（机械制造及其自动化专业论文）铁路客车jc001门检测系统的研制.pdf

硕士论文 铁路客车j c 0 0 1j 、j 检i 1 4 1 | 系统的研制 摘要 铁路客车车门作为客车系统的重要部件，在铁路安全运输和铁路客车的检修、维 护与保养等方面起着关键性的作用。目前，我国对铁路客车门系统的检测仍停留在手 工检测阶段，技术落后，工作效率低。而日本、美国等国在车门系统的检测方面做了 大量的研究，并研制出各种类型的检测装置，产生了巨大的经济效益。 本课题针对铁路客车气动塞拉门系统检测的核心技术问题，利用机电一体化技 术、传感器技术、控制技术以及异步串行通信技术，研究了检测控制体系结构、硬件 系统构成和检测控制软件系统，成功开发了气动塞拉门系统的自动检测及诊断装置。 该检测系统能够迅速检测出反映门系统的性能参数，并对测量数据进行处理与分析， 打印出相关综合报表。 关键词：串行通信，检测，传感器，气动塞拉门 硕十论文 铁路客车j c 0 0 1 检测系统的研制 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h et r a i ns y s t e m ，t h ed o o ro ft r a i nt a k e so np i v o t a l f i m c t i o ni nt h e a s p e c t s o ft h et r a i n s o v e r h a u l i n g ，s e r v i c i n g a n dm a i n t e n a n c ee t c a t p r e s e n t ，o u rc o u n t r yi si nt h ep e r i o do f h a n d w o r ka b o u tt h et r a i nm e a s u r i n g ，h o w e v e et h e t r a i nm e a s u r i n gt e c h n o l o g yo fo u rc o u n t r yd r o p sb e h i n do t h e r s ，s ot h ew o r ke f f i c i e n c yi s v e r yl i t t l e b u ts o m e c o u n t r i e ss u c ha sj a p a na n da m e r i c a nh a v ed o n em u c hw o r ka tt h e m e a s u r i n g ，a n dt h e yh a v ed e v e l o p e ds o m em e a s u r i n ge q u i p m e n to f t h ed o o ro ft r a i n s o m 坷h a v ea c q u i r e d m u c hb e n e f i t t h ea r t i c l ea i m sa tt h em a i nm e a s u r i n gt e c h n i q u eo fp n e u m a t i cs l i d i n g - p l u gd o o ro f r a i l w a y v e h i c l e s w em a k eu s eo ft h em e c h a n i c a l e l e c t r i c i t yt e c h i n i q u e ，t r a n s d u c e r t e c h n i q u e ，c o n t r o lt e c h n i q u ea n da s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u et os t u d y t h ef r a m eo f t h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ec o m p o s i n go f t h eh a r d w a r es y s t e ma n dt h es o f t w a r eo f t h ec o n t r o ls y s t e m ，a n dd e v e l o p e dt h es e l f - m e a s u r i n gd e v i c ea n dt h ed i a g n o s i sd e v i c e t h e m e a s u r i n gs y s t e mc a nc o l l e c tt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro f t h ed o o rr a p i d l y b e s i d e ，d i e s y s t e m c a nd e a lw i t ha n da n a l y z et h em e a s u r ed a t a , t h e ni tp r i n t st h er e p o r tf o r m sf o ru s