在靠近印制线路板支撑点的地方，使印制板的翘曲度减至最小。

(8)印制线路板上同时安装模拟电路和数字电路时，应尽量将两种电路的地线系统和供电系统完全分开，以避免相互影响。

4.印制线路板的布线

在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，工作量最大。PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。布线的方式也有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线。

印制线路板走线总的原则可归纳如下：①印制导线的布设应尽可能的短，在高频回路中更应如此；②印制导线的拐弯应用钝角折线或圆角，而直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能；③双面板布线时，两面的导线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合；④作为电路的输入及输出用的印制导线应尽量避免相邻平行，以免产生反射干扰，必要时可在这些导线之间加接地线。

5.印制导线的确定

印制导线的宽度应以能满足电气性能要求而又便于生产为宜，它的最小值由承受的电流大小而定，最小不宜小于0.2mm，在高密度、高精度的印制线路中，导线宽度和间距一般可取0．3mm；导线宽度在大电流情况下还要考虑其温度影响，单面板实验表明，当铜箔厚度为50微米、导线宽度l―1.5 mm、通过电流2A时，温度上升很小，因此一般选用1-1．5mm宽度导线就可能满足设计要求而不致引起温升；印制导线的公共地线应尽可能地粗，可能的话，使用大于2-3 mm的线条。

参考文献：

[1] 郭文立，李玮.电子工艺与电子技能[M].黄河水利出版社.2011年12月

电子元器件应用现状篇（7）

目前汽车电控技术的发展十分迅速，为了适应汽车的电控化程度，对电控系统出现的故障进行诊断的能力也要向更高的水平发展。在汽车的故障诊断中，人们常常使用电脑故障诊断仪，也叫解码仪，它在某些电控系统的故障诊断上也已捉襟见肘。而利用波形分析却能查询到电控系统中电子器件间的电信号，不仅能诊断出汽车上的电路问题，许多机械和电子方面的故障也能够被顺利找出并解决。所谓波形分析，就是在汽车故障诊断中利用汽车示波器，采集汽车电子控制系统中的电子元件的波形信号，如传感器、执行器等电子设备，并将采集到的电子元件电压随时间变化的电信号，与这些电子元件正常的波形信号进行对比并分析，找出其中的不同，继而运用自己掌握的基本理论知识，找出故障具体发生部位。在汽车故障诊断中，并不需要对发动机做任何特殊的设定和调整，就能够直接在显示屏幕上观察到电信号的波形，它的测试与使用也非常简单。汽车用示波器目前使用较广泛的是数字存储示波器，常见的型号分别是美国FLUKE98、元征KES－200、国产金德K81等。在故障诊断时，示波器采集被检电子元件的电压波形、信号脉宽等，经过认真分析对比，不仅可以准确判断出电控系统中线路或电子零件是否存在故障，还可以判断维修或更换后，零部件性能如何，确认其它零部件故障情况。

一、基于示波法的故障诊断原理

一般使用下列五种参数的测量数据来判断汽车中电子元件的电子信号，它们分别是:幅值、频率、脉宽、形状、阵列。示波器中可以显示出所有电子信号的这五种判定参数，应用示波法可以分析出某个电子元件，以及某段电路的故障，并加以验证。若采集故障电路及电子元件从损坏到被修复完好的波形，可以发现这些波形变化剧烈，尤其是上述五种电子信号的参数变化。根据对采集的波形进行分析对比，观察这些电子信号的波形状态是否正常，就可以找出发动机电控系统中传感器、控制单元、执行器等部件出现的故障，观察故障排除后的系统运行状态。汽车电子元件的电信号多种多样，有些电子元件的信号变化非常快，周期仅为1毫秒，还有一些信号呈间歇性变化，有时候有信号，有时候就没有，这对故障诊断设备的要求就比较高，它的扫描速度必须要大于电子零件出现故障信号的速度。汽车专用示波器在捕捉到故障零件电信号时就可以采集比较完整的信号，然后将波形速率调慢来显示，这样，在做故障诊断与分析时，就可以看着故障波形分析故障了，容易找到故障发生部位。而且示波器还具备存储功能，可以将故障波形记录存储，帮助维修人员快速找出故障发生部位。当示波器进行波形采集时，设定电压随时间变化，此时这个电信号就可以生成波形图，直观地判断电控零件的工作状况，并十分准确且便捷地找出发生故障的零部件。通过示波器采集显示电控零件输出的波形信号与电压信号变化状况，就能够准确判断电控零件性能是否正常，有没有故障，进而判断整个发动机电控系统的状态。

