（控制理论与控制工程专业论文）机车操纵指导及地面处理系统的研究.pdf

彗王璧量堡三圣竺霎些耋蚕丝塑要耋 摘要 行车指导系统是铁路列车高速、安全、正点运行的傈证。与世界其它国家相 比，我国的高速铁路具有许多特点，如列车运行速度高、密度大，高中速列车混 合运行，客货混跑，坡度起伏变化大，区段限速交替穿插，牵引的列车是一个调 速滞后性很大的惯性系统，高速线穿越或共享既有线枢纽和站场等，这些特点对 高速列车的行车指导提出了更高的要求。本文对我国既有铁路系统及列车运行监 控记录装置作了详细的分析和研究，在此基础上研究了基于计算机技术，通信技 术，软件技术的铁路机车操纵指导系统及地面处理系统。 机车操纵指导系统是l k j 2 0 0 0 型监控记录装置显示器功能的扩展，从组成上 可以把它分为硬件和软件两大部分。机车操纵指导系统的硬件部分主要是一块 p c i 0 4 主板和其他一些实现特定功能的电路板，它通过双路c a n 总线和监控记录装 置通信，接收由监控记录装置采集到的列车速度，列车管压力，柴油机转速，信 号灯状态等信息。同时在板上载有车载数据，主要是一些线路的限速数据，信号 灯的公里标致据，和线路的坡度数据等，并梅这些车载数据随着列车运行实时显 示出来另外实时显示的信息还有指导信息，它根据当前列车运行的路段和运行 情况实时计算出指导信息，并在显示屏幕上显示出指导手柄位和指导速度曲线。 论文主要进行了如下几个方面的研究与设计工作： ( 1 )研究了当前铁路机车上主要装车运行的监控记录装置“j 2 0 0 0 型监 控记录装置，系统地分析了铁路基础设施及监控记录装置的硬件以及功 能要求，为编写软件提供了依据。 ( 2 )编写了机车优化操纵地面处理软件，该软件处理监控和指导系统运行过 程中产生的数据文件，并以图形和数据记录的形式显示给用户，以分析 运行过程中指导系统指导司机操作的正确性。 ( 3 )为解决图形显示和移动刷新速度问题，研究了内存映射文件、设备的兼 容d c ( d e v i c ec o n t e x t ) 和指针链表，由指针链表指向读入内存中的记 录数据，然后将记录数据画到兼容d c 中，再将兼容d c 裁剪区的图象拷 贝到视窗上。 ( 4 ) 为了直观地显示指导记录文件和监控记录文件的数据，分别选用c v i e w 类的派生类c t r e e v i e w 和c l i s t v i e w 作为其显示窗口的基类，井设计树 视图和报表视图来进行数据显示。 关键字：机车，v i s u a lc h ，数据处理。监控记录，c a n 通信 a b s 仃a c t n es y s t e mo f e a g i n ec m n t r o lg u i d i n g i s t h e g u a r a n t e e o f t h e t r a i nr u n n i n g i n h i 出 印e e d ，s a f e t ya n da r r i v i n g0 1 1t i m e c o m p a r e dw i t ho t h e rc o t m l x i e si nt h ew o r l d , t h e l l i g h - s p e e dr a i l w a yi no u re o t m t r yh a sm a n ys p e c i a l i t i e s f o re x a m p l e , t h et 自e i g h ti si n h i g hd c n s i t ya n dh i g hs p e e d , t h et r a i n so f l a i g hs p e e d 觚dm i d d l es p e e dr l l ni nm i x , t h e p a s s e n g e ri j n a i na n dg o o d st r a i nr i mi nm i x , t h ec 1 m n g e so fg r a d i e n ti se a p r m o u s t h e 印e e dl i m i ts e c t i o i t li n t e a - s c e t , t h ei r a i ai s 扭i i l 觚as y s t e mo f l a r g el a gi n 血n i n 吕t h e s e c h a r a c t e r sd e m a n dal o tf o re n g i n ee o n l r o lg u k t e n c e t b i sp a p e ra m , l y s e dt h er a i l w a ys y s t e mo f o t ee o u t r ya n d3 t u d i e dt h em o n i t o ra n d c o n t r o ls y s t e mo ft h ei r a i n o nt h eb a s eo ft h a t , w ed e s i g n e dt h es y s t e mo fa n g i n e c o n t r o lg u i d