（安全技术及工程专业论文）基于混合网络的车辆试风控制系统的研究.pdf

p i 丈 迈 关 季 硕 士 学 位 论 文 ab s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f r a i l w a y i n f o r m a t i o n e v o lu t i o n a n d d i g i t a l r e n o v a t i o n , t h e c o n tr o l d e v i c e s a r e r e q u i r e d b e i n g m o r e a n d m o r e s a f e a n d t i m i n g . t h e s i n g l e t r a i n c o m p a r t m e n t b r a k e t e s t i n g c o n tr o l s y s t e m i s u n d e r g o in g t h i s p r o c e s s . t h e a p p e a r a n c e o f f i e l d b u s c o n t r o l s y s t e m ( f c s ) a d a p t e d t h i s d e v e l o p m e n t , a n d b e c o m e t h e m a in s tr e a m o f n e w g e n e r a t i o n c o n tr o l s y s t e m . t h i s t h e s i s p a rt i c u l a r e x p a t i a t e o n a f a c t u a l a p p l i c a t i o n a b o u t s i n g l e t r a in c o m p a rt m e n t b r a k e t e s t i n g c o n tr o l s y s t e m w i t h c a n b u s a n d w i rel e s s d a t a c o m m u n i c a t i o n . a t f i r s t , t h e t h e s i s i n tr o d u c e d t h e f o r m e r s i n g l e t r a i n c o m p a rt m e n t b r a k e t e s t i n g c o n tr o l s y s t e m , a n d a n a l y s i s t h e p r o b l e m t o b e re s o l v e d . g e n e r a l l y i n tr o d u c e d t h e d e v e l o p m e n t s t a t u s a n d a p p l i c a t i o n a b o u t c a n b u s a n d w i r e l e s s d a t a c o mmu n i c a t i o n . t h e n , d e s c r i b e d t h e s y s t e m a t ic a l l y d e s i g n , i n c l u d e d e s i g n o f t h e s y s t e m m o d e l , t h e e x e c u t i n g m e c h a n i s m , t h e c o m mu n i c a t i o n n e t w o r k , a l s o i n c l u d e t h e h o l i s t i c d e s i g n o f c a n b u s n o d e a n d t h e r e m o t e d e v i c e . i n t h e t h i r d c h a p t e r , m a i n l y d e s c r i b e d t h e d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n o f a n e w w i r e l e s s d a t a c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l . d e s i g n e d a n e w w i r e l e s s d a t a c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l , t h i s p r o t o c o l a c c o r d e d w i t h o p e n s y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n r e f e r e n c e m o d e a n d r e f e r e n c e d c a n 2 .0 b p r o t o c o l f o r c o m p a t i b i