二、发动机怠速抖动模拟故障诊断实验

一般情况下，如果进气系统与供油系统无法协调完成工作，只要使用故障诊断仪读取故障码，或者读取动态数据流就可以分析判断出故障发生部位。发动机出现怠速抖动现象也是电控汽车发动机常见故障之一。然而经过认真分析，发现如果点火系统产生故障，也会表现出发动机怠速不稳或抖动，这时仅仅利用解码仪分析出的数据流并不一定可以排除故障，还要利用可以分析点火系统故障的仪器，找出故障根源。设定桑塔纳的AJR发动机为试验用发动机，进行试验前先要对发动机做基本检查，在油路、气路中没有发现任何异常，均能顺利完成正常功能。然后起动发动机，怠速运转，此时发动机抖动严重。

经过分析故障现象，首先应用元征X431诊断仪读取故障码，然而电控单元中并没有故障码储存，随后继续读取动态数据流，发现点火提前角出现波动，幅度较大，然后读出进气量与喷油脉宽的实时数据，也没有明显异常。经过分析得到，若油路和气路经过诊断均正常，则可以怀疑是由于点火系统的故障使点火提前角出现大幅波动。随后关闭发动机，正确安装示波器的测试端子，并将示波器的电源端子分别接在发动机蓄电池的正、负极上。重新起动发动机，并使其怠速运转，调试示波器显示测试波形，反复多次测量，都能够看到如图1所示的次级点火线圈下的高压点火平列波。经过分析试验测到的次级点火电压波形，发现发动机每一缸的击穿电压均不相同，经过判断，确认第4缸点火状态比较正常，击穿电压值在正常范围内，其余3缸的点火击穿电压都偏低，尤其是第3缸，它的次级点火电压只有2KV左右，点火衰减震动过程幅度较大，根本无法完成正常点火过程。所以发动机怠速抖动的现象可以判断是因为发动机在工作时，每个气缸的点火击穿电压相差过大，才致使某些气缸出现了点火困难，从而导致各气缸工作时出现了不协调不均匀的现象。

电子元器件应用现状篇（8）

【关键词】全电子 转辙机 道岔模块

近些年，我国城市轨道交通发展迅速，轻轨、地铁等传统城市轨道交通已经在各大城市如火如荼的建设中，而现代有轨电车这种新兴的轨道交通方式也在国内得到了井喷式的发展。现代有轨电车一般采用公交式站台，现场控制设备统一放置于轨旁的信号设备控制箱中，安装空间有限，要求各设备尽量减少体积。

目前国内常用的信号控制系统是计算机联锁控制系统，为三层架构：人机对话层、联锁运算层、执行层。前两个层次由于采用了工业控制计算机或者安全型冗余计算机能够满足目前铁路发展的要求。但是执行层电路基本是沿用6502电气集中执行电路，由重力型安全继电器组合构成。安全型重力继电器为机械式结构，体积大、动作过程缓慢、故障点多而且需要定期检修，无法满足目前现代有轨电车控制系统的需求。而进口的全电子设备一般都须配合进口的控制系统使用，从而造成了工程造价的提高。因此，开发具有我国自主知识产权的智能化、电子化、网络化道岔控制模块是十分必要的。

1 全电子模块系统结构

现代有轨电车岔区控制系统的全电子模块大致可分为道岔、信号、通信、监测四种模块。道岔模块用于完成交、直流道岔转辙机的动作控制和状态采集，每个模块控制一组道岔。信号模块用于控制各种类型的信号机。现代有轨电车道岔区控制系统如图1所示。

