（安全技术及工程专业论文）基于CAN总线的试风控制系统的研究与实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a yi n f o r m a t i o ne v o l u t i o na n dd i g i t a l r e n o v a t i o n ，t h ev e h i c l ea i rp r e s s u r et e s t i n gd e v i c es h o u l dt e s tt h ea i rb r a k e s u c c e s s f u l l yn o to n l y , b u ta l s os h o u l db e m o r ea n dm o r es a f e ，r e l i a b l ea n d r e a l - t i m e u s i n ga v r m i c r o c o n t r o l l e ra n dc o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ( c a n ) b u st e c h n o l o g y , t h ev e h i c l ea i rp r e s s u r et e s t i n gs y s t e mb a s e do nc a nb u s c o m m u n i c a t i o ni sd e s i g n e di nt h i st h e s i s i ti saf i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) c o m p o s e d o fap n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，c a nb u sc o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n dr e a l t i m ed a t a b a s e a tf i r s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e dt h ef o r m e rs i n g l ec a r t e s t i n gc o n t r o l s y s t e m ，a n da n a l y z e dt h ep r o b l e mt ob er e s o l v e d a tt h es a m et i m e ， g e n e r a l l yi n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n da p p l i c a t i o na b o u tc a n b u sc o m m u n i c a t i o n t h e n ，d e s c r i b e dt h e s y s t e m a t i cd e s i g n ，i n c l u d i n g d e s i g no f t h es y s t e mm o d e l ，t h ee x e c u t i n gm e c h a n i s m ，t h ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，a sw e l la st h eh o l i s t i cd e s i g no fc a n b u sn o d e b e i n gt h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ev e h i c l e a i r p r e s s u r et e s t i n g s y s t e m ，e a c hc a n b u sc o n t r o ln o d eh a st w op a r t s ：t h es i g n a lc o l l e c t i o n a n dm a n a g e m e n tm o d u l ea n dl e ds c r e e nd i s p l a ym o d u l e i tc a nc o l l e c t t h ea i ds i g n a l ，c o n t r o lt h ei op o r tt om a k et h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v e w o r ka n dc o m m u n i c a t ew i t hp ct h r o u g hc a nb u s ，a p p l y f r i e n d l y i n t e r f a c ei n c l u d i n gc h i n e s eh i n ta n dp a r a m e t e rd i s p l a y e a c hc a nn o d e c a nw o r ki nt h en e t w o r k ，t r a n