l i t y w i t h c a n 2 .0 b p r o t o c o l i n o r d e r t o fl u e n t l y c o mmu n i c a t i o n b e t we e n c a n b u s a n d wi r e l e s s d a t a c o mmu n i c a t i o n . e x p a t i a t e d t h e d e s i g n m e t h o d , i n c l u d e p h y s i c a l l a y e r , d a t a l i n k l a y e r a n d a p p l i c a t i o n l a y e r . a t l a s t i n t h i s c h a p t e r , d i s c u s s e d t h e p e r f o r m a n c e o f t h e w i r e l e s s d a t a c o m m u n i c a t i o n v e l o c i t y a n d b r o u g h t u p i m p r o v e me t h o d . a ft e r w a r d s , t h e t h e s i s i n c l u d e t h e d e t a i l e d d e s i g n a b o u t h y b r i d , 1 ! 京 充 迈 i 梦 硕 士 学 位 论 文 n e t w o r k g a t e , c a n b u s n o d e , r e m o t e d e v i c e . a n d a l s o i n c l u d e m o n i t o r i n g p r o gr a m i n p c a t l a s t , t h r o u g h t h e f i e l d a p p l i c a t i o n , w e c a n c o n c l u d e t h a t t h e s y s t e m i s w e l l s u i t f o r t h e s i n g l e t r a i n c o m p a r tm e n t b r a k e t e s t i n g . t h e n , a n a l y z e d t h e a c a d e m i c m e a n i n g a n d d e s i g n i n g o n e c o n o m i c a l a s p e c t . t h e r e a l s o g i v e t h e s u g g e s t i o n s o n t h e d i s a d v a n t a g e . k e y w o r d s : h y b r id n e t w o r k s , c a n b u s , s i n g l e t r a i n c o m p a r t m e n t b r a k e t e s t i n g , wi r e l e s s c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ;t x 交 f t 硕十学位论文 第一章绪论 随着我国科技的发展， 列车的不断提速，对列车运行可靠性和 安全性的要求也越来越高。同时，自 动化动技术、计算机技术以及 通信技术发展得越来越成熟。 在这种情况下，机车和车辆设备段修 和厂修时采用的性能试验监测系统的安全性、可靠性和信息化要求 也己经相应提高。 通过计算机网络及控制网络的各自 发展，可以把人与人、设备 与设备密切的连接起来。网络的发展趋势与铁路行业的发展密切相 连，网络在铁路的各个方向上都迅猛的发展起来。在列车车辆试风 试验中，网络与之相结合也是科技发展新趋势。 ， . ，车辆试风系统简介 ， . ， . ，传统车辆试风系统概述 近几年来，随着铁道部几次大规模提速，给车辆段检修车辆质 量提出了更高的要求。现在铁路系统在进行货车空气制动实验时， 主要使用的传统的铁路车辆单车试风微机控制系统，如天津东车辆 段研制开发的t d h - 1 型微机控制货车空气制动单车实验器。 该试验 器同单片机制动控制系统、手动电气控制系统、空气关路等部分组 成， 用压力传感器采集列车管压力信号， 用1 6 k r a m, 3 2 k r o m存 储测试数据和控制程序， 试验完毕后用小型打印机打印出试验结果。 经过长期的应用，发现它有如下的缺点: ( 1 ) 操作烦琐。 对每一个进库的车辆， 实 验开始前均需要输入这 一车辆的相关数据，如车型、车号、闸调器编号，对于每一次针对 一个车厢的试验均需要打出一次试验结果报表。 ( 2 ) 不利于随时检查工作进度， 如果要统计当 前的实验进度， 需 要统计人员依次询问每一个车辆的实验情况。 p 京 文 迈 关 事 硕 士 学 位 论 文 ( 3 ) 安全性不够高，且工人在实施试验过程时有可能作弊。 1 . 1 . 2问题的提出 由于传统车辆试风系统存在着多种弊端，诸如汇总报表时，申 报材料仍然沿用旧有的报表系统，有的甚至要依靠人工还传送。