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工程硕士学位论文城市轨道动车动力系统状态随车检测平台的研究 摘要 为了实现城市轨道车辆的随车故障诊断，必须对轨道车辆电机运行时的各项参数 进行实时检测，并对检测到的参数数据进行处理，根据牵引电机的电流、电压和转速 等参数值计算出在牵引佛0 动工况下整车的牵引力n 动力及电机力矩的大小，并绘制 出各手柄位下的牵引制动特性曲线。以此为依据，对牵引电机的工作状态进行综合 评判，为实现车辆电气牵引系统故障诊断提供依据。 该测试系统由单片机数据采集、通信电路和微机检测程序组成。本文详细阐述了 本设计中单片机电路设计、单片机通信程序设计和用微机测试软件编写数据采集和故 障诊断程序设计的方法。其中单片机应用系统设计包括电流、电压和转速测量电路、 数据采集板、数据通信板的设计。微机测试软件采用可构成虚拟仪器的l a b v i e w 专 业测试软件，软件设计可分为三个模块：数据通信、数据采集及处理以及仪器面板控 制和结果显示模块。除此之外，还对电气牵引系统故障诊断的模糊综合评判方法进行 了探讨。 关键词：测试系统，数据通信，牵引制动特性，模糊综合评判 第1 负 ! ：堡塑圭堂垡堡塞 垫塑垫堕垫至塾垄墨竺鉴查堕至丝塑兰鱼塑竺塞 a b s t r a c t i no r d e rt od e v e l o p i n gf a u l tt e s t i n gs y s t e mi nv e h i c l e ，t h ec i t yr a i l c a r s e l e c t r o m o t o r p a r a m e t e r ss h o u l db et e s t e d ，c o l l e c t e da n dd i s p o s e di nr e a lt i m e ，s ot r a c t i o n b r a k ep o w e r a n de l e c t r o m o t o rm o m e n tc a nb ec a l c u l a t e db ye l e c t r i c a lc u r r e n t ，v o l t a g ea n dr o t a t es p e e d ： a n ds ot r a c t i o n b r a k et r a i tc u r v ec a l lb e p r o t r a c t e d a c c o r d i n g t o t h i s ，t r a c t i o n e l e c t r s m o t o r s w o r k i n gs t a t u s c a nb e g o tu s i n gf u z z ys y n t h e s i sj u d g em e t h o d ，w h i c h p r o v i d e sb a s e sf o rr e a l i z i n ge l e c t r i ct r a c t i o ns y s t e m sf a u l td i a g n o s i si nc i t yr a i l c a r t h i st e s t i n gs y s t e mi sc o m p o s e do fc o l l e c t i o na n dt r a n s f e r ss i n g l e c h i pc i r c u i t sa n d t e s t i n gp r o g r a m m e i nc o m p u t e r t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h em e t h o d sf o r d e s i g n i n gs i n g l e c h i p c i r c u i t s ，c o m m u n i c a t ep r o g r a m m ea n df o rd a t ac o l l e c t i o na n df a u l td i a g n o s i sp r o g r a m m e b yt e s t i n gs o f t w a r ei nc o m p u t e r t h es i n g l e c h i pd e s i g ni n c l u d e ss e n s o rc i r c u i t sf o rt e s t i n g e l e c t r o m o t o r se l e c t r i c a l c u r r e n t ，v o l t a g ea n dr o t a t es p e e d ，a n di n c l u d e sd a t ac o l l e c t i o n b o a r da n dd a t ac o m m u n i c a t i o nb o a r d ，a n di n c l u d e sr s ，2 