（交通信息工程及控制专业论文）微机监测系统RAMS分析与开关量采集机的研究.pdf

中文摘要 摘要：本文详细阐述了t j w x 2 0 0 6 微机监测系统的研制背景和系统结构，完成了 监测系统开关量采集机的软件开发工作，并对微机监测系统进行了r a m s 分析。 本文分析了以嵌入式处理器l p c 2 2 9 2 为核心的开关量采集机硬件电路和c a n 总线传输的数据包格式，着重设计了开关量采集机的软件模块，实现了数据采集、 点灯、采集机与站机通信等具体功能，并在茶坞站进行现场测试。经过反复调试， 测试数据稳定，开关量监测部分最终成功地应用到微联公司的实际产品中。 本文还阐述了r a m s 的定义、使用r a m s 方法分析t j w x 2 0 0 6 微机监测系统的 意义、r a m s 国内外研究现状和r a m s 基本分析方法等，最终经过对比，选择使用故 障树分析方法( f t a ) 首次对系统进行可靠性分析，并在可靠性分析结果的基础上 又进行了可用性、可维修性和安全性的分析。经过r a m s 分析后，容易发现系统的 薄弱环节，从而可以采用工程保证、生产质量保证等措施，降低致命故障发生的 概率，以保证系统的可靠性、可用性、可维护性和安全性。 关键词：微机监测系统；开关量采集机；r a m s ：故障树( f t a ) 分类号：u 2 8 3 1 j e 塞变通太堂亟堂位i 金塞旦s ! b ! a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h ep a p e re x p o u n d st h eb a c k g r o u n da n dt h ef r a m eo fc o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e mt j w x 一2 0 0 6 ，t r i u m p h a n t l yp r o g r a m s t h es w i t c h a c q u i s i t i o n s s o f t w a r e ，a n dd o e st h er a m sa n a l y s i so nt h et j w x - 2 0 0 6c o m p u t e rm o n i t o r i n g s y s t e m t h e p a p e ra n a l y z e st h eh a r d w a r ec i r c u i tb a s e do nl p c 2 2 9 2m i c r o p r o c e s s o ra n d c a nd a t ap a c k e t s ，d e s i g n st h es o f t w a r em o d u l e f i n a l l yt h es y s t e ma c c o m p l i s h e st h e d a t aa c q u i r e m e n t 、p r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o n 。t h es y s t e mw a sr u na tc h a w u r a i l w a ys t a t i o ni nt h ec o u r s eo fn a t u r e ，t h ec a p a b i l i t yo ft h et j w x - 2 0 0 0o fr a i l w a y s i g n a lh a sb e e ni m p r o v e da n df i n a l l yu s e di nm i c r ou n i o n c o l t d t h ep a p e ra l s on a r r a t e st h ed e f i n i t i o no fr a m s ，a n a l y z e st h em e a n i n go fr a m s o nt h en e wc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mt j w x 一2 0 0 6 ，c o m p a r e sa n df i n a l l yc h o o s e s f t aa n a l y s i st oa n a l y z et h es y s t e mo nr e l i a b i l i t y ，a v a i l a b i l i t y ，m a i n t a i n a b i l i t ya n d s e c u r i t yf i r s ta th o m e a f t e r t h er a m sa n a l y s i s ，t h eu n s u b s t a n t i a lp o r t i o nw i l lb ef o u n d i tc a nm a k eu st a k ea c t i o n st or e d u c et h eo c