i n ga n dg r o u n dd a t ap r o e e s s i n g , w h i e l aa b a s e do nt h ct e c h n i q u eo f c o m l m t a ：c o m m l m i e a t i o n 觚ds o t t w a t e t h es y s t e mo f g m cc o n t r o lg u = i d i n ge x p a n d st h ef u n c t i o no fl k j 2 0 0 0m o n i t o r d e v i e e i tc a nb ed e r i d e di n t ol l a l d , w a r l 。a n ds o t t w a r e t h eh a r d w a r e sa r em a i n l ym a d e u po f ap c i 0 4m a i n b o a r da n d8 0 m l ：o t h e rf u n c t i o n a lb o a r d s i tc , o m m t m i c a t c sw i t ht h e m o n i t o rd e v i c ea d dg e ti n f o r m a t i o nf r o mi t , f o re x a m p l es p e e do f t h et r a i n , p r e s so f t h e p i p e , 罐e e do f t h ed i e s e le n g i n e , s i g n a ls t a l e , v i at h ed o u b l ec a nf i e l db u s a tt h es m e t i m e , s 0 i n ed a t aa b o u tt h er a i l w a y , f o rd t a m p l ek i l o m e t e rc o o r d i n a t eo fs i g n a l s t h e g r o u n dg r a d i e n td a t a , h a sb e e nl o a di n t ot h em a i n b o a r db e f o r e h a n d t h cd a t a 吼 d i 印l a y e da l o n g 埘mm o v i n go ft h et r a i l le x c e p tf o rt h er a i l w a yd a t a , t h eg u j d i n g i n f o r m a t i o ni sd i s p l a y e do r lr e a lt i m ew l u e hi sc a l c u l a t e dt h r o u g ht h ec u r r e n tr a i l w a y s l x t i o l l a a d m u r c n tr u n n i n g d a t a o f t h e i r a i l l t h a l i s t 0d i s p l a y g u i d i n g h a n d l ea n ds p e e d c i 胛e ih a v ed o l i ei nt h i ss u b j e c ti n e l u d e ： ( 】) s t o d i e dl k j 2 0 0 0 , t h em o s t l yu s e dm o n i t o rd e v i c eo nn 妇毛a n a y z e d1 1 1 e f o u n d a t i o n e s t a b l i s h m e n to f t h e r a i l w a y a n d t h e h a r d w a r e a n d t h e f u n c t i o n r e q u e s to f t l a em o n i t o rd e v i c e , w h i c ho f f e r sb a s f o rs o f l w a r ew r i t t i n g ( r e c o r dd a t ap r o c e s s i n gs o l b v a r ei sw r i t t e n ，砸ss o t t w a r ep r o c e s sf i l e s i m x h w , e c lb ye n g i n ec o n t r o lg u i d i n gs y s t e ma n dm o n i t o rd e v i c e t h e p r o c e s s e dd l a d i s p l a y e di nt h ef o r mo f g r a p h i c sa n dr e i o r t i n gm o d e w h i c hc b eu s e dt oa n a l y s et h ev a l i d