3 2a n dr s 一4 8 5c o m m u n i c a t e m o d e l a b v i e w ，ap r o f e s s i o n a lt e s ts o f t w a r e ，i s a d o p t e d i n m a k i n gu p o fv i r t u a l i n s t r u m e n t s t h ed e s i g no fs o f t w a r ei n c l u d e st h r e em o d u l e s ：d a t ac o m m u n i c a t em o d u l e ， d a t ac a l c u l a t em o d u l ea n dt h ei n s t r u m e n t sp a n e lm o d u l eu s e dt o a c c e p t i n gt h ec o m m a n d a n dt od i s p l a y i n gt h er e s u l t i na d d i t i o n ，f u z z y s y n t h e s i s j u d g em e t h o d f o rf a u l td i a g n o s i si n e l e c t r i ct r a c t i o ns y s t e mi si n t r o d u c e d k e yw o r d s ：t e s t i n gs y s t e md a t at r a f f i ct r a c t i o n b r a k et r a i tf u z z ys y n t h e s i sj u d g e 第j i 贝 飞6 8 3 3 5 5 , 声明 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：o j 舂j 晕主a 8b 学位论文使用授权声明 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。 研究生橼型d 4 年j 玛| ；b 工程硕士学位论文 城市轨道动车动力系统状态随车检测平台的研究 1 绪论 1 1 本课题的背景和实际意义 我国随着百万人口以上城市的不断增多，城市交通紧张、乘车难、出行难、车速 低、事故多等一系列问题f 1 益突出。国内外发展城市交通的经验表明，城市轨道运 输系统运量火、速度高、时间准、安全性好、污染轻，对缓解大城市交通拥挤情况、 实现城市布局调整将起巨大作用。因此城市轨道交通在我国即将进入一个高速发 展的时期。 城市轨道车辆有多种类型，一般均采用电力牵引。由于城市轨道车辆的启动、 制动频繁，有别于铁路干线机车，其制动方式一般均采用电气制动为主、空气制动 为辅的空电联合制动方式口”。目前，城市轨道车辆由模拟制动机完成电空制动特性 配合的控制，电气制动特性的精确控制及电气制动力的精确观测是模拟制动机开发 及车辆电气制动特性研究的一个重要方面。而在城市轨道车辆的牵引i n 动状态检测 方面，我国还处在起步阶段，尚未能实现随车测量和精确的计算及模拟。所以，此 课题的意义在于：首先，对直流牵引电动机的牵引制动特性进行随车检测，以实现 对牵引传动系统的故障诊断；其次，在对轨道动车进行牵引控制时，需对电机工作 状态进行检测并依据反馈的电机力矩进行控制；另外，在利用模拟制动机控制车辆 制动时，需对电气制动力进行观测以对空气制动进行调节。这些都要求对车辆的直 流传动电气牵引制动特性进行检测。 1 2 国、内外现状 1 2 1国外情况 现代列车诊断系统采用车载诊断和地面诊断相结合的方式。车载诊断包括发车 前停车状态下的检测，如各种计算机控制装置的自检，以确定投入运行前的状念是 否良好；运行过程中对被控对象及相关装置进行功能诊断和记忆；在地面与其他设 备连接作维修性诊断。在国外车载诊断分三级结构，各自提供相应的诊断信息。三 级结构为： ( 1 ) 部件诊断 由微机控制的各部件的白诊断，以及对被控对象的监测诊断。诊断信息经编码 后，传输到车辆诊断计算机中。 ( 2 ) 车辆诊断 第1 吱 工程硕士学位论文 城市轨道动车动力系统状态随车检测平台的研究 动车或拖车的诊断计算机通过总线或输入、输出接口收集、分类、评估本车中 出微机控制的各部件诊断数据，并加以存储。此外，还要监测及处理环境参数及时 删标准，编码后传输到列车诊断中心。 ( 3 ) 列车诊断 列车诊断中一1 3 , 收集、分类、评估和存储全列车诊断结果，并在本务车上显示。 目前，国外许多企业在城市轨道车辆牵引制动检测方面，已经取得了许多具有 实用价值的科研成果，使轨道车辆随车检测技术得到不断提高，检测手段同益先进， 检测产品不断升级换代，但尚未形成统一标准。例如，在上海一号线投入运行的地 铁车上采用了德国西门子公司的城市轨道车辆状态随机检测系统。它不仅能够实现 地铁车系统状态参数的随车测量和显示以及简单的系统故障诊断及显示，而且能够 存储大量有效数据，以满足工程技术人员定期采集数据进行进一步分析的需要。