有轨电车岔区控制系统中逻辑控制单元与道岔控制模块、信号控制模块和通信网关模块之间通过CAN总线通信。通信网关模块与应答器主机、感应环轨旁主机、应急通信主机和调度通信主机之间通过串行总线通信，如图所示。道岔控制模块、信号控制模块和通信网关模块将命令信息或状态信号上传至逻辑控制单元进行联锁逻辑判断，逻辑控制单元判断完成后将命令信息输出至各个模块，道岔控制模块和信号控制模块再驱动现场设备执行相应的操作。应答器主机和感应环轨旁主机分别采集应答器和感应环的状态信息，应急通信电台用于突况时的与车载设备的通信，调度通信主机用于轨旁设备与调度中心的通信。在此基础上增加了环境监测功能，如温度监测和湿度监测等。

由以上可以看出，有轨电车岔区控制系统中与计算机联锁系统的道岔控制模块功能及结构上是基本一致的，因此，全电子执行模块既可用于现代有轨电车的道岔控制，也可通过少量改动用于一般计算机联锁系统。以ZD6四线制转辙机道岔模块的软硬件设计为例，介绍全电子模块的设计思路和具体技术。

2 四线制交直流全电子道岔模块设计

全电子道岔模块是针对四线制交、直流电动转辙机的无触点控制单元电路，主要用于控制道岔动作和采集道岔表示位置，设计符合计算机联锁技术条件要求；除此之外，模块具备符合监测2010标准要求的道岔动作电流和表示电压的采集功能，并具备完整的故障诊断功能。道岔模块电路为独立性冗余“二取二”结构，综合应用避错技术和容错技术，通过可信测量、“敌对信号”检测以及独立于处理器的快速硬件反馈保护等一系列的技术手段，确保道岔控制安全，实现故障-安全。模块具备CAN和PLC双套接口，即实现了和既有系统的无缝连接，同时通过通信接口实现了和外系统的开放式连接。模块中，道岔控制电路和监测电路完全电气隔离，杜绝了监测故障对联锁系统的干扰。

道岔模块需要满足的安全功能有：

（1）控制交、直流电动转辙机定、反操，道岔转动到位后自动切断启动电路。

（2）道岔位置表示，转辙机动作时断开表示线路。

（3）当道岔因故障不能转换到底时，可以单独操纵转回原位。

（4）道岔在任何一种锁闭状态下不会启动。

（5）道岔转换设备的动作，须与值班员的操纵意图一致

道岔模块需要满足的非安全功能有：

（6）状态监测：按照监测2010标准采样道岔动作回线的电流和道岔动作时间；表示回线的电压。

（7）故障诊断功能，包括自身软、硬件故障，室外二极管短接、反接，转辙机线间混线以及混电等

3 硬件电路设计

道岔模块的硬件电路结构如图2所示。

道岔电路结构由执行处理器、逻辑保护单元、动作控制单元、道岔状态表示单元、监测单元组成，详细的单元功能描述如下：

（1）执行处理器单元：在控制电路中双ARM以“逻辑与“的方式处理定反操命令及控制输出、道岔位置表示采集和故障-安全逻辑判断，在道岔动作时切断道岔表示回路。模块为完全硬件级二取二冗余结构，以单个处理器为核心构成独立的闭环控制结构。所有进入处理器的接口信号，必须经过光电隔离。关键器件的驱动输出采用动态驱动方式。

（2）逻辑反馈保护单元：逻辑防护单元逻辑防护单元由选路开关和机械触点型安全继电器构成，对执行硬件健康状态实时检测，实时处理执行处理器的故障情况、检测处理器工作状态以及硬件反馈通道健康状态，对模块硬件是否出现故障进行准确判断，对突发的严重故障，先于执行子系统进行故障-安全处理，同时，执行处理器对后级防护继电器的控制也通过选路开关完成。

（3）动作控制单元：和处理器单元配合完成转辙机定、反操动作控制。由动态驱动电路、电子开关电路、信号测量反馈通道构成。进行转岔操作时，处理器输出动态脉冲信号，驱动功率电子开关动作，动作过程中检测反馈信号，转到位后停止动态脉冲输出，关闭电子开关。

