（机械工程专业论文）列车空调监控系统的研究与实现.pdf

耍壅堕i 重查学堡主塑窒皇堂垡鲨塞塑! 垦- h _ _ - _ - _ _ _ _ _ - - - _ _ 一一一摘要随着社会的发展与进步，人们的物质生活水平有了较大提高，对交通运输的舒适度有了较高的要求。从而推动了列车空调技术在铁路运输系统的迅速推广应用。列车空调系统控制和检测技术成为重要的研究方向。欧美及日本等发达国家普遍采用计算机系统对列车空调进行监控。这个系统包括安装在每节车厢上的空调控制单元和安装在司机室内的主控计算机每个控制单元可以实现独立的控制操作，也可以接收来自主控计算机的控制指令。同时，每台空调机组的运行状况和车内空气参数信息都及时输入主控计算机，使之可以掌握整个列车的空调情况。二十世纪八十年代以来，我国对列车运行安全监控装置进行了一些研制开发，但就列车空调系统的监控技术而言研究较少，列车自动化监测水平不是很高，保障列车安全运行的自动化设备较少，其功能和性能不尽人意，无法满足铁路跨越式发展的需要。为适应技术发展趋势，适应社会发展要求，提出这一课题。列车空调控制和检钡4 技术是以电子信息技术为基础，集计算机技术、传感测控技术，信息处理技术为一体的现代检测控制技术。本课题提出了以计算机为中心，利用处理分析软件构建一个实时数据采集处理系统。介绍了空调列车及发电机组的实时检测装置的开发和一些相关理论，并对当前的最新技术进行了进一步的探索，从软件、硬件两方面分析并介绍了一种新型的空调列车发电车监控系统的开发、研制。本课题需解决以下几方面问题：1 、前向通道抗干扰措施：包括硬件措臆和软件措燕，2 、程序运行监视器的应用，特别是在硬件系统中的应用。3 、载波通讯方式的实现。4 、编码技术和数据传输的可靠性。本文在对系统运行现场环境进行分析后，提出了总体设计方案，并结合实际，对系统硬件进行了设计选型。本系统经检测比较稳定。关键词：列车空调监测数据采集故障诊断要塑窒塑查兰堡主塑塞竺堂垡堡塞翌! ! 戛a b s t r a c ta l o n gw i t ht h es o c i a ld e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s s ，p e o p l ep h y s i c a ll i v i n gl e v e lh a si m p r o v e db i gal o t n 地h i g h e rr e q u i r e m e n tf o rc o m f o r t a b l et r a v e lb yt r a i np u s h e st l l er a i l r o a dt r a i na i rc o n d i t i o n i n gt e c h n i q u ei n c r e a s e dq u i c k l y mc o n t r o la n dt h et e s t i n gt e c h n i q u e so f r a i l r o a dt r a i na i rc o n d i t i o n i n gb e c o m ea l li m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o n i ne u r o p ec o u n t r i e sa n da m e r i c a , a sw e l la sj a p a n e s e ，t h eh i g h e rd e v e l o p e dc o u n t r i e s , c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mt os u p e r v i s et h ea i rc o n d i t i o n i n go f r a i l r o a dt r a i ni sw i d e l yu s e d 1 1 1 es y s t e mc o n s i s t so fa i rc o n d i t i o n i n gc o n t r o lu n i ti n s t a l l e di ne v e r yp a s s e n g e rc a ra n dam a i nc o n t r o lc o m p u t e rl o c a t e di nt h ec a bo ft h et r a i na u t o m o t i v e e a c hc o n t r o lu n i tn o to n l yc a r lr e a l i z et h ei n d e p e n d e n tc o n t r o lo p e r a t e s ，b u ta l s oc a nr e c e i v et h ec o n t r o lc o m m a n dt h a tc o m e sf r o mt h em a i nc o n t r o lc o m p u t e r a tt h es a m et i m e ，t h ew o r k i n gc o n d i t i o no f e a c ha i rc o n d i t i o n e ra n