s f e rt h ee x p e r i m e n ti n f o r m a t i o nb e t w e e np c t h r o u g hc a nb u s a tt h es a m et i m e ，p cu p d a t c st h er e a l - t i m ed a t ab y m o n i t o rs o f t w a r e e a c hn o d ea l s oc a na c c o m p l i s ht h ee x p e r i m e n to f f l i n e ， a n ds a v et h ee x p e r i m e n tr e s u l t si nt h ea v r m i c r o c o n t r o l l e re e p r o ma n d p r i n tt h e m b a s e do nd e t a i l e d a n a l y s i so fc a n b u sp r o t o c o l ，i nt h i sp a p e r , t h e i i a b s t r a c t p h y s i c a il a y e r ，d a t al i n kl a y e ra n dt h ea p p l i c a t i o nl a y e ri sd e s i g n e d c o r r e c t l yf o rt h es y s t e m p cr e c e i v e sa n dt r a n s f e r sc a n b u sd a t ab ya n r s 2 3 2 c a n p r o t o c o l c o n v e n e rc a r d ，w h o s eh a r d w a r ea n ds o t t w a r e d e s c r i b e d d e t a i l e d l yi nt h e t h e s i s t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t sh a v ed e m o n s t r a t e dt h a te v e r yp a r to f t h e s y s t e mr u n sw i t l ls t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , w h i c hp r o v e st h a tt h es o l u t i o n d e s i g no f t h es y s t e mi sf e a s i b l ea n dt h ed e s i g no ft h es y s t e mh a ss a t i s f i e d t h e r e q u i r e m e n t s i t a d v a n c e st h ef i e l d e f f i c i e n c y a n dp r o v i d e s g r e a t c o n v e n i e n c ei na d m i n i s t r a f i o nv i an e t w o r k k e yw o r d s ：c a nb u s ，a i rp r e s s u r et e s t i n gs y s t e m ，a v r m i c r o c o n t r o l l e r r s 2 3 2 c a nb u s p r o t o c o lc o n v e r t e r m 第一章绪论 随着铁道运输事业的发展，客货列车的运行速度越来越高，货车 编组及载重也向长大编组、重载运输的方向发展。为满足这一目的， 对车辆的运行性能及检修质量的要求也越来越高，尤其是车辆的制动 性能，成了严重影响运输质量的关键因素之一。 同时，自动化技术、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已经相应提高。 随着计算机网络及控制网络的各自发展，人与人、设备与设备之 间已经被密切的连接起来。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。 1 1 研究背景 1 1 1 车辆试风系统简介 根据铁道部铁路货车段修规程及车辆空气制动装置检修规 则规定，凡新造车和施行辅修及以上修程的车辆，均应按下列步骤 及要求进行单车试验：管系泄漏试验、制动及缓解感度试验、制动安 定试验、紧急制动作用试验、加速缓解阀试验( 1 2 0 型) 、半自动缓解阀 试验( 1 2 0 型) 、闸调器试验。试验准确性的程度将直接关系到车辆能否 正常运行。 目前在车辆制造及修理过程中，对车辆制动性能的检查大多依靠 人工操作的第一代单车试验器来完成i l 】。如图1 - 1 所示，单车试验器 由远心集尘器、给气阀、单车试验操纵阀( 单阀) 、双针压力表、放风 塞门等组成。单阀的基本作用是控制列车管的空气压力f 充气、排气或 i # _ ：素交通义挚硕士学位论文 保压) 。