目前大部分軌道車(chē)輛車(chē)廂內(nèi)使用的還是傳統(tǒng)的熒光燈作為光源,，其能耗大,，使用效率低。LED具有效率高,、綠色環(huán)保,、壽命長(zhǎng)、能量轉(zhuǎn)換效率高,、抗振性能好等優(yōu)點(diǎn),，其在軌道車(chē)輛領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越受到關(guān)注[1]?？紤]到軌道車(chē)輛車(chē)廂照明系統(tǒng)在沖擊震動(dòng),、電磁兼容、溫度及供電范圍等方面都有特殊要求,，現(xiàn)有的LED照明系統(tǒng)硬件不能直接應(yīng)用于軌道車(chē)輛車(chē)廂當(dāng)中，研究開(kāi)發(fā)抗干擾能力強(qiáng),、散熱性好,、工作穩(wěn)定的軌道車(chē)輛車(chē)廂LED照明系統(tǒng)硬件對(duì)于改進(jìn)軌道車(chē)輛車(chē)廂照明系統(tǒng)具有非常重要的意義[2]。另外,，隨著生活質(zhì)量的提高,，人們對(duì)軌道車(chē)輛舒適性的要求也越來(lái)越高，實(shí)現(xiàn)軌道車(chē)輛照明系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)光將會(huì)大幅提高能源利用率,，改善車(chē)廂照明條件,，提高軌道客車(chē)的照明舒適性,。
    因此，本文針對(duì)鐵軌道車(chē)輛車(chē)廂LED照明控制系統(tǒng)的特點(diǎn),，設(shè)計(jì)基于WTB(絞線(xiàn)式列車(chē)總線(xiàn))和MVB(多功能車(chē)輛總線(xiàn))相結(jié)合的軌道車(chē)輛車(chē)廂LED照明控制系統(tǒng),。
1 LED照明控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要分成三部分：(1)車(chē)廂內(nèi)照明部分，采用LED作為發(fā)光源,，設(shè)計(jì)了LED的驅(qū)動(dòng)電源來(lái)控制LED的驅(qū)動(dòng)電流,；(2)信號(hào)采集與處理部分，亮度傳感器采集的亮度信息通過(guò)單片機(jī)處理反饋給安裝在車(chē)頭控制室內(nèi)的上位機(jī)IPC機(jī),，利用上位機(jī)軟件完成數(shù)據(jù)融合處理,；(3)信息傳遞部分，IPC機(jī)處理后的數(shù)據(jù)信息通過(guò)WTB總線(xiàn)傳給各節(jié)車(chē)廂的MVB總線(xiàn),，以保證控制信號(hào)的高效傳輸[3],。總體硬件連接框圖如圖1所示,。