dt h ep a r a m e t e r so f a i rq u a l i t yi np a s s e n g e rv e h i c l ec a l lb es e n s e da n ds e n tt om a i nc o n t r o lc o m p u t e ro nt i m e s ot h a t ，w h o l er a i l r o a dt r a i ni n n e ra i rc i t e u m s t a n c ec a nb ec o n t r o l l e d s i n c et h e8 0 so f 2 0c e n t u r i e s ，t h es a f e t ys u p e r v i s ea n dc o n t m lo f t h er a i l r o a dt r a i nh a v eb e e ni n v e s t i g a t e di no u rc o u n t r y b u tt e c h n i q u e so fr a i l r o a dt r a i na i rc o n e i i t i o ns y s t e ms u p e r v i s ea n dc o n t r o la r ep o o r ，a n dt h ea u t o m a t i o nm o n i t o r sl e v e lo fr a i l r o a dt r a i ni sv e r yl o w , t h ea u t o m a t i ce q u i p m e n t st h a tc a ng u a r a n t e er a i l r o a dt r a i ns a f e t ya r el e 豁，a n dt h e i rf u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c sd on o tm e e tt h en e e d so ft r a i nt r a v e l a n dt h a t c a n n o t a c c o m m o d a t e t o t h e j u m p d e v e l o p m e n t o f o u r r a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n t 1 1 i st h e s i si sm a i n l yo nt h er e s e a r c h e so f r a i l r o a dt r a i na i rc o n d i t i o n i n gc o n t r 0 1 r a i l r o a dt r a i na i rc o n d i t i o n i n gc o n t r o la n dt e s t i n gt e c h n i q u e s ，t h o s ea r eb a s e do ne l e c t r o n i c si n f o r m a t i o nt e c h n i q u e ，c o m p u t e rt e c h n i q u e ，s e n s o rt e c h n i q u ea n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，a r em o d e mm e c h a n t r o n i cd e t e c t i n ga n dc o n t r o lt e c h n i q u e s st h e s i st a k e sc o m p u t e ra st h ec o n t r o lc e n t e r ，b ym e a n so fa n a l y s i ss o r w a r et ob u i l dar e a lt i m ed a t ac o l l e c t i n ga n dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e m n l cr e a ll l m et e s t i n gd e v i c ed e v e l o p m e n ta n dt h er e l a t i v et h e o r yo ft r a i nw i t ha i rc o n d i t i o n i n ga n dt h eg e n e r a t o ru n i tu s e df o rt r a i na i rc o n d i t i o n i n ga r ei n t r o d u c e d t h ec u r r e n tn e wt e c h n i q u e s ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，如w e l la sm a n u f a c t u r e sa b o u tt h et r a i na i rc o n d i t i o n i n ga r ea