毕业设计（论文）-机车电子柜实时检测系统设计.doc

毕业设计毕业设计( (论文论文) ) 题题 目：目： 机车电子柜实时检测系统设计机车电子柜实时检测系统设计 姓姓 名：名： 指导教师：指导教师： 专专 业：业： 机械设计与制造机械设计与制造 层层 次：次： 专专 科科 成绩评定表 论文评分 指导教师评语及评分 指导教师（签名） 年 月 日 评审评分 评审教师评语及评分 组长（签名） 年 月 日 成 绩 综合评分 评定人签名 年 月 日 毕业论文（设计）任务书 题 目 机车电子柜实时检测系统设计 学生姓名专业 机械设计与制 造 层次专科学号 0832290933 指导教师任务书下达时间2010 年 5 月 15 日 概述：机车电子柜具有牵引、制动（加馈制动）控制，防空转（滑行）控制等基本功 能，牵引时采用起动恒流、特性段准恒速控制，具有两级限压和三级磁场削弱控制功 能，制动时采用加馈电阻制动；具有自动过分相控制，与微机状态显示屏配合可以实 现故障诊断、记录以及完善的高、低压自检功能，机车运行工况及电机参数的实时显 示功能，空电联合制动及功率因数补偿等功能。 要求阅读或检索的参考资料及文献（包括指定给学生阅读的外文资料）： 1何存兴,张铁华:液压传动与气压传动.华中科技大学出版社，2000年 2陈建桥:材料力学.华中科技大学出版社，2001年 3钟毅芳:机械设计原理与方法.华中科技大学出版社，2002年 4上海煤矿机械研究所:液压传动设计手册.上海人民出版社，1976年 5唐增宝,何永然:机械设计课程设计(第二版).华中科技大学出版社，2002年 目录 前言.1 1 系统结构原理2 2 信号调理电路设计3 21 模拟信号调理电路3 22 开关信号调理电路4 23 脉冲信号调理电路4 3 信号采集电路设计6 4 存储发送单元电路设计8 5 系统软件设计9 结论.10 致谢.11 参考文献.12 摘要 电子柜是电力机车的重要组成部分,该设备长期在高温振动条件下工作,而且故障 时有发生且诊断难度很大,因此及时准确诊断出机车电子柜的故障具有重要意义。它具 有牵引、制动（加馈制动）控制，防空转（滑行）控制等基本功能，牵引时采用起动 恒流、特性段准恒速控制，具有两级限压和三级磁场削弱控制功能，制动时采用加馈 电阻制动；具有自动过分相控制，与微机状态显示屏配合可以实现故障诊断、记录以 及完善的高、低压自检功能，机车运行工况及电机参数的实时显示功能，空电联合制 动及功率因数补偿等功能。 关键词：机车 电子柜 检测 1 前言 机车电子控制柜是机车(ss4g、ss6b 等型号的机车)控制电路的核心，其主要功能 是实现机车的牵引、制动控制及空转、滑行保护控制等。由于整个电子控制柜由很多 个模拟、数字电路插件板组成(绝大多数为模拟电路板)，其本身就是一个极其复杂的 电子设备，再加上其长期工作在高温、振动和强磁的恶劣条件下，因而造成了机车电 子控制柜的故障发生率极高(窜车、无流等故障)。而且诊断难度很大。传统的监测方 法是依靠一些仪器仪表，按照跟踪信号逐点寻迹的思路，依靠人的逻辑判断来判定设 备的故障所在，该方法效率低，实时性不强，不能实时监测机车电子柜的运行状态。 因此，设计一个机车电子柜的实时监测系统是提高机车检修效率和行车安全的关键。 本系统可由信号调理电路、信号采集板和存储发送单元组成。电子柜信号经信号调理 电路转换成采集板可以采集的信号后，经信号采集板采集后，再通过 can 总线发送到 存储发送单元，然后通过标准 rs-485 接口发送到诊断单元进行故障诊断。数据采集也 可以通过 u 盘从 usb 接口中取出，以便用到地面分析处理系统。 2 1 系统结构原理 本系统可由信号调理电路、信号采集板和存储发送单元组成。电子柜信号经信号 调理电路转换成采集板可以采集的信号后，经信号采集板采集后，再通过 can 总线 发送到存储发送单元，然后通过标准 rs-485 接口发送到诊断单元进行故障诊断。数 据采集也可以通过 u 盘从 usb 接口中取出，以便用到地面分析处理系统。