c u r r i n gp r o b a b i l i t yo ft h ef a t a lf a u l t ，a n d e n s u r et h es y s t e m sr e l i a b i l i t y , a v a i l a b i l i t y ，m a i n t a i n a b i l i t ya n ds e c u r i t y k e y w o r d s ：t h et j w x - 2 0 0 6c o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m ；t h es w i t c h a c q u i s i t i o n ：r a m s ；f t a c i a s s n 0 ：i7 2 8 3 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：乃确聪峻 签字日期：劲如年月f | f t 新繇雳彬 签字r 期：汐莎年莎月乡日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：马晓姣签字日期：2 0 0 8 年月 日 5 6 致谢 本论文的工作是在我的导师戴胜华教授的悉心指导下完成的，教授严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来戴胜华 老师对我的关心和指导。 戴胜华教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向戴胜华老师表示衷心的谢意。 戴胜华教授和燕飞老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，韩鹏飞、马丽娜、翟登等同学对我论文中的 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 微机监测系统综述 1 1 微机监测系统的研制背景及系统简介 1 1 1 微机监测系统的研制背景 微机监测系统随着计算机技术的高速发展而迅猛发展，它是安全生产的需要， 是铁路信号技术自身发展的需要，也是信号维修体制改革的需要【1 1 。 微机监测系统使信号设备具有了自诊断功能，从而大幅度提高了信号系统的 安全性。能在信号设备运行的全部时间内，全天候反应设备运用状态，能发现潜 伏性故障，排除事故隐患。系统运用计算机技术，通过逻辑判断，有利于捕捉瞬 间故障和间歇故障；通过回放再现，有利于分析故障，分清责任。系统能够掌握 信号设备工作状态和变化趋势，是推行信号设备状态维修的技术基础，为维修决 策提供科学依据。 微机监测系统通过联网，将各站信号设备运行信息传送到车间( 领工区) 、电 务段、铁路分局、铁路局、铁道部，便于指导维修工作，加强生产指挥，实现科 学管理。系统通过监督信号设备与电力、车务、工务结合部的有关状态，加强结 合部的管理。 铁道部组织有关专家研制开发了第一代t j w x 型信号微机监测系统，并且在5 大干线推广应用。 随着a r m 芯片的推广使用和铁路信息化的高速发展，第一代t j w x 型微机监 测系统又面临更多需要得到改善的新问题，有更多现场信息需要得到实时监测。 嵌入式技术心1 的引用将大大提高系统的实时性等性能，实现系统升级。这样也就有 了第二代微机监测系统的研究，也就是本课题的主要任务。 1 1 2 微机监测系统简介 微机监测系统运用现代化最新技术，如现场总线、计算机网络、软件工程等 监测并记录信号设备的主要运行状态，为以后的安全分析和故障分析提供科学数 据。并在异常情况下启动报警功能，保证列车的行车安全。 完整的微机监测系统由车站系统、车间机、电务段管理系统、上层网络终端 ( 包括分局、路局、铁道部监测终端) ，以及广域网数据传输系统组成，其总体结 构见下图。 愿 瑟一 乎 量 于 幽i 一1 微机监测系统 f i g l 一1t h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m 其中，车站系统负责数据的采集、分类和处理；车i 、日j 机用来管理和食看所辖 车站的数据：电务段管理系统是整个微机监测系统的中枢，是电务段管内各站的 微机监测数据和网络通信的管理中心；服务器对数据进行分类、存储和处理，根 据终端要求分发给各联网终端；终端管理和查看数据，并打印输出。 信号微机监测系统的车站系统卞要山站机、综合采集机、轨道采集机、移频 采集机、丌关量采集机、道佾采集机、c a n 总线等部分组成，见图1 1 。 站机作为一个车站的集中管理设备，集中处理各采集机采集的实时信息，实 现集中管理，并进行显示和存储，同时又为操作人员提供人机界面。 采集机主要实现集中管理下的分散信息的采集，用于在线采集各种信号设备 的模拟量或丌关量数据，对数掘进行预处理送给站机，接收并执行站机的命令。 每个采集机均山1 块电源板、1 块c p u 板和若干块接口板组成。 