    在圖1中,，利用分布在各節(jié)車(chē)廂的單片機(jī)執(zhí)行IPC機(jī)的控制指令控制驅(qū)動(dòng)電源，實(shí)現(xiàn)LED燈的自動(dòng)控制,。通過(guò)各部分的共同作用,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道車(chē)輛LED照明系統(tǒng)的控制。
2 LED照明控制系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)
2.1 通信模塊的設(shè)計(jì)
    WTB總線(xiàn)用于構(gòu)成經(jīng)常動(dòng)態(tài)編組以及多節(jié)車(chē)輛級(jí)聯(lián)的開(kāi)放式列車(chē),，可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛間的數(shù)據(jù)通信,；MVB總線(xiàn)用于一個(gè)車(chē)輛內(nèi)設(shè)備或者一個(gè)固定的車(chē)輛組內(nèi)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，在一個(gè)車(chē)輛組內(nèi)最多可以連接4 096個(gè)傳感器并且可以實(shí)現(xiàn)信息的高速傳輸[4],。WTB總線(xiàn)與MVB總線(xiàn)之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接,。選擇這兩種通信總線(xiàn)結(jié)合使用的方式，既能保證傳輸?shù)母咝院蜏?zhǔn)確性,，也因?yàn)閮煞N總線(xiàn)的成熟應(yīng)用節(jié)省了重新選擇總線(xiàn)所帶來(lái)的各種問(wèn)題,。
2.2 硬件散熱殼體的設(shè)計(jì)
    LED發(fā)光過(guò)程中將約62%的電能轉(zhuǎn)化成熱能。因此,，解決LED燈的散熱問(wèn)題對(duì)LED的使用壽命非常重要,。在基板與LED燈之間增加一層鋁制薄板來(lái)增加散熱效率，采用這樣的設(shè)計(jì)使得LED燈的散熱效果良好,，有效降低了LED工作時(shí)溫度,，延長(zhǎng)了使用壽命[5]。
2.3 LED排列方式的選擇
    LED燈的排列方式一般有三種類(lèi)型：串聯(lián)方式,、并聯(lián)方式,、混聯(lián)方式。將所有的LED串聯(lián)或并聯(lián),，不但限制LED燈的使用數(shù)量,，而且并聯(lián)LED負(fù)載電流較大,，驅(qū)動(dòng)器的成本也會(huì)增加。綜合考慮串/并聯(lián)兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn),，采用串/并聯(lián)混合連接方式,。同時(shí)，為了提高照明系統(tǒng)的容錯(cuò)性,，采用交叉混聯(lián)排列方式,，如圖2所示。在同一條串聯(lián)支路中,，若有一個(gè)LED燈損壞,，使一條串聯(lián)的LED燈不能調(diào)節(jié)時(shí)使用交叉式排列，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的同一行,，間隔性的還有LED燈正常工作,，從而克服了串聯(lián)LED燈損壞導(dǎo)致整行亮度不能調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。

2.4 亮度采集模塊設(shè)計(jì)
    在保證照明控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境亮度信息的高速處理能力同時(shí)節(jié)約成本的前提下,，結(jié)合軌道車(chē)廂的環(huán)境要求,，選擇STC89C52單片機(jī)作為亮度采集模塊的微處理核心[6]。與單片機(jī)的P2引腳連接的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是ADC0804,，實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換,；選擇三洋系列LA0150CS照度傳感器，分布在車(chē)廂的不同位置,，實(shí)現(xiàn)對(duì)亮度信息的高速處理,。亮度采集模塊如圖3所示。

2.5 硬件驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)
    由于軌道車(chē)輛采用外部供電,，高壓電經(jīng)過(guò)變壓后供車(chē)廂內(nèi)部電路使用,，在降壓過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生諧波干擾，為了消除電網(wǎng)中的電磁干擾,，設(shè)計(jì)了EMC(電磁兼容性)濾波電路,。采用橋式整流濾波電路，將220 V的工頻電流轉(zhuǎn)換成一定的直流電后進(jìn)行降壓變換,，再經(jīng)過(guò)正激式DC/DC變換器變換為特定電壓的穩(wěn)壓直流電,，以供LED照明。其工作流程圖如圖4所示,。

    選擇PT4107作為驅(qū)動(dòng)芯片,，PT4107能夠輸出范圍為18 V～450 V的電壓，能夠驅(qū)動(dòng)上百個(gè)LED的混聯(lián)應(yīng)用,，可外部設(shè)定過(guò)溫保護(hù)，可通過(guò)PWM數(shù)字脈沖控制達(dá)到改變LED亮度的目的,，滿(mǎn)足軌道車(chē)輛車(chē)廂LED照明驅(qū)動(dòng)要求[7],。同時(shí),，設(shè)置了PFC（功率因數(shù)校正）電路，克服了橋式整流濾波電路后功率因數(shù)降低的問(wèn)題,，使電源的功率因數(shù)大大提高,。
3 硬件驅(qū)動(dòng)電源仿真及實(shí)驗(yàn)
    采用臨界比例度法對(duì)PID進(jìn)行參數(shù)整定并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電源的仿真分析。利用PID算法對(duì)PWM占空比進(jìn)行控制,，從而控制驅(qū)動(dòng)電源的輸出電流,，使LED的發(fā)光達(dá)到預(yù)定值。利用Matlab對(duì)控制算法進(jìn)行仿真[8],，將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間T1置于最大(T1=∞),，微分時(shí)間置零(τ=0)，比例度δ適當(dāng),，平衡操作一段時(shí)間,，把系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行。將比例度δ逐漸減小,，記下臨界比例度δk和臨界振蕩周期Tk的值,。根據(jù)δk和Tk的值，采用表1中的經(jīng)驗(yàn)公式,，計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù),，即δ、T1和τ的值,。