根据试验需要可将单阀中的回转阀和阀座孔路设置为以下6 种 不同的工作方式：快充气、慢充气、保压、制动感度试验、安定试验 和紧急制动。根据不同的试验项目选择相应的回转阀位置。 、了 7 一 图1 - 1 传统的手动单车试验器系统框图 这种单车试验器原理简单，操作工容易掌握，维修和保养也比较 方便，但在应用过程中存在比较严重的缺陷，表现在以下几个方面【2 】： ( 1 ) 不能自动控制时间，测试时间具有一定的人为性和随意性， 影响了试验结果的真实性； ( 2 ) 仪表上各种压力显示太少，不能全面观测被测制动机的实际 工作状态； ( 3 ) 压力表本身精度低，并且随试验员经验和读数视差的不同， 试验结果可能会出现一些偏差； ( 4 ) 不能自动控制压力的变化，在压力变化过程中如果作业者观 测或操作出现偏差和失误，则将会导致测试结果失去准确性； ( 5 ) 不能随车及时记录数据，难以保证车统4 7 记录本上记录的数 据和结果的真实性： ( 6 ) 旧单车试验器在不同的台位间作业时要拖来拖去，劳动强度 大、操作不方便、效率较低。 中国专利c n l 2 3 4 5 0 1 公开了一种微机控制单车试风系统，由无线 遥控装置、微机控制系统和执行机构组成【3 】。工作时，根据单车制动 机全部试验要求，编成位置代码由计算机软件编程之后，通过对讲机 与微机通话，试验人员按照编程代码给微机发出所需的遥控指令，微 机接收到代码之后，控制步进电机带动齿轮及回转阀手柄转到指令所 2 需的位置，压力传感器将所在位置检测到的压力反馈给计算机，语音 系统回答检测结果，微机将试验结果保存并打印。它是一种用于大库 作业的固定设备，存在的不足是：只适用于固定台位的检修作业，对 于不固定台位及任意车距的单车试验却无法完成；用对讲机与控制微 机交互，在作业现场不易操作。 针对上面的不足，专利c n 2 5 6 0 9 3 6 y 公开的微机控制单车试验器 中实现了试验进程及一些实时数据的显示功能、通过n 套风路系统同 时试验多辆车，节省了工作时间和设备台数、采用i c 卡技术对设备 管理和试验结果进行转储、采用小车为载体，推行方便。在实际应用 中，发现其仍然存在以下的不足【4 l ： ( 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。 ( 3 ) 安全性不够高，且工人在实施试验过程时有可能作弊。 国外同类产品中主要以美国n y a b ( n e wy o r ka i rb r a k e ) 公 司研制的c s c t d ( c o m p u t e r i z e ds i n g l ec a rt e s td e v i c e ) 具有代表性【5 j 。c s c t d 是美国铁路协会a a r 认可的计算机化检测设 备，它主要由微机控 制系统和执行机构 组成，具有显示和存 储功能，并提供了与 计算机相连的9 帧 串口接口和与打印 机相连的2 5 帧标准 并口打印线，通过内 置充电电池和两侧 的挂架使其具有良 图1 - 2 美国n y a b 公司研制的c s c t d 示意图 3 i 立交逼又攀硕士学位论文 好的便携性能和可操作性能。 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，结合已有的 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。 本文所设计的系统主要是来源于北京交通大学交通安全实验室与 石家庄南车辆段合作的车辆单车试风微机控制的科研课题，该系统要 实现一个气动控制系统、有线通信的网络总线控制系统及数据库系统 的综合控制系统。在这一f c s ( 现场总线控制系统) 中，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 现场总线和c a n 总线在国内外发展状况 1 2 1 现场总线的起源与发展 我国的工业控制体系大体经历了四代：基地式气动仪表控制系统、 电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统和集散控制 系统d c s 。随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，2 0 世纪 8 0 年代中期产生了现场总线。根据国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 定义， 现场总线是“安装在生产过程区域的现场设备仪表与控制室内的自 4 绪论 动控制装置系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线”。 现场总线技术将专用微处理器置人传统的测量控制仪表，使之数字 化、智能化，采用可进行简单连接的双绞线等介质将位于现场的各种 智能设备及各种控制设备连接成网络系统，并按公开、规范的通信协 议进行数据传输与信息交换。它突破了d c s 相对封闭的限制，将测控 任务分散到现场设备中，上位计算机只负责监控以及一些复杂的优化 和先进控制的功能1 6 j 。 