e l k e y w o r d ：s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，m e a s u r i n g ，t r a n s d u c e r ，p n e u m a t i cs l i d i n g - p l u gd o o r i i 声明 y 眈5 5 9 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分以外，不包含其他人已经发表 或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而 使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论 文中作了明确的说明。 研究生签名：力痧：翻 学位论文使用授权声明 年月日 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 一豁为移俪 2oo 争年7 , 9 7 日 硕士论文 铁路客车j c 0 0 1fj 检测系统的研制 1 绪论 1 1 课题研究背景、目的和意义 在我国铁路客车系统中大量应用的电控气动塞拉门产品，按铁道部列车安全运行 的相关规定，经过多年的高频率使用后已经到了维护保养期，需要对电控气动塞拉门 产品进行全面的检修、维护与保养。为了使电控气动塞拉门产品的检修、维护与保养 工作能够顺利高效地进行，迫切需要开发功能齐全、质量稳定、操作方便的现代化检 测仪器，以适应铁道部系统列车安全运行全面检查的要求。在塞拉门的检修过程中， 需要检测的参数多达2 0 多个，例如：气动塞拉门的开门拉力、关门拉力、防挤压力、 脚蹬压力、脚蹬升力、防冻温升、开关门时间等。这些性能参数既是企业生产车门的 重要质量指标，也是作为研究铁路车辆动力学、车辆稳定性问题的前提条件，必须及 时检测并进行诊断。至今为止，我国对气动塞拉门的检测和诊断仍停留在手工测量阶 段，检测过程中的参数记录也是靠手工完成。人t n 量不仅测量工具落后( 卡钳、直 尺等) ，存在目测的准确性差、测量重复性误差、较大的测量误差难以避免等问题， 而且测量过程繁琐、劳动强度大( 两个人测量一组门至少需3 0 分钟) ，易使测量人员 产生疲劳，进一步影响测量的准确性，测量工作效率也难以得到提高。长期、大量的 重复性手工作业使得工人极易产生疲劳，加上目测的准确性等问题，使得测量出的数 据误差较大，检测精度不能得到保障，在电控气动塞拉门产品进入维护保养期后，每 天需要检测的铁路客车车门很多，人工检测测量状况从精度上和效率上已远远不能适 应铁道部对电控气动塞拉门及时检测以保证铁路客车运行安全的要求。 在现实中，被测对象的许多被测几何、物理和化学等参数是人用手工手段难以测 量的，还有一些被测参数即便用手工手段可以测量但测量过程会对人身健康造成伤 害，人们总是希望通过测试仪器来实现这些参数的自动测量，自动化测试技术及相应 的测试系统就是在这种需求背景下产生的。自动化测试技术一经产生就发挥了巨大的 作用，这不仅体现在对难测对象、危险被测对象的参数测量上，而且体现在测试效率 高、测量质量可靠等方面。通常，对于复杂被测对象同时要被监测的参数很多，这就 需要在测试过程中做出相应的控制操作，著对测量结果进行集成管理。现代自动化测 试系统中大多采用了计算机辅助的监控方式，通过程序控制计算机串行接口传输数 据，以实现对数据的分析处理。同时，近年来我国工业控制技术领域的巨大进步和市 场的开放，给计算机控制技术，信息技术在铁路系统的应用也带来了前所未有的机遇。 检测仪器是自动化技术、计算机技术、接口与通信技术相结合的产物，科学技术 的发展同时也在推动着检测技术的发展。在硬件方面，嵌入式控制器的发展已经很成 硕士论文 铁路客车j c 0 0 1 门检测系统的研制 熟，嵌入式控制器具有易于使用、易于设计、强大的研发能力、高效的技术支持、开 发程序小巧但十分精炼、设计周期短和低成本的解决方案等优点，这些优越性使得嵌 入式控制器已被广泛应用在某些工业领域中。此外，采用新材料、新工艺使传感器的 发展已经很成熟，可实现传感器的微型化和集成化，并且采用计算机技术，使得传感 器的处理能力大大提高，提升了传感器的智能水平。软件方面，v i s u a lb a s i c 、v i s u a l c + + 等高级编程语言为沟通系统中各种分析处理、传感、和控制单元提供了串行通信 控件，能够将硬件与软件有效集成起来达到最优化检测控制的目的。 国际工业发达国家日本、美国、英国和法国等在气动塞拉门自动检测方面做了大 量的研究u 1 ，并研制出各种类型的检测装置，在铁路交通部门得到了广泛的应用，产 生了可观的经济和社会效益。随着我国加入世贸组织，对我国民族工业的发展，提出 了更高、更严格的要求。到目前为止，我国对气动塞拉门参数的自动检测的研究在一 定意义上还落后于国民经济的发展，这一方面是由于铁路部门本身行业垄断的原因， 另一方面是我国在高精度检测与控制技术应用方面还缺乏广泛的推广。“十五”计划 期间，中国城市交通投资将达8 0 0 0 亿元人民币【2 l ，铁路客车交通系统将得到长足的 发展，因此，当前迫切需要提高我国铁路车辆运行安全的检测技术水平，研究和开发 铁路客车安全检测装置( 包括铁路车辆气动塞拉门的检测装置) 。