（4）道岔位置表示单元：用于道岔状态采集，并监控室外二极管的健康状态。表示电路由定反位表示采集单元，定反位表示检测单元和道岔表示变压器构成。

（5） 监测单元：监测单元由监测处理器、采集传感器、CAN通信电路构成。监测单元完成铁标监测2006标准规定的相关数据采集，接收执行处理器和逻辑防护单元发送的工作状态信息和故障信息，并将以上提到的信息发送到监测机。监测处理器通过光耦组合编码，获取两个执行ARM和逻辑保护单元的信息，实现监测单元电路和执行电路之间的电气隔离，避免监测故障导致的执行系统故障。

4 道岔控制模块软件设计

道岔软件配合其硬件完成执行层功能，功能包括：

（1）初始化功能：上电或复位启动时对系统硬件资源、软件资源初始化，使模块具备正常工作的条件。

（2）驱动道岔动作功能：在道岔动作条件具备的情况下，驱动道岔转位，并实时闭环监控道岔动作过程，监测到异常反馈信号出现时及时切断条件电源，进行故障-安全处理。

（3）采集道岔表示功能：接通道岔表示电路时，对道岔表示的反馈信号进行综合判断。必须能够识别道岔表示的三种正常表示状态：定位表示、反位表示和无表示；除此之外，必须能够判断室外二极管反接、短接以及其它表示电路故障。

（4）反馈信息采集功能：对道岔表示回路及道岔动作回路的反馈信息进行实时采集，必须对反馈信号进行防抖动处理并准确计算脉宽。防抖动处理时间至少应保持三毫秒，必须对反馈信号的有效性做出准确判断。

（5）数据接收发处理功能：接收并校验解析网关转发的联锁命令数据包，每联锁周期执行一次。

（6）故障检测报警功能：能及时检测到系统运行中产生的各种故障并报警，连续运行。对于严重故障及时进行故障-安全处理。

（7）双ARM同步功能：本设计中，软件运行无固定工作周期，且两个ARM之间无时钟同步，所有功能模块依靠（定时器定时+查询）方式或者（外部中断+查询）方式调用。为保证控制、采集的实时性和安全需求的实现，各功能被划分为若干不同优先等级的模块来实现。调用方式为实时多任务的大循环方式；ARM机时划分为不定长，以模块为单位；调用原则以模块优先级为顺序，如图3 。

5 结束语

全电子模块可以很好的实现执行电路的智能化、网络化和小型化，可较好的满足现代有轨电车正线道岔的控制的需求，同时经一定改进后还可应用于计算机联锁系统执行层。采用全电子执行模块，可显著减少设备用房需求，减轻维护工作人员的工作量，大幅缩短故障排除时间。随着我国现代有轨电车及其它轨道交通形式的快速发展，全电子道岔控制模块将得到越来越的应用。

参考文献

[1]TB/T 3027―2002计算机联锁技术条件.

[2]何文卿.6502电气集中电路[M].北京：中国铁道出版社.

[3]魏文军，范多旺. 铁路车站全电子计算机联锁系统的研究与设计[J].自动化与仪器仪表，2007（03）.

[4]何涛，范多旺，魏宗寿，方亚非.铁路车站信号计算机联锁全电子执行单元研究[J]. 铁道学报，2007（02）.

[5]王增力，方亚非.全电子化计算机联锁系统[J].铁道通信信号，2002（08）.

[6]刘艳.铁路信号全电子执行单元[J].金川科技，2006（02）.