在 上海地铁一号线车辆中，每节动车均设有一个牵引控制单元、每节车辆均设空气制 动控制单元和一个数据采集处理的智能分站列车总线采用r s 4 8 5 通信总线，在每组 车中的b 车上设有一个中央故障存储单元。 1 2 2 国内情况 目前，国内为数不多的地铁车辆、新型有轨电车已采用随车检测系统，但国内 列车故障诊断系统尚无成熟的产品，更无统一的标准。 目前国内列车故障诊断系统多引进国外技术，如长春客车厂开发的交流传动地 铁车辆随车检测系统从日本东洋电气株式会社引进。 国内个别车辆也有采用各自企业标准设计的故障诊断系统，如大连新型有轨电 车采用大连机车车辆研究所开发的随车检测系统，该系统在车内的数据交换均是通 过r s 4 8 5 通信总线实现的。但国内的产品均缺少更加深入的数据分析系统，目前铁 道部币在积极推进列车故障诊断系统统一标准的形成。 1 3 主要研究内容 本课题以直流牵引电动机处于发电机工况时的基本模型为基础，运用单片机和微 机对牵引电机的各项参数进行检测、计算，建立直流车辆电气牵引制动特性，并对 电气牵引系统的工作状态进行模糊综合评判。它能用于城市轨道车辆牵引怫4 动系统 随车故障诊断，在其开发、使用及检修等过程中起着重大作用。 从生产科研的实际需求出发，本课题的主要工作内容包括以下几个方面： 首先，要确定陔课题的理论依据，这是课题的理论基础，是课题可行性和f 确性 的前提和根本保证。该理论依据包括有轨电车的牵引和制动特性分析，以及牵引和制 第2 贞 工程硕士学位论文城市轨道动车动力系统状态随车检测平台的研究 动特性的计算参数和这些参数的计算方法。 其次，对有轨电车的牵引和制动状念检测的总体方案进行了设计，包括单片机和 微机两个部分，其中单片机部分包括数据采集和通信电路和单片机编程。硬件部分以 8 0 c 1 9 6 单片机和a t 8 9 c 5 2 单片机为主，设计成共用个数据存储器的双c p u 结构， 并利用汇编语言编写单片机程序，实现硬件电路的功能。另外，随着微机的各种功能 门趋完善和强大、价格下降、软件功能多样化，可以利用其进行信号处理和复杂的数 据计算，并与硬件电路相结合，实现传统仪器不能实现的功能。它有着传统仪器无法 比拟的优势，可以用一台微机上的软件编程来模拟多种传统仪器的功能，真正实现“一一 机多能”。 最后，本课题对城市轨道车辆电气牵引系统工作状念模糊综合评判的方法进行了 探讨，同时，对车辆的随车故障诊断作了有益的探索。 第3 页 工程硕士学位论文 城市轨道动车动力系统状态随车检测平台的研究 2 总体方案设计 2 1 系统总体要求 本系统主要是针对城市轨道车辆中的动车而设计的，利用此系统可对轨道动车牵 引电机的主要参数如牵引电机的电流、电压、转速等进行测量，同时该系统还可对列 车的卒气制动系统的主要状态参数以便利用这些参数对牵引电动机的运行状态进行 评估。由于在轨道动车中，牵引电机及空气制动系统设备的分布空间距离较大、电机 的运行电磁环境恶劣，因此要求该数据采集系统在进行硬件结构设计时，应充分考虑 传感器信号的传输距离、信号的抗干扰问题，同时i 纽要考虑该系统应可以在列车总线 下运行，系统应具备数据通信的功能。为此，根据城市轨道车辆自身的特点可以设计 一个基于计算机的数据测试系统。要想得到合理的结果，必须依赖于系统的每一个组 成部分设计的精确性，即计算机、传感器、信号调理、数据采集硬件和软件。 为了使该系统具有通用性和可移植性，将数据采集板和数据通信板的结构设计成 相似的双c p u 结构。采用一个8 0 c 1 9 6 k b 单片机和一个8 9 c 5 2 单片机共用一个 c y 7 c 0 0 6 数据存储器的形式，即两个单片机共用个数据存储器。8 0 c 1 9 6 k b 单片机 主要负责采集数据，并把它存储在数据存储器中；8 9 c 5 2 单片机主要将数据存储器中 的数据与其他的电路板的数据进行通信。这样设计的好处是分工明确，提高数据传输 的效率。用一个双口随机数据存储器在两个单片机之间传输数据相当于个高速并联 数据通信方式。 2 2 总体设计 目前，城市轨道车辆的控制及数据采集系统多采用总线结构，为了满足实时监测 的要求，此系统将装在车上，以小巧、轻便为宜：上位机部分采用计算机或工业控制 机，接收下位机采集到的数据，利用计算机强大的分析和计算等功能对数据进行有效 分析和处理，以便工作人员及时了解车辆运行状态，进行故障诊断，为实时控制车辆 提供前提条件。下位机部分是将传感器和单片机测试电路组合在一起的测试系统，它 的主要作用在于对牵引电动机的电流、电压等电气参数和电机转速等参数进行实时测 量，并将采集的数据以数据通信的方式传输到上位机中。 2 2 1 系统硬件结构 第4 页 王程哆：i = 学位论文城市轨道动车动力系统状态随车检测平台的研究 随着单片机技术的发展，以单片机为核心系统的在线检测技术性能逐渐稳定，并 且功能逐步增强。系统设计以简单实用为原则，尽可能采用集成器件组成硬件系统， 用来提高系统的可靠性和数据通信的精度。系统硬件结构示意如图2 1 所示。 按2 1 图所示，下位机各部分作用如下 ( i ) 数据采集部分 利用电流、电压传感器以及前置放大、滤波和转换电路，精确检测到牵引电动机 在某一时刻的电流、电压值，电机的转速值利用车载测速发电机测得，并通过频率 电压转换电路转换成电压信号，便于数据通信。