i t yo fe n g i n ec o n t r o lg u i d i n g s y s t e m sg u i d i n gt ot h ed r i v e r 一i i 机车操纵指导及地面处理系统的研究 ( 3 ) i nd r d dt or e s o l v et h ep t o b l e a no fd i s p t a y i n ga n df e r r e t i n gs p e e do f e t a - r e , m e m o r ym a p p i n gf i l e , c o m p a t i b l ed e v i c o n t e x ta n dp o i n t e rc h a i n a r cr e s e a r c h e d f i r s tr e c o r dd a t aa r er e a dt om e m o r ya n dp o h t 。dt ob yt h e p o i n t e rc h a i i l t h md r a wt h e nt ot h ec o m p a t i b l ed c ，f i n a l m yc o p yt h e p i c t t l r ci nc o m p a t i b l ed ct ot h ev i e w ( 4 ) i no r d e rt od i s p l a yt h ed a t ao fg u i d i n gr e c o r d sa n dm o n i t o rr e c o r d s d i s t i n c t l y , c h o o s et h ed e r i v e dc l a s sc r r “、i i e wa n dc l i s f v i e wo fc v i e w a st h eb a s ec l a s so fo l v i e w ：t h e nd e s i g nt r e ev i 附a n dr e p o r tv i e wt o d i s p l a yt h er e c o r dd a t a k e y w o r d ：e n g i n e , v i s u a lc + + ，d a t ap r o c e s s i n g , m o n i t o rr e c o r d s 。c a n c o m m u n i c a t i o n 1 。銎：耋銎耋：圣兰至兰詈至釜墼墼童 1 1 课题背景意义 1 绪论 火车是我国最主要的交通工具，列车晚点运行一直是一个令人头疼的问题。 晚点给人们的出行带来了极大的不方便，浪费了很多宝贵的时问火车运行速度 较慢时比较安全，但浪费了乘客们很多宝贵的时间；运行速度过商则较容易出现 损坏轨道，列车出轨等危险事故，如何保证既安全又高速的运行一直是一个比较 严峻的课题。节能也一直是一个热门的课题，尤其是最近几年来能源资源价格的 大幅上涨，研究如何节能具有重要意义。最近几年，铁道部一次次要求铁路提速， 而面对这一次次的提速要求，没有高科技手段的支持是不行的。 我国既有铁路线路情况复杂，坡度起伏变化大，区段限速交替穿插，行车密 度大、客货混跑，牵引的列车是一个调速滞后性很大的惯性系统，面对复杂路况， 司机提速和减速的设定需要司机根据个人操纵经验及对机车状况、列车状况，线 路状况的记忆和理解，用人脑迅速进行实时决断”2 。当前我国铁路机车采用轮乘 制，司机执乘交路超过2 0 0 0 k r a ，许多区段要求贴线运行，靠人脑记忆和个人经验 反应难以保证安全，正点、平稳、节能。因此运用高科技信息化技术自主创新， 开发适合我国国情的机车操纵指导系统( 以下简称指导系统) 势在必行。 机车操纵指导系统主要与l k j 2 0 0 0 型监控装置配套使用，是直接和乘务员交 流信息的人机界面它通过双路c a n 总线和监控主机通信交换数据，在1 0 英寸彩 色液晶显示屏上显示丰富的图形曲线及相关数据信息，并有车载数据、预存曲线、 键盘扫描、i c 卡转储、语音提示、蜂鸣器报警等功能。 机车操纵指导系统根据车载数据在显示器上实时显示本路段及前方5 公里路 段的限速曲线，地面坡度数据等，以及由监控装置检测的信号灯状况，实时速度， 以及由指导系统计算出的提示手柄位和提示曲线。司机一般情况下只需要根据提 示手柄位和语音提示进行操作就能保证行车的安全，准时，平稳，高效节能。 优化操纵记录数据地面处理是机车操纵指导系统的重要组成部分。它对指导 信息和司机实际操纵的记录以及列车运行中产生的监控记录进行分析，检索，统 计，查处违章。根据记录，寻求更佳操纵模式，统计节能效果，对操纵指导模式 进行进一步优化完善。 量些奎茎三茎堡圭丝三 1 2 机车操纵指导系统概述 机车操纵指导系统是l k j 2 0 0 0 型监控装置显示器部件的基础上开发的，是直接 和乘务员交流信息的人机界面。它通过双路c a n 总线和监控主机通信交换数据， 在1 0 英寸彩色液晶显示屏上显示丰富的图形曲线及相关数据信息。