l s oi n t r o d u c e d mp r o b l e m sn e e dt ob es o l v e di nt h i st h e s i sa sf o l l o w i n g ：1 mm e t h o d so fa n t i - d i s t u r bi nf o r w a r dl o o p ：i n c l u d eh a r d w a r ea n ds o f l w a r e西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页m e i l 5 u i c 2 n 圮m o n i t o ra p p l i c a f i o no fp r o g r a mp e r f o r m i n g e s p e c i a l l yt h ea p p f i c a f i o ni nh a r d w a r es y s t e m 3 r e a l i z eac a r t i e rw a v ec o m r n u u l c a t i o n 4 n 糟r e l i a b i l i t yo f d a t at r a n s f e r n l i st h e s i st e x tp u tf o r w a r dt h et o t a ld e s i g np r o j e c ta f c rc i r c u l a t i n gt h es p o te n v i r o n m e n tp r o c e e d i n ga n a l y s i st ot h es y s t e m ，c o m b i n i n g 砘ec o m b i n a t i o ni sa c t u a l p r o c e e d i n gt ot h es y s t e mh a r d w a r et h ed e s i g nc h o o s e st h et y p e t l l i ss y s t e mi sm o r es t a b l et h r o u g ht h ee x a m i n a t i o n k e yw o r d s ：t r a i nw i t ha i rc o n d i t i o n i n gm o n i t o rd a t ac o l l e c t i n gt r o u b l es h o o t i n g亘塑至塑查兰堡圭塑塞皇堂竺丝塞兰巫第1 章概论1 1 空调列车监控系统发展现状及趋努随着我国国民经济的发展人民生活水平的提高，人们对外出旅行环境日益重视，要求越来越高。从二十世纪九十年代开始，我国铁路客车进行更新换代，技术上取得了可喜的进步。无论从车辆结构、运行速度、安全性能、车内设备和舒适度方面都较以前有了较大提高，旅客的旅行环境有了很大改善。全路各主要干线相继开行动车组、高速车全列空调客车正在逐步得到推广应用，并取得了良好的经济和社会效益。目前，高速化、舒适化、高安全性已成为旅客列车的发展方向。在市场经济条件下，面对公路、民航的激烈市场竞争压力，铁路必须在提高自身综台素质，在设备技术含量上下功夫，努力为旅客创造更加良好的旅行环境，才能吸引更多的旅客客源。这种形势对客车车内环境条件提出了更高要求。随着列车空调在全国铁路系统迅速推广应用，列车空调控制和检测技术已成为一个重要的研究方向。与普通空调系统相比列车空调控制有许多特殊性。i i 前，铁路列车空调控制系统就其技术水平而言的确比较简单。实现的功能包括两个方面：即通过控制机组的开停对机组进行安全保护和对客车车厢内的温度进行控制。其中的安全保护功能包括：压缩机高低压报警保护，系统启动时的延时保护，压缩机过热保护以及对各个电机的过电流保护等。车厢内的温度控制是采用一个手动设定室内目标温度的温控器实现。整个控制器的硬件电路以传统的触点式电磁继电器构成的继电控制系统为主。使用中发现，手动设定温度的方法用于铁路客车空调存在较大问题，有时会出现车内温度与乘客舒适要求相差较大甚至严重背离的情况，如夏季阴雨天或夜晚行车时，车内温度严重偏低，而天气炎热或车内成员较多时则可能车内温度偏高上述问题在一定程度上与空调乘务员的工作责任心有关，但从技术角度分析与空调温度手动设定密切相关。铁路客车的特点要求列车空调的控制应与普通空调不同，特别是我国铁路列车运行的距离和时问较长车外气候堕查壅堡查兰堡主堕窒竺堂焦堕壅一一! ! 兰里环境，车内乘客人数和衣着情况变化很大，这些都是影响舒适性指标的因素，而乘务员很难据此及时调整空调的设定温度。因此，要从根本上解决上述问题，必须从技术上提高控制的自动化程度。虽然控制器可以对空调机组进行基本的保护，但无法提供具体的故障种类和原因，一旦出现故障，车上无法进行及时判断和维修，影响列车正常安全运行。欧美及日本等发达国家普遍采用计算机系统对列车空调进行监控。这个系统包括安装在每节车厢上的空调控制单元和安装在司机室内的主控计算机，每个控制单元可以实现独立的控制操作，也可以接收来自主控计算机的控制指令。同时，每台空调机组的运行状况和车内空气参数信息都及时输入主控计算机，使之可以掌握整个列车的空调情况。