一童上| l 璺 d 州 一 一垦一璺 蔬 一 喻蛹 划，帆 卿 厂 学， l 嘲 荔多 域耐 逊嘲 | 、l v f l 眦 图1 2 下站系统结构幽 f i gl 一2t h ef r a m e w o r ko fs t a t i o ns y s t e m 信号微机监测系统主要监测和汜录的数据有模拟量，也有- 丌关量。模拟量主 要包括：电源屏电压、轨道电路电压、道岔动作电流、电缆绝缘电阻和电源对地 漏流等；丌关量主要有：关键继电器状念、控制台按钮。j 表示灯状态、熔丝状态、 灯丝状态和道翁表示缺l 】状态等。 1 2 开关量采集机简介 本课题巾，丌关量采集机主要用来完成丌关量的监测、各种信息的采集等工 作。 丌火量是指类似丌通或关断的、在时问上和数值上断续变化的数值量，如通 和断、亮和火、有和尤、高和低等。丌关量可用数字信号表示。 j i ：关量采集机由l 块电源板( d y ) 、l 块采集机c p u 板和8 块丌入板( k r ) 组成。8 块j f ：入板用米豁测3 8 4 路丌关量状态。 卜面是j 氍测机柜的实物幽，机柜罩面包含了开关量采集机： 图1 3 微机监测系统| | ；：f 洲机桠实物图 f i gl 一3t h ed i a g r a mo ft h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e ma c q u i s i t i o n 1 3 课题主要研究工作 本课题主要是在嵌入式丌发平台上，对监测系统的各采集机进行功能的提升。 需要进行的研究工作有： 1 、理解微机监测系统的系统结构，学习a r m 7 的使用，完成课后例程和相关 实验。测试用l p c 2 2 9 2 设计完成的c p u 电路板，并在c p u 板上编写开关量采集 机的程序，分析由c a n 总线传来的数据包格式，具体理解所采集数据的实际意义。 通过编弓程序实现采集机与站机的f 常通信，从而确保数据的币确收发。使用自 已焊接的一块c p u 板，在a d s 环境下经过反复凋试实现丌关量采集机的软件功 能，并在现场运行测试新微机监测系统t j w x 2 0 0 6 丌关量采集机，看具是否能实 现应有的功能。 2 、依据微机船测系统的系统结构，选择分析方法对新铁路信号微机临测系统 t j w x 一2 0 0 6 进行具体的r a m s 分析。 1 4 论文研究内容 4 论文首先介绍了信号微机监测系统的系统结构，针对l p c 2 2 9 2 设计的c p u 板 进行了开关量部分的编程，实现了开关量分机的主要功能。 论文还介绍了r a m s 分析的基本定义、研究意义等，并对铁路信号微机监测 系统进行了可靠性、可用性、可维修性和安全性定性和定量的分析。 论文共分七章，各章节内容总结如下： 第一章，主要介绍了铁路信号微机监测系统的研究背景以及目前的研究状况， 分析了微机监测系统的系统结构和开关量采集机的主要功能，详细阐述了本课题 的分析思路和论文各章节的具体研究内容。 第二章，主要介绍了嵌入式系统及其开发环境、a r m 处理器结构和本系统采 集机所采用的c p u 板的各个模块以及对系统测试的实际情况。 第三章，描述了微机监测系统开关量采集机所要实现的具体功能，介绍了开 关量采集机的监测对象、监测内容和监测电路等，并对机柜后的接线端子进行了 详细的图释和描述。 第四章，详细阐释了开关量采集机采集和处理数据的硬件原理，并通过编程 完成其软件部分的设计，分析了c a n 通信部分的数据包格式，针对开关量采集机 所用到的6 种数据包格式进行了系统的解释，并列出实际测试到的开关量稳定数 据，最后介绍了c a n 通信部分的重要函数：c a n 接收函数和c a n 发送函数。对 系统进行调试并应用到现场，经过现场检测说明了开关量分机模块研究成功。 第五章，介绍了r a m s 定义以及研究意义和国内外研究现状，为第六章的 r a m s 应用做了铺挚。 第六章，主要对铁路信号微机监测系统进行了可靠性、可用性、可维修性和 安全性分析。详细介绍了定性分析和定量分析两种分析方法，阐述了选择故障树 分析方法( f t a ) 分析系统的好处及原因，最后用这种分析方法对本系统进行了详 细的分析。 第七章，总结了目前微机监测系统的研究成果，分析了优缺点，为以后的工 作提供了很好的研究方向。 2 嵌入式系统开发环境及t j w x - 2 0 0 6 系统c p u 板简介 本课题主要是在嵌入式开发平台上进行的，所以首先介绍一下嵌入式开发平 台及其相关内容。 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统经过3 0 多年的发展，技术已趋于稳定和成熟。嵌入式系统由嵌入 式计算机系统和执行装置组成： 1 、嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、软件层 和功能层组成。其中，硬件层由嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和f o 接 口组成；中间层在硬件层和软件层的中间，具有相关硬件的初始化、数据的输入 输出操作和硬件设备的配置等功能；软件层由实时多任务操作系统、文件系统、 图形用户接口、网络系统及通用组件模块等组成；功能层为方便用户操作提供了 一个友好的人机界面，实现控制功能。 