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，据称现在已开发出了一百多种现场总线，主要的种类有：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 - m u x ， 以及a s i ( a c t r a t u r s e n s o f 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 准组织基金会现场总线f f ：f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，w o r l d f i 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i7 1 。 以现场总线技术为基础形成的一种新型的网络集成式全开放控制 系统一现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) ，适应了工 业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向，成为全球工业自 动化领域的热点之一，受到人们的关注。随着数字化的发展，必将成 为我国工业控制系统的主流。 由于现场总线系统采用智能设备，通过标准协议在一根总线上实 现所有信号的数字化传输，因此，现场总线系统具有如下特点【8 j ： ( 1 ) 开放，互操作性好。现场总线采用标准的通信协议，是开放 式的互联网络，用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产 品组成大小随意的系统。 ( 2 ) 彻底的分散控制。现场总线将控制功能下放到作为网络节点 的现场智能仪表和设备中，做到彻底的分散控制，提高了系统的灵活 性、自治性和安全可靠性。 岁 皇交通义挚硕士学位论文 ( 3 ) 成本降低。由于现场总线完全采用数字通信，控制功能下放 到现场。由现场总线组成的f c s 硬件相对简化，简化了控制系统内部 的连接，节省了大量的导线，费用可节省6 6 以上，同时系统的可靠 性和抗干扰能力都会有很大的提高。 f 安装、维护、使用方便。正因为f c s 的互操作性和开放性好。 使用现场总线接口技术，无需用很多控制电缆连接各控制单元，只需 将各控制设备挂接在总线上，显著减少连接导线，便于安装、维护和 使用。 ( 5 ) 对现场环境的适应性高。工作在生产现场前端，作为工厂网 络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴 电缆、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，并可满足安全防爆要求等。 尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场 总线的高性能价格比必将吸引众多工业控制系统采用。同时，正是由 于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地 发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。c a n 总线正是在 这种背景下应运而生的。 1 2 2c a n 的发展过程及现状 控制器局域网( c a n c o n t r o i l e r a r e a n e t w o r k ) 总线是由德国的b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测量仪器之间的数 据交换而开发的一种串行数据通信协议，它能够有效支持分布式控制 或实时控制。例如汽车发动机定时、注油以及复杂的加速刹车控制、 抗锁定刹车系统等，由于这些部件及参数的监控需要交换大量的数 据，如果采用直接信号线缆连接的方式势必繁琐且占用大量空间。采 用c a n 总线技术便很好地解决了这个问题，所有的数据信号传送仅 需要两根线，而且数据传送速率也很高。c a n 总线技术以其易于掌握、 易于开发等优点受到普遍重视，在工业和信息通讯领域都得到了广泛 6 绪论 应用。 由于c a n 总线为越来越多不同领域采用和推广，导致各种应用领 域通信报文要求标准化。为此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p s s e m i c o n d u c t o r s 制 订并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n2 0 ) 。该技术规范包括a 和b 两部 分。2 0 a 给出了曾在c a n 技术规范版本1 2 中定义的c a n 报文格式， 而2 0 b 给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通载运工具数字信息交换高速通信控制 器局部网( c a n ) m 际标准( i s o l l 8 9 8 1 ，为控制器局部网标准化、规范 化推广铺平了道路。c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互 连模式的基础上，不过，其模型结构只有三层，即只取o s i 底层的物 理层、数据链路层和顶层的应用层1 9 j 。 