并有车载数据、 预存曲线、键盘扫描、i c 卡转储、语音提示、蜂鸣器报警等功能 机车操纵指导系统的硬件部分包括一块p e l 0 4 嵌入式主板，底板，i c 卡语音 板，通信予板，电源板，高压板和一块液晶显示器。其中p c i 0 4 板是它的核心部 分它通过c a n 总线和监控记录插件通信并接受监控记录插件采集到的实时速度 信号灯状况等信息。通过读取车载数据显示本路段及前方五公里路段的限速数据 曲线，地面坡度等信息。同时由指导系统软件计算并显示当前机车手柄位，应该 使用的手柄位，以及指导速度曲线等信息指导系统同时还具有声音提示，报警 等功能。当机车的速度接近限速值时，根据接近的不同程度发出相应的报警信息， 这个具体数字可以由软件设置。i c 卡语音板除了具有语音提示功能外，还具有数 据转储功能，可以将列车运行过程中产生的监控记录文件和指导系统文件通过i c 卡读卡器进行转储由地面处理软件进行分析处理。以检索，统计，查处违章， 并根据记录，寻求更佳操纵模式，统计节能效果，对操纵指导模式进行进一步优 化完善。 1 3 国内外的发展现状“ 在铁路技术发达的国家，把以保障运行安全为目的，以监测运行速度为手段， 对列车进行控制的系统称为列车自动防护系统a t p ( h u o t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n s y s t e m ) 。通常，h t p 系统由运行指令信息传递、运行所处线路参数信息传递、列 车自身运行状态信息采集等信息获取环节和对信息处理并傲出控制的主机组成。 虽然a t p 系统往往被作为一个完整的技术系统来描述，但历史上是由轨道电 路、机车自动信号、自动停车等各项技术逐步发展而来的。随着铁路运输要求的 提高和现代电子技术的发展，原来单纯以保障列车安全为目的的相对独立的a t p 系统，正在被扩展为既保障列车安全，又提商运输效率，并且改善运营管理的铁 路运输控制、管理系统( 如欧洲的e r t m s 或北美的a r e s ) 所代替。 为了保证行车安全，8 0 年代初我国机车上大量使用了机车信号和自动停车装 置。它对改善司机的信号晾望条件以及防止司机疏忽而造成的列车冒进信号事故 起到了良好的作用。但这些堤备的缺陷是不能防止机车运行速度超过设备容许速 度，因此行车事故的隐患依然存在。8 0 年代中期，部分科研单位开始研制超速防 护装置。到9 0 年代初我国铁路已有约2 0 0 台各种机车超速防护装置进入试用阶段， 机车操纵指导及地面处理系统的研究 其中j k 一2 及其改进的j k 一2 h 型在1 9 9 1 年装车达2 3 0 台。由于各家的超速防护装 置结构不同，功能不一，工作稳定性和运用效果差别很大，给管理工作造成困难。 1 9 9 3 年铁道部组织全国研究列车速度监控装置的骨干人员共同研制了l l ( j 3 型列 车运行监控记录装置。经1 9 9 4 年试用，并取得起好使用效果，铁道部决定从1 9 9 5 年开始在全路内燃和电力机车上推广以l k j 一9 3 和j l 【一2 h 为主导型号的列车运行监 控装置。 我国监控装置的研究开发从九十年代开始，并从1 9 9 5 年起形成全路普及使 用的规模。目前的监控装置以在中国铁路已普遍使用的轨道电路及机车信号设备 作为列车运行指令信息源，以线路数据预置于主机的独特方式获取运行线路参数 信息，采用微机智能处理对列车运行速度进行安全监控，实现h t p 功能。这些监 控装置采用多个功能插件或模块与p c 机相连，功能插件或模块将采集到的数据送 p c 机，由p c 机来完成控制、存储、显示等任务。同时，监控装置完成了机车运行 管理和机车操纵化所需的列车运行实际参数的采集、记录工作。促进了机车运行 管理自动化，较以前的监控装鼍在技术等级、功能、性能和可靠性等方面都有了 较大的提高，并且在功能扩展和与各项扩展中的技术设备的接口配合方面也有较 大的改善。其缺点是随着功能的增多，插件的数量也相应增多，因此，装置的成 本较高，集成度低。 机车运行监控记录装置的发展是一个不断改进与完善的过程。近年来对机车 监控记录装置的发展方向形成了两种观点：一种是设计一个全新的产品，其主要特 点是采用冗余技术提高设备的可靠性，把地面信息传递给机车，解决线路数据内 存储方式信息量不足的问题：第二种是将现有的监控记录装置进行技术功能扩充， 达到能够对机务部分发生的典型行车事故进行防范，提高设备的可靠性、控制的 准确性和自动化程度，形成监控记录装置的系列产品，以适应主要干线和非主要 线路的快速列车、普遍列车和货物列车等的不同需求，并逐步形成一个技术等级 更高的全新产品，为我国开行高速列车作技术准备。 随着运输需求的发展，安全、高效是铁路运行的根本，监控装置逐渐成为了 列车车载运行信息中心，为多种安全监测、运行信息传输提供基础条件。 1 4 本文主要研究内容 论文主要的内容是机车操纵指导系统和地面处理软件的研究和开发，主要包 括的内容和解决的问题如下： ( 1 ) 研究了当前铁路机车上主要装车运行的监控记录装置l k j 2 0 0 0 型 监控记录装置，系统地分析了铁路基础设施及监控记录装置的硬件以 及功能，为编写数据处理软件提供了依据。 