2 、执行装置接受嵌入式计算机系统发出的控制命令并执行规定的操作或任 务，通常被称为被控对象。 2 2a r m 处理器 a r m 7 是目前a r m 系列的处理器中应用最广泛的。a r m 7 系列微处理器为低 功耗的3 2 位r i s c 处理器。 a r m 7 微处理器系列具有如下特点： 1 、具有嵌入式i c e - - r t 逻辑，调试开发方便。 2 、极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 3 、能够提供0 9 m i p s m h z 的三级流水线结构。 4 、代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 5 、对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等。 6 、指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l 0 e 系列兼容，便于用户 的产品升级换代。 表2 1 【3 】中列举了l p c 2 2 9 0 系列a r m 微控制器的性能，并对其主要性能分别 进行了比较： 表2 - 1l p c 2 2 9 0 系列a r m 微控制器性能比较 6 l p c 2 2 0 (系列a r m 微控制器l p c 2 2 9 0l p c 2 2 9 2l p c 2 2 9 4 r a m 1 61 61 6 存储器 f l a s h2 5 62 5 6 p p i s p i a pn nn 吣n 腿 定时器 - p w m-00 定时器计数器 i 玎c0t- w d t_0- u a i u _ s p i-t- 串行接口 i 2c - t_ c a n_ _ 0 i o1 1 2 i n1 1 21 1 2 中断( 外部) 优先级 1 9 ( 4 ) 1 61 9 ( 4 ) 1 61 9 ( 4 ) 1 6 最高频率 6 0 6 06 0 加密 t- p l l-t_ 复位电平低低 低 c p u 电压 1 81 8 1 8 i o 电压3 33 33 3 a d c 位路 1 0 8 1 0 81 0 8 本课题使用l p c 2 2 9 2 设计的电路板作c p u 板。l p c 2 2 9 2 是基于一个支持实时 仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 的c p u ，并带有2 5 6k 字节( k b ) 嵌入的高速 f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大 时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16 位t h u m b 模式将代码规 模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。 l p c 2 2 9 2 是1 4 4 脚封装，有极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、 2 路c a n 、p w m 通道以及多达9 个外部中断。 2 3a d sc o d e w a r rio f 集成开发环境 a d sc o d e w a r r i o r 是a r m 公司推出的新一代a r m 集成开发工具，本课题中 使用的a d s 的版本是a d s l 2 。 a d s 由命令行开发工具，a r m 时实库，g u i 开发环境( c o d ew a r r i o r 和a x d ) ， 实用程序和支持软件组成。 在c o d ew a r r i o r 中，用户要将源代码文件、库文件还有其他相关的文件以及移 植设置等放在一个工程中。每个工程可以创建和管理生成目标设置的多个配置。 7 c o d ew a r r i o r 还为用户提供了以下功能： 1 、源代码浏览器 2 、源代码编辑器 3 、查找和替换功能 4 、文件比较功能 虽然c o d ew a r r i o r 已经拥有了强大的功能，但是仍有一些在c o d ew a r r i o r 中不 能实现的功能，这些功能大多是和a r m 调试器( a x d ) 相关的。这个调试器没 有集成在c o d ew a r r i o ri d e 中。 用户通过a d s 调试器软件使用d e b u ga g e n t 可以对包含有调试信息的，正在运 行的可执行代码进行比如变量的查看，断点控制等调试操作。 2 4t j w x - 2 0 0 6 系统c p u 板简介 信号微机监测系统所要实现的主要功能是数据采集和数据传输。针对这些功 能要求设计的采集机c p u 板，主要有数据采集模块、c a n 通信模块、串口通信模 块等。 l p c 2 2 9 2 包含2 个c a n 控制器。