电子元器件应用现状篇（9）

a.元件击穿。击穿包括过电压击穿或过流、过热引起的热击穿等。击穿有时表现为短路形式，有时表现为断路形式。由于电路故障引起的过压、过流击穿常常是不可恢复的。

b.元件老化或性能退化。这包括许多方面，如电容器的容量减小、绝缘电阻下降、晶体管的漏电增加、电阻的阻值变化、可调电阻的阻值不能连续变化、继电器触点烧蚀等。像继电器这类元件，往往还存在由于绝缘老化、线圈烧断、匝间短路、触点抖动，甚至无法调整初始动作电流的故障。

c.线路故障。这类故障包括接线松脱、接触不良、潮湿、腐蚀等导致的绝缘不良、短路、旁路等。这类故障一般与元器件无关。

对以上故障的检修要点：

a.要分析电路原理、弄清总体电路及联系。一旦碰到不熟悉的车型和线路，常常要自己动手，分析电路原理，甚至测绘必要的电路图。因此，汽车电子电路维修将涉及到电路分析方法问题。

b.先外后内逐一排除，最后确定其技术状况。汽车上许多电子电路，出于性能要求和技术保护等多种原因，往往采用不可拆卸封装，如厚膜封装调节器、固封点火电路等。如若某一故障可能涉及到其内部时，则往往难于判断，需要先从逐一排除，最后确定它们是否损坏。

c.注意元件替代的可行性。如一些进口汽车上的电子电路，虽然可以拆卸，但往往缺少同型号分立元件代换，故往往需要设法以国产或其它进口元件替代。这涉及到元件替换的可行性问题。

d.不允许采用“试火”的办法判明故障部位与原因。在检修方法上，传统汽车电器故障，往往可用“试火”的办法逐一判明故障部位与原因。尽管这种方法并不是十分的安全可靠，且对蓄电池有一定的危害，但在传统检修方法还是可行的。在装有电子线路的进口汽车上，则不允许使用这种方法。因为“试火”产生过电流，会给某些电路或元件带来意想不到的损害。因此维修进口汽车电器时，必须借助些仪表和工具，按一定的方法进行。

e.防止电流过载。

不允许使用欧姆表及万用表的Rx100以下低阻欧姆档检测小功率晶体管，以免使之电流过载而损坏。

f.当心静电击穿三极管。更换三极管时，应首先接入基极；拆卸时，则应最后拆卸基极。对于金属氧化物半导体管，则应当心静电击穿。焊接时，应从电源上拔下烙铁插头。防止烙铁烫坏元件。拆卸和安装元件时，应切断电源。如无特殊说明，元件引脚距焊点应在10mm以上，以免烙铁烫坏元件，应使用恒温或功率小于75W的电烙铁。

现代汽车电控系统与其他总成、部件一样处在复杂多变的条件下工作，加之设计制造方面的原因，在经过一定的行驶里程之后，必然会出现这样或那样的毛病，即电路故障导致其局部或整体丧失工作能力。在汽车电气设备修理工艺中，决定电器设备是否可以再次应用，以及决定选择哪一种故障排除方法，应以电气设备损坏的性能和损坏程度的大小为基础。按电气设备修理的工艺路线在工厂进行修复时，对修理方法的选择以及对修理工序的确定起重要影响的是形成修理路线的各种故障的总体。因此，不仅应研究电器设备损坏的分布情况，而且要搞清楚形成各种故障实际组合的统计规律，按照一定原则来编制电气设备的修理工??务，是利用电器设备的剩余耐用性，保证达到经济上有效地修复汽车电器及恢复其使用的可靠性。电器设备技术状况相差悬殊，所以电器修复开支也是不同的，此时可能出现这种情况，即修复个别故障组合时，在经济上不合算。所以电器修复的经济合理性，是电器状况集合划分到各修理工艺路线的主要特征。待修零件分类的目的，是形成不论是工艺问题，还是在其解决方法上有共同特点的电器修复路线。因此，与描述电器状况的特征一起，还要引用能把全部故障及其组合区分到工艺相似类别里的特征。这种区分，既要按照修理的主要工序的共同性，又要按照所用电器设备的共同性。鉴定零件时，要考虑其修复的合理性，就会使检验分类工段的工作趋于复杂化。因为检验人员不但必须记住全部故障组合，而且不能忘掉电器设备报废的价格标准。在按修复路线划分故障组合类别时，应引用各种故障间最有明显区分的特征。从工艺规程组织电器设备修复的观点出发，有助于将已发现的五花八门的故障组合归并到为数不多的典型工艺路线的类别里，这就极大地简化了挑选工艺路线的最佳方案、路线的内容。应当依据一定的原则，将故障组合的全体划分成合理的类别，选用最佳方案，才能获得电器设备修复的最大效益。