郑州大学工学硕士论文 ( 2 )编写了机车优化操纵地面处理软件，该软件处理监控和指导系统运行 过程中产生的数据文件，著以图形和数据记录的形式显示给用户，以 分析运行过程中指导系统指导司机操作的正确性 ( 3 )为解决图形显示和移动刷新速度问题，研究了内存映射文件、设备的 兼容d c ( d e v i c ec o n t e x t ) 和指针链表，由指针链表指向读入内存中 的记录数据，然后将记录数据画到兼容d c 中，再将兼容d c 裁剪区的 图象拷贝到视窗上 ( 4 )为了直观地显示指导记录文件和监控记录文件中的数据一分别选用 c v i e w 类的派生类c t r e e v i e w 和c l i s t v i e w 作为其显示窗口的基类， 并设计树视图和报表视图来进行数据显示。 4 墨三篓銎篓量圣墨霎兰耋量墼墼窑塞 2 机车操纵指导系统硬件 机车操纵指导系统是l k j 2 0 0 0 型监控装置显示器部件功能的升级，并耍与监 控装置主机通过c a n 总线进行通信，然后由显示器显示出监控装置通过c a n 总线 发送过来的机车状态信息和由指导系统计算出的指导信息。因此有必要在此先介 绍一下l k j 2 0 0 0 型监控装置的硬件结构，及各部件的功能、信息流向以及c a n 总 线的特点、接口电路等。 2 1 机车运行监控记录装置 机车运行监控记录装置简称监控装置“1 ，是在分析我国铁路设施状况和运输实 际需求的基础上，研制的一种以保障列车运行安全为主要目的的列车运行速度控 制装置。该装置通过采集列车运行中的各种状态信息，如：运行速度、制动管压力、 轨道信号灯，解锁次数等，结合车载存储线路参数，进行分析处理，以控制歹l j 车 的运行，实现安全速度的控制同时，把列车运行过程中采集到的数据，包括列 车运行状况、信号设备状况等记录下来，以便在乘务人员交班或者认为需要时通 过便携式转储装置把记录的数据转录下来，送交地面处理软件处理，得到有关机 车运用质量、电务和工务设备质量、车务及调度工作质量、乘务人员操作水平等 的相应数据，它不仅能为事故分析提供准确的数据，也为机务部门提供了一种现 代化管理手段。可以说，监控装置的使用，促进了机车运行管理的自动化、规范 化，确保了行车安全。 2 2l k j 2 0 0 0 型监控装置的硬件结构及功能 l k j 2 0 0 0 型机车运行监控装置包括一台主机和两台显示器“1 。主机安置在机车 上，用来存储线路参数，检测记录机车运行状态，并对机车实时监控。显示器和 键盘安装在列车两端的司机操纵台上，司机要告诉计算机的信息是通过键盘输入， 计算机要告诉司机的信息则通过显示器输出，显示器与主机问通过通讯口保持同 步工作。其结构框图如图2 1 所示： 垒塑奎耋三兰堡圭篁圣 l i 潴显示器l i 端显示罱l ic a n - ali c 肝bli 4 一h 一l，抖h 一 酮羽圈茵碉曲曲曲 i 瑟 卫= _掏_ j 上 一 _ 。 模 备 数数电 地 信 拟用字字 源 源字字用拟信面控 l 控 面 量量 量 信记一记 信量量量 输输 输息录 同l录 息输 输输 入入 入处搠处入入入 输输理 口l 理输输 出出 _ 出出 。一 下t 一t 一一t l tt - t t p c ，1 0 4m c 赛用同电l 鄹 l喊( 使用同电源) p c 7 1 l 一一一一一一一一主旦塑一一一一一一一j 图2 1 监控装置结构框图 f i 口im o n i t o rs y g t m b l o c k d i a g r a m 监控装置各硬件功能如下： ( 一) 监控记录插件 监控记录插件作为2 0 0 0 型监控装置的主机模块，是系统的核心部件。模块以 3 2 惋微处理器m c 6 8 3 3 2 为c p u ，主要完成地面线路数据的存储与调用、运行状态 数据的记录与同步、控制模式曲线的计算、实时时钟的产生r 并通过双路c a n 串 行总线或v 腿并行总线实现对系统其他模块的控制与管理。其他模块中带c p l l 的 模块通过c a n 网络与主机模块交换数据。而不带c p u 的模块通过e 并行总线与 主机模块连接。工作主机与热备主机之间的数据交换是通过同步通信实现的。记 录用数据存储器与实时时钟器件采用非易失性存储器件，因而在无外部电池情况 下可实现数据的长期可靠保存。记录数据的转储通过r s 2 3 2 通信接1 ：3 完成。 ( 二) 地面信息处理插件 地面信息处理插件的功能主要是完成地面轨道电路绝缘节点的识别，为监控 记录插件提供用以校正距前方信号机的距离绝缘节信号。此外，插件还留有对轨 道电路叠加信息处理电路的接口，完成对轨道叠加信息的利用。 ( 三) 通信插件 通信插件主要完成监控装置与其他设备之间的通信管理，以使不同通信格式、 不同通信接i = l 和速率的设备可以和监控主机交换数据。通信插件设置的通信接口 机车操翳l 指导及地面处理系统的研究 有： 1 两路半双工脑4 8 5 通信接口，可分别与t a x 2 综合检测装置和列车总线连接： 2 一路曲l c 全双工半双工通信接口，可与地面点式信息等设备连接； 3 两路独立c a m 通信接口，与主机内其他挂在c a n 总线上的模块通信。 ( 四) 模拟量输入输出插件 模拟量输入输出插件是速度传感器、柴油规转速传感器、列车管压力传感器、 电力机车原边电流互感器、双针速度表与监控记录插件之间的接口把速度传感 器、转速传感器输入的信号进行调整处理后送到监控主机插件，把压力传感器( 三 路) 、原边电流电压互感器、加速度传感器输入的信号进行调整处理、模数转换 后送到监控记录插件，同时根据监控记录插件指令送出电流信号驱动双针速度表， 送出脉冲信号驱动里程计。 ( 五) 数字量输入插件 数字量输入插件完成对机车信号的采集，并将转换后的电平送到数据总线， 供监控记录插件采样插件共有1 6 路开关量输入通道，由机车信号输入通道和机 车信号自硷电路两部分组成。 ( 六) 数字量输入输出插件 数字量输入输出插件实现以下功能； 1 将机车工况等1i o v 信号进行隔离和电平转换后送数据总线，并且各通道具有 自检功能； 2 输出隔离的开关量控割信号，对机车常用制动阗和紧急制动阀等进行控制，输 出通道也具有自检功能： 3 将系统工作正常时监控板送来的“系统正常”脉冲转换成“系统故障信号” 系统故障时将系统交权。 ( 七) 电源插件 考虑到电源生产、调试和维修的方便，同时考虑到可靠性问题。从而采用了 模块化电路设计，不仅输出与输入隔离，并且输出的各路之间也各自隔离、互不 干扰、互不影响，提高了各路精度、抗电磁干扰能力。 2 3c a n 总线通信技术 对火车机车监控系统而言，数据测量传输的快速性、准确性、可靠性、通讯 郑州大学工学硬士论文 的灵活性都是至关重要的。随着国内现场总线技术的发展，有必要及时更新原来 的检铡系统机车监控系统本身负责数据存储和记录的数据采集点多，采集频率 较高，因此总线上的数据通常比较拥挤，而系统对数据传输的准确性、报警数据 的实时性要求特别高，鉴于此种情况，我们选择c a n 现场总线搭建数据平台，它 兼兵了灵活性、实时性、准确性、可靠性各方面的优势。 c n 全称为c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，明控制器局域网，是国际上应用最广 泛的现场总线之最初，c a n 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各 电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。c i n 可提供高达i m b i t s 的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增 强了c a n 抗电磁干扰能力 c a n 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率。商 抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到i k m 时， c a n 仍可提供高达5 0 k b i t s 的数据传输速率。正是由于c a n 总线具有很高的实时 性能，因此，c a n 己经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到 广泛应甩。 ( 一) c a n 总线主要特性： 串行总线。仅有两根通信线。 短报文。数据以称为报文的数据桢为单位收发，擐文有效数据可为0 8 个字 节。短报文减少了错误后重发的时间，可提高通信的实时性。 多主通信。不必专设主机轮询，可提商通信效率。 非破坏的基于优先级的仲裁。当发生总线争用时，高优先级的报文正常发送； 低优先级的报文自动退出争用等待总线空闲后重发。 仲裁退出和通信错误报文可由硬件控制自动重发，可提高工作效率。 多种检错纠错方式，很高的数据可靠性。 暂时错误、故障状态自动判别，故障节点由硬件控制自动脱离总线。可提高 系统工作的可靠性。 c a n 总线通信速度与传输距离对应表如表2 1 所示 表2 ic a n 总线通信速度与传输距离对应表 t a b 2 ，lt a b l e o f c a n n 啦u n i 训s p d a n d d i s c 肌 l 通信速度i m b s 5 0 0 k b s1 2 5k b s5 0k b s1 0k b s5k b s i 传输距离 4 0 m1 3 0 m5 3 0 m1 3 0 0 m6 7 0 加l1 0 k m 机下操纵播导厦l 也面处理系统的研究 ( 二) c a n 总线数据位传输特性 c a n 总线通信有两根，通常称之为c ，c a n l 当c a n i i 和c a n l 电平差高于 一定幅值，称总线为显性( d o m i n a n t ) ，表示为逻辑“o 否则称为隐性( r e c e s s i v e ) ， 表示为逻辑“1 ”当总线上多个节点分剐同时发送显性数据位与隐性数据位时， 总线总是呈现显性性状。可理解为多个节点的发送数据位通过总线进行逻辑与运 算，只要有任一节点发送逻辑0 ，则总线状态为逻辑0 。 ( - - - ) c _ n 总线报文格式介绍 1 c a n 总线数据桢标示符 c a n 数据报文中含有标示符，标示符用于表示报文，并在多个节点同时发送而 争用总线时，发送节点依据标示符进行仲裁。系统设计应保证系统中任一报文的 标示符是唯一的 c a n 技术规范2 0 包括两个版本：c a n 2 o a 和c a n 2 o b ，其标示符长度分别为 l l 位和2 9 位。 