有如下特性： 1 、单个总线上的数据传输速率高达i m b s 2 、3 2 位寄存器和r a m 访问 3 、兼容c a n 2 0 b ，i s o1 1 8 9 8 1 规范 4 、全局验收滤波器可以识别所有的1 1 位和2 9 位r x 标识符 5 、验收滤波器为选择的标准标识符提供了f u l l c a n s t y l e 自动接收 c a n 收发器选用周立功公司的t j a l 0 5 0 高速c a n 收发器。t j a l 0 5 0 是c a n 协议控制器和物理总线之间的接口。t j a l 0 5 0 收发器的主要性能特点如下： 1 、完全符合i s 0 1 1 8 9 8 标准 2 、速度高最高可达1 m 波特 3 、低电磁辐射( e m e ) 4 、 具带有宽输入范围的差动接收器可抗电磁干扰( e m i ) 5 、 没有上电的节点不会对总线造成干扰 6 、发送数据( t x d ) 控制超时功能 7 、 发送禁能时的静音模式 8 、 在暂态时自动对总线引脚进行保护 9 、输入级与3 3 v 装置兼容 1 0 、热保护 1 1 、对电源和地的防短路功能 系统扩展了一片s r a m ( i s 6 1 l v l 2 8 1 6 ) ，使用外部存储器接口b a n k 0 地址空 间。使用三片7 4 l v c 4 2 4 5 和一片7 4 l v c l3 8 作为总线驱动硬件部分的芯片。 本系统采用的是芯片m a x 7 0 6 t 作为看门狗，“看门狗”可以使程序脱离“死 循环”。再加上l p c 2 2 9 2 内部自带看门狗，同时工作，形成两级看门狗，以增强系 统可靠性。当系统发生故障而超过设置时问时，看门狗将通过r e s e t 信号向c p u 作出反应。 l p c 2 2 9 2 的u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e r 通用异步 收发器) 提供两个独立的异步串行口，一个j t a g 接口，用作程序调试。 下图为t j w x 2 0 0 6 信号微机监控系统c p u 板的硬件实物图： 彩髯； 舞 图2 1 监控系统c p u 扳硬件实物 f i 9 2 1t h er e a lc p u b o a r dd i a g r a mo ft h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m 2 5t j w x - 2 0 0 6 系统测试 将t j w x 一2 0 0 6 系统的c p u 板插入丌关量分机机柜罩，连接好机柜后面的地 线和2 4 v 电源线，对新系统采集到的开关量状念进行测试。 在茶坞站测试的开关量状态图如下： 9 2 6 本章小结 图2 2 开关姑状态 f i 9 2 2t h es w i t c hs t a t e 本章简单介绍了嵌入式系统研究的内容及其相关开发环境a d sc o d ew a r r i o r ， 阐述了a r m 处理器的性能结构，并列写了根据l p c 2 2 9 2 特点设计的采集机c p u 板的结构特点和t j w x 2 0 0 6 微机监测系统c p u 板实地测试时采集到的丌关量状 太 ，l ：一o 1 0 3 开关量采集机任务简介与开关量监测的分析 3 1 开关量采集机的主要任务 开关量采集机主要是用来完成各种信息的采集的。在本课题中，要求开关量 分机能完成以下几个具体任判4 j ： l 、重启动时自主发送采集机状态数据 2 、收到主机取采集机状态命令后执行命令发送采集机状态数据 3 、自动发送开关量变化数据 4 、在收到主机要全部开关量命令后，发送本分机全部开关量状态的任务。 3 2 开关量采集机的组成 开关量的监测主要由开关量采集机完成。开关量采集机由电源板( d y ) 、c p u 板和开关量输入板( k r ) 组成。开关量采集机的开入板组匣示意图如下： d y - 0 开 关 蛩 采 集 c p i j i 机 - l 上。 i 1 234 ! k r k rk r k r | j 一。1r。 一 5678 + 、j i ( i lk rk rk r 图3 - 1 开入板组匣 f i 9 3 1t h es w i t c hb o a r d 其中，电源板( d y ) 给采集机提供各种工作电源。 c p u 板是采集机的核心，对模拟量进行a d 转换，转换成数字量，并通过c a n 总线与站机通信。 开关量输入板将控制台各种信息转换成c p u 接受的开关量( 或0 或1 ) 。 每一台开关量采集机占用一个组匣，可插入8 块开关量输入板。每块丌关量 输入板输入4 8 路开关量信息，共可输入3 8 4 路开关量信息。当某车站丌关量信息 大于3 8 4 路时，应该另增设一台开关量采集机。 开关量采集机结构图如图3 2 所示，c p u 板将采集来的状态数据暂存在缓冲 单元( c p u 板上的存储器) 内，通过c a n 总线完成与站机的数据交换。 开关量采集开关量采集 开关量采集 图3 - 2 开关量采集机结构图 f i 9 3 - 2t h es t r u c t u r eo fs w i t c ha c q u i s i t i o n 3 3 开关量的监测对象 开关量的监测对象主要有： l 、实时监测控制台、人工解锁按钮盘全部按钮的操作，包括进路操作按钮、 铅封按钮和单操按钮。