电路故障按发生时间的长短可以分为渐发性故障和突发性故障。渐发性故障所发生的周期较长，故障程度有从轻到重、从弱到强的过程，它们多是由于零件运行中的摩擦和磨损引起的，如点火断电器凸轮磨损引起某缸缺火、启动机扫膛等。突发性故障多由电路的短路或断路所引起，如前照灯突然不亮、发动机突然熄火。电路故障按其对机器功能影响的程度，可分为破坏性故障与功能性故障。破坏性故障是电器总成或部件因故障而完全丧失工作能力、不更换或大修不能继续工作，如灯泡灯丝烧断、集成电路调节器击穿、发电机定子线圈烧焦等。功能性故障是指电器总成功能降低但未完全丧失工作能力，属于非破坏性故障，经过调整或局部检修可恢复其功能，如点火断电器触点烧蚀、间隙过大或过小等。

机械在正常运转中的摩擦、磨损或疲劳。如启动机转子轴与轴套采用脂，常因磨损使驱动小齿轮与飞轮齿圈不能正确啮合而顶齿打齿，电路上产生短路或断路、接触不良或漏电。如发电机过载引起整流二极管短路；过电压引起调压器开关管击穿断路，触点烧蚀而不导电；电容器击穿而不能储存电荷等。

电路中的电器元件是依托在机械结构上的，由于机械磨损、松旷或弹簧弹力不足而导致电路接触不良。汽车在不同地区、气候、地形条件下使用，常会发生各种不同故障。如：低温下油粘度增加、启动阻力加大，都会引起蓄电池早期损坏；汽车电器会因高温而出现塑料件和绝缘材料老化；酸雨会使汽车零部件腐蚀。违章驾驶操作不按要求维护、清洁和调整而造成机件磨损；机件设计不合理，制造低劣、装配不良都会导致电路元件的故障。

电子元器件应用现状篇（10）

科技飞速发展的时代下，信息传递是影响社会发展的重要元素之一，海量的信息存储及快速处理等需求推动电子行业的快速发展。忆阻器作为一种有记忆功能的非线性电阻，带来了电子电路的结构体系、原理、设计理论的巨大变革，是继电阻、电容、电感之后的第四种无源基本电路元件，为电子技术中存储功能的进一步提高提供了基础。

一、忆阻器的发生及特点

（一）忆阻器的发生

1971年，科学家蔡绍棠通过研究发现电压、电流、电荷、磁通（v，i，q，φ）这四种变量之间，两两之间组合成的六种关系中，有5个是已知的，只有q，φ之间的关系尚不明确，蔡绍棠根据对称性的原理提出了第4种无源基本电路元件存在，将这第4种基本电路元件命名为忆阻器，忆阻值M与电荷q、φ之间的关系为：dφ=M（q）dq。

2008年惠普公司成功发明了具有典型特征的固态忆阻器，自此证明了科学家蔡绍棠提出的第4中基本电路元件存在，在惠普公司的发展史上，忆阻器的发明带来了新的变革空间，主要应用于电路结构、设计理论等方面。

（二）忆阻器和其他基本电路元件的关系

无源电路元件集是由忆阻器（M）、电容（C）、电阻（R）和电感（R）一起组成的。四种电量之间分别由这四种电路元件来进行转换，四种电路之间不可以相互替代，不可相互模拟。C、L与忆阻器相比较，虽然是动态元件，都有记忆功能，但是前两者在实用中存储的能量泄放的很快，忆阻器则在撤掉电流以后，能一直保持忆阻值，忆阻器具有非易失特性。M和R的比较，当忆阻值M为常量时，和电阻R是等同的，而R又不具备忆阻器的忆阻滞回特性，忆阻滞回特性应用于开关电路中，可以替代存储器的存储单元，存储器被非易失的阻性随机访问。