研究和开发铁路客车 门系统自动监测装置将对我国门系统的生产和维护，特别是我国铁道系统大量应用的 电控气动塞拉门系统的国产化起很大的推动作用。 我国作为一个发展中国家，铁路运输在交通系统中占有举足轻重的地位。研究铁 路客车电控气动塞拉门检测控制体系结构、硬件系统构成和检测控制软件系统等检测 的关键技术问题，利用机电一体化技术、传感技术( 包括力传感器、光电传感器和温 度传感器) 、控制技术以及串行通信技术，开发气动塞拉门自动检测及诊断装置，实 现铁道系统对铁路客车电控气动塞拉门高精度和高效率检修，不仅可在全国铁道系统 大量推广应用，创造出显著的经济效益，而且对早日实现我国列车的安全提速乃至加 速我国铁道系统的发展具有重要的社会效益。本课题旨在较短的时间内研制出国内高 性能的气动塞拉门自动检测装置，其研制成功无疑具有重大的现实意义。 1 2 车辆检测技术的国内外发展概况及发展方向 铁路客车是交通运输的一个重要工具，铁路客车车辆门系统的质量与车辆行车的 安全息息相关，车辆门系统质量的检测是车辆检测技术中重要内容之一。车辆检测技 术是伴随着车辆技术的发展而发展的。在汽车发展的早期，人们主要是通过有经验的 维修人员发现车辆系统的故障并作有针对性的修理。即过去人们常讲的“望( 眼看) ”、 “闻( 耳听) ”、“切( 1 z 摸) ”方式。随着现代科学技术的进步，特别是计算机技术的 进步，促进了车辆检测技术的飞速发展。目前人们能依靠各种先进的仪器设备，对车 硕七论文 铁路客车j c 0 0 1 门检测系统的研制 辆进行不解体检测，而且安全、迅速、可靠。 1 2 1 国内发展概况 我国从二十世纪6 0 年代开始研究车辆检测技术，为满足车辆维修需要，当时交 通部主持进行了发动机汽缸漏气量检测仪、点火正时灯等检测仪器的研究、开发口】。 2 0 世纪7 0 年代，我国大力发展了车辆检测技术，例如：汽车不解体检测技术及 设备被列为国家科委的开发应用项目。由交通部主持研制开发了反力式汽车制动试验 台、惯性式汽车制动试验台、发动机综合检测仪、汽车性能综合检验台( 具有制动性 检测、底盘测功、速度测试等功能) 3 1 。 进入2 0 世纪8 0 年代，随着国民经济的发展，科学技术的各个领域都有了较快的 发展，汽车检测及诊断技术也随之得到快速发展，加之我国的车辆制造业和交通运输 业发展迅猛，对车辆检测诊断技术和设备的需求也与日俱增。我国机动车保有量迅速 增加，随之而来的是交通安全和环境保护等社会问题。如何保证车辆快速、经济、灵 活，并尽可能不造成社会公害等问题，己逐渐被提到政府有关部门的议事日程，因而 促进了车辆诊断和检测技术的发展。例如：交通部主持研制开发了汽车制动试验台、 侧滑试验台、轴( 轮) 重仪、速度试验台、灯光检测仪、发动机综合分析仪、底盘测功 机等口j i ”。国家在“六五”期间重点推广了汽车检测和诊断技术。2 0 世纪8 0 年代初， 交通部在大连市建立了国内第一个汽车检测站。从工艺上提出将各种单台检测设备安 装联线，构成功能齐全的汽车检测线，其检测纲领为3 0 0 0 0 辆次年【3 】。2 0 世纪8 0 年代中期，汽车监理由公安部主管，公安部在交通部建设汽车检测站的基础上，进行 了推广和发展，仅1 9 9 0 年底统计，全国已有汽车检测站6 0 0 多个，形成了全国的汽 车检测网。 1 9 9 0 年交通部发布第1 3 号令汽车运输业车辆技术管理规定和1 9 9 1 年交通 部发布第2 9 号部令汽车运输业车辆综合性能检测站管理办法以后，全国又掀起 了建设汽车综合性能检测站的高潮。到1 9 9 7 年，全国已建立汽车综合性能检测站近 千家，其中a 级站1 4 0 多家1 3 j 近几年，随着铁路客车提速的需要，传统的手工尺的测量效率低，差错率高，同 时也不便于信息管理，这样的检测已不再适应车辆管理的需要。光电所根据中华人 民共和国铁道部铁路货车轮对和滚动轴承组装及检修规则工艺标准以及管理信息化 的要求，研制开发了一套适用于轮对各关键面尺寸、形状以及位置全自动检测装置。 该设备测量重复精度高、数据准确性强、使用轮对范围广、操作界面直观友好、智能 化强，可联网传输和预留h m i s 接口等。自动存储数据可按轴号调用、打印在车统 5 1 - c 卡片上。设备的所有运动驱动由步进电机完成；运动位置的测量由编码器串口 数据与激光数据的融合、处理完成；轮对轴号通过两端c c d 获取，键盘输入计算机 硕士论文 铁路客车j c 0 0 1 门检测系统的研制 对应表格内。系统管理由工控机完成。整个测量过程需要2 分钟。我国在1 9 9 9 年成 立了铁道部基础设施检测中心，主要任务是对全路基础设施运用状态从总体上实施监 控和日常的安全检测，并承担着全国相关检测行业的技术管理和技术服务工作5 【6 1 。 但是，对于铁路客车门系统的检测，目前国内还没有出现完备而精确可靠的检测 设备。本检测仪器主要是针对铁路客车门系统的性能参数检测需求而研制的。 1 2 2 国外发展概况 车辆检测技术是从无到有逐步发展起来的，早在二十世纪5 0 年代在一些工业发 达国家就形成以故障诊断和性能调试为主的单项检测技术和生产单项检测设备。