记录按钮按下时间、闭合时间和按下次数。 2 、记录控制台盘面上进路、闭塞主要设备以及行车运行等表示信息。 3 、采集有关继电器( i d q j 、2 d q j 、f m j 、c j 、d g j 等) 的状态，记录值班 人员的操作，为实现故障报警和故障分析提供原始状态数据。 本课题主要涉及的开关量监测的信号有：信号机的绿、红、黄三种信号，正 反方向信号，区段红、自信号和报警信号。 下面先详细描述一下这些信号灯的实际意义： 控制台的各种表示灯中进路按钮表示灯的主要作用是反映车站值班员的操作 情况且在办理进路时用来反映a j 、f k j 、l k j 以及选岔电路动作是否正确【5 】。 控制台设置的供进路操作的按钮分三类： 1 、列车进路按钮( 绿色) 2 、调车进路按钮( 白色) 3 、选变通进路的变通按钮( 绿色) 对应上述各种按钮设一个表示灯，以反映其被操作情况，并镶嵌在按钮里。 在办理任何一条进路时，始终端按钮( 包括进路上所经由的调车按钮和变通 按钮) 表示灯闪光，说明已将值班员排列进路的命令记录在相应的电路中，另一 方面说明选分电路正在按着命令的要求工作。 当迸路始终端按钮表示灯熄灭，而始端按钮表示灯点稳光时，则说明选岔电 路动作正常，进路已经全部选出。信号开放后，始端按钮表示灯熄灭。 进路排列表示灯电路的主要作用是用来反映方向继电器工作是否正常，进路 是否全部选出。对应每一个咽喉设一个进路排列表示灯，红色。 进路锁闭与解锁表示灯电路中轨道光带的表示灯电路有以下几种情况： 1 、在迸路锁闭以后，在控制台站场模拟盘上点亮一条与所排进路意图相符的 自光带，表示进路已经开通且处于锁闭状态。 2 、随着列车运行到哪个区段，那个区段轨道光带就由白灯转为红灯，当列车 出清本区后轨道光带灯便熄灭。 3 、j 下常解锁时，红转灭；其他方式解锁时，白转灭，说明已经解锁了。 4 、平时光带处于灭灯状态，哪个区段轨道电路一旦发生故障那个轨道光带就 点红灯。 5 、按t g a ，使各道岔区段轨道光带点白灯。 区段中的每一道岔辙岔一侧的反位和定位部位都设置白色和红色光带。 在解锁表示灯电路中，总取消表示灯和总人工解锁表示灯是红色的。 轨道表示灯电路的主要作用有以下几点： 1 、办理进路时，用轨道光带来反映进路是否开通和锁闭。即在进路锁闭以后， 在控制台站场模拟盘上点亮一条与所排进路意图相符的白光带，表示进路己开通 并且处于锁闭状态。 2 、列车在迸路上运行时，用轨道光带反映列车所处的位置，即随着列车运行 到哪个区段，那个区段轨道光带就由自灯转为红灯，当列车出清本区段后轨道光 带灯便熄灭。 3 、用轨道光带来反映各种解锁电路工作是否正常。在正常解锁时，每当列车 出清一个区段。这个区段的轨道光带由红转为灭灯，说明该区段正常解了锁；其 他几种解锁方式时，只要区段轨道光带灯由白灯转为灭时说明区段已经解锁了。 4 用轨道光带还可以监督轨道电路的工作状态。平时光带处于灭灯状态，哪个 区段轨道电路一旦发生故障那个轨道光带就点红灯，表示该区段的d g j 因故失磁 落下。 5 、当需要了解全咽喉的道岔开通位置及进路开通情况时，可按下该咽喉的接 通光带表示按钮t g a ，使各道岔区段轨道光带点白灯，以便直观地了解道岔开通 位置和进路开通方向，办引导接车时，要了解进路情况更需按下此t g a 。 6 5 0 2 电气集中系统罩用1 4 线和1 5 线分别控制光带的白灯和红灯电路。 进路上的光带是由各区段轨道光带组合而成。轨道光带电路是以道岔区段为 单元构成的电路。即每一个区段的轨道电路都相互独立的。 对应区段中的每一道岔辙岔一侧的反位和定位部位都设置白色和红色光带， 定位处的光带分别用d b 和d h 表示，反位处的则以f b 和f h 来表示，为了形成 连续的光带，在道岔的龠前部分分别设置q b 和q h 表示灯( 个道岔区段中有两 个岔尖相对的道岔，其岔前灯可共用，如道岔辙岔根有另一个道岔的岔尖时，可 共用前一道岔的定位灯或后一道岔的岔前灯) 。 3 4 开关量的监测内容 开关量采集机主要用来监测开关量实时变化的状态。 3 5 开关量的监测电路 开关量信息从控制台表示灯取样经整流、滤波及光电隔离后，将被送入开关 量输入板。 固态光隔模块采用了高阻加光电隔离的工作方式，见下图【6 】，它输出的丌关量 信息经过选通被送入c p u 。 图3 - 3 固态光隔模块原理图 f i 9 3 - 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fs o l i dl i g h ts e g r e g a t i n gm o d u l e 对按钮的监测，优先采样按钮继电器的空接点，则从表示灯两端采样。人工 解锁按钮则直接采按钮空接点( 第2 组接点，没有第2 组接点的应更换) 。 对继电器开关量的采样，有空接点的优先采样空接点。继电器半组空接点的 采样使用开关量采集器。 开关量采集器依据电磁感应原理，通过线圈间的磁耦合实现丌关量状态的传 感，原理图如下图所示。 