在进行数据传输时，发送报文的单元称之为该报文的发送器该单元在总线空 闲或该单元仲裁退出前保持为发送器。若一个单元不是发送器，且总线不处于空 闲状态，则该单元称为接收器。 2 。c a n 总线数据桢格式 桢起始 1 】，仲裁场 1 2 3 2 ，控制场 6 ，数据场 0 - - - 6 4 3 ，c r c 场 1 6 ，a c k 场 2 ，桢结束 7 说明：数据格式采用“名字 位长度 ”的格式表示 ( 四) c a n 通信接口电路 c a n 通信接口电路主要包括c a n 通信控制器、光电隔离器、c a n 驱动控制器以 及隔离电源组成。c a n 通信控制器( a n 8 2 5 2 7 ) 通过数据和地址端口与系统数据总 线和地址总线相连。c p u 通过数据总线对通信控制器进行数据的写入与读出。通信 控制器根据设定的工作方式将需要发送的数据转换为串行数据通过串行接口( t x ) 发送出去，同时从串行接口( r x ) 接受串行数据并转换为并行数据供c p u 读取。 通信控制器串行接h ( t x ，r x ) 通过光电隔离( 6 n 1 3 7 ) 与c a n 驱动控制控制器( 8 2 2 5 0 ) 连接，同时通过隔离电源器件( d c p 0 1 0 5 ) 向驱动控制器供电，从而达到外部电路 与内部电路的完全电气隔离。驱动控制器一方面将隔离后的串行发送数据转换为 满足c a n 标准电气规范的电平信号发送至c a n 总线( c a n h 、c a n l ) ，另一方面将c a n 总线数据转换为普通串行数据经过光电隔离后供通信控制器读取。在c a n 总线c a n h 与c a n l 之问接有1 2 0 0 终端电阻，以消除高速传输信号的反射。c a n 通信接口电 路框图如图2 2 所示。 - o 郑州大学工学碗士论文 2 4 指导系统 翻2 2c n j 醺信接口电路框图 f i 9 2 z c a n 珈加n i c 拍吼t 加t a r 妇c i r c u i t b l o c k d i a g r a m 指导系统是在u ( j 2 0 0 0 显示器部件的硬件和软件的基础上进行功能性扩充而 成的，是直接和乘务员交流信息的人机界面。主要扩充功能是在行车的基础上增 加指导信息，即告诉司机现在的手柄位是几，应该用什么手柄位，类似于汽车的 档位，而且显示出机车在使用我们提示的手柄位后应该运行的速度即指导速度曲 线等它通过双路c a n 总线和监控主机通信交换数据，在l o 寸彩色液晶屏上显示 丰富的图形、曲线及相关数据信息，并有车载数据，预存曲线、键盘扫描、i c 卡 转储、语音提示、蜂鸣器报警等功能。 系统框图如图2 3 所示。 图2 3 指导系统框图 f i 9 2 3c o n t r o lg u i d i n g 邓栅d i a g r a m 机车操缎指导爱地面处理系统的研究 从上图可以看出指导系统所具有的功能和结构特点： ( 1 ) 系统整机内部以p c l 0 4 结构的4 8 6 p c 主板为核心，主板、通信子板、底板三 个模块以p c i 0 4 总线相连接，通过p c i 0 4 总线扩展键盘扫描、c a n 总线接口、开关 量输入口等其他功能模块，为充分利用主板资源用主扳并口控制i c 卡和语音电路， 对外通过c a n 或者4 8 5 总线和监控主机通信，从d o c 2 0 0 0 电子盘调出地面数据， 根据主机发送的命令和数据在彩色液晶显示屏上显示相关信息和实时曲线： ( 2 ) 可通过喇叭进行各种语音提示； ( 3 ) 把键盘扫描的键值随时传送给主机； ( 4 ) 通过i c 卡座进行记录数据的转储； ( 5 ) 显示屏由p c i 0 4 总线l c d 显卡驱动，亮度可调。 指导系统电路由6 块电路板、l 块i o 英寸显示屏、1 个扬声器、1 个蜂鸣器和 1 块薄膜开关面板组成，这6 块电路板分别是： ( 1 ) 底板：提供p c l 0 4 总线接口，与主机通信的c a n 接口，与l k - 9 3 a 或t a x 2 设各通信的4 8 5 接口，4 * 8 矩阵键盘接口，8 路开关量输入接口等。 ( 2 ) i c 卡语音板：提供i c 卡读卡器接口，语音提示接口 ( 3 ) 电源板：将机车1 i o v 电源转换为5 v 、1 2 v 电源供显示器其他各板用。 ( 4 ) 高压板：提供故障报警电路及液晶屏1 0 0 0 v 背光电源电路。 ( 5 ) 通信子板：通过i l s 4 8 4 4 2 2 接口与微机柜进行通信，并通过双口r a m 与上位 机8 0 4 8 6 主板c p u 进行信息交换。 ( 6 ) p c i 0 4 总线c p 【】4 8 6 主板：8 0 4 8 6 处理器系统；同时集成l c d 显卡，可负责将 c p u 传过来的数据变成图形点阵并送屏幕显示器显示。 2 5 指导系统中各主要电路板 ( 一) f c l 0 4 主板 主板d x - 4 4 0 是一款体积小巧的适合工业环境的嵌入式p c 主板，主板上集成 了l c d 驱动显卡。 