例 如：2 0 世纪6 0 年代初期进入我国的汽车检测试验设备有美国的发动机分析仪、英国 的发动机点火系故障诊断仪和汽车道路试验速度分析仪等，这些都是国外早期发展的 汽车检测设备。2 0 世纪6 0 年代后期，国外汽车检测诊断技术发展很快，并且大量应 用电子、光学、理化与机械相结合的光机电、理化机电一体化检测技术。例如：非接 触式车速仪、前照灯检测仪、车轮定位仪、排气分析仪等都是光机电、理化机电一体 化的检测设备【l 】。 进入2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机技术的发展，出现了车辆检测诊断、数据 采集处理自动化、检测结果直接打印等功能的车辆性能检测仪器和设备。在此基础上， 为了加强机动车辆管理、各工业发达国家相继建立车辆检测站和检测线，使车辆检测 制度化【l 】。 随着电子计算机技术的发展，出现了汽车检测诊断、控制自动化、数据采集自动 化、检测结果直接打印等功能的现代综合性能检测技术和设备。例如：国外生产的汽 车制动检测仪、全自动前照灯检测仪、发动机分析仪、发动机诊断仪、计算机四轮定 位仪等检测设备，都具有较先进的全自动功能。如美国规定，修理过的汽车必须经过 严格的排放检测方能出厂。 进入2 0 世纪8 0 年代后，计算机技术在车辆检测技术领域的应用进一步向深度和 广度发展，已出现集检测工艺、操作、数据采集和打印、存储、显示等功能于一体的 系统软件，使车辆检测线实现了全自动化，这样不仅可避免人为的判断错误，提高检 测准确性；而且可以把受检车辆的技术状况储存在计算机中，即可作为下次检验参考， 还可供处理交通事故参考【6 l 。 概括的讲，工业发达国家的车辆系统检测在管理上已实现了“制度化”：在检测 基础技术方面已实现了“标准化”；在检测技术上向“智能化、自动化检测”方向发 展。如在德国，汽车的检测工作由交通部门统一领导，在全国各地建有由交通部门认 证的汽车检测场( 站) ，负责新车的登记和在用车的安全检测，修理厂维修过的汽车 也要经过汽车检测场的检测，以确定其安全性能和排放是否符合国家标准。在日本， 硕十论文 铁路客车j c 0 0 1 门检测系统的研制 汽车的检测工作由运输省( 相当于交通部) 统一领导。运输省在全国设有“国家检车 场”和经过批准的“民间检测场”，代替政府执行车检工作。其中“国家检测场”主 要负责新车登记和在用车安全检测；“民间检测场”通常设在汽车维修厂内，经政府 批准并受政府委托对汽车进行安全检测。 总的来说，随着检测技术的发展，人类获取信息的能力，达n t 新的高度和广度。 工程检测技术的发展，使检测技术不仅能对产品和半产品进行生产后的检测，而且能 提供及时的、准确的信息以便用于实时控制。监测技术已经成为自动化技术的重要支 柱。而且，生产水平的提高，要求先进的检测仪器与仪表作基础。目前，国外检测技 术的发展的特点主要表现在以下几个方面【i i1 ： 传感器水平的提高 采用新材料、新工艺使传感器的性能进一步提高，可实现传感器的微型化 和集成化，此外，采用计算机技术，使出传感器的数据处理能力提高，提升传 感器的智能水平。 检测方法推进 随着光电检测、串行通信技术的发展，使信号的多参量复合检测，主动检 测等技术均有发展。 检测系统的智能化 以计算机为中心的智能化的检测系统能够测量多种参量，既有电气量，又 有非电气量；具有多个输入通道，可进行多点澳9 量；能够快速进行动态在线实 时测量，能够实时快速进行信号分析处理。 1 2 3 今后的发展方向 进入二十一世纪，随着现代电子技术、通信技术和网络技术的飞速发展，系统的 测控功能和信息管理功能将得到进一步的增强，突出表现在以下几个方面1 4 】- 向通用化方向发展 现有的车辆检测系统的设计大多缺乏对系统通用性的考虑。系统的设计经 常因检测对象、安装方式、检测流程、检测设备等因素的变化而改变，从而给 车辆检测系统的设计、生产、调试、维护、升级带来了诸多不便，成为限制其 进一步发展的瓶颈。随着计算机软件技术、现代电子技术的告诉发展，具有良 好的通用性、扩充性的新一代车辆通用检测系统必将消除这瓶颈的影响，极 大的促进检测系统的发展。 向网络化方向发展 随着通信技术和网络技术的飞速发展，应用i n t e m e t 和i n 仃a n e t 技术，具有 自动化管理、远程维护、基于w e b 的数据查询和上报等功能的新一代综合检测 硕士论文 铁路客车j c 0 0 1 门检测系统的研制 系统已成为新的发展方向。 向单机智能化方向发展 以计算机为核心的单机仪表的智能化程度将得到进一步的提高和完善。系 统的精度、可靠性、易用程度也都将有迸一步的提高。 向软硬件综合容错方向发展 随着应用水平的不断提高，用户对系统的数据安全性、运行可靠性有了更 高的要求。如何在不大幅增加硬件投资的情况下，综合应用软硬件技术建立必 要的容错体系已成为当前急待解决的一个课题。 1 3 本论文研究课题的来源 本论文研究课题是为南京康尼机电新技术有限公司( 以下简称康尼公司) 研制开 发的铁路客车气动塞拉门自动检钡系统。康尼公司是江苏省和南京市高新技术企业， 也是“江苏省轨道车辆现代化装备工程研究中心”。1 9 9 9 年通过i s o 质量体系认证， 2 0 0 1 年被国家计委授予“高技术产业化示范工程”称号。