这 就使得工作效率大大的降低，造成人力和物力的损失。并且当车辆 段要求对数据进行较长时间的保存或运用m i s系统进行管理和统计 时， 还必须由人工将所有的数据全部录入。 既浪费时间又可能出错， 信息不能及时应用。因此如果要利用现有的通信技术及网络技术， 结合己 有的m i s系统。改革现有的数据交换方式，利用网络来共享 数据，提高管理效率，将为改革现行的制动检修制度打下良 好的基 础。 本系统要实现一个气动控制系统、有线通信和无线通信的混合 网络总线控制系统及数据库系统的综合控制系统。具体就是现场节 点能对试风设备进行智能控制，现场节点之间进行数据交换，并且 将现场数据传送至上位工控机， 实现数据库和现场总线的有机结合， 进而进行进一步远程监管。 1 . 2 c a n ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 总线介绍 1 . 2 . ，现场总线概述 现场总线是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一个标准 的、开放的、双向的多站数字通信系统。随着计算机技术、 通讯技 术、 集成电 路技术的发展， 以 全数字式现场总线( f i e l d b u s ) 为代 表的互联规范，正在迅猛发展和扩大。由于采用现场总线将使控制 系统结构简单，系统安装费用减少并且易于维护;用户可以自由选 择不同厂商、不同品牌的现场设备达到最佳的系统集成等一系列的 优点，现场总线技术正越来越受到人们的重视。近十几年由于现场 总线的国际标准不能建立， 现场总线发展的种类较多， 约有4 0 余种: ) t 京 交 迈 义 事 硕 士 学 位 论 文 如德国西门子公司s i e m e n s 的p r o f i b u s ，法国的f i p ，英国的e r a , 挪威的 f i n t , e c h e l o n公司的 l o n w o r k s , p h e n i x c o n t a c t 公司的 i n t e r b u s , r o b e r b o s c h公司的 c a n, r o s e m o u n t公司的 h a r t , c a r l o g a r a z z i 公司的 d u p l i n e ，丹麦 p r o c e s s d a t a公司的 p - n e t , p e t e r h a n s公司的 f - mu x ，以及 a s i ( a c t r a t u r s e n s o r i n t e r f a c e ) , m o d b u s , s d s , a r c n e t ，国际标准组织一 基金会现场总线 f f : f i e l d b u s f o u n d a t i o n , wo r l d f l p, b i t b u s ，美 国的 d e v i c e n e t与 c o n t r o l n e t 等等。 现场总路线进入我国的原型是b i t b u s ，此后 r s - 4 2 2 , r s - 4 8 5 的通讯标准深入到了冶金、建材、电力、石化乃至军工、航天等行 业领域，成为学术界、技术界熟知的标准。随着新技术的发展和引 进， c a n总线、 l o n w o r k s , p r o f i b u s , f f 总线等相继大力引进入我 国生产行业的各个方面。 采用现场总线的系统具有以下特点: ( 1 ) 系统的开放性 开放是指对相关标准的一致性、公开性，强 调对标准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何 地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各 不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要致力 于建立统一的工厂底层网络的开放系统。 ( 2 ) 互可操作性与互用性 互可操作性， 是指实现互连设备间、 系统间的信息传送与沟通，而互用则意味着不同生产厂家的性能类 似的设备可实现相互替换。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自 治性 它将传感器、 补偿计算、 工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即 可完成自 动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性 现场总线已 构成一新的全分散性控 制系统的体系结构。 从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合的 集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 ( 5 ) 对现场环境的 适应性 工作在生产现场前端，作为工厂网 络 底层的现场总线，是专为现场环境设计的，可支持双绞线、同轴电 p i 交 迈 关 事 硕 十 学 位 论 文 缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能 采用两线制实现供电与通信。 