这种以计算机为中心的测控系统具有记录机组运行状态和进行故障诊断的功能，一旦列车空调系统出现故障，计算机将依据当前机组状态和前一时段记录的机组运行状况数据对故障种类和原因迸行分析，并将结果显示出来，供维护人员维修参考。自二十世纪八十年代以来。我国已经有不少单位在进行歹g 车运行安全监控装置的开发、研制，如列车轴温检测报警装置，自动讯号，自动停车，无线通讯等。两对列车空调系统的监控技术而言，由于我国空调列车普及程度比较低，以及目前的各方面条件所限，列车自动化监测水平不是很高，保障客车安全运行的自动化设备较少，其功能及各方厦性能还不尽如人意。例如，在列车运行当中，要求乘务人员必须每隔一定时间间隔记录次空调设备和发电机组的实时数据，由于人工抄写不可避免地会影响数据的准确性和可靠性，因而不利于设备的安全运行。另外，抄写的数据记录也不便用于后续的计算机数据分析及处理，不利于管理自动化水平的提高。因此，为进一步适应技术发展的趋势，适应社会发展的要求，适应铁路跨越式发展的需要，提出了这一课题。本文介绍了空调列车及发电机组的实时检测装置的开发和一些相关理论，并对当前的最新技术进行了进一步的探索，从软件、硬件两方面分析并介绍了一种新型的空调列车发电车监控系统的开发、研制。堕壹奎望查兰翌主堡窒生兰堡堡壅蔓兰垦_ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - 。- _ _ _ _ _ _ - r _ - 一一1 2 新型空调列车监控设备的特点及作用该系统从硬件上采用可靠性设计思想，面对歹0 车运行所产生的各种电磁干扰，如电动机的开或关、2 2 0 v 交流电的通过、电网的噪声等，均采取了相应的措施以确保系统的安全运行。在电源的噪声干扰问题上，加装屏蔽层，即在电路板的外面安装一金属罩，以防止外界的各种电磁干扰：采用光电隔离技术以防止交流电窜入信号采集电路：在前向通道中加入滤波器以提高数据的精确度等等。在软件上该系统采用模块化设计思想，使软件的错误孤立，不被扩敷，不会因为某一个模块的软件错误引起其它模块的软件错误，并且使其修改和扩容比较容易。对数据的传送也采用了特殊的编码形式，加强了错误校验能力，以确保数据的准确性。以计算机为主的主控中心具有记录机组运行状态和进行故障诊断的功能。一且出现故障，计算机将依据当前机组状态分析产生故障的可能因素，并将结果显示出来，供维护人员维修参考。对各车厢内的供电、制冷、制暖租发电机组的电流、频率、水温、油压等参数进行采集判断，对某参数的超限将进行语音报警。同时自动存储故障数据，以备查询或打印。为了确保工作人员更准确、迅速地获得故障信息，对于异常情况除了进行上述处理外，系统对故障情况进行了特殊处理，连续监测，直至故障排除。由于现场的需要，系统采用每隔一定时问对实时数据自动存储，直到列车进入车站停车时，由管理人员拷入软盘进行分析参考。西堕交塑奎堂塑主堕窒竺堂堡笙窒! ! ! 里_ _ _ - _ h ，_ _ _ 一一第2 章系统总体方案确定2 1 系统方案的确定2 1 1 微机测控系统一般组成方式测控系统的一般组成为数据采集、数据处理部分，由于不同系统对运行要求及处理信息量大小有不同的要求，从而又分成单片机测控系统、集中式微机测控系统、分布式微机测控系统。下面将分别予以介绍。1 单片机测控系统单片机测控系统由单片机及其外围器件构成，具有体积小、功能强、可靠性高、功耗小、价格低廉、易于掌握、应用灵活等多种优点，普遍应用于智能产品、智能仪表和工业测控领域。2 集中式微机测控系统这种系统利用微机的扩展槽，制作硬件模板，与微机一起共同完成某些预定的测控功能。通常采用的微机为p c 机，由于p c 机具有很强的数据处理和逻辑控制及管理能力，因此系统适用范围广、组合灵活，便于控制系统的功能和规模。同时，系统具有较强的软、硬件支持和自开发能力，数据采集及控制模块的电源从主机获取，不需要独立的机箱和电源，降低了驸加成本，方便可靠，安装简单。集中式微机测控系统的运行、控制功能以及现场的适应性完全取决于计算机功能的强弱。2 分布式徽机测控系统此种测控方式又叫主从式微机测控系统，在整个生产过程中，由于生产过程是复杂的，设备分布较广，各工序、设备同时作业，彼此基本独立，故控制系统比较复杂。然而，随着单片机性能价格比的不断提高，人们开始把原来使用微机的集中控制系统用分布控制系统来代替，避免了传输误差和系统的复杂化。这种系统采用“管理集中，控制分散”的设计方法，用一台中央计算机指挥若干台由单片机构成的前沿控制机，前沿机对被控对象进行监测、处理和控西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页制，将必要的信息传输给中央机，由中央机负责数据处理、信息分析而进行综合控制、管理。在分布式控制系统中，由于各个控制功能分散，使得每台前沿机的任务相应减少，功能明确，组成简单，并大大减少了信息传递次数，所以系统运算速度快，工作可靠，便于采用模块结构，价格低，设计、开发、维护简便，是当前工业测控计算机系统的主要潮流。2 1 2 本系统方案的确定在本测试系统中，由于各车厢离发电车箱有一定的距离，而且各车厢需要采集的数据量比较多，若直接将模拟信号传入主控中心，则由于外界环境以及电缆电阻的影响和电磁的干扰，难以保证信息的准确性，而且对外界容易造成另外的电磁干扰。为此系统采用下位机系统负责采集数据，上位机系统负责数据处理。形成了上面所介绍的分布式微机测控系统。