其主要产品为轨道车辆现 代化装备如各种高档车门系统、大容量电力连接器及各种高性能电力连接器等，主要 产品分别获得法国阿尔斯通、加拿大庞巴迪等轨道车辆跨国公司的认可，产品分别出 口法国、德国、西班牙、比利时等国家和地区。康尼公司主要产品分别获得法国阿尔 斯通、加拿大庞巴迪等轨道车辆跨国公司的认可，从2 0 0 2 年开始，产品分别出口法 国、德国、西班牙等国家和地区。近十年来，具有我国自主知识产权的上述产品，均 起源于康尼公司。 作为康尼公司主产品在我国铁道系统大量应用的电控气动塞拉门产品，按铁道部 列车安全运行的相关规定，经过多年的高频率使用后已经到了维护保养期，需要对电 控气动塞拉门产品进行全面的检修、维护与保养。为了使电控气动塞拉门产品的检修、 维护与保养工作能够顺利离效地进行，迫切需要开发功熊齐全、质量稳定、操作方便 的现代化检测仪器，以适应铁道部系统列车安全运行全面检查的要求。同时，开发现 代化检测仪器也丰富了康尼公司的高新技术产品，提高了康尼公司适应市场动态变化 需要的能力，使康尼公司能更好地捕捉并抓住转瞬即逝的市场机会。 在上述背景下，南京康尼机电新技术有限公司与南京理工大学机械工程学院于 2 0 0 2 年1 2 月签订了开发“j c 0 0 1 铁路客车气动塞拉门自动检测系统”的技术合同。 合同要求该装置不仅能够迅速检测出塞拉门当前的性能参数并做出相应的诊断分析 报警，而且能够根据车门控制器的情况，实行功能检测与控制。同时合同要求该装置 所采用的总体检测方案、检澳4 控制路线和检测方法在铁路系统中不仅具有一定的先进 性，而且适用于工程应用。 堡主堡塞 堡堕查主鉴! ! ! ! ! 笙型墨堑塑塑剑 1 4 论文组织结构和主要研究内容 本论文共分七章，论文组织结构及各章节之间的关系如图1 4 1 所示 图1 4 1 论文组织结构图 本论文研究课题属于光机电一体化领域，涉及自动化技术、计算机控制技术、光 硕士论文 铁路客1 ij c 0 0 1 门检测系统的研匍 机电技术和机械设计等诸多方面。按“j c 0 0 1 铁路客车气动塞拉门自动检测系统”技 术合同的要求，课题研究要完成全套j c 0 0 1 气动塞拉门检测仪的研发设计与制造。 论文具体研究内容安排如下： 第二章内容研究了串行通信和分布式监控系统的理论知识，为以后系统的实 现提供了理论基础。 基于串行通信数据传输系统的总体框架的可靠设计，以实现对车门数据现场 准确的测量与传输； 第四章内容论述了系统实现的关键技术，为下面的系统的实现奠定了坚实的 基础。 第五章内容重点论述了系统机械总成和控制总成的完成，及各种传感器和执 行机构与工业控制机的接口等硬件电路的设计和安装调试； 第六章内容重点在以第二章和第四章的理论为依据，在w i n d o w s 2 0 0 0 环境下， 利用v i s u a lb a s i c6 0 ( 企业版) ，对上位机数据处理与分析、人机界面与数据 库等方面，开发出铁路系统铁路客车气动塞拉门自动检测系统上位机软件应 用程序：上位机应能够对测量数据的处理与分析，并打印出测量结果与分析 结果。 以第二章和第四章的理论为依据，在w i n d o w s 2 0 0 0 环境下，利用t u r b oc 语 言，就下位机数据的采集与传输、检测仪的键盘扫描、控制器的命令解析和 数据库等方面，开发出铁路系统铁路客车气动塞拉门自动检测系统下位机的 应用程序； 第七章内容重点在总结论文的研究成果，同时，针对检测系统的发展提出展 望和建议。 1 5 本章小结 铁道系统大量应用的气动塞拉门本身是一个相对独立的系统，随着行驶里程的增 加和使用时间的延续，需要定期进行检修、维护与保养，其技术状况将不断恶化，所 以要借助检测手段定期检测出门系统的各种性能参数，以及时判断出门系统的工作状 况，再借助维护和修理等相应的措施，恢复其技术指标。门系统综合性能检测就是在 门系统使用、维护和修理中对门系统的技术状况进行测试和检验的一门技术。同时， 近年来我国工业控制技术领域的巨大进步和市场的开放，给计算机控制技术，信息技 术在铁路系统的应用带来了前所未有的机遇。利用这些现有的技术条件实现铁道系统 对铁路客车电控气动塞拉门高精度和高效率检修，不仅可在全国铁道系统大量推广应 用，创造出显著的经济效益，而且对早日实现我国列车的安全提速乃至加速我国铁道 系统的发展具有重要的社会效益。 硕士论文 铁路客车j c 0 0 1 门检测系统的研制 2 串行通讯与分布式监控技术研究 在计算机系统中，c p u 与外部的基本通讯方式有两种：并行通讯数据的各 位同时传送；串行通讯数据一位一位顺序传送。 在计算机内部，所有的数据都是使用位来存储的，每一位都是电位的一个状态( 计 算机中以0 、1 表示) ；计算机内部使用组合在一起的8 位代表一般所使用的字符、数 字及一些符号，例如0 1 0 0 0 0 0 1 就表示一个字符。一般来说，必须传递这些字符、数 字或符号才能算是数据交换，如果使一条线路来传送信息的话，8 个位就必须在线路 上连续变化8 个状态才算是完成了一个字符的传递，这种一次只传送一位的方法就是 串行通信。 串行通讯与并行通讯相比较，传送速度比并行通讯要慢。但在并行通讯中，数据 有多少位就需要多少条传送线，而串行通讯只需要一对传送线，故串行通讯能节省传 送线，特别是当数据位数很多和远距离数据传送时，这一优点更加突出。