整个系统 的结构框图如图 1-1 所示 图 1-1 检测系统方框图 3 2 信号调理电路设计 通常电子控制柜的状态信号有三种：模拟信号、开关量信号和脉冲信号。考虑 到电子柜的重要性与特殊性。信号采集的前提条件是绝对不能对电子柜的实际工作 产生干扰，因此，在信号采集前，必须对信号进行隔离。同时，考虑到插槽中的模 拟信号较小，为了保证采集数据的精度，这些较小的模拟信号还需进行适当的放大。 21 模拟信号调理电路 模拟信号的隔离调理可由运放构成的电压跟随器来完成，电压跟随器的特点是 输入阻抗高，可降低外加电路对电子柜系统的干扰，实现信号隔离。隔离运放可选 用专用隔离运放，器件参数主要应考虑输入阻抗等。由于待采集的模拟信号范围为 18 v 不等，为保证数据的可靠性，这些信号在采集前还需进行适当的放大，具体 放大倍数应根据 ad 转换器的参数确定，一般为 110 倍，运放的选择也应视实际 情况而定。其中一通道的模拟信号调理电路图如图 2-1 所示 图 2-1 模拟信号调理电路 4 22 开关信号调理电路 开关信号都是司机给定和电子控制柜发出响应的信号，或系统发出的比较慢的指 令信号，这些信号高电平时为 5 v，低电平为 0 v，本设计使用 tlp521-4 来进行光电 隔离，其开关信号隔离电路如图 2-2 所示。当 kgi 为高电平时，光藕截止。此时可通 过 3.3 kq 的下拉电阻 r3 使整形电路 74hcl4 的输入为低电平；而当 kgi 为低电平时。 光耦导通，整形电路 74hcl4 的输入变为高电平。r2 直接与电子控制柜信号相连接，可 起保护作用。该电路的实验测试结果表明，在直接测量整形后的电路时，其 ton=12s，toff=35s，可见其可以满足系统开关信号的采集要求。 图 2-2 开关信号隔离电路 23 脉冲信号调理电路 脉冲信号是电子控制柜产生的三段桥晶闸管触发信号，具有高频、高速等特点。 其信号隔离需采用高速光电隔离器隔离，本系统选用高速光耦为 6n137，其高速光电隔 离电路如图 2-3 所示 图 2-3 高速光电隔离电路图 5 由于晶闸管的触发脉冲是周期为 40s，占空比为 50的信号，而 6n137 的实验参数 测量结果大约为：ton=50 ns；toff=50 ns，由此可见，其可以满足系统需求。 6 3 信号采集电路设计 本系统采用的是以 philips 公司生产的的 p87c591 单片机为控制核心的信号采集 系统。p87c591 是一个单片 8 位高性能微控制器。该器件具有片内 can 控制器，它采用 强大的 80c51 指令集，并成功的包括了 sjal000 型 can 控制器的 pelican 功能。由于 单片机 p87c591 中内嵌有 can 控制器 sjal000 的信号输出口且驱动能力较低，因此， 本系统中加入了 can 总线接口驱动芯片 p82c250，该器件主要是为高速通讯应用而设计 的，它可对总线提供差动发送能力，并对 can 控制器提供差动接收能力。另外，为了 增加通信距离，保护总线、降低干扰，提高系统的瞬间抗干扰能力，本设计还在 p87c591 和 p82c250 之间加入了由高速光耦 6n137 构成的隔离电路。其具体的 can 总线 接口电路如图 3-1 所示。 图 3-1can 总线接口硬件电路 模拟量采集单元的主要功能可以划分为微处理器及其控制部分、can 通讯接口部分、 多路模拟量输入通道选择开关、采样保持芯片、模数转换芯片等。根据单元划分的粗 细程度。需采集的模拟量共有 3060 路不等。因此，在如此多信号需采集和对信号采 集同步性要求较高的情况下，若采用一般采集方法，即由多路开关对信号进行选择， 然后经公共的 sh、md 器进行采集。那么，即使 sh、md 器的速度相当高，得出的 结论也是不可靠的。所以，信号需采用同步采集。考虑到每路一个 md 转换器会增加系 统的复杂性和成本，并且系统对信号采集的速度要求并不高，因此，md 转换器还是共 用一个为好，但若每路一个 sh，由单片机发出的触发信号同时会触发所有的 sh， 保证这可采集的同步性。