1 引言

随着社会经济的不断发展，人民生活水平的提高，乘客对乘车环境的要求日益提高。他们希望乘车环境舒适，列车的各个系统设备安全、可靠，然而列车设备使用时间的积累,不可避免会造成设备的老化、失效等问题。上海申通地铁维修保障中心车辆分公司承担着制动电子控制单元(BECU)器件的维修和保养工作，但由于没有制动电子控制单元(BECU)控制电路板原理图，造成维修困难。同时由于准备更换的电路板进口周期长，无法保证列车的快速维修工作，在一定程度上影响到列车的正常运营。为改变这种局面，车辆分公司制定制动电子控制单元控制电路板的替代方案，首先是研发KBGM系统制动电子控制单元（BECU）模拟量输出板AA1的替代电路板。

2 KBGM模拟电路板模块原理

本模块是由总线输出数字量，经过DA转换成模拟量，输入/输出信号经过光耦隔离，再经过放大器放大并比较判断后输出控制其它后级设备，本模块由D/A转换、电压转频率（U/F转换）、I/O信号隔离、信号放大与比较、20kHz脉冲振荡电路及电源隔离电路等组成，模块原理框图如图1所示。

图1 模块原理框图

图1中DA转换部分由AD75系列高精度DA转化IC及外围精简电路组合而成，V/F转换采用一款电压／频率转换器，其频率带宽在1Hz---100kHz之间，转换误差±0.03％。,转换精度极高；放大电路采用专用精密仪表放大器，具有低噪声、低漂移及高共模抑制特性，在本电路板中承担着对输入信号大小的判断和比较；脉冲振荡电路选用的NE系列是大家最为关注的IC,采用间接反馈型电路，通过调节电阻电容，使其输出占空比为1:1 的20kHz方波信号，CPU通过SN74S244检测出此信号，作为一种功能判断依据。

但是，一块好的电路板，除了在实现电路原理功能之外，还要考虑电磁干扰（EMI）、电磁兼容（EMC）、静电放电（ESD）等电气特性，故下面主要介绍电路板的电路隔离和抗干扰措施。

3 电路板的电路隔离与抗干扰

3.1 电源隔离

经过对原有KBGM电路板的测试，发现原KBGM-P AA1板的电源变压器发热量大，功耗较大，输出电压效率低，容易导致模块损坏。而且其电源供电系统还存在输出电压与输入电压有极大的关联、输出纹波大、输入电压范围窄、I/O隔离差等缺陷。

为了更好的实现电源的隔离措施，所以必须设计一款优质的电源使其整个模块更稳定的工作。电路板电源原理图如图2所示。

图2 电源原理图

所得的电源芯片性能特性：

电源范围宽（18V---36V）

带载性强（Vo：±0.5％）

输出电压精度高±1.0％

源效应±0.2％

负载效应±0.5％

温度系数±0.02％/

纹波与噪声50mVp-p

隔离电压500VDC

开关频率300KHz

满载工作温度-25-- +75

从以上数据可以看出此模块的很多优点，如：该模块隔离性好，有限流保护措施，温升小，纹波系数小，开关频率宽等。

3.2 I/O隔离

模拟信号隔离可以采用继电器隔离、变压器隔离、光耦隔离等方法，最简单有效的选择是使用光耦隔离。光耦合器件利用光电转换，使用光信号进行信号传输，抗干扰能力强，CNY系列光耦是一款线性光耦，对输入输出信号实现完全隔离，以防I/O干扰[1]。I/O隔离电路如图3所示。

图3 I/O隔离电路原理图

3.3 电路的抗干扰措施

在工业现场模拟信号的传输过程中，抗干扰是首先要解决的问题。如果不经隔离，模拟信号和数字信号的传输受到了外界各种各样电磁噪声的影响，往往会造成信号畸变，使控制系统的输入和输出发生了非正常的变化，严重情况下还会危及到人身安全。该电路板在元器件的布局及导线的布置遵循以下规则[2]：

1）电源线、地线的走向应与信号的传递方向一致，在电路板的电源、地线之间加10到100uF的去耦电容，降低噪音干扰。

2）I/O驱动电路尽量靠近印制板边沿。

3）闲置不用的门电路输出端不要悬空，闲置不用的运放正输入端要接地，负输入端接输出端。

4）需要时，线路中加铁氧体高频扼流圈，分离信号、噪声、电源、地。

4 KBGM模拟电路板测试

研制的电路板外形尺寸为：160x100mm，实物图如图4所示。

图4  KBGM模拟电路板

为验证研制电路板的可用性和可靠性，必须做好测试工作，包括试验平台测试和型式试验。试验不仅能正确、全面反映器件的各项参数和功能，对器件的硬件故障做出判断，从而达到验证电路板设计是否正确的目的，而且通过测试淘汰无法实现功能的部分电路。

4.1 试验平台测试

     为了更近一步获取数据，专门开发设计了试验平台，仿真列车高速运行状态下传数据，图5所示为电路板正在测试中。

图5  试验平台正在对电路板测试有关数据

表1为测试时得到的所研制的电路板的部分数据：

表1 在试验平台上对所研制的电路板测试时得到的数据

表1的7脚为U／F转换芯片输入端，3脚为输出端，当输入端输入一定幅度的电压信号时，输出端可得到一组相对应的频率信号。由表1可见，转换误差极低，故其输入与输出相对比较一致。

4.2 型式试验

设备研制完成后，具体项目包括：低温试验、高温试验、湿热试验、振动和冲击试验、静电放电试验、电快速瞬变脉冲群、浪涌电压试验、电磁传导耐压测试。全部试验项目均遵循国家标准。检验结果全部合格。表2为型式试验的项目，包括具体的试验方法和参考的标准。

表2 型式试验项目表

5 结束语

1）依据各种测试试验数据试验报告及在线联机调试等项目，可以得出本次设计的产品符合设计方案要求。达到实现进口电路板的国产化或相关效能电路的替换要求。

2）着重于解决目前DA01型地铁车辆由于没有BECU电路板原理图导致维修和保养工作困难等问题，对进口KBGM系统制动控制单元(BECU)电路板的电路原理进行研究，在相关关键技术的探索和研发方面，均可对城市轨道车辆制动控制系统维修和检修能够提供理论指导，具有实际的意义。

3）本研究成果将在上海地铁部分设备老化的列车推广使用。替换新研制的电路板，不仅可以降低维修成本、延长设备使用寿命，而且可以提高运营列车备品数，稳定运营线的运营秩序，给广大群众的出行带来更大的便利。

6 参考文献

[1] LI Ying-hui,QI Tian-you. Integrated model optocouplers[J]. Semiconductor Photonics and Technology,1995,1(1):77-80.

[2] 高同辉，王键.浅谈印刷电路板的设计原则和抗干扰措施[J].科技资讯，2008，No.29.