因此在一般 的工业控制系统对传送速度的要求不是很严格的情况下，由于串行通讯方式有很大的 优越性，一般均被采用。 通信方式是j c 0 0 1 气动塞拉门检测仪研制的一项关键技术，同时又是j c o o l 气动 塞拉门检测仪研制的一项基础性技术。在确定j c 0 0 1 气动塞拉门检测仪总体方案之 前，必须首先确定其通信方式。j c o o l 气动塞拉门检测仪其检测系统对数据传送速度 的要求不高，因此在本论文课题的研究中，采用了串行通信的方式，同时，j c o o l 气 动塞拉门检测仪只是基于串行通讯方式的一种分布式监控系统，因此，本章内容将着 重围绕串行通讯和分布式监控系统这两个方面的研究论述j c o o l 气动塞拉门检测系 统实现的原理。 2 1串行通信数据传送方式研究 串行通讯是将构成字符的每个二进制数据位，依据一定的顺序逐位进行传送的通 讯方法。在串行通讯中，有两种基本的通讯方式：异步通讯和同步通讯。 2 1 1 异步通讯 异步串行通讯规定了字符数据的传送格式，即每个数据以相同的帧格式传送。每 一帧信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。 起始位 在通讯线上没有数据传送时处于逻辑“1 ”状态。当发送设备要发送一个字符数 据时，首先发出一个逻辑“o ”信号，这个逻辑低电平就是起始位。起始位通过通讯 硕士论文 铁路客车j c 0 0 1 门检测系统的研制 线传向接收设备，当接收设备检测到这个逻辑低电平后，就开始准备接收数据位信号。 因此，起始位所起的作用就是表示字符传送开始。 数据位 当接收设备收到起始位后，紧接着就会收到数据位。数据位的个数可以是5 、6 、 7 或8 位的数据。在字符数据传送过程中，数据位从最小有效位( 最低位) 开始传送。 奇偶校验位 数据位发送完之后，可以发送奇偶校验位。奇偶校验用于有限差错检测，通讯双 方在通讯时须约定一致的奇偶校验方式。就数据传送而言，奇偶校验位是冗余位，但 它表示数据的一种性质。这种性质用于检错，虽有限但很容易实现。 停止位 在奇偶位或数据位( 当无奇偶校验时) 之后发送的是停止位。可以是1 位或2 位。 停止位是一个字符数据的结束标志。 2 1 2 同步通讯 在异步通讯中，每一个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，以 致占用了时间。所以在数据块传送时，为了提高通讯速度，常去掉这些标志，而采用 同步传送。同步通讯不像异步通讯那样，靠起始位在每个字符数据开始时使发送和接 收同步，而是通过同步字符在每个数据块传送开始时使收发双方同步 9 1 。 同步通讯的特点是： 以同步字符作为传送的开始，从而使收发双方取得同步； 每位占用的时间部相等； 字符数据之间不允许有空隙，当线路空闲或没有字符可发时，发送同步字符。 同步字符可由用户选择一个或二个特殊的8 位二进制码作为同步字符。与异 步通讯收发双方必须使用相同的字符格式一样，同步通讯的收发双方必须 使用相同的同步字符。 作为应用，异步通讯常用予传输信息量不太大、传输速度比较低的场合，如 每秒5 0 9 6 0 0 位。在信息量很大，传输速度要求较高的场合，常采用同步 通讯，速度可达每秒8 0 0 ，0 0 0 位。 由于检测系统中的数据传输速度要求不高，本论文中采用了异步通讯方式。 2 2串行通信工作模式研究 串行通信中，要把数据从一个地方传送到另一个地方，必须使用通讯线路。数据 在通讯线路两端的工作站( 通讯设备或计算机) 之间传送。按照通讯方式，可将数据传 1 0 硕 论文铁路客车j c 0 0 1 门检测系统的研制 输线路分成三种。 i 单s e ( s i m p l e x ) 方式 在单工方式下，通讯线的一端联接发送端，另一端联接接收器，它们形成单向联 接，只允许数据按照一个固定的方向传送。如图2 2 1 所示，数据只能由a 站传送 到b 站，而不能由b 站传送到a 站9 1 。 ab 单工通讯 医i 司 一- 医i 司 图2 2 1 单工通讯方式 2 半双工( h “f d u p i e x ) 方式 在半双工方式下，系统中的每个通讯设备都由一个发送器和一个接收器组成，通 过收发开关接到通讯线路上，如图2 2 2 所示。在这种方式中，数据能由a 站送到b 站，也能从b 站传送到a 站，但是不能同时在两个方向上传送，即每次只能一个站 发送，另一个站接收【8 】【9 】。 站b 站 厂蕊n 半双工通讯 l 一 _ 一正夏 i 篓坚兰p h 堡坚竺； 图2 2 2 半双工通讯方式 图2 2 2 种的收发开关并不是实际的物理开关，而是由软件控制的电子开关，通 讯线两端通过半双工通讯协议进行功能转换。 3 全双工( f u l l - d u p l e x ) 方式 虽然半双工方式比单工方式灵活，但它的效率依然很低。从发送方式切换到接收 方式所需的时间一般大约为数毫秒，这么长的时间延迟在对时间较敏感的交互式应用 ( 例如远程检测监视和控制系统) 中是远不能满足要求的。重复线路切换所引起的延迟 积累，正是半双工通讯协议通信效率不高的原因。 全双工通讯采用信道划分技术，解决了半双工的这种缺点。