1 4 图3 - 4 开关量采集原理图 f i 9 3 - 4t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es w i t c ha c q u i s i t i o n 上图中j 是待检测继电器，接点1 2 被信号设备使用，接点1 3 为未使用的空 接点。由于接点l 是公共的，因此1 3 称为半组空接点。传感器的一组感应线圈 l 2 接在接点1 3 之间，另一组线圈l 1 接检测电路。l 1 和l 2 通过磁场耦合。检测 电路检测线圈l l 的电感量及其损耗。当1 3 断开时，l 2 无上电流。l l 的值为自 身的电感和损耗。当1 3 闭合时，l 2 上产生感应电流，因此l l 的损耗增大，同时 l 1 的电感量减小。这样继电器的状态在电感线圈l 1 上得到反映。通过检测l 1 的 电感量和损耗，就可以知道继电器的状态。开关量采集器隔离性能很好，和信号 设备只有一点接触，不并接也不串接在设备中，因此不取设备的任何电流和电压， 即不取设备能源，对设备无任何影响。 3 6 开关量采集机机柜后的接线端子 开关量采集机机柜后端子的定义如下图： g r o u p 4 g r o u p 5 g r o u p 6 g r o u p 2 g r o u p 3 图3 5 机柜后接线端子 f i 9 3 5t h et e r m i n a l sb a c ko fa c q u i s i t i o n 经过本章前面对开关量采集机组成的详细介绍，知道了开关量开入板( k r ) 上共有6 个组灯，8 个位灯，组灯循环点亮，位灯的亮灭与采入的开关量值直接相 关。图3 5 中显示了实际机柜中接线端子与组灯、位灯的排列关系：机柜后接线端 子分两列排列，右列从第一个端子接连往下数的8 个端子代表第一组组灯的8 个 位灯，依次向下排列出第二、三、四、五、六组组灯的8 个位灯和接地的地线端 子。 监测机柜后接线端子实物图如下： 567890123456789012345678 孙 222223333333333444444444 c 3 7 本章小结 图3 - 6 监测机柜后接线端子实物图 f i 9 3 - 6t h ep h o t oo ft h et e r m i n a l sb a c ko fa c q u i s i t i o n 本章主要描述了丌关量采集机所要完成的任务、开关量的定义，详细介绍了 丌关量采集机监测的对象、内容和电路，并通过实物图图释了采集机机柜后面的 接线端子的含义。 刷川_叫门：1盈一一一州叫一 4 开关量采集机的软硬件实现 结合第三章对开关量监测电路的理解，本章将详述开关量采集机c p u 板的硬 件原理，并通过编程、调试实现开关量采集机的主要功能。 4 1 开关量采集机的硬件原理 开关量信息被读入后经过固态光隔模块输出，输出的结果直接被送到 7 4 h c 3 7 3 锁存器进行锁存。 i ml i_1wi 1 6 0 9 2 in 69kcomi4 1 3 0 4 1 2 v 章乒(1 5 k ii_3 _t1 1 3 3 i i 、：i i it 1 40 1 0 4 4 n 68kodmi1 2 v4卓夕(1 3 k i_1t3hni。 1 2o i l q ) m 川 l l i 、 68k40)42 v6章夕(l l 彻m t l l踢5 _35， l o0 1 2 mll1 42 8 1 砸k 8章乒(9 图牛l 光隔模块 f i 9 4 1t h eb l o c ko fl i g h ts e g r e g a t i n g 下图4 2 主要讲了数据的锁存原理，图中7 4 f 1 3 8 芯片的右边输出连接的是右 侧8 个锁存器的片选，用来选取右边的8 个锁存器锁存的信息。7 4 f 2 4 5 芯片是一 个双向锁存器。芯片i c 8 用来输出组灯和工作灯信息，i c 9 用来输出位灯信息。 立掣a l k 工卜ha l r 盔u 。o , g d 山似 图4 2 数据的读写和锁存原理图 f i 9 4 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ed a t a sw r i t i n ga n dr e a d i n g 图4 3 是工作灯( w o i ) 、组灯( z i z 6 ) 、位灯( w 0 w 7 ) 与上拉电阻( r 4 9 r 6 3 ) 的原理图。 1 9 ch ，w e k 图4 - 3 上拉电阻图 f i 9 4 - 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h er e s i s t a n c e s 4 2 开关量采集机的软件实现 开关量采集机的软件编程是由开关量采集、处理、点灯等模块组合实现的， 2 0 下面就每个模块分别进行描述。 4 2 1 开关量采集机子程序分析 1 、重要数组及函数说明 在对各个模块进行详述前，先列写一下程序中用到的重要数组和函数【| 7 】： 编写程序时，有这样几个函数和数组需要详细说明： l 、数组k a i g u a n l i a n g 4 8 和k a i g u a n l i a n g _ b j 4 8 ， 2 、函数k g _ d i a n d e n g ( ) 、k g _ s h u j u b a o ( ) 、k g b i j i a o ( ) 和k g _ k g l s j ( ) 。 