利用多个数据采集板分别控制每一个 牵引电动机数据的采集过程，并将采集到的信号进行存储。这种分布式结构的优点在 于可对分布距离相对较远的不同转向架上的参数进行采集。 图2l测试系统总体结构示意图 ( 2 ) 数据通信部分 首先，多个数据采集板根据需要与数据通信板进行数据通信，将数据传输到数据 第5 页 = 程硕士学位论文城市轨道动车动力系统状态随车检测平台的研究 通信板的存储器中，或接收数据通信板传来的指令数据。城市轨道车辆般有前后两 个转向架，对动车而言，一般每个转向架设两个牵引电动机，前后两个转向架之问距 离较远，根据实际需要将数据采集部分做成分布式采集装置，即每个转向架配置一套 测试两个牵引电动机的传感器和一个数据采集板。两个数据采集板和总的数据通信板 之间由于距离较远，宜采用r s 一4 8 5 通信方式。因为r s 一4 8 5 通信的传输距离，通常可 达1 2 0 0 米，传送速率可达1 0m b i t s ，具有传输距离远、抗干扰性能好、可靠性高等 优点。 其次，利用数据通信板将采集到的数据传到上位机去，进行更深入的分析，还可 以接收上位机发来的控制指令。数据通信板与上位机通信采用r s 一2 3 2 通信方式。因 为r s 2 3 2 c 接口为异步串行通信接口，它可以在计算机之间及具备r s 一2 3 2 c 口的外 围设备之间进行数据通信，最高传送速率限制为2 0k b i t s ，传送距离在2 0 m 以内，完 全满足数据通信板与上位机之间数据通信的需要。 2 2 2 系统软件功能 如果没有软件，数据采集系统硬件不可能发挥很大的作用。因此，上位机的主 要作用是将下位机采集到的数据进行计算和分析，为判定车辆的运行状态提供依据， 并接收操作人员对控制系统发出的指令，将其传送到下位机。这样，在下位机的配合 下可以形成一个有机的整体。以微机作为测试系统的硬件平台，可以充分利用其强大 的数据存储、运算、显示及系统管理等功能，同时把传统仪器的专业化功能和控件面 板软件化，构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了 微机智能资源的全新的仪器系统。 本系统使用的微机测试软件l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) ，它综合了诸如满足g p i b 、v x i 、p x i 、r s 一2 3 2 和r s - 4 8 5 等标准接口以 及数据采集卡等硬件通信的全部功能，还内置了便于应用t c p i p 、a c t i v e x 等软件标 准的库函数，适合组建测试系统。 在本课题中，微机检测和故障诊断程序分为：数据通信模块、故障诊断模块、控 制及显示模块。各个模块之间是相互独立的，以保证各个模块丌发的独立性，同时便 于软件的设计和日后升级改进。 ( 1 ) 数据通信模块 按照一定的通信协议，编制本系统通过串行数据总线交换数据的程序； ( 2 ) 故障诊断模块 将采集到的数据存入数据库，并从数据库调用数据进行计算，得到牵引电动机的 牵引力帝4 动力及电机力矩，画出城市轨道车辆牵引，制动特性曲线，并以此为依据， 第6 贞 工程硕士学位论文城市轨道动车动力系统状态随车检测平台的研究 对电气牵引系统状念进行进行综合评判； ( 3 ) 控制及显示模块 将计算结果显示在微机屏幕上，并且负责接受操作人员发出的各种命令，管理下 位机的操作。它是管理人机交互界面的重要环节。 2 3 系统特点 ( 1 ) 系统硬件设计采用两个数据采集板，由于功能一致，考虑到硬件通用性， 将其扩展成分布式数据采集系统，使之具有推广性，能广泛地应用于其它具有相似要 求的测试场所，即可采用多个数据采集板进行数据采集，用一个数据通信板进行多个 数掘采集板的数据通信管理。r s 一4 8 5 通讯接口可同时接3 2 台驱动器和3 2 台接收器， 最大传输距离为1 2 0 0 米，可以保证多个数据采集板和数据通信板之间数据通信的要 求。 ( 2 ) 借助于“虚拟式仪器”的思想，用户能够利用l a b v i e w 软件根据自己的需 要定义仪器的功能，使系统具有“开放性”，可建成一个开放式的软件开发平台。微机 能提供远胜于传统仪器的处理能力，可以在微机上通过软件编程构造几乎任意仪器的 功能。此外，利用l a b v i e w 软件建成的软件开发平台还具有“集成性”，借助于一台 微机可以同时实现多种仪器的功能，这是传统仪器做不到的。 基于上述分析，该设计不仅能满足本课题的需要，还能加以简单改造后应用于其 它测试场所，具有一定的实用和推广价值。 2 4 本章小结 本章对课题总体方案进行总体论述，突出了此方案的几个特点，即具有“开放 性”、“集成性”、“可扩展性”等。从理论上论证该系统的可行性、实用性和可操作 性，使课题方案具体化，给人以宏观上的了解。 第7 页 工程硕士学位论文 城市轨道动车动力系统状念随车检测平台的研究 3 系统硬件设计 3 1 传感器及前置电路 传感器的作用是把物理信号转换成电信号。例如：热电偶、r t d s 、热敏电阻、 集成电路传感器等，都将温度转变成电压和电阻。