1 . 2 . 2 c a n总线介绍 控制器局域网( c a n , c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 是一种串 行通信总 线，它特别适合于在一个局域系统或子系统中连接传感器、驱动器 等智能设备。它最早由德国 b o s c h公司推出，用于汽车内部测量 与执行器件之间的数据通信。其总线规范现已被i s o国际标准组织 制订 为 国 际 标 准。由 于 得到了m o t o r o la , i n t e l , p h il i p , s i e m e n c e , n e c等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。 其信号传输介质 为 双绞线。 通信速率最高可 达 i m b p s / 4 0 m ， 直 接传输距离最远可 达i o k m / 5 k b p s 。 可挂接设备数最多可达1 1 0 个。 c a n是一种具有多主通信能力的串行总线，即所有的 c a n节 点都可发送数据并且几个c a n节点可以同时向总线发出发送请求。 这些特点正是i s o 1 1 8 9 8 1 标准所规定的具有实时 通信能力串行总 线的要求，而且 c a n 也包含了国际标准化组织/ 开放系统互联 ( i s o / o s i )的最低两层协议及顶层的应用层。c a n 网络中没有传 统意义上的接收器或节点的地址，取而代之的是采用发送不同优先 级的信息。 一个发送节点向所有的c a n节点同时发送信息 ( 广播方 式) 。 每个节点依据信息的标识符来判断是否接受并处理此信息。 信 息标识符同时也决定了此信息在总线控制权竞争中的优先级。 欧洲客运轿车中绝大多数都安装了c a n，货运及非公路运输车 辆的生产商也大量采用c a n c a n芯片己经大批量生产超过1 0 年。 在家用电器及工业控制领域c a n也越来越多的被采用。 国外已有许 多大公司的产品 采用了 这一技术。 c a n最初是为汽车监测、 控制系 统而设计的。现代汽车越来越多地采用了电子装置控制，如发动机 的定时、注油控制，加速、刹车控制 ( a s c )及复杂的抗锁定刹车 系 统( a b s ) 等。 由 于 这些控制需要 检测及交换 大量数 据， 采用 硬接信 号线的方法不但繁琐、昂贵，而且难以解决问题，采用c a n总线， 1 i 文 迈 义 事 硕 士 学 位 论 文 上述问题变得到很好的解决。据资料介绍，世界上一些著名的汽车 制造厂商，如 b e n z ( 奔驰) 、b m w( 宝马) 、 p o r s c h e ( 保时捷) 、 r o l l s - r o y c e ( 莱施莱斯) 和 j a g u a r ( 美洲豹) 等都已 开始采用或 已 经采用 c a n总线来实现汽车内 部控制系统与各检测和执行机构 间的数据通信。 由于c a n总线本身的特点， 其应用范围目 前己 不再局限于汽车 行业，而向过程工业， 机械工业， 纺织机械，农用机械，机器人、 数控机床、 医疗器械及传感器等领域发展。 c a n已 经形成国际标准， 并己 被公认为几种最有前途的现场总线之一。 c a n有如下特性: ( 1 ) c a n可以多主方式工作， 网 络上任意一个节点均可以 在任意 时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通讯方式 灵活。 c a n可以点对点，一点对多点 ( 成组) 及全局广播几种方式 传送接收数据。 ( 2 ) 系统灵活性， 可以随时增加或删除节点， 而不需修改 任何硬 件和软件。 同时c a n节点在错误严重的情况下， 具有目 动关闭总线 的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。 区别节点临时性错误还是永久性故障，并自 动关闭故障节点，保证 系统正常运行。 ( 3 ) c a n网 络上的 节点( 信息) 可分成不同的 优先级， 可以 满足 不同的实时要求。同时c a n采用非破坏性总线裁决技术， 当两个节 点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送， 而优先级高的节点可不收影响地继续传输数据，大大节省了总线冲 突裁决时间，而且总线一旦再次空闲，以损报文将自动重新发送; 最重要的是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。 砰 ) c a n采用短帧结构， 每一帧的有效字节数为8 个， 这样传输 的时间短，受干扰的概率低， 且具有极好的检错效果。同时c a n每 帧信息都有c r c校验及其它检错措施，保证了数据出错率极低。 ; l 交 迈 关 季 硕 士 学 位 论 文 1 . 2 . 3 c a n总线的独特优点 虽然c a n总线、 l o n wo r k s 总线、 p r o f i b u s 总线及其它总线均得 到了广泛的推广和应用， 这些现场总线各有其特点。 但c a n总线以 其特有的优势在该系统的设计中得到了应用。 ( 1 ) c a n协议最突出的特点之一是其具有很高的数据传输可靠 性。