本系统从总体布局上是以一个p c 4 8 6 为主控中心，其与打印机接口、软驱接口、语音报警装置等组成上位机系统，以5 1 系列单片机及其接口芯片组成下位机现场检测装置。其结构如图2 1 所示。西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页电电温流压度2 啉爝的数据采集电电温流压度电电油水油流压压温温三相电3 个发电机柜上位机图2 - - 1 系统的总框图一一_数据采集下位机西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页上位机系统即包括框图中的主控中心、语音报警、软驱预留口、打印机预留口、鼠标或键盘接口、载波传输接口这六大部分。下位机系统放置于各车厢和发电机组的电器柜中，各车箱的下位机负责采集电压、电流、制冷故障、制暖故障以及车厢内温度的数据和巡视开关状态，并负责将所采集的数据按传输协议要求传递给上位机系统；发电机组的下位机负责将发电机组的电流、电压、油温、水温、油压的实时参数采集并传送给上位机系统。上、下位机之间的数据传输采用一点对多点的串行通信方式。2 2 下位机系统的硬件设计下位机系统主要完成的功能是数据采集和传输，所涉及到的问题包括c p u的选择、外围接口芯片、以及各部分附属部件的确定等，其结构框图如图2 - 2所示。传感器2 。2 。1c p u 的确定图2 - - 2下位机系统结构图尽管目前单片机的品种很多，但其中最具典垫性的当属i n t e l 公司的m c s 5 1 单片机系列n 它具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富以及编程简单、经济效益较好等特点。另外，考虑到系统的数据处理，8 位机即可满足要求，所以选用5 1 系列单片杌。亘塑奎里盔兰受主塑塞皇兰焦堕壅! 童垦亘2 2 2 拨码开关及外围采集电路1 拨码开关由于系统需采集的信息量较多，上、下位机之间距离较远，系统所受的电磁干扰较大等特点。结合现场的实际情况，系统采用了一点对多点的通信方式传递数据，因而下位机地址的确定至关重要，在本系统中采用拨码开关来确定下位机地址。利用拨码开关确定下位机的通信地址，主要是考虑到系统的通用性及维修方便等方面的因素。各采集板上的拨码开关状态与下位机所处的车厢位置一一对应，下位机上电后，根据拨码开关状态确定本机地址。当某一采集板出现问题后，可以用备用采集板随时替换，互调时，只需调整拨码开关即可。本系统采用点名通信方式来实现上下位机之间的通信。在这种方式中，当上位机需要与下位机通信时，首先传递下位机的地址，地址符合的下位机传递数据，根据上下位机之间达成的通信协议完成信息传递任务。对车厢来说，需传输的信息为空调机的电流、电压以及车厢的巡视开关状态等，对发电枕组来说，除了三相电流、电压这两个量的六个值需传给上位机之外，还要传递机油油温、油压及冷却水温等参数的值。2 外围采集电路外围采集电路由若干传感器、保持放大电路、a i d 转换器等元器饽组成。对于不同的模拟量采用不同的方法来进行数据采集及处理，具体情况将在“前向通道”这一章中详细介绍。2 3 上位机系统确定上位机也是由多个功能模块组成的，其结构形式如图2 3 所示。西南交通大兰堡主塑塞兰兰焦笙塞一一j ! 旦亘_ 一一图2 3 上位机结构框图主控中心主要完成数据的接收及处理、故障报警、协调下位机工作：语音报警模块完成的是接收主控中一1 1 , 传来的故障信息，控制语音芯片发音；载波通信接口则为了对信号进行调制解调而设。2 3 1 主控中心的确定对于主控中心来说，它包括c p u 、电子盘、内存、串口等元器件。由于主控中心的计算机主要负责对数据的接收和检测，其处理量要求不是很多，为此，我们选用微处理器型号为p c 4 8 6 系列。因为系统采用鼠标作为人机对话的输入工具，同时需要一个串口作为上下位机之间的通信接口，于是要求系统提供至少两个串行口。本系统采用两个r s- - 2 3 2 接口，分别用于鼠标接口和载波通讯。从存储设备来说，由于系统所处的环境比较特殊，系统运行期阔处在列车的运行中，从而不可避免地产生振动，而一般的硬盘不能在振动的情况下进行读写操作。所以，系统采用了电子盘作为存储设备。又考虑到系统应用的现场要求，每列车从起始站开始，必须启动本系统，运行期间不应有任何的关机或系统故障等：同时，对系统的实时数据、操作记录、故障记录必须存储，因此，本系统选用电子盘大小为8 d 1 3 ，经实验证明，该容量满足系统的运行要求。一垦堕窒通查堂堡主堡塞圭鲎垡堕壅蔓! ! 垦_ - _ _ _ _ - ，_ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ 一一一2 3 2 打印机、软驱、鼠标或键盘在打印机接口方面，由于现场要求提供两套打印方案，即可用微型打印机或一般的打印机，为此，我们在上位机程序的处理上要求提供两种形式的打印格式。对于硬件接口不需做改动，因为微型打印机配备接口电缆，打印前工作人员只须根据所用打印机进行设置便可。系统配备了3 5 ”的软驱接口，这主要是考虑到机车长时间的运行，而大型打印机占空间较大。为了方便、可靠等方面的原因，系统采用先把数据存入硬盘中。当机车到站后，管理人员只需张软盘就可以把这列车的运行情况完全拷贝走，然后在专用微机上打开该文件，从而方便管理人员的管理。