1 一般特性 ( 1 ) 兼容p c a t 总线： ( 2 ) 低功耗8 0 4 8 f i d x - l o o m t zc p u ； ( 3 ) b i o sr 0 融 ( 4 ) 内建4 m b 表面贴装内存； ( 5 ) 定时器； ( 6 ) 实时时钟； ( 7 ) d m a 控制器： 1 i 邵，i i 丈字工擘硬论文 ( 8 ) 标准i d e 硬盘接口； ( 9 ) 标准并行打印接口； ( 1 0 ) 2 个2 3 2 串口和1 个t t l 串口； ( 1 1 ) 标准p c 键盘接口；、 ( 1 2 ) p c 喇叭接口； ( 1 3 ) 兼容普通p c 主板特点； ( 1 4 ) 集成l c d 驱动显卡 2 电器和机械规范 ( 1 ) 总线时钟7 1 5 9 0 9 蛐z ； ( 2 ) 总线信号电平r t l 兼容； ( 3 ) 总线输出驱动1 2 m l ； ( 4 ) 机械尺寸9 0 i l n 9 6 咖； ( 5 ) 在4 船内存和6 6 榭1 zc p t l 时钟下典型功耗2 研； ( 6 ) 工作环境温度一2 0 c + 7 0 cl ( 7 ) - r 作环境湿度5 9 5 非结露相对湿度； ( 8 ) 存储温度_ 4 0 + 8 5 ； 3 主板结构图 图2 4p c l 0 4 主板结构图 f i 9 2 4s k e t c hm a po f p c i 0 4m a i n b o a x d 1 2 ： 墨圭堡垒耋量墨量至些塞耋兰暨要耋 4 连接器和接口 4 8 6 主板上的连接器列表如表2 2 所示。 表2 2 主板连接器列表 t a b 2 2 m k f a r i a t a r f a o n m a i n b o a r d 名称功能规格 p ip c i 0 4 扩展总线4 0 脚 p 2p c i 0 4 扩展总线6 0 脚 p o w e r 电源 8 脚 u t 儿n y 键盘、复位开关、蜂鸣器，电池l o 脚 0 0 m 12 3 2 串行口l o 脚 c o m 2 r s 3 2 串行口1 0 脚 l p t l并行打印口2 6 脚 l c di 皿4 0 脚 c 盯v g a1 0 脚 ( - - ) l c d 液晶屏 l c d 液晶屏采用日本s h a r p 公司的l q l 0 4 v i d g l l 型1 0 寸t f t 真彩液晶显示屏， 其主要性能参数为： 分辨率：6 4 0 * 4 8 0 液晶屏电路电压：5 v 屏幕典型功耗：1 5 w 背光功耗：3 * 背光灯电源频率：3 5 i d i z 平均无故障时间：4 0 0 0 0 h 亮度：3 5 0 c d m 2 液晶屏上下各装有一个灯管，每个灯管功耗3 w ，驱动电源频率3 5 k h z ，2 5 1 2 时需要9 5 0 v 电压，o c 时需要1 2 5 0 v 电压，平均无故障时间4 0 0 0 0 h 。 ( - - ) 底板原理说明 底板的主要功能是为主板提供总线接口和各种外部接口电路。主板上的 8 0 4 8 6 c p u 有2 0 根地址线( a o a 1 9 ) 可用来做地址译码， e n 为地址锁存信号，煳 为存储器读信号，m e t i w 为存储器写信号，i o r 为1 0 读，i o w 为1 0 写。本板即利用 这些信号进行地址译码，从而扩展c a n a 、c a n b 、键盘写，键盘扫描、开关量输入 邦州大擘工孕碗士论文 共5 个接口电路，其数据线与8 0 4 8 6 数据总线d o 。d 7 相连，从而完成数据的读写 底板通过p o l 0 4 总线和4 8 6 主板连接，包括基于p c 结构的扩展地址译码电路、 d o c 2 0 0 0 电子盘、通信电路、矩阵键盘电路、开关量输入电路5 大部分。 1 地址译码电路 ( 1 ) 1 0 地址译码电路 p 7 是p c i 0 4 总线的8 位插座，地址使能a 剧参与数字比较嚣7 4 h e f t 8 8 ( u 1 9 ) 的译码，防止1 0 设备把d 姒周期误认为一个有效的1 0 周期，当a e n _ o 时1 0 译码 有效1 0 地址空间的低段地址已披主扳内部占用，i o 译码从地址o f o o h 开始，所 以i l l 9 的p 7 ：0 由硬件设定为o f h ，q 7 ：0 】接高8 位地址线a 1 5 ：8 ，当a e n = o 且 a 1 5 ：8 = 0 f i 对1 1 1 9 的1 9 脚为低电平，1 0 地址译码范围为o f 0 0 耻- o f f f l ，共2 5 6 字节1 0 地址空间。 7 4 h c l 3 8 ( u 2 z ) 、7 4 h c l 3 8 ( u 2 3 ) 是3 - 8 译码器，园扩展的i o 芯片没有读写控制 信号，所以需要独立的两片3 - 8 译码器，i o 写信号i o w 、1 0 读信号i o r 分别参与 译码，和低位地址线a 7 ；5 】、u 1 9 的译码输出1 9 脚起译出如襄2 3 片选信号。 表2 3 译码表 t a b 2 3c o d i n gt a b l o 名称功能地址( i o 空间)备注 c s k 脱o u t 键盘扫擂输出片选 o f 0 0 h _ o f l f h c s k e