c a n控制器记录一个节点的错误，统计并评估将采取何种相应 对策。如此节点不断产生错误它将被与网络自 动脱离。 ( 2 ) c a n的最大传输速度被定义为1 m b i ll s 。 在此通信速度下网 络长度可达4 0 米。 如加长网络长度通信速度必须降低: 在5 0 0 米长 度可达 1 2 5 k b i ll s ，在1 千米时可达5 0 k b i t/ s . 在三种总线的开发中，c a n总线的开发费用最低。可以购置 c a n控制器 s j a 1 0 0 0和收发器 8 2 c 2 5 0与一般的 单片机微控制器 mc u构成一个控制系统，也可以直接购买内嵌 c a n控制器的小型 嵌入式mc u , 门 . 3 无线掀据传编技术及相关应用 1 . 3 . 1无线数据传翰技术 随着计算机应用的普及、国民经济信息化的发展以 及数字化时 代的到来，各行各业对信息通信和交换的要求也日 益扩大。 在数据 的传输过程中，存在着有线传输方式和无线传输方式。有线传输方 式具有准确率高， 实时快捷等优点， 但是在某些特殊场合却不适用。 因此，无线数据传输方式在这种背景下出现，它以无线信道作为传 输媒介。不用专门敷设专用线路，具有可移动，方便等特性。 现阶段，无线数据传输技术主要有基带传输和频带传输两种方 式。在无线局域网上，对于高速数据传输有 i e e e 8 0 2 . 1 工 、蓝牙、 h o m e r f等众多协议。在工业自 动化控制领域，多采用f s k , ms k 等多种调制传输方式。产品具有安装维护方便、绕射能力强、组网 结构灵活、小范围覆盖等特点，适合于点多而分散、地理环境复杂 j 1 京 交 f 事 硕 士 学 位 论 文 等应用场合能。可广泛应用于电力、抄表、环保、保安、银行、云 台 控制、报警、 g p s定位信息回传、g i s等领域的监控、采集数据 的实时传送，满足客户对于数据实时性、准确性的要求，大大降低 人员劳动强度和企业运营成本。 1 . 3 . 2无线数据传输技术的应用现状 无线数据传输技术现阶段已广泛应用于生产生活的各个行业， 与我们的日常生活密切相关，从手机到移动式计算机都有无线数据 传输技术的存在，为我们的生活创造了极大的价值。同时，在工业 领域，广泛应用于各个行业，如矿业系统、电力系统、铁路系统、 军工系统，发挥着举足轻重的作用。 石油工业 油矿的地形起伏不平，敷设电缆后不易传导，而且电缆穿过炼 油厂可能是潜在的危险。无线网连接可提供从钻井台到压缩机房的 数据链路以便显示和输入由钻井获取的重要数据。海上钻井平台由 于宽大的水域阻隔，数据和资料的传输比较困难。敷设光缆费用又 很高，施工难度很大。使用无线网技术，费用不及敷设光缆的十分 之一，效率高，质量好。 运输行业 铁路运输货场和码头货场，由于大型吊车，运输道路和货物通 道不能敷设电缆，使用步话机报告货位和货号极易产生差错，无线 计算机网络可以把货物情况和资料直接传输到计算机中进行处理， 大大提高了工作效率和服务质量，避免了不必要的差错。 医疗行业 现在很多医院都有了计算机管理系统、大量的计算机病人监护 设备、计算机控制的医疗装置和药品等库存计算机管理系统。无线 网络可以使医疗专家和管理者在医院内的任何地方使用移动和手持 计算机设备方便地存取这些信息。利用无线网，医生和护士在设置 计算机专线的病房、诊室或急救中进行汇诊、查房、手术时可以不 ) t 京 交 迈 f 71* 硕 士 学 位 论 文 必带着沉重的病例，而使用笔记本电脑实时记录医嘱，并传递处置 意见，查询病人病历和检索药品，还可以访问中央专家系统以帮助 诊断或预测药物的相互作用和反应。 制造行业 制造工厂往往不能敷设连到计算机的电缆，在加固混凝土的地 板下面也无法敷设计算机电缆，空中起重机使人很难在空中布线， 零备件及货物运输通道使得也不便在地面布线。这种情况使用数字 化制造设备、数字采集装置、机器人设备时应用无线网 络是很合适 的。工程师和技术人员在进行检修，更改产品设计，讨论工程方案 以及其他技术处理时，可以利用无线网在工厂车间或厂区的任何地 方查阅技术档案、工程工艺和过程图，发出技术指令，请求技术求 援，甚至和厂外专家讨论问题。 1 . 4本文工作 本文在以前存在系统的基础上介绍分析了混合网络试风控制系 统的总体设计思路。设计符合试风系统应用的无线数据传输协议， 具体分为物理层、数据链路层和应用层三层，并着重指出了链路层 和应用层的工作过程及协议方式。对无线数据传输协议的实时性、 可靠性进行研究分析，指出尚存在的一定不足。本文还对试风系统 的整体硬件设计及相应软件设计进行了具体的工作: c a n 节点控 制系统设计及软硬件实现，无线遥控节点的设计及软件硬件实现。 并对混合网络网关的结构给出解决方法及c + + b u i l d e r 语言实现。 p i 文 迈 关 事 硕 士 学 位 论 文 第二章 试风控制系统的总体设计 2 . ，试风系统总体结构设计 微控试风系统作为一个总线通讯与气动装置相结合的系统，包 括现场总线、无线通讯、遥控系统、气路系统和执行机构等多个方 面。下面就试风系统的系统模型及总体结构给出具体介绍。 2 . 1 . ，试风系统的系统模型 微控试风系统从本质上来说，是一个分布式的控制系统。从结 构上来看它应该是也必须是一个分层结构。同时，整个系统应该具 有开放性和实时性。 其系统模型如图2 - 1 所示。 