鼠标和键盘是系统人机对话的主要工具，出于系统运行的可靠性考虑，防止工作人员随意删除或修改记录，系统正常工作时，只提供鼠标操作方式。对于要输入数据或修改丑期等情况，系统将弹出软键盘，工作人员只需点取即可。键盘接口只是为调试程序而预留的。2 3 3 语音报警模块的确定由于系统的运行情况比较特殊。乘务人员长时间盯着显示器难免会出现疲劳。而实际情况要求乘务人员必须时刻注意列车的运行情况，出现异常情况立刻处理，为此，系统采用语音报警方式来实现这方面的功能。当空调系统发生参数超限或其它异常情况时，主控中心将故障类型发送给语音处理模块，语音处理模块根据故障类型，将已经存储于语音芯片内部的语音模拟信号读出，然后控制语音芯片的使能端使其发音，乘务人员便能根据提示知道所发生的故障类型及故障发生位置。传统的语音合成设计是件十分复杂的工程建立语音数学模型，压缩为数字置，将它们写入e p r o m 存储器中作为音源，并换算好地址。然后，设计接口电路、音频放大电路、滤波电路等，因而设计周期长，工作量大。本系统采用i s d l 4 2 0 芯片作为系统的语音芯片避免了以上问题。i s d 系列语音芯片是美国信息存储器件公司的新一代产品，是现阶段国内外数码语音电路中性能较好的一种，它采用了直接模拟量存储技术，能较好她保留模拟量中的有效成分音质好，单片完成反复录放的全部工作，断电不丢信息，使用方便，由麦克风录入存储；可随意改写删除，分段灵活：芯片抗于扰西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页能力强，存储语音至少保留1 0 年；外围电路简单、体积小。因为本系统的语音是事先存储好，c p u 只需根据程序的设计读出放音即可，故本系统没有录音电路。具体电路如图2 4 所示。在本系统中，主控中心若判断某车厢或发电机柜下位机传递来的数据异常，将把故障信息传递给语音模块的下位机；语音模块的下位机根据接收到的故障信息判断故障的位置和类型，然后指定读出语音芯片内存储的信息，控制语音芯片的使能端，令其发出声音。从图中可以看出下位机的p 1 7 接语音芯片的控制放音p l a y e 端，在下位机经p i 0 p 1 6 向语音芯片送出语音存储地址的同时使p 1 7 为低电平，则语音芯片的s p + 、s p 一将输出所选地址存储的音频信号，经过音频放大电路放大后使扬声器发出声音。语翻羹虾位帆r 2i s d l 4 2 0v c cv c c dv c c av s s 9v s s as p +s p a 7x c l k- a g cz1iiv c cr 3 i r 4 il 亭c 1jir f ili 上c 3c 2。u=图2 4 语音电路设计一_ 一洲加m舵们斛能黼一眦一洲眦7o _ 20 5 后n雕吼雕阿阿阿雕融堕童奎堕查堂堕主塑窒竺兰堡堡塞笺! ! 里从图2 - - 3 所示的结构框图可以看出，语音板的c p u 与主控中心之间并不是采用载波方式进行数据传送的。这是因为语音板块与上位机之间距离很短，为此，只要在8 7 5 1 的t x d 和r x d 两个输入、输出端加r s - - 2 3 2 转换接口即可实现。在电路中，我们采用芯片为m a x 3 0 0 2 ，经过该芯片后出来的信号为标准的r s - - 2 3 2 接口信号。2 4 程序运行监视器( w t d ) 及其应用对于各种干扰可以采用隔离、屏蔽、正确接地等层层设防的办法解决，然而由于干扰的偶发性和复杂性有时防不胜防，于是从容错的思想出发，研究了程序受干扰后能正常运行的方法。w t d ( w a t c hd o 昏蓿门狗) 是种有效的措施，在第五章中将介绍软件上的v c r d 的实现。但是当失控程序错误执行了修改软件定时器功能的指令，则软件w t d 将失效。在重要的场合这是不允许的，所以设计可靠的硬件“看门狗”电路及其应用程序是工业测控微机系统必须解决好的共性问题。为此，在硬件上加入了看门狗电路。2 4 1m a x 7 0 5 功能及引脚说明目前国内常用的微处理器监控电路主要是m a x i m 公司的产品m a x 6 9 0- - 6 9 3 ，m a x 7 0 5 - - 7 0 6 等系列产品。本系统采用的是m a x 7 0 5 7 0 6 8 1 3 l 系列，下面对其功能及应用作一介绍。m a x 7 0 5 具有如下四种功能：( 1 ) 具有上电、掉电、及低电压复位输出；( 2 ) 独立看门狗输出，监视输出端1 6 秒之内未被触发，监视输出呈低电平；( 3 ) 具有1 2 5 伏的门限检测器，用于监视电源输入端；( 4 ) 具有人工复位输入端。m a x 7 0 5 的各引脚功能如下：m r ：手动复位输入端。当此端输入低于0 8 伏的电平并维持1 4 0 m s 以上时，复位输出有效。p f h 电源故障电压监视器输入。当p f i 低于1 2 5 伏时两面输出低电平。w d i 监视定时输入。如果w d i 维持1 6 秒高电平或低电平，内部定时器溢出，堕塑奎夔奎堂亟圭堑窒皇堂堡笙壅塑堕而西变为低电平。w d i 悬空或接至高阻抗，则内部定时器不工作，无监视特性。任何时候当w d i 检测到一个上升沿或下降沿或r e s e t 为有效低电平，内部监视定时器便清零。面面万：当内部监视定时器完成1 6 秒计数后，w d o 变低，直到监视定时器被清零，不再变高。