如图2 2 3 所示，在 全双工联接中，不是交替发送和接收，而是可同时发送和接收。全双工通讯系统的每 一端都包含发送器和接收器，数据可同时在两个方向上传送【副1 9 j 。 硕士硷文铁路窖j ：j c 0 0 1 门检测系统的研制 a 站b 站 王戳上遇m 厂、五五厂i 五 l 竺= ： ll 竺= ：二j 广1 i i 五 ，。- 。“1 1 “。r 1 一 l ! ! ! ! 接收器 图2 2 3 全双工通讯方式 综上所述，半双工通讯方式和全双工通讯方式各有其优点，半双工通讯虽然不能 充分发挥效率，但简单实用；全双工通讯提高了通讯效率，根据它们的特点，各有其 应用场合，在此，考虑到系统传输数据的效率和可靠性，我们采用了全双工的通信方 式。 2 3串行通信接口标准研究 计算机的发展已经有一段很长的时间了，其中串行通信存在的时间相当久，应用 领域也非常广泛，市场上很多产品使用了串行通信技术作为产品对外数据交换的桥 梁，为什么串行通信受到这么大的重视? 实际上是因为这个技术具有简单易实现的特 性。本节将首先介绍与串行通信接口标准相关的基础知识。 串行通信以r s 2 3 2 和r s 4 8 5 为代表，二者各有其应用领域，使用的范畴也不尽 相同，但二者却都属于串行通信的标准，以下分别介绍这两种方法。 2 3 1r s - 2 3 2 接口标准 r s 一2 3 2 标准是美国e i a ( 电子工业联合会) 与b e l l 等公司一起开发的，并于1 9 6 9 年公布的通信协议，串行通信端口( s e f i a ic o m m u n i c a t i o np o r ) 在系统控制的范畴中 一直扮演着极其重要的角色，它不仅没有因为时代的进步而遭淘汰，反而在规格上越 来越先进，应用也越来越广泛。现在，串行通信端口( r s 一2 3 2 ) 是计算机上的标准配 置，用途上则以连接调制解调器来传输数据最为常见。当然，它的重要性还不只如此， 以下将对通信端口作深入的研究。 1 r s - 2 3 2 的电气特性 r s 2 3 2 对电气特性，逻辑电平和各种信号线的功能都作了规定。 逻辑“1 ”= 一3 v 一1 5 v ，“0 ”= + 3 v + 1 5 v 2 r s 2 3 2 的机械特性 r s 一2 3 2 通信端口是每台计算机上的必要配置，通常有c o m l 与c o m 2 两个串行 端1 5 1 ，以前的计算机将c o m l 以9 引脚的接头接出，而以2 5 引脚的接头将c o m 2 接出。新一代的计算机均以9 引脚的接头接出所有的r s 一2 3 2 通信端口。计算机上的 r s 2 3 2 均是公头，即使是2 5 引脚也是公头。而在工业应用领域中，r s - 2 3 2 的使用比 一般计算机更普遍。 1 2 硕士论文 铁路客车j c 0 0 1 门检测系统的研制 r s 一2 3 2 常用的连接器有两种： 1 ) d b 一2 5 型连接器，共有2 5 个引脚，只用9 个信号( 2 个数据线，6 个控制线 1 个地址) ，如图2 3 1 ，】所示。 图2 3 1 1r s 一2 3 2d b - - 2 5 型连接器 最早的串行通信端口是专门用来和调制解调器连接的，因此它的各个引脚的定义 也和调制解调器有关，当r s 一2 3 2 串行通信和调制解调器连接时，每一个引脚上的信 号有其固定的流动方向。 2 ) d b 9 型连接器，现在计算机上的r s 一2 3 2 一般是有9 个引脚，9 个引脚全用， 每一个引脚都有其特定的名称与用途，它们在计算机和连接线上的位置和定义如图 2 3 1 2 所示。 图2 3 1 2r s 一2 3 2 陷一9 型连接器 硕十论文 铁路客下j c 0 0 1fj 检测系统的研制 虽然r s 一2 3 2 最早使用于和调制解调器进行连接，但是技术发展到现在，很多其 它的设备也是通过r s 一2 3 2 和计算机进行连接，其信号流向也遵循上图的定义，因此 只要妥善利用各个引脚，计算机就可以方便的和各个设备进行数据传输或联机控制。 3 r s 一2 3 2 的电缆长度 r s 一2 3 2 直接连接的最大物理距离为1 5 m ，通信速率( 2 0 k b p s 。 4 信号线的连接 i ) 近距离连接( 1 5 m ) 远距离连接时需用m o d e m 和专用电话线，且在接口与m o d e m 之间需用2 9 条信 号线。r s 2 3 2 远距离连接时信号线连接如图2 3 1 4 所示。 2 一rx d调调 一 一 2 rx d 计 接 一_ 终 r t s 制 制 r t s 算 ： c t s c t s _ 解 解 _ ： - d s r 专用电话线 d s r l _ s g 调 调 s g d c d 端 机 口 d c d 器 器 _ 图2 3 1 4远距离连接时r s 一2 3 2 信号线的连接 2 3 2 r s 一4 8 5 接口标准 r s - 4 8 5 异步串行通讯接口技术标准是由r s - 2 3 2 c 、r s 4 4 9 、r s - 4 2 2 、r s 4 2 3 等 串行接口技术演变而来的，它实际上是r s 4 2 2 的变型，它与r s 4 2 2 的区别是r s 4 8 5 驱动器具有较强的负载能力，接收器的负载较小，允许个驱动器驱动多个接收器。 