又如应变片、流量传感器、压力计 等将应变、流速、压力转换成电信号。对于每种传感器，电信号的大小都与被峪测的 物理参数成比例。从传感器输出的信号必须经过调理才能够连入数据采集板，信号调 理包括放大、隔离、滤波、传感器激励、线性化等处理。在本设计中，需要用传感器 及前置调理电路对于牵引发电机的电流、电压和转速等信号进行转换与放大，然后输 入数据采集板以便精确计算牵引力制动力和电机力矩的大小。因此，传感器的选择 和前置电路的设计是测试系统正常工作的前提条件。 3 1 1 电流、电压传感器 以有轨电车为研究对象，它的牵引电动机额定电压为3 7 5 v ，最大电流为4 6 0 a 。 根据设计需要，电流、电压传感器选择l e m 系列。其工作原理是磁平衡原理，即原 边电路产生的磁场通过一个次级线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔器始终处 于检测零磁通的条件下工作。由于测量电流补偿了原边磁通，它能真实地反映原边电 流的波形。而且，原边电路和测量电路是完全绝缘的。 电流传感器采用北京莱姆电子有限公司生产的l t 3 0 0 s ，其额定电流3 0 0 a ，测量 范围0 - 6 0 0 a ，线性度o 1 ，电源电压1 2 1 8 v ，穿孔直径2 0 m m ，重量2 2 0 9 。 电压传感器采用北京莱姆电子有限公司生产的l v 2 0 0 a w ，2 “o o ，其额定电流2 0 m a ，测量范围0 - 6 0 0 v ，线性度0 1 ，电源电压1 5 2 4 v ，原边额定电压4 0 0 v ，重量 2 k g 。电机电压和电流信号从传感器出来后必须经过滤波，才能输入8 0 c 1 9 6 单片机 的a d 转换引脚，滤波电路如图3 1 所示。 3 1 2 转速传感器及前置电路 牵引发电机的转速，可以利用车载光电测速装置进行测量。它由光电脉冲发生器 及检测装置组成，具有低惯量、低噪声、高分辨率和高精度的优点，有利于控制直流 伺服电动机。脉冲发生器连接在被测轴上，随着被测轴的转动产生一系列的脉冲，然 后通过检测装置对脉冲进行比较，从而获得被测轴的速度。 数字测速方法为m t 法测速。m t 法是同时测量检测时i 、日j 和在此检测时矧内脉 冲发生器发送的脉冲数来确定被测转速。它是用规定时间间隔1 * 以后的第一个测速 第8 负 工程硕士学位论文 城市轨道动车动力系统状态随车检测平台的研究 脉冲去终止时钟脉冲汁数器，并由此计数器的示数。来确定检测时间t 。则检测时 间为 r = 咒+ a t( 4 - 1 ) 设电机在7 1 ( s ) i j 寸f n j 内转过的角位移为x ( r a d ) ，则转速为 筹= 茄 ， ”2 丽2 西瓦i 而 4 之j 图3 1 滤波电路 如果脉冲发生器每转输出p 个脉冲，在丁时间内，计数值为，l 。，则角位移x 为 肖：孕 ( 4 3 ) d 、 同时，考虑在检测时i 砌t = 瓦+ a t 内，由计数频率为六的参考时钟脉冲来定时，且 计数值为m ：，则检测时问r 可表示为 r = 粤( 4 4 ) ，c 于是被测转速为 铲警( r m i n ) ( 4 _ 5 ) 式( 4 5 ) 中的6 0 l e 项是常数，在检测时间t 内，分别取测速脉冲，。和时钟脉 冲正的脉冲个数m 和m ：，目 jn - i 计算出电机转速值。然后将信号直接输入数据采集板 的8 0 c 1 9 6 单片机的a ，d 转换器接口，或8 0 c 1 9 6 的高速输入口h i s 1 。 第9 负 工程硕士学位论文城市轨道动车动力系统状态随车检测平台的研究 3 2 数据采集板与数据通信板设计 根据本设计的需要，8 0 c 1 9 6 k b 单片机和8 9 c 5 2 单片机扩展成3 2 k 容量的1 6 位 地址1 6 位数据总线，而c y 7 c 0 0 6 是1 6 k 8 位的存储器，因此采用两个c y 7 c 0 0 6 数 据存储器。另外，9 0 c 1 9 6 k b 单片机需要外扩1 6 k 容量的程序存储器，而2 8 c 6 4 ( a ) 为8 k 8 位的存储器，因此采用两个2 8 c 6 4 ( a ) 程序存储器。8 9 c 5 2 单片机本身带有 8 k 的程序存储器，满足本设计的要求，不用单独扩展。 数据采集板和数据通信板的不同之处在于两者的接口不一样。数据采集板主要利 用8 0 c 1 9 6 k b 单片机采集传感器电路的数据，并用8 9 c 5 2 单片机完成与数据通信板 上的8 0 c 1 9 6 k b 单片机之间的数据通信，并且是一个数据通信板管理多个数据采集 板，它们之间采用r s 一4 8 5 总线。所以数据采集板与传感器电路的接口采用插座形式， 而数据采集板与数据通信板之间的接口采用r s 4 8 5 总线的接口芯片m a x l 4 9 0 b 。 数据通信板主要利用8 0 c 1 9 6 k b 单片机与数据采集板上的8 9 c 5 2 单片机之间的 数据通信，并用8 9 c 5 2 单片机与计算机或工控机之间的数据传输，它们之间采用 r s 一2 3 2 总线。