当电压低于复位门限电平( m a x 7 0 5 为4 6 5 v ) 时釉0也稳定为低电平，但v c c 一旦高于复位门限电平，w d o 立即变为商电平，而r e s e t 端需要保持2 0 0 m s 的低电平，然后变高。r e s e t ；被触发后，矗脚端产生2 0 0 m s 的负脉冲。任何时候v c c 低予复位门限，r e s e t 将保持低电平。v c c 上升到复位门限或m r 由低变高对，r e s e t 保持2 0 0 m s 低屯平，然后变高。2 4 2m a x 7 0 5 与m c s 一5 1 接口方法系统巧妙地利用m a x 7 0 5 的手动复位端m r ( 1 脚) 具有只要其低电平维持1 4 0 m s 以上就能引起m a x 7 0 5 复位的特点，把看门狗电路输出端与手动复位端丽相连。见图2 5 ，旦程序跑飞引起历石由高变低。w d o 变低超过1 4 0 m s ，m a x 7 0 5 将复位，同时使看门狗定时器清零和使i 匠汤引脚电平变商。这样在m a x 7 0 5 的复位信号维持2 0 0 m s 结束后，单片机脱离复位状态，开始恢复程序的正常运行。亘堕窭堂查兰塑主堡壅皇兰焦鲨塞一一! ! ! ! 垦_ _ - _ _ _ _ _ _ 一v i nr 己图2 5 看门狗电路该电路具有上电使单片机自动复位、人工随时手动复位、自动监视电源故障、程序跑飞使单片机自动复位的全部监控功能。图中r l 的一端接直流电源，同时使电源正常时r l 与r 2 的分压值( 即蹦的电位) 大于1 2 5 v = 出现电源故障时( p f i 低于1 2 5 v ) ，电源故障输出端p f o 将从高变低，引起单片机肼r 0 中断，c p u 便响应中断并执行诸如保护重要数据、使重要输出装置处于稳定状态等操作，使单片机系统进入冻结运行方式或带电保持方式等。堕堕窭塑查兰塑主塑窒生兰垡堡塞塑! ! 夏第3 章前向通道部分的软硬件配制分析及设计前向通道指主机输入接口前面的部分电路。它的作用是向主机输入数据、各种条件状态或控制信号。因而数据的精确度在很大程度上受到它的影响。3 1油温、油压、水温等数据的采集本系统在考虑方案时，发电车机油油温、油压和冷却水温信号必须从相应模拟表接头处采集，出于车辆的安全性、完整性等方面的原因，信号的采集不能影响模拟表的正常运行。由于模拟表的前端已有传感器进行数据的采集，本系统只需将此信号并联入系统的采集电路即可，不罪另加传感器，故这三个量的采集实现较容易，只需在a d 转换芯片输入端加跟随器即可实现。但是电流、电压信号则是由传感器采集转换，传感器的输出电压范围为o v 8 ，2 v ，而a d转换芯片的输入范围是0 5 v ，故只需一定的电路处理就可以满足a d 芯片的输入要求。信号的采集所共有的结构形式如图3 1 所示。模拟信号检测预处理转换图3 一i 模拟数据采集模块图软件处理3 1 1 电流、电压、油温、油压等信号的a o 转换器本系统所用的a d 转换芯片为t l c 2 5 4 3 ，该芯片有1 2 个通道，它与8 7 5 1一堕堕交通查兰塑主堡塞生兰篁笙窭一笺坚_ _ _ - - - - - - - _ - ，_ _ h _ - p _ _ _ _ _ - - _ 一一的接口形式为串行输入输出。该芯片是5 v 供电，输出的数字信号为1 2 位，其数据的串行输入和输出端为p 1 1 和p 1 2 这两条线。读入、读出用移位指令即可实现。t l c 2 5 4 3 为1 2 位转换器，因其分辨率较高，价格适中，在本系统中足以满足使用要求，仅以电流为例，满量程为8 0 0 a ，则其精度为8 0 0 ( 2 “一l 卜o 15 9 4 a ，而现场要求的精度远远低于此值。在a d 转换之前必须首先送出通道的地址以决定选择某一输入通道，然后以串行方式读出a d 转换结果。在子程序中，程序对每个参数采集了s 次，最后取其平均值以去除髓机干扰。求8 次平均值采用右移3 次的办法实现。同时考虑实时性问题，系统采用了上推下压法实现抗干扰，在后续的章节中将予以详细介绍。3 1 2 非线- 陛处理在实验中发现，由于传感器本身特性以及现场中的实际情况，对于油温、油压、水温这三个量，a d 转换输出的结果相对于实际值有一定的偏差，结果呈非线性、反相的关系。为此在反相的问题上，系统采用的是读出a d 转换结果后取反的办法来解决；而对非线性问题，系统中采用的是分段直线拟合方法，也就是用若干条折线来拟合器件的非线性曲线，如图3 2 所示。图中y 是被测量真值，x 是a d 转换芯片的读数，用三段直线来逼近器件的非线性曲线。yo图3 2 折线拟合x西南交堂查堂塑主塑窒奎兰焦垒塞篁! ! 要直线由下列方程描述v = a x + b( 3 - 1 )式中，a 和b 是系数。每条直线段有两个点是已知的，如图3 2 中直线段i i 的( x 1 , y 。) 和( x 2y ：) 点是已知的，因此通过解下列方程y 。= a i x p t + b ly 。= a 。x 。+ 包就可得直线段i 的系数a 。和6 。：6 ：毡丝二兰童纽( 3 2 )x 卜l x la ：笠1 量( 3 3 )x i x 卜1根据实验，确定每个段不同的系数，存储于某个位置。对输入的a d 转换结果先判断其所处的段区，然后乘相应的系数，以获得具体的物理参数。3 1 3 采样保持电路设计发电车需要采集的信号包括三相电的电压、电流、油温、油压、水温共9个信号。