目前，在国外，尤其是在美国及欧洲，c a n 总线已经被广泛的应 用于汽车f 如b e n z 、b m w 、p r o s c h e 、r o l l sr o y c e 、j a g u a r 等) 、火车、船舶、机器人技术、楼宇自动化、机械制造、数控机床、 纺织机械、医疗器械、农用机械、液压传动、建筑管理、消防管理、 传感器、自动化仪表等领域，已经成为一种成熟的实用技术。国外一 些集成电路制造商( 如i n t e l 、p h i l i p s 、m o t o r o l a 、s i e m e n s 、 n e c 等) 纷纷推出c a n 总线接口芯片和单片机，并且正在逐步形成各 自的系列产品。 我国对c a n 总线技术的应用正处于起步阶段，主要集中在过程控 制领域。在冶金、机械制造、铁路信号微机检测系统、工业测控系统 等领域c a n 总线技术都有过成功的应用实例。可以预料，它在我国 迅速发展和普及是指日可待的。 1 3 本文的主要内容 本文在现场总线控制系统不断发展、应用领域不断扩大的背景下， 按照铁道部关于铁路客货车制动机单车试验方法的标准，通过研究已 有实例和查阅大量资料，利用微控制器a v r 单片机、控制器局域网c a n ， 7 # 未交通欠挚硕上学位论文 提出了基于c a n 总线的网络试风控制系统的总体设计思路，实现一个 由气动控制系统、总线控制系统、数据库系统及远程网络监管系统组 成的综合现场总线控制系统。 该系统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。 本文的主要内容安排如下： 第一章是绪论部分，介绍了单车试风控制器研究的重要性和国内、 外的发展现状，对课题的研究背景、课题的主要工作和现实意义等内 容进行了概述； 第二章介绍了基于c a n 总线网络的单车试风控制系统的总体设计 情况，包括气动装置执行机构、单节点控制系统、网络通信系统配置、 通信协议的设计； 第三章详细介绍了单节点控制系统的设计，从信号的采集、转换、 传输到试验步骤的显示和操作控制，与上位机进行信息交换的c a n 节 点的设计； 第四章对整个c a n 网络的通信协议进行设置，主要是网络的选型、 c a n 总线各层协议的实现和上下位机之问c a n 一2 3 2 通信适配卡的设计； 第五章介绍了上位机软件的设计和远程监管功能的实现，主要是 上位机负责系统管理的数据库设计、a v r 单片机的远程升级功能的实 现等： 第六章利用采集的现场试验数据，对设计的控制系统进行了试验 分析，验证了其建立的正确性； 最后是总结和展望。该部分对论文进行了总结，并且指出了一些 有待解决的关键问题。 单车试验系统总体设计 第二章单车试验系统总体设计 2 1 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、数据通讯、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 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 网 卜 j 模块d c ml 壬哥 络 l 执行机构l h 通 十v 讯 ， l 气路系统l 系 统 j t f 上 卜酬 i 数据库i 、_ 现场系统i 一 服务器系统_ 0 远程系统 i 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要求的配置 9 土# _ 录交逼义擎硕士学位论文 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 h + 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m c 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，包括以下部分：执行机 构，下位c a n 节点，网关设计，上位监控软件。下位c a n 节点包括 信号采集处理模块和液晶显示模块两部分。c a n 总线网络及其与上位 机的数据转换卡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。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，如那些直接面向现场完成i 0 处理( 冲 排气控制) 或者a d 变换压力采集等智能化装置i “】i “j 。 通信系统主要应完成系统中数据的正确实时传输，即c a n 总线 应用层的开发和利用，主要指数据在整个c a n 总线通信网络中的传 单车试验系统总体设计 输。使用c a n 2 0 b 协议中的标准信息帧格式，使得有效数据在c a n 节点中得到正确的传送。 i 一一j ；f 。；i i j ；i 磊一一i l 一一一一一一一一_ 一 图2 - 2 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的通 信。 