所以数据通信板与数据采集板之间的接口采用r s 4 8 5 总线的接口芯片 m a x l 4 9 0 b ，而数据通信板与计算机或单片机之间的接口采用r s 2 3 2 总线的接口芯 片m a x 2 3 2 。 3 2 18 0 c 1 9 6 k b 单片机扩展 8 0 c 1 9 6 是i n t e l 公司生产的m c s 一9 6 系列十六位单片机。m c s 一9 6 系列使用 c h m o s 技术产品，1 6 m 时钟，数据地址线均能动态配置成1 6 位。它具有高速度、 低功耗的特点，除5 个8 位的i o 口外，还具有高速i ，o 端口，并集成了先进的外 设事务服务器和事件处理器阵列e p a 。片内的w d t ( 看门狗电路) 具有程序防飞和 抗于扰功能。并且，它采用寄存器一寄存器结构，极大地提高了c p u 的操作速度和数 据吞吐能力f 3 1 。 8 0 c 1 9 6 k b 单片机性能卓越、应用开发技术成熟、价格低廉，目前已成为测试和 控制用单片机的理想机型之一。其c p u 具有很强的计算处理能力，运算速度快，考 虑到功耗和价格因素，选用m c s s o c l 9 6 k b 型单片机。 3 2 1 18 0 c 1 9 6 k b 单片机扩展基本电路 首先，8 0 c 1 9 6 k b 单片机需要一个时钟源进行操作，这个时钟可由外接晶体和内 部电路构成的晶体振荡器产生，也可由外部时钟直接提供。在此，采用外部时钟提供 晶振信号，频率采用1 6 m h z 。晶体接在x 1 与x 2 之间，外接电容器c 2 和c 3 取2 0 p f ， 2 0 p f 对于工作于i m h z 以上的质量较好的晶体都能获得较好的效果。8 0 c 1 9 6 k b 单 第1 0 砸 工程硕士学位论文 城市轨道动车动力系统状态随车检测平台的研究 片机的外部时钟，如图3 - 2 所示。 图3 28 0 c 1 9 6 单片机时钟信号 图3 3m a x 6 9 1 的应用电路 当外部电源干扰或在电源开关过程中，c p u 工作在电压不稳定状态下，往往会 令数据丢失。因此必须保证c p u 在5 v 工作电压稳定状态下工作，有效措施是一旦 工作电压低于4 7 v 时使c p u 及时钟芯片复位有效，同时禁止访问外r a m ，并将备 用电源切换至r a m 。因此，选用新型微控制器监控电路m a x 6 9 l 进行复位操作。监 控电路m a x 6 9 1 的特点是功耗少( 等待状态电流为l u a ) ，可靠性高且电路简单，利 第1 i 贞 工程硕：学位论文城市轨道动车动力系统状态随车检测平台的研究 于大批量生产。其工作原理是：一旦工作电压低于4 7 v 时，它可对c p u 和时钟芯片 的复位端及外r a m 片选端同时进行有效的控制，并自动切换到备用电池供电，在工 作电压回复正常后，各复位端延迟5 0 m s 后释放，使系统回复正常工作状态，从而 保障了系统一常可靠工作。通过长时间实践证明其抗干扰效果很好。m a x 6 9 1 的实际 应用电路如图3 3 所示。 3 2 1 28 0 c 1 9 6 k b 单片机扩展程序存储器 大容量存贮是此测试系统的一大特点。8 0 c 1 9 6 k b 有1 6 根地址线，程序区、数 据区是统一编址。标准状态下只有6 4 k 的程序、数据存储空间，不能满足设计要求， 需要对存储器空间进行扩展。为此，选用外扩3 2 k 双口r a mc y 7 c 0 0 6 数据存储器 以及1 6 k 的e e p r o m 2 8 6 4 ( a ) 电擦除可编程只读程序存储器。8 0 c 1 9 6 k b 单片机扩展 程序存储器示意图如图3 | 4 。 8 0 c 1 9 6 k b 单片机扩展程序存储器的方式如下：因为2 8 6 4 ( a ) 是8 位的程序存储 器，需要1 6 k 时必须用两个相同的2 8 6 4 ( a ) ；地址总线为1 6 位，必须用两个8 位地 址锁存器7 4 l s 3 7 3 分离地址数据总线上的地址和数据信号。7 4 l s 3 7 3 ( 1 ) 负责前。一7 位地址的锁存，而7 4 l s 3 7 3 ( 2 ) 负责前8 1 5 位地址的锁存。2 8 6 4 ( 1 ) 存储数据的高8 位； 2 8 6 4 ( 2 ) 存储数据的低8 位。8 0 c 1 9 6 k b 单片机的a l e 脚同时与两个7 4 l s 3 7 3 的l e 脚相连，对7 4 l s 3 7 3 发出地址锁存指令。因为8 0 c 1 9 6 k b 单片机对程序存储器只进 行读操作，不进行写操作，所以只要将其r d 脚同时与两个2 8 6 4 的o e 脚相连，当 对r d 脚发出读指令时，就对两个2 8 6 4 进行读数据的操作。另外将7 4 l s 3 7 3 分离后 的1 4 和1 5 地址线通过7 4 l s l 3 9 的一个脚与2 8 6 4 的c e 脚相连，7 4 l s l 3 9 作为 8 0 c 1 9 6 k b 单片机的片选芯片对程序和数据存储器进行选择。 