（三）忆阻器和有源器件的比较

忆阻器属于无源电路元件，但是它可以用有源和无源器件混合组成的电路来模拟，这说明了忆阻器在一定因素影响下可以具有有源器件的某些功能。但是忆阻器并不能完全取代晶体管，因为忆阻器毕竟属于无源电路元件，晶体管能量控制作用，因为忆阻器所不具备晶体管能量控制的有源特性。

（四）忆阻器和二极管的比较

忆阻器和二极管的共同点是都是非线性的器件，不同点是二极管没有记忆的能力。二极管可以组成ROM存储矩阵，其存储原理是通过逻辑阵列完成逻辑关系，而忆阻器本身即可存储数据，因此忆阻器可用作非易失随机访问存储器NVRAM。

二、忆阻器的材料及结构

（一）忆阻器制作材料

有机材料中有些具有忆阻特性，但目前使用的忆阻材料更倾向于无机固体材料。近年来多次实验结果证明，有机材料制作的忆阻器，对高温不耐受，敏感度较高，其性能不太稳定。具有忆阻特性的材料类型主要有：有机薄膜、硫化物、金属氧化物，特别是TiO2 以及各种钛矿化合物等。影响忆阻器材料选用及采用的因素包括成本、性能等，稀有、贵重的材料价格必然会很高，不能广泛的应用于实际中，在材料的选用上还要考虑是否能与集成电路工艺兼容。充分考虑各项影响因素后，再进行选用，可以有效提高生产效率，降低制作成本，扩大应用范围。抗辐射能力也是目前选用材料的特性之一，传统的晶体管抗辐射能力较低，忆阻器的制作材料具有更强的抗辐射能力。目前磁性存储器（MRAM）、铁电存储器（FeRAM）、Si+Ag混合材料存储器件和金属氧化物存储器（CMORAM）等是比较成功具有忆阻特性的器件。

（二）忆阻器的结构

薄膜结构是忆阻器空间结构主要采用的结构，忆阻特性在器件尺寸较小的前提下，发挥的越明显；忆阻器本身的结构可以做到几nm尺寸，这一点与MOS器件相比较，MOS管就很难做到或不能做到；忆阻器的空间结构和集成电路兼容性好，从而使成本得到了合理控制，加快了忆阻器的应用速度，发挥了忆阻器在电子行业发展中的商业作用。

（三）忆阻器的种类

自2000年以来，多种材料制作的新型忆阻器件被研究成功，都具有非易失的忆阻器特性，主要有相变存储器、磁性存储器、复杂金属氧化物存储器件、铁电存储器、硅和银合金薄膜存储器件、惠普实验室发明的TiO2薄膜器件（目前非常受关注）。忆阻器在存储器及模拟神经网络中的应用是研究的重点内容。

三、忆阻器的各种应用途径

（一）忆阻器在存储器中的应用

非易失的记忆能力是忆阻器的特性，因此忆阻器在存储器中的作用最为显著，忆阻器是基本的存储单元，体积和功耗都比较小，是传统单元所不能达到的。

第一个基于轮烷有机分子的纳米交叉结构阻变存储单元，是2003年惠普实验室和加州大学洛杉矶分校合作通过压印方法制备出来的，是纳米交叉结构的阻变存储器进入电子行业的开端。

（二）忆阻器在模拟电路中的应用

忆阻器的非易失记忆能力在模拟电路中也带来了新的发展方向，传统的电子器件中如二极管、晶体管、热敏电阻等都不具备忆阻器的特性，这些电子器件结合忆阻器构成了新型的混合电路，随之也出现了模拟电路的某些新功能及新特性，使电路功能更加先进，实现更多的电路功能，如非常规波形发生器和混沌振荡器等。

（三）忆阻器在人工智能计算机中的应用

忆阻器的主要功能是有记忆的能力，除此之外忆阻器还可以进行逻辑运算，这一功能可以把数据处理模块与存储电路模块结合在一起，从而改变传统的计算机体系架构，带来计算机体系架构的重组，为计算机体系的发展带来了新的动力。