该系统结合现场总线技术和微机控制技术，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、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 立嬷交逼z 挚硕士学位论文 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 位机申请到要进行的试验内容，得到相应台位的所需试验参数，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 果通过c a n 总线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4 7 报表，也可在任意时间集中打印。 为了确保系统运行的安全可靠，避免通信或上位机服务器出现故 障，单个节点也可单独进行试验，试验内容由操作员根据要求按照提 示手动输入。试验成功后，实验数据会保存到微处理器m c u 的 e e p r o m 中，并可以利用微型打印机打印试验结果。 2 2 执行机构的设计 2 2 1 试风装置气路构造 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【1 3 1 。 2 气路框图：如图2 3 所示。 ( 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 l ( 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。 1 2 单车试验系统总体设计 图2 - 3 试风系统气路框图 阀号及其功能对应关系如表2 - 1 所示【1 4 l 【1 5 】 车管 阀号功能 孔径尺寸( m m l 阀11 位快充风电磁阀6 4 阀22 位缓充风电磁阀0 6 阀3感度试验电磁阀 0 9 阀4安定试验电磁阀2 o 阀5紧急试验电磁阀 3 7 阀6改造后1 2 0 阀安定试验电磁阀2 7 阀7改造后1 2 0 阀紧急试验电磁阀 6 o 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，胶管内径为2 5 m m ，长度为1 5 2 m 。 土 京交适义挚硕士学位论文 2 2 2 试风装置布置 试风装置主要由系统气动升降装置，控制风路的控制阀组、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。试风装置布 置如图2 _ 4 所示： 幽2 - 4 试风装置分布图 2 2 3 试风试验的执行 气路系统为试风试验的执行机构，要按照铁道部标准完成机能试 验和单车试验。 机能试验就是依据铁道部的有关规定，对试验器自身性能进行检 验。方法是将一标淮的制动管容积风缸( 1 5 5 o 1 5 l ) 接入系统。试 验前所有塞门和排风阀均置关闭位，充风( 加压) 至5 0 0 k p a ，打开某一 电磁阀，使压力减为某一值。记录并检查这一过程所需时间，如果在 规定范围内，为合格；否则不合格。 根据铁道部标准，各位置充气或排气时间应该符合如表2 2 所示 的规定。 单车试验系统总体设计 阀号 充气或排气 时间( s ) 阀15 0 0 降至4 9 06 0 阀2 5 0 升至1 5 05 0 5 2 阀35 0 0 降至4 0 0 1 5 1 6 5 阀45 0 0 降至3 0 08 9 阀55 0 0 降至2 0 03 5 5 阀65 0 0 降至3 0 0 4 5 阀75 0 0 降至2 0 01 5 2 5 表2 - 2 机能试验中各位置充气或排气的时间规定 单车试验则是依据铁道部的有关规定，对铁路货车制动性能进行 检验。方法是将单车试验器与车辆一端制动软管相连，充风( 加压) 至 5 0 0 k p a ，打丌某一电磁阀，使压力减为某一值，记录并检查这一过程 单车压力的变化，如果在规定范围内，为合格；否则是不合格。单车 试验主要有： a 漏泄试验：主要检验车辆的密封性能。打开1 位电磁阀充风至 5 0 0 k p a ，待压力稳定后，关闭1 位阀，保压1 分钟，制动系统漏泄量 不得超过规定。在过去用手动试验时，充风的压力、保压时间及漏泄 量都很难掌握。采用单片机控制后，各项指标至少提高了一个数量级。 b 感度试验：检验单车的减速性能上限及灵敏度。 c 安定试验：检验单车的减速性能下限。 d 紧急试验：检验单车的紧急制动性能。列车在产生紧急制动时， 紧急制动阀被打开，制动缸压力在0 2 秒内，由4 0 0 k p a 以上降低至 2 0 0 k p a 以下。过去仅凭肉眼观测很难抓住拐点。本系统采用微分技术， 加快采样速度，淮确地测量了拐点。 e 闸调器试验：闸瓦间隙自动调整器，简称闸调器，是保证新旧 闸瓦有相同的制动性的关键部件。过去本试验比较烦琐，采用单片机 控制，减轻了工人劳动强度，提高了效率。 另外还增加了1 2 0 阀和1 2 0 6 阀的半自动缓解和加速缓解试验。 ；# 未交通工挚硕十学位论文 2 3 控制节点的总体设计 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、i 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 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 l 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 l 0 0 0 作为c a n 控制器。