它主要用于多机系统。对于串行方式主从结构的多机系统，主机的串行输出需同时按 到多个从机输入上，多个从机的输出( 每个时刻只有一个有效) 需联到主机的输入端。 硕十论文 铁路客车j c 0 0 1f j 检测系统的研制 三葑鹭三 标准类别r s - 2 3 2r s 一4 8 5 信号模式单接点式差动式 接线方式 9 线3 线2 线 最高驱动端数目 l 3 2 最高接收端数目 13 2 传输距离 1 5 m 1 2 0 0 m 传输速率 11 5 2 0 0 b p s1 0 m b d s 传输类型垒双工半职工 上述表格中，最高驱动端数目和最高接收端数目视制造厂家而定，所谓的最高驱 硕士论文 铁路客乍j c o o l 门检测系统的研制 动端数目指的是可以发送字符串或命令的模块数目，它之所以有数目限制是因为受到 驱动i c 性能的限制，当驱动i c 的性能改善后，此数目也会随着升高。其他的比较说 明如下： 传输距离：由于驱动i c 的限制，r s - 2 3 2 直接连接的最长的传输距离为1 5 米， 如果再加长的话，会使得传输线上产生压降，一个原来是高电位的信号标准电位可能 会因此成为低电位了，使得接收方接收到的信号产生错误。 r s - 4 8 5 传输的距离就相对长一些，因其所提供的信号能量不同，最长的传输距 离可以达到1 2 0 0 米。另一方面，r s 一4 8 5 采用了差动式传输方法，使得噪声干扰降低 了不少。 传输速率：传送与接收的双方使用相同的速率才能使数据正确地交换，此传输速 率与串行通信i c 设备上的时钟产生装置所能产生的时钟有关，而且也与传输距离息 息相关；当传输长度增加时，传输的速率必须降低才能保证数据接收的正常，这是因 为长度增加使得传输的品质降低，较快的速率会使接收的一方接收到更多的噪声数 据。根据试验的结果，当使用分布式模块进行传输距离测试时，原来在几米内 1 1 5 2 0 0 b p s 的传输速率再长度变成1 2 0 0 米时会剩下2 4 0 0 b p s 。 r s - - 2 3 2 的特点是成本低、容易实现、通信协议简单。通常与计算机相连的设备， 最简单的通信接口就是r s - 2 3 2 ，不仅操作简单，而且价格也便宜。因此，我们在上 位机( 即计算机) 与下位机的通信中采用了r s - 2 3 2 通信方式。 但是对于多机通信r s - - 2 3 2 存在两大缺陷：一是仅用于计算机与被测控对象之 间点对点的连接；二是r s - - 2 3 2 采用以地作为基准地非平衡方式传输信号，抗干扰 能力差。r s 4 8 5 标准串行通信接口以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干 扰能力，达到了比r s - - 2 3 2 更大的传输距离和更高的传输速率；同时，r s - 4 8 5 总线 驱动能力强，最多可同时接挂3 2 个总线收发器组成网络，如果需要扩展，还可以加 r s - 4 8 5 中继器。因此，工业测控现场一般采用r s 4 8 5 总线标准进行数据传输。因此， 我们在下位机7 1 8 8 e 4 d 与其它的模块通信中采用了r s 一4 8 5 通信接口标准。 2 4 分布式监控系统 j c 0 0 1 检测系统的实现正是基于分布式监控系统的一种典型的应用，因此，我们 在此需要研究分布式监控系统的组成和系统结构形式，为j c 0 0 1 检测系统的实现奠定 良好的理论基础。 使用各式各样的机器达到自动化是工业自动化的大势所趋，这些配有各式各样先 进技术的机器，能够在很大程度上减少人类的负担，并且可以极大的提高生产力。与 此同时，因为采用了机器来帮助人类工作，所以使用者必须随时都要能够知道现场所 发生的一切及其原因，这就是监视。在知道了机器设备的相关信息后，使用者还必须 硕士论文 铁路客车j c 0 0 1 门检测系统的研制 针对不同的情况给出相应的命令，以期达到系统的要求，这就是控制。将现场结果传 回系统控制者再按照一定的判断法则做出相应的控制输出，这就形成了一个监控系 统。 在自动化领域中，人们总是希望用机器来代替人类做某些工作，虽然现在机器可 以代替人类完成很多事情，不过还是需要有相关的设备来监视这些机器的工作是否正 常，并据此做出相应的控制操作，这也就是所谓的监控。 图2 3 4 1 是一种典型的分布式监控系统。 i 0 模块i 0 模块i 0 模块 图2 3 4 1典型的分布式监控系统结构 通常的分布式系统是在不同的地方装上分布式模块或其它设备，这些模块和设备 可能含有数字输出、数字输入、模拟输入等功能。每个模块负责自己的一块区域，实 际的物理现象会输入到各个模块中，所有模块在用r s - 4 8 5 网络连接起来，一起送到 主监控站，从而达到分布式监控的目的。 2 5 本章小节 本章是针对检测系统数据传输的实现原理进行的综合性论述，主要概述了同步通 讯和异步通讯两种不同的通讯方式的概念，分析并比较了单工、半双工和全双工的通 讯方式，从数据传输距离、传输速度和传输方式等方面分析并比较了r s 一2 3 2 与r s 一4 8 5 两种串行通讯方式，又从工业控制的应用角度分析了分布式监控系