1.忆阻器数据写入

通过在忆阻器两端施加超过其阈值的电压，便会使其处于导通或关断的状态，从而完成忆阻器的置位操作，在此基础上通过施加不同信号，来完成忆阻器的写操作。这种给忆阻器两端直接施压的方式，优点是直接方便，但是缺点也很明显，因为纳米忆阻器电阻值及其他相关设备运行参数的统计分布往往呈现出对数正态分布，每次写操作完成后存储单元的忆阻模拟状态变量便会出现较大的波动现象，影响RRAM可靠性和持续读写性，也会影响存储单元中高阻态之间的电阻差距。解决这些问题的方法是在2010年Huang等人提出的一个反馈系统，通过运算放大器可以持续给忆阻器施加电压，使得忆阻器能够较稳定处于所需要状态。惠普实验室于2011年设计出更加完备的闭环反馈电路用于数据写入，确保了忆阻器两端电压的稳定性，提高了数据写入的可靠性。

2.忆阻器的数据读取

数据读取与数据写入有很大的相似之处，施加相同电压，不同状态间阻值相差较大的原因导致电流差距较大。与数据写入的区别是忆阻器连段施加的电压不能超过阈值，在不改变忆阻器的状态下，通过流经存储阵列的负荷电阻的电流来判断忆阻器的存储数值。也可以运算放大器来辅助读取数据。

3.忆阻器在模拟神经网络中的应用

在模拟神经网络中，突触功能一般可由软件和硬件来完成，软件和硬件相比较软件完成的速度较慢、整体效率较低，很少被采用。硬件一般通过模拟电路、模数混合电路和数字电路来完成。目前，忆阻器的功能是相对于其他器件最接近神经元突触的电子器件，因此在构筑模拟神经元网络中，忆阻器与以上其他实现方式相比较，是最先进、最好的一种实现方式，为模拟神经元网络中发挥着巨大的推动性作用。

4.忆阻器带来的变革

忆阻器与其他各类基本电子器件具有明显的优势，最为突出的是其非易失特性，这一特性导致电路组成结构出现重大的变革，并且工作原理也随之发生改变。电子电路设计理论及开发工具针对忆阻器的特性而做出改变，在目前电子设计自动化开发工具非常成熟的基础上，不同种类忆阻器件首先要建立器件模型，把器件模型加入模型库后便可以投入使用。忆阻器带来的各项变革中，也存在着比较难点的问题，表现为电路和系统结构发生变化后，必须构建新型的电路及系统结构，并建立相应的设计理论及工作原理，这是忆阻器变革中的巨大挑战，也是今后研究的主要内容之一。

四、忆阻器研究难点

忆阻器在存储功能方面的发展是目前研究的方向之一，在生产工艺改进、产品质量提高、忆阻器在工业中的应用、读写功能满足计算机结构要求等等问题都是目前忆阻器研究中的难点问题，也是亟待解决的问题。纳米级器件制备采用的各项技术，如纳米压印、溶液制备、电子束光刻技术等在实际中效果并不理想，开关比较小，制备工艺的改进直接影响到存储器的存储密度及良率，忆阻器性能怎样有效提高，如何提高读写速度，忆阻器怎样满足计算机对速度和稳定性的各项要求，这都是今后研究的重点。

五、展望

作为基本电路元件，忆阻器在未来将会在数据存储、技术操作等方面发挥巨大的作用，器件模型的研究也将会更加适应实际电路需求，在促进电子产品发展的同时开发更多的应用电子技术。逐渐普及忆阻器的应用领域，扩大忆阻器的特殊用途范围，通过其特殊优势及功能得到电子市场的广泛认可。目前忆阻器的很多应用途径需要进一步开发及完善。在未来忆阻器一定会成为电子器件的优化产品，满足电子产品发展趋势各项要求：速度快、功耗低、密度高、体积小及功能强、成本低、环保等。忆阻器很可能满足以上所有特点，为电子电路发展贡献巨大的力量。

参考文献：

[1]蔡坤鹏； 王睿； 周济.第四种无源电子元件忆阻器的研究及应用进展[J].电子元件与材料.2010-04