现场装置 执行机构 气路系统 遥控模块 图2 - 1 微控试风系统的系统模型 开放性是现代工业计算机控制系统的一个十分重要的概念。一 般，开放性具有三层含义:第一是指系统结构和器件具有向上兼容 的性能即结构与器件的开放性;第二是指能实现灵活的配置以适应 不同层次和不同级别的要求，即向用户开放;第三是指能满足特殊 ! . 充 通 又 乎 硕 士 学 位 论 文 要求的配置即向特定的功能开放。一般来说开放性是通过标准化来 实现的。根据列车控制系统的结构模型，控制机和控制网络的标准 化是实现微机控制系统开放性的基础。控制机的标准化主要是总线 的标准化。控制网络的标准化主要是指它的网络体系结构模型的标 准化和协议的标准化。 实时性是铁路单车试风微机控制系统最重要的性能指标之一。 随着系统信息化和数字化速度的提高，控制系统的实时性将越来越 重要。铁路单车试风控制系统的响应时间应该是毫秒级的。控制系 统的响应时间 t由网络响应时间( t n ) 和各层控制机的响应时间( t c ) 构成，即 t = t s 十 t c 。网络响应时间主要取决于对信道的占用，而对 信道使用权调度算法的核心是介质存取方法。各层控制机的响应时 间则取决于底层控制mc u内核的调度和程序的设计。 2 . 1 . 2系统总体结构框图 混合网络试风系统要实现所需求的功能，包括五大部分:执行 机构， 下位c a n节点，混合网关， 遥控设备，上位监控软件。 遥控 设备和下位 c a n节点的控制部分组成整个系统的控制系统。c a n 总线网络、混合网关和无线通信网络组成整个系统的通信系统。执 行机构为试风系统的操作实施装置。图2 - 2 为系统总体结构框图: 控制系统主要由液晶显示屏、c a n节点控制面板、遥控设备组 成。在具体数据流控制上，由c a n节点面板发送指令;c a n节点 接受指令，完成控制动作，并在试验成功后向 信息数据库发送成功 消息; 信息数据库在收到成功信息后向c a n节点发送收到的反馈信 息。或由遥控设备发送指令，通过混合网络通信将数据传输至c a n 节故作多情。完成控制动作，并向数据记录成功信息。设备的主要 任务是根据操纵面板给出的命令对单车试风控制系统进行操控，在 各个功能上保证运行要求的实现，如指那些直接面向现场完成 i / o 处理 ( 冲/ 排气控制)或者a / d变换压力采集等智能化装置。 通信系统主要应完成系统中数据的正确实时传输，其中包括 ? ; l, 文 迈 ? 硕 士 学 位 论 文 c a n总线中数据的传输及无线网络中数据的传输。使用 c a n 2 . 0 协 议和无线网络协议，并且通过混合网关达到两种不同 协议下，有效 数据应该能够在遥控设备和 c a n节点中得到正确的传送。 图2 一试风系统总体结构图 作为一个相对完整的系统，它应该有监控记录部分。选用一台 工业控制计算机作为接口 和显示用， 并通过它连接到企业局域网上。 为了和现场控制节点进行数据通信，本系统设计了一个和工业控制 计算机连接的c a n - 2 3 2 通信卡。 现场节点之间及现场节点和通信卡 之间通过c a n总线来进行通信。 通信卡主要负责工业主机和现场节 点及遥控设备的通信。 该系统结合现场总线技术和无线通信技术，使铁路货车的试风 试验由过去的单机试验转变为分布式控制网络，并且利用上位机的 数据库来完成试验过程中各种试验参数的纪录和汇总。具有可靠性 高、维护方便、劳动强度低、易升级等特点，可适用于货车各种型 号制动机的制动性能的检测要求，升级试验程序后，也可用于客车 制动机的性能检测。 系统使用时，开工前由工长将一天的计划输入上位机 ( 台位、 p 京 交 迈 关 事 硕 士 学 位 论 文 车型、车号、阀型、制动缸类型等) :试验时起升试验装置，连接试 风管，打开下位机，试验者通过操作面板输入自己的工牌号后就可 从上位机得到相应台位的所有试验参数，可自 动连续试验，也可选 择试验步骤进行试验，试验过程按相应阀型的试验流程提示相应信 息，试验失败自 动提示重新试验，试验成功后，结果自 动传入上位 机更新数据库保存。收工时，可打印出试验车统一4 7 报表，也可在 任意时间集中打印。 2 . 2执行机构的设计 2 . 2 . ，试风装皿气路构造 试风装置用到的介质是空气，通过对气压回路的状态检测达到 试风检修的目的。时刻都存在着制动缸、制动管和其它元件被充气 或排气的过程。气路的构造也是很重要的一个环节。 1 ， 气路组成 主要由过滤器、油雾器两联件、控制集成块、电磁阀、风阀门、 双针压力表、输入输出连接器及软管组成。 2 ， 气路框图:如图2 - 3 所示。 气源 双针压力表 进列车管 气阀3气阀5气 阀6 气阀7气阀4 图2 - 3试风系统气路框图 ；未交遥z 挚硕士学位论文 ( 1 ) 气动两联件 用于对风源的过滤、净化、系统风压的调节，确保电磁阀动作 可靠、试验风压在5 0 0 k p a 。 ( 2 ) 控制集成块 是气路控制中心。采用集成块可以保证气路的可靠性，减少泄 漏。 ( 3 ) 气阀( 电磁阀) 1 7 用于各位置状态的气路控制，动作速度快，工作可靠。维修方 便。 阀号及其功能对应关系如表2 1 所示 阀号功能 阀11 位快充风电磁阀 阀22 位缓充风电磁阀 阀3感度试验电磁阀 阀4安定试验电磁阀 阀5紧急试验电磁阀 阀6 改造后1 2 0 阀安定试验电磁阀 阀7改造后1 2 0 阀紧急试验电磁阀 表2 - 1 阀门对应功能表 ( 4 ) 双针压力表 用于实验过程中的风源与列车管风压显示。 ( 5 ) 输入输出连接器及软管 输入输出连接器采用快速接头，使用方便。输入输出软管按铁 标配置。 2 2 2 试风装置布置 试风装置主要由系统气动升降装置，控制风路的控制阊组、电 子控制通信单元及风管等组成。试验时，搬动提升手柄将试风装置 升起，将风管和车体的风管相接，打开电源开关即可进行试验。试 j # 未交遁z 挚碗士学位论文 风装置布置如图2 - 4 所示 图2 4 试风装置分布图 2 3 网络通信系统的总体设计 2 3 1 系统设计选型 2 ，3 ，1 。1 组网方式选择 在有线数据传输过程中，现阶段多种组网方式并存，如t c p i p 技术、r s 4 8 5 总线技术、现场总线技术。在比较过程中发现，t c p i p 技术适合于组建i n t e r n e t ，协议族众多，应用繁琐且确定性差，适合 连接的是具有复杂功能的计算机系统。但是不适合于组建工业现场 级的控制网络。r s 4 8 5 总线为主从结构，其固有的单主特性方式决 定了不适合于本系统。而各种现场总线技术从它提出的开始，就是 为了提高自动控制领域的网络性能。而c a n 总线与其它总线方式相 比较，以其具有的协议简洁、极高的数据传输可靠性和传输速率、 较低廉的开发成本成为本系统的优先选择的组网方式，实际效果也 证明：应用c a n 总线方式组网是正确的。 在无线数据传输的过程中，选择f c 2 0 1 微功率无线数据传输模 块。f c 一2 0 1 模块采用f s k 调制方式，采用国际上通用i s m 数传频 率，具有体积小、功耗低、稳定性及可靠性极高的特点。因此选择 1 4 岁 童交又挚硕士学位论文 具有特定频点的无线数传模块作为无线数据传输的组网方式。 2 3 1 2 网络拓扑结构选型 常用的网络拓扑结构有以下三种：星型、环型和总线型。( 1 ) 星 型拓扑结构：将分布于各处的多个结点连接到处于中心位置的主结 点上。任何两个节点之间的通信都要通过主结点，这个主节点集中 来自各分散站的信息，按照一种集中式的通信控制策略，把集中到 主结点的信息转发给相应的节点。( 2 ) 环型拓扑结构：环型拓扑中各 个结点连接到环型网络上。所有分散结点用能信线路连接成环型网 络，通过逐个结点传递来达到线路的共用，网上信息沿单方向围绕 着线路进行循环( 顺时针或逆时针) ，环路中各节点自举控制。( 3 ) 总 线型拓扑结构：总线型拓扑结构采用了一条公用通信线将各结点连 接在一起。所有的节点通过相应的硬件接口直接的连接在总线上， 任何一个节点的信息都采用了广播式沿总线传播，并能够被所有节 点接收。 从常用的拓扑结构看，控制网络通信系统的有线数据传输选择 总线型拓扑结构是最佳选择。总线网络拓扑结构相对来说比较容易 安装，配置简单，很容易增加节点和删除节点，同时信道利用率高， 价格相对便宜。这种结构在工业上的应用已经得到广泛验证。对于 无线数据传输的拓扑选型，根据本系统所要求的特点。无线数据传 输速率要求不高，具有主节点按照信息的来源进行分配调划，并下 传给c a n 总线进行控制。在无线传输过程中，主节点由上位计算机 来承担，作为无线数据传输的核心数据控制单元，具有重要的作用。 每个无线节点只与主节点进行数据传输，不与其它节点进行通讯。 因此，无线数据传输中选择星型拓扑结构对本系统来说是最佳拓扑 方式。在有线网络与无线网络的数据传输过程中，数据都通过上位 主计算机进行调控。 上位计算机对于c a n 总线系统作为一个单独的节点存在，对于 无线传输系统作为其星型网络结构的主节点存在。所以，在整个系 统之中，上位计算机是一个连接沟通有线网络和无线网络的网关， j 素交通名挚硕士学位论文 发挥着重要的作用。 2 3 2 通信系统网络拓扑 根据网络选型和有线网络、无线网络的综合因素。网络通信系 统的拓扑模型如图2 5 所示。有线网络采用总线型网络拓扑，无线 网络采用星型网络拓扑，两种网络通过网关连接起来。 c a n 总线 c a n 节点 图2 - 5 混合网络拓扑模型 2 3 3 通信系统网络总体结构模型 c a n 节点 综上，根据设计要求，我们可以将试风系统的网络通信结构模 型表示出来。如图2 - 6 所示。其中包括有线数据传输网络c a n 总线， 无线数据传输网络及两个网之间的桥梁一混合网络的网关。 在通信系统网络中，有线网络c a n 总线按c a n 2 0 a 协议进行 数据的传输，无线网络的数据传输方式是本文自行设定的一种实时 无线协议，此协议具有适应本系统特点，可靠性好等优点。具体设 计分析于本文第三章中详述。无线网络与有线网络通过混合网关进 1 6 j 未交逆欠挚硕士学位论文 行数据的交换和沟通。 图2 - 6 通信系统网络总体结构模型 2 4 控镧节点的总体设计 在此试风系统的总体结构中，控制节点有两种类型：c a n 总线 控制节点、无线遥控节点。这两总节点的功能各自不同，其总体设 计介绍如下。 j ; 1, 文 f 察 硕 士 学 位 论 文 2 . 4 . 1 c a n总线控制节点的总体结构设计 在系统中，c a n控制节点要完成的功能有:接收、识别上位机 通信卡传送来的报文;数据采集实时采集控制节系统中的气压 信号;根据工作流程控制气压阀的开关来满足试验测试的需要;按 要求完成特定的 控制功能;向外收发数据及向上位机汇报试验成功 信息，等待接收上位机收到的确认信息。