对三相电的电流、电压数据，经过传感器采集后，输入a d 转换器的是o 5 v 的电压信号。而a d 转换芯片的要求也是0 5 v 的输入范围。故在电压传感器的后面只需加一跟随器即可。在油温、油压和水温这三个量的采集过程中，传感器输出的电压信号范围为o 7 v ，进入a d 转换芯片之前必须转换成o 5 v 信号，以满足a d 转换芯片t l c 2 5 4 3 的输入条件。下面以油温信号的采集为例，作一些说明。具体电路如图3 3 所示：一堕塑窒塑查堂塑主堡窒生堂笪丝皇一兰! 旦里- _ - _ _ _ ，- _ _ h _ - _ _ - _ _ _ _ - p h _ _ - - 一+rv c c图3 3 油温信号采集的前商通道设计由于油温、油压和水温这三个量是非线性且反相的信号。非线性问题上面已经介绍过。对于反相问题。若从硬件上来考虑解决，则需用减法电路来实现这一功能，在电路上增加了系统的复杂程度，数据的可靠性将会受到影响。为此，系统采用了用软件处理的办法来解决这一问题。具体实现办法是将a d 转换输出的结果取反。3 1 4 系统的电源设计由于现场的环境所限，列车上的供电电源为+ 4 8 v 直流电，而本系统中需要+ 1 2 v 、一t 2 v 、+ 5 v 三种类型的童流电为此，选用北京众入稽密测控技术公司生产的3 5 w 1 2 s 5 d 1 2 f 型的d c - - d c 电源转换器，以得到所需电源电压。这种d c - - d c 隔离变换器是通过高频开关把直流电压调制为高频宅压，再经过变换、解调、整流、滤波，从而获得与输入电压完全隔离( 不共地) 的单路或多路直流电压输出。使用该变换器可以把单一的寓压交成龟路需要的多路电压输出，大大减化电路设计，另外它还具有长期短路保护( 自恢复) 的性能，且转换效率高( 典型s o ) 。采用这种d c - - d c 隔离变换器可排除在模拟量的测试过程中电源回路与地线的干扰，使复杂的接地闽题变得非常简单，有效地提高了测量精度，同时堕壹塞望查堂塑主堡窒生兰堡迨壅一蔓! 呈里在有共模电压的场合，保证了安全，防止损毁系统的设备a3 2 前向通道抗干扰措施电子干扰和噪声虽然含义相近，但二者是有区别的，并非同义词。在模拟电路中，噪声定义为叠加在有用信号之上的无用信号。这个噪声就是干扰：而在开关电路中，干扰定义为某值以上的无用信号，对不影响机器正常运行，在某值以下的噪声不能说是干扰。噪声的存在是绝对的，只能降低而不能完全消除。干扰的存在是相对的，在一定条件下可以消除。噪声是产生干扰的原因，干扰是噪声引起的结果。如果干扰窜入前向通道，叠加模拟信号上，会使采集的数据误差加大；若叠加在各种条件状态或控制信息信号上，会使计算机输出的控制信号失常，从而破坏系统正常运行。为了保障系统的正常运行，本系统在软件和硬件上都采取了一定措施。3 2 1 硬件措施本系统采用了良好的元器件和电源、正确的电路方案、合理的布局和布线、合适的工作点调试。对有噪声干扰的输入端，我们设景r c 低通滤波器进行滤除；对大电流线路则采用相互远离、避免平行铺设、屏蔽等措施。试验证明3 8 0 v 、2 2 0 v 交流电很容易窜入前向通道，在信号的采集过程中，为避免2 2 0 v 交流电壹接进入电路板，减少外界电磁干扰，系统应用了光电隔离技术。对于a d 转换器来说，由于它是模拟信号输入通道的核心器件，它对模拟量的微小噪声十分敏感，故对a d 转换器中的关键元件。如积分电容、时钟频率以及电源的要求都十分严格，稍有疏忽就会造成很大的误差。为了避免因为积分电容可能带来的影响，经过大量的试验筛选，本系统选用了t i 公司的t l c 2 5 4 3 芯片，此种芯片内部已经设计好积分电容，故可以不考虑积分电容的影响。另外为了克服电源波动，系统在电源设计上加了一个线性稳压片。3 2 2 软件措施在微机应用系统的输入信号中，般都含有噪声和干扰，它们主要来自西南奎婆查兰堡主堕室兰茎篁堡窒蔓! 旦亘_ _ _ - - _ _ _ _ - _ - - h _ - _ _ _ _ _ _ - _ 一一一被测信号本身、传感器或者外界的干扰。为了提高信号的可靠性，减小虚假信息的影响，可采用软件实现数字滤波。测量的精度和可靠性是测控系统的重要指标，引入软件检测算法，使许多原来靠硬件电路难以实现的信号处理得以解决。从而克服或弥补了包括传感器在内的各测量环节硬件本身的缺陷或弱点，提高了系统的综合性能。由于软件算法的灵活性，其效果往往是硬件滤波电路达不至口的，而且不需要硬件投资。下面对检测技术中的数字滤波技术加以讨论。模拟量信号必须经过a d 转换后才能送往c p u 进行处理，受现场干扰后a d 转换的结果可髓偏离真实值，必须采用多次采样，得到一个a f d 转换的数据序列，通过某种算法处理后，才能给出一个可信度较高的结果。i 掰中从数据序列中提取逼近真值数据的软件算法通常称为数字滤波算法。干扰信号分为周期性干扰和随机性干扰两种。对于非周期性随机干扰，常采用数字滤波算法来抑制。随机误差是由窜入检测系统或控制系统的随机干扰引起的，这种误差是指在相同条件下测量同一量时，其大小和符号作无规则的变化而无法预测，但在多次测量中它是符合统计规律的。为了克服随机干扰引起的误差，除了可以应用上述的硬件措施外，还可以按统计规律用软件算法来实现，即采用数字滤波方法来抑制有效信号中的干扰成分，消除随机误差，同时对信号进行必要的平滑处理。以保证