    圖5是對(duì)PID參數(shù)整定后的仿真結(jié)果,。可以看出,，通過(guò)對(duì)PID參數(shù)的整定,，控制曲線(xiàn)在1 s以?xún)?nèi)達(dá)到穩(wěn)定值，系統(tǒng)響應(yīng)速度快,，無(wú)超調(diào),。
    為了檢驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電源的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，通過(guò)模擬傍晚天色逐漸變暗的過(guò)程得出了LED燈電流的仿真曲線(xiàn)圖,，如圖6所示,，圖中實(shí)曲線(xiàn)是系統(tǒng)根據(jù)亮度變化過(guò)程應(yīng)該輸出的電流值，帶點(diǎn)曲線(xiàn)是仿真中得到的系統(tǒng)輸出電流的曲線(xiàn),。從圖6可以得出,，系統(tǒng)實(shí)際輸出電流值與理論輸出電流值相差很小，能夠滿(mǎn)足亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)的要求,。

　將傳感器采集的數(shù)據(jù)量傳給IPC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,，系統(tǒng)再根據(jù)融合得到的環(huán)境亮度值對(duì)LED燈發(fā)送不同占空比的PWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)光。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖7所示,。

     圖7中,，(a),、(b)、(c)分別為外界環(huán)境亮度不同時(shí),，LED照明系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)光過(guò)程,。表2為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
    由表2可見(jiàn),，設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)廂內(nèi)LED燈亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié),。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，系統(tǒng)對(duì)車(chē)廂亮度的調(diào)節(jié)誤差小于1%,，滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)軌道車(chē)輛車(chē)廂的LED照明控制的要求,。
    本文設(shè)計(jì)的基于WTB總線(xiàn)和MVB總線(xiàn)的軌道車(chē)輛車(chē)廂LED照明系統(tǒng)采用集中式控制方式，根據(jù)車(chē)廂LED照明調(diào)光要求對(duì)LED燈樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，通過(guò)模擬傍晚由明到暗的過(guò)程對(duì)設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)光實(shí)驗(yàn),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)工作狀態(tài)良好,，無(wú)噪音,，LED燈發(fā)光均勻穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)光,，驗(yàn)證了本文硬件設(shè)計(jì)的正確性和合理性,。
參考文獻(xiàn)
[1] 王雅芳.基于照明特性分析的串聯(lián)飽和型恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J]. 電力電子技術(shù)，2009,，43(4)：53-54.
[2] 羅曉霞.LED照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,，2011.
[3] 李國(guó)平.列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)WTB/MVB與Lon Works的技術(shù)比較與應(yīng)用[J].鐵道車(chē)輛，2004,，42(1)：22-25.
[4] 李常賢,，鄒積巖，趙明花,，等.一種基于MVB網(wǎng)絡(luò)通信的中央控制設(shè)備設(shè)計(jì)方案及其實(shí)現(xiàn)[J].鐵道學(xué)報(bào),，2010，32(2)：125-130.
[5] 汪雙鳳,，胡艷鑫,，陳金建.應(yīng)用于LED燈具散熱的平板熱管傳熱特性[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2012(8)：1371-1374.
[6] 楊旸,，趙夢(mèng)戀,，陸佳穎，等.高亮度白光LED驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),，2010,，44(1)：111-117.
[7] 陸彥超，隋修武，杜玉紅,，等.基于模糊控制的鋰電池恒流 放電系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2013，39(9)：89-92.
[8] 王素青,，姜維福.基于MATLAB/Simulink的PID參數(shù)整定[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2009,，28(3)：24-25.