图3 48 0 c 1 9 6 k b 单片机扩展程序存储器 工程硕上学位论文城市轨道动车动力系统状态随车检测平台臼勺研究 3 2 1 3 8 0 c 1 9 6 k b 单片机扩展显示电路 本设计在数据通信板上需要能够显示更为直观和具体的信息，因而选择点阵式液 晶显示器l e d 作为显示终端。液晶显示器具有微功耗、体积小、重量轻、超薄等诸 多其它显示器件无法比拟的优点。 因此，点阵式液晶显示器的配置选择东芝产品d m f 5 0 0 0 1 n 型。d m f 5 0 0 0 l n 硬 件接口简单、功耗低，适于在便携式电池供电的仪器上使用，图形式液晶显示器可显 示数据、汉字、图形曲线，在测试现场能直观地显示测试信号、分析计算的数据及进 行频谱分析，有利于现场的分析诊断。由于显示器的电路比较规范，具有集成性。 3 2 2 8 9 c 5 2 单片机扩展 由a t m e l 公司生产的a t 8 9 c 5 2 单片机与m c s 5 1 单片机指令兼容，并且它融 8 0 3 1 核与闪速( f l a s h ) 存储器技术于一体，是低功耗、高性能的8 位c m o s 微处理器 芯片。片内有8 k 字节的i 、 j 速可编程及可擦除只读存储器，它的擦写次数为1 0 0 0 次， 数据存储器的容量为2 5 6 k 8 位，数掘保存期可达1 0 年。它有3 2 个i o 口，3 个1 6 位定时器，8 个中断源，1 个全双工串行口。出于a t 8 9 c 5 2 具有可编程的串行通道， 可用于变频器、p l c 、控制仪表的通信，并且在停电状态下能有效地、低能耗地保持 片内r a m 数据，因此多被用于分布式控制系统中。 在本设计中，a t 8 9 c 5 2 单片机无须外扩程序存储器，省去了常规最小系统中的 e p r o m 和地址锁存芯片，只需扩充少量的外围：笛片，即可实现系统所需要的数据通 信等功能。 a t 8 9 c 5 2 单片机的外部时钟基本上8 0 c 1 9 6 k b 单片机相同。不同之处在于根据 ，l 图3 58 9 c 5 2 单片机时钟信号 需要，外部晶振信号频率设为1 2 m h z ，外接电容器c 4 和c 5 取3 0 p f 。a t 8 9 c 5 2 单 第1 3 页 工程硕士学位论文城市轨道动车动力系统状态随车检测平台的研究 片机的外部时钟如图3 5 所示。 另外，a t 8 9 c 5 2 的电源及电源监控电路、复位方式也与8 0 c 1 9 6 k b 单片机相同 采用同一个m a x 6 9 1 复位电路进行电源监控和复位控制。 3 2 38 0 c 19 6 k b 与8 9 c 5 2 共享数据存储器 为了增强单片机系统的功能和数据通信效率，可采用8 0 c 1 9 6 k b 与8 9 c 5 2 两个 单片机共用一个数据存储器c y 7 c 0 0 6 。因为单片机系统一方面要进行现场数据的采 集和简单的处理和控制。另一方面要将数据快速通信给上位机，两方面都要求有较强 的实时性。为使这两个方面不受对方的制约而能随时或同时进行，考虑用两个单片机 分别完成上述功能。一个单片机采集数据，另一个单片机进行数据通信，二者共用一个 外部r a m 。双端口r a m 具有两个端口，它是提高双处理器通信效率的一种有效方 法。为此，我们采用双端口r a m c y 7 c 0 0 6 。 c y 7 c 0 0 6 芯片是一种高速1 6 k 字节的八位双口静态随机存取存储器，其最大存 取时i n j 有2 5 n s ，3 0 n s ，4 0 n s ，4 5 n s ，5 5 n s 几种类型，有d i p 、p l c c 及l c c 多种封 装。两个端口都有各自独立的地址、数据和控制引脚，它能够独立地对所有的存储空 间进行存取操作。片选( c e ) 、读写使能( 刚w ) 、输出允许( o e ) 方便了数据的存取。 b u s y 信号显示本端口想要存取的地址正在被另一个端口操作。当向两个最高单元分 别放入数据时，将产生中断信号i n t l 和1 n t r ，利用它们可以将数据的存取设管为 中断方式。b u s y 和i n t 都是漏极开路输出，需要上拉电阻。 8 0 c 1 9 6 k b 和a t 8 9 c 5 2 单片机扩展数据存储器的方式如下：c y 7 c 0 0 6 为8 位存 储器，可采用两个c y 7 c 0 0 6 ，组成1 6 位的数据存储器。其中，一个为主存储器，另 一个为从存储器。当m s 置为高电平，则存储器为主存储器，b u s y 为输出信号；反 之，则为从存储器，b u s y 为输入信号。因此，主存储器的m s 脚接高电平；从存储 器的m s 脚接低电平。 8 0 c 1 9 6 k b 用两个地址锁存器7 4 l s 3 7 3 连接两个c y 7 c 0 0 6 ，对地址数据总线上 的地址进行分离。同样，a t 8 9 c 5 2 单片机也用两个7 4 l s 3 7 3 连接这两个c y 7 c 0 0 6 ， 连接的方式同8 0 c 1 9 6 k b 。 8 0 c 1 9 6 k b 单片机采用7 4 l s l 3 9 芯片对程序和数据存储器统一管理。方法与片选 程序存储器相同。