数组用来定义开关量老数据存放的缓冲区，也叫开关量稳定信息缓冲区。 k a i g u a n l i a n g 4 8 q b 每个数组元素含8 个开关量信息，开关量信息用0 或1 表示， 一共4 8 个数组元素，共3 8 4 路开关量信息可以存放在此数组中。 数组k a i g u a n l i a n g _ b j 4 8 】用来定义新采集数据存放的缓冲区，同数组 k a i g u a n l i a n g 4 8 样，每个数组元素含8 个开关量信息，一共4 8 个数组元素， 共能存放3 8 4 路开关量信息。用数组k a i g u a n l i a f l g - b j 4 8 】里的开关量信息和之前 的稳定的开关量值( 也就是存放在数组k a i g u a n l i a n g 4 8 q b 的开关量信息) 进行比 较，比较的结果存放在数组k a i g u a n l i a n g 4 8 ，具体的比较内容在函数 k gb i j i a o ( ) 里进行详细的介绍。 函数k gd i a n d e n g ( ) 的主要功能是将开关量稳定值输出，并在每5 0 0 m s 到 来时点一次灯。其中用w o r k l e d 来定义工作灯和组灯状态，占1 个字节，见图 4 4 ，第7 位用来描述c p u 的工作灯状态，第6 位空着，第5 位到第0 位用来描述 6 个组灯的状态。组灯循环点亮，位灯用来输出稳定开关量缓冲区的开关量值。 厂_ 厂t _ 丁厂 r _ 7 65 ：4 3 2 1 【j【jjj。一i1 图4 - 4 w o r k l e d 定义 f i 9 4 - 4t h ed e f i n i t i o no f w o r k l e d 函数k g m ， 1 ) 主要描述了_ s h u j u b a o ( i n t 8 u i n t l 6 un , i n t 3 2 uz , i n t 3 2 uc a n 发送开关量状态时，发送数据包内的格式和内容，i n 代表数据长度，n 代表i d ，z 代表要发送的数据的前四个字节，l 是要发送数据的后四个字节。该函数将在函数 k gk g l s j ( ) 中被调用。 函数k gb i j i a o ( ) 的主要作用是当开关量变化时，存入新数据。首先要判断 开关量是否变化以及是否是稳定变化，判断是否是稳定变化时加入了去抖程序， 最后存入变化开关量的信息值。 函数k g _ k g l s j ( ) 主要用来发送3 8 4 路开关量值。具体的格式在下面会详细 2 l 说明。见表4 1 0 。 2 、开关量采集子程序 开关量采集这部分主要是把3 8 4 路外部开关量信息读入并存储。其子程序流 程图如图4 5 。需要注意的是开关量采集是1 5 m s 内的循环采集。 ( 开始 ) q 卜一一 丫i 读入开关最地址 丫， 选通地址，读入歼失最 n 里一一 l 循环，读入全部歼关量； 丫 = = - 1 5 、m s , j ? 一j y 一y (结束： 图4 5 开关量采集子程序流程图 f i 9 4 5t h ef l o wc h a r to ft h es w i t c hv a l u eg a t h e r i n g 3 、开关量处理子程序 开关量处理部分主要是将新采集到的开关量值与原稳定缓冲区内存储的值进 行比较，不同则存储，相同则不变，并进行下一次开关量的采集与比较。 这部分内容需要注意的是去抖问题。在实际的测试及应用中，外界因素引起 的歼关量的抖动是不可避免的，这样的抖动不能算是稳定值，所以在程序编写中 需要加上去抖的内容。 这里主要是应用对同一路开关量反复采集1 0 次，这1 0 次的值稳定则进行新 旧开关量对比的方法来去抖。程序流程图如下： (开始? 一_ ， j r 火扁采集 t 上抖 y 看3 8 4 路，l ：火最足甭与 之i j 的状态敛 n 仃储新的j i ：灭最状态 图4 - 6 开关量处理子科序流程图 f i 9 4 6t h ef l o wc h a r to ft h es w i t c hv a l u eh a n d l i n g 下面是t j w x 2 0 0 6 微机监测系统在茶坞站实际现场采集到的开关量状态变化 图，图中主要记录了每个开关量变化的次数： 图4 7 开关餐状态记录现场图 f i 9 4 二| t h ep r a c t i c a l i t yd i a g r a mo ft h es w i t c hs t a t e 4 、点灯予程序 得到丁l ：关量的稳定值后，要将其以点灯的形式输出。 每个丌关量采集机一共有8 块丌入板，每块丌入板上有1 个j i 。：作灯，6 个组灯， 8 个位灯。组灯循环点亮，位灯显示的是采集来的3 8 4 路丌关量信息。 点灯程序流程图如f ： 丫一 i 兰翌板哿灯地坠。 y 一 ：送组灯状态( 含板工作灯状态) j ! 一 选通板位灯地址 一丫， 。从