按功能可以分为:数据采 集、 1 / o量输入输出、 c a n控制模块、 中心处理单元。 其中i / o量输 出1 6 路，输入8 路，a / d转换8 路。 根据c a n节点需要完成的功能， 通过比 较各大单片机生产厂家 的 产品， 选定a t m e l公司的a v r m e g a 1 2 8 作为c a n节点的核心 c p u , p h i l i p s 公司的s j a 1 0 0 0 作为c a n控制器。 其系统结构框图 如图2 - 7 所示。 骤 习 液晶显示 c p u 光电隔离 巨 控制电路 a n 节点模块 图2 - 7 c a n节点结构框图 在功能上，c a n模块完成有线网 络数据的通信; 液晶控制模块 完成试验状态的显示和手动控制的完成。 2 . 4 . 2无线遥控设备的总体结构设计 无线遥控节点是本文设计的一个主要环节，其中包括遥控节点 的硬件设计和基于无线协议的软件设计。无线节点中要完成的功能 ) ! l, 交 道 义 事 硕 士 学 位 论 、 有:实现无线数据传输，接收混合网关传送数据并在液晶屏上显示 当前试验状态，输入有效试验信息;实现电 源管理。其结构框图如 图2 - 8 所示。 图2 - 8遥控设备结构框图 ) d a 丈 道 又 季 硕 士 学 位 论 文 第三章 试风控制系统无线通信协议的设计及分析 3 . ，无线通信系统方案设计 无线遥控通信协议设计的关键在于根据实际 应用系统数据传输 的需要和物理线路设备的复杂性的实际情况，确定各协议层的数据 信息格式。以及它们之间的联系的处理方式。对于可靠的实时的数 据通信来说，各层协议应该建立上下层严格的数据交接次序以及在 保证处理时延的条件下，对异常出错应有可预见性及相应及时的处 理方法，保证通信正常的进行。 3 . 1 . 1无线通信系统设计要求 对于一个实用的无线遥控通信系统的技术要求是: ( 1 ) 准确度要高 系统发出的遥控指令一定要准确无误的执行，否则将造成无可 挽回的损失，作为先决条件，系统的测量参数也要有一定的精度。 ( 2 ) 反应速度快实时性 系统的传输速度取决于系统的结构和通信速率，应该根据具体 系统的速度要求来选择。试风系统对于实时性来说有一定的要求， 过长甚至未知的等待时间会降低工作效率，而且会使操作者不习惯 而造成误动作。 ( 3 ) 抗干扰性要强 要求在有各种干扰( 天气、射电、 宇宙噪声、 广播、工业干扰和 各种突发性脉冲干扰等) 的 情况下仍能保证系统的正常工作，因 此在 设计遥控系统时要采取差错校验、纠错编码等各种抗干扰措施。 ( 4 ) 工作安全， 可靠 试风系统是在车辆检修的车间进行作业，对遥控设备需要进行 远距离操纵和监控，而且作业环境的工况往往比较恶劣，因此对设 ) ! k 充 迈 又 笋 硕 士 学 位 论 文 备的可靠性要求较高。设备上控制电路在执行机构发生故障或系统 受到干扰时能迅速做出保护性反应，以免发生事故。 试风系统的遥控通信系统不同于一般的工业遥控系统，一方面 要完成对从端执行系统的控制;另一方面还在完成对有线控制系统 的实时同步的协调。一个完整的遥控通信系统不公要将控制指令实 时传送到从端，而且还要将执行装置的状态参数反馈回操纵端。本 文研究的试风系统的遥控通信系统，主要技术要求如下: 1 、能实现无线遥控和从端直接操纵两种模式的平滑切换。 2 、具有由有线通信方式和无线通信方式相结合的特点， 数据具 有兼容性。 3 、具有强大灵活的软硬件平台以及良好的可扩充性， 提供系统 升级的接口。 3 . 1 . 2无线通信系统功能原理分析 图3 - ， 是试风系统无线通信系统功能框图， 给出了遥控通信系统 主从实时数据信息交换、任务输入与控制、系统状态信息反馈以及 执行机构之间的祸合关系。信息交换部分是实现遥控的必要保证， 它为系统提供了一条保证实时、数据交换无差错的无线通道，使得 对于任务控制部分来说，只要处理实时的任务控制信息或者状态反 馈信息，而不必去关心具体的数据交换细节，这样可以大大降低控 制和数据交换的复杂性。 图3 - i 试风系统无线通信系统功能框图 六 1, 交 i f 硕 士 学 位 论 文 试风系统的遥控装置和执行机构分别处于两端，它们需要进行 双方的通信来获取对方的任务指示与当前的信息状况，以保证双方 任务的协调进行。其中，对于遥控通信系统来说，任务指令信息传 输的实时性和准确性要求是系统设计最为关注的问题。对于试风系 统中，从某种意义上来说，其作业任务的实时性是在保证数据传输 的准确性前提下的要求:因为对于执行机构系统来说不可恢复的错 误数据是不能利用的，系统也不可能去执行错误的指令而导致不可 预料的结果。可见， 无线数据通信系统设计需要考虑和解决的是通 信的可靠性和实时性的问题。 试风系统是在需要移动的恶劣环境下完成通信，必须借助抗干 扰能力强的无线电通信手段来提高信息传输的可靠性。一方面，需 要充分的研究移动信道的特征，选择合适的无线频段，传输数据时 采用抗干扰能力强的数字调制解调方式;另一方面，传输系统中加 入某种类型的差错控制技术，使接收数据端具有检错和纠正信息错 误的能力，使绝大部分错误都能通过差错控制系统予以纠正，从而 保证通信的质量。试风系统中无线数据通信的功能就考虑了上述问 题。其中，无线信