而a t 9 9 c 5 2 单片机对两个数据存储器的片选利用两个或门和一个 反向器7 4 l s 0 4 组成，利用7 4 l s 3 7 3 分离后的0 和1 5 地址线作为输入，或门的输出 与两个数据存储器的c e 脚相连。利用o 和】5 地址线的高、低电平不同的组合，产 生不同的片选信号，对不同的数据存储器进行读写，或同时对这两个数据存储器进行 操作。 8 0 c 1 9 6 k b 单片机采用标准总线控制方式对数据存储器进行读和写的操作。它的 蓖1 4 页 工程硕士学位论文 城市轨道动车动力系统状态随车检测平台的研究 r d 脚同时与两个c y 7 c 0 0 6 一侧的o e 脚相连，对数据存储器进行读数据的操作；另 外8 0 c 1 9 6 k b 提供标准信号w r 、b h e 和a l e ，每次写操作都输出w r 写有效信号。 在整个总线周期内b h e 都有效，w r 、b h e 和a 0 组合后以译码形成w rl o w 和 w r h i g h 信号，即写低字节和写高字节信号。这两个信号分别与两个数据存储器 c y 7 c 0 0 6 的r w 脚相连，完成分别对两个c y 7 c 0 0 6 的写操作。a t 8 9 c 5 2 的r d 脚 分别与两个数据存储器c y 7 c 0 0 6 的另一侧的o e 脚相连，同时对两个c y 7 c 0 0 6 进行 读操作：另外a t 8 9 c 5 2 的r e ) 脚和w r 脚通过个反向器7 4 l s 0 4 和一个或门7 4 l s 3 2 组合后与c y 7 c 0 0 6 的另一侧的r w 脚相连，对两个c y 7 c 0 0 6 进行写操作。 由于8 0 c 1 9 6 和8 9 c 5 2 单片机读写双端口r a m 的速度不一致，有可能造成 8 0 c 1 9 6 和8 9 c 5 2 同时对c y 7 c 0 0 6 的同一存储单元进行读写，发生读写逻辑错误。 为此，c y 7 c 0 0 6 提供了一个b u s y 信号，当两个单片机同时对c y 7 c 0 0 6 的同一存储 单元进行读写时，和后对浚单元进行读写的单片机相连的那一侧的b u s y 脚变成低 电平，通知后对该单元进行读写的单片机等待，避免冲突。 8 0 c 1 9 6 单片机提供了一条就绪线r e a d y ，扩展读写信号的脉冲宽度，以适应慢 速存储器或外设的时序要求。当8 0 c 1 9 6 单片机对8 9 c 5 2 单片机正在读写的存储器单 元进行操作时，c y 7 c 0 0 6 向8 0 c 1 9 6 单片机一侧提供了一个b u s y 信号，b u s y 脚变 成低电平，使与之相连的8 0 c 1 9 6 的r e a d y 线变成低电平，这时8 0 c 1 9 6 单片机的 c p u 自动插入等待状态，等时间到了再继续以前的操作。 但是8 9 c 5 2 单片机没有就绪线r e a d y ，不能用与8 0 c 1 9 6 单片机相同的方法。 利用其外部中断i n t l 模仿r e a d y 脚的功能，将双口r a m 右端口与8 9 c 5 2 单片机 相连一侧的的b u s y 脚和8 9 c 5 2 单片机的i n t i 脚相连，当r e a d y 脚就被拉低时， i n t l 脚就被拉低，产生外部中断，在中断程序中通过编写软件产生延时，相当于插 入等待周期，同样达到避免争用的效果。 当8 9 c 5 2 单片机向8 0 c 1 9 6 单片机方向传递指令数据时，采用中断判优方式。双 端口r a m 一般都把最高的两个存储单元作为信息传递单元。其中最高单元作为右边 端口的信息传递单元，而次高单元作为左边端口的信息传递单元。当左边端口写右边 端口的信息传递单元时，右边端口就会产生一个中断信号i n t ；当右边端口读取这个 信息传递单元后，该中断就被复位。其中所传递的信息由用户自己定义。右边端口写 左边端口的过程与此相反。因此利用这一个特点将两个双端1 2 1r a m 两侧的i n t 分别 连到8 9 c 5 2 单片机和8 9 c 5 2 单片机各自的中断输入口，用c y 7 c 0 0 6 最高两个地址单 元作为“邮箱”来传送中断信息，判别中断的先后顺序 1 7 。 3 2 4 数据采集板和数据通信板设计 数据采集板和数据通信板设计都是将前文所述的双c p u 结构扩展而成的。根据 王堡硕士学位论文城市轨道动车动力系统状态随车检测平台的研究 数据采集板所实现的功能，可将双c p u 结构的8 0 c 1 9 6 k b 单片机与传感器测量电路 的接口设计成插座的形式；并将a t 8 9 c 5 2 单片机与数据通信板的8 0 c 1 9 6 k b 单片机 之间的接口设计成r s 一4 8 5 总线形式，具体用r s 一4 8 5 的接口芯片m a x i m l 4 9 0 b 的电 路实现。 数据通信板设计不同之处是将双c p u 结构的8 0 c 1 9 6 k b 单片机用r s 一4 8 5 接口芯 片m a x i m l 4 9 0 b 的电路与数据采集板的a t 8 9 c 5 2 单片机相连；而数据通信板的 a t 8 9 c 5 2 单片机用r s 一2 3 2 总线的接口芯片m a x 2 3 2 电路与微机或工控机的