其信号采集框图如图 3-2 所示。 7 图 3-2 模拟量采集框图 开关量采集单元可采用一片 8255a 来扩展 po 口以对 15 路开关信号进行采样， 8255a 的 a、b、c 口设定为模式 o 和输人方式。8255a 可扩展 24 个并行接口，实际上 只能使用其中的 15 路，剩下的可作为备用接口。当单片机发出开关量信号采集命令时， 开关量信号将从机车电子柜的 29#和 49#插槽引出，在经信号调理电路实现与采样电路 的电气隔离后，8k8255a 便可进入单片机。系统中的脉冲采集模块与开关量采集模块基 本相似，在此不做赘述。 8 4 存储发送单元电路设计 存储发送单元主要包括微处理器及其控制部分、can 通讯接口部分、串口扩展和 usb 接口等。其中微处理器及其控制部分、can 通讯接口部分跟前面介绍的模块基本一 致。串口扩展部分带有两个 rs-232 接口和一个 rs-485 接口，并带有跳线可以选择两 种状态为一个 rs-232 接口和一个 rs-485 接口或两个 rs-232 接口而没有 rs-485 接口。 串口扩展采用 16c550 芯片。usb 接口系统利用 ch375 作为控制器。并可通过串行输入 输出或并行输入输出和中断输出来方便地实现 usb 移动存储设备与单片机系统的连接。 ch375 的并行接口连接图如图 4-1 所示。 图 4-1 ch375 并行接口连接图 9 5 系统软件设计 整个监测系统工作时，先由模拟量采集单元将采集的数据按 can 标准帧格式发给 存储发送单元，当存储发送单元等待并接收到模拟量采集单元采集的数据后，即可向 开关量采集单元发送数据采集请求，并等待接收开关量采集单元的采集结果，最后， 存储发送单元再向脉冲量采集单元发送数据采集请求，并等待接收脉冲量采集单元采 集结果。存储发送单元在判断数据是否正常之后，即可把接收到的数据存贮在 cf 存贮 器内，最后写串口。最后，再把数据通过标准 rs-485 接口发送到诊断单元或通过 usb 接口取出，以便应用到地面分析处理系统。 软件设计就是在模拟量采集单元初始化后等待上位机发来的数据采集请求指令， 然后启动定时器 to 并进行 ad 转换，再将转换结果按 can 标准帧格式打包发送给存 储发送单元。其程序流程图如下所示。其中，定时器 to 的中断子程序代码如下: void time-second(viod) interrupt 1 using 3 th0=0x00; tl0=0x00; timer=timer+1; if(timer50) / 定时 2s 到，发送 数据到 can 总线 timer=0; commond_send=1; 开关量和脉冲量的采集原理与模拟量的采集原理类似，这里不再详细介绍。 10 结论 该监测系统为铁道部引导课题，本系统经过实验室内部联调证明：其性能稳定， 抗干扰能力强，目前已在机务段装车运行，取得了良好的效果。本系统的不足之处是 脉冲量的采集，只能检测到电子柜是否有脉冲触发信号的输出，而不能采集到信号的 波形。因此，该系统还有于待进一步完善。 统的监测方法是依靠一些仪器仪表，按照跟踪信号逐点寻迹的思路，依靠人的逻 辑判断来判定设备的故障所在，该方法效率低，实时性不强，不能实时监测机车电子 柜的运行状态。因此，设计一个机车电子柜的实时监测系统是提高机车检修效率和行 车安全的关键。本系统可由信号调理电路、信号采集板和存储发送单元组成。 11 致谢 感谢我的指导老师，感谢他的悉心指导。本篇论文从提纲到初稿乃至成稿，都经 过他精心的指导和修改，提出了严格的要求和许多宝贵的意见。可以说，我的整篇论 文凝聚着他的心血。 感谢我的同学们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼 此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。