其系统结构框图如图2 5 所示。 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。 盥、掣1 _ 、 一 ：粥 睁j ：、 萋 盎卜 觑 。雠j 一- i i，。忤占黼誓皇堕_ | 7 爿：_ 脚“嘴 图2 - 5c a n 节点结构框图 2 4 网络通信系统的总体设计 在本试风控制系统中，选择什么样的通信网络对整个系统起着举 单车试验系统总体设计 足轻重的作用。对整个监控系统而言，数据通讯的实时性是系统正常 工作的前提，系统稳定可靠是系统工作的基础。所以，我们必须选择 一个合适的通信网络以使整个系统的工作协调起来。 2 4 1 系统设计选型 2 4 1 1 系统通信网络的选择 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。 虽然r s - - 4 8 5 总线技术和c a n 总线技术都适用于多机通信设计， 但是，采用r s - - 4 8 5 总线技术通信的系统与采用c a n 总线技术通信 的系统在实际应用中有许多的不同之处，主要体现在以下几方面1 1 6 1 ： ( 1 ) c a n 在传输距离、传输速度、可靠性、系统的扩展性都要优 于r s 4 8 5 ； ( 2 ) 有些现场总线如p r o f i b u s 等的物理层就采用r s 4 8 5 ： ( 3 ) 现场总线用协议保证了数据传输的可靠性，解决了冲突仲裁， 多点传输，错误检验与处理，与以太网的连接等一系列问题。特别是 多节点应用时优势突出。而r s 4 8 5 仅仅是一个物理层的东西，现场总 线的覆盖内容则远远超过了它； ( 4 ) 在单片机的多机通信时，传统的串行通信方式r s 4 8 5 只能采 用主从方式，随着从机数量的增加，交换系统的响应时间变长，性能 受到一定影响。而c a n 总线具有卓越的性能和可靠性，可以以多主 方式工作，能使系统各模块实现多主通信，充分发挥备单片机的功能； ( 5 ) c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 简言之，应该说r s 4 8 5 只是一种接口标准，而现场总线的覆盖内 容就广阔了，它是3 c 技术发展到现场的结果。 土孟交逼义挚硕士学位论文 综上所述，本系统选择使用c a n 总线进行数据传输有许多可见的 优势，特点突出，为确保本监控系统能够安全可靠的运转提供了有利 的保障。而且，有很高的性能价格比。 2 4 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 1 ”。 ( 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。 图2 - 6 基于c a n 总线的车辆试风控制系统的网络结构图 1 8 单车试验系统总体设计 本文中车辆试风控制系统的网络结构如图2 - 6 所示。 2 4 2 数据传送波特率的选择 c a n 系统内两个任意节点之问的最大传输距离与其位速率有关 具体情况见下表2 - 3 所示【1 8 l 。 位速率 1 m5 0 0 k2 5 0 k1 2 5 k1 0 0 k5 0 k2 0 k1 0 k5 k ( b p s ) 最大总线4 01 3 02 7 05 3 06 2 01 3 k3 3 k6 7 k1 0 k k 度( 1 1 1 ) 表2 - 3c a n 总线的位速率与最大总线长度对应关系 在石家庄南车辆段的操作现场，节点问的总线距离最远大约在5 0 0 米以内，在充分考虑了电磁干扰以及实际需要的情况下，选择了 5 0 k b p s 的位速率作为数据传送速率。这样，虽然信息传送速度低一些， 但传输距离可以较远，能够满足网络连线的需要。由于试验只有在开 始时申请数据和结束时发送成功数据，速度比较缓慢，所以在这个速 率下传输数据同样能够满足系统实时性的要求。 2 4 。3 系统传输介质的选用 本系统的传输介质选用双绞线来承担，这主要因为双绞线的价格 便宜。虽然双绞线不适合传输频率太高的信号，它最大可用频率约为 1 m h z ，用双绞线传输信号时，双绞线上信号的衰减值会随着传输信 号频率的增加而迅速上升，使信号严重失真，与此同时，导线间的串 扰也会相应增多。但是，本系统的c a n 总线数据通信采用5 0 k b p s 的 传输速率，属于较低频率，这种情况下利用双绞线进行传输根本不受 影响。 所以，本系统选用双绞线作传输介质具有良好的性能价格比。 1 9 j 素交戈挚硕士学位论文 第三章c a n 总线节点控制系统的软硬件设计 作为试风控制系统的重要组成部分，c a n 控制节点主要包括两个 部分：信号采集处理模块和液晶显示模块。信号采集处理部分要完成 的功能有：接收、识别通信卡传送来的报文；数据采集该控制节 点实时采集系统中的气压信号，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 向液晶控制板发送试验状态参数和接收液晶控制板的指令；及向工控 机汇报试验成功信息，等待确认等待接收工控机的收到确认信 息；如果要求单机打印，还要完成微型打印机打印试验结果的功能。 液晶显示模块主要是人机界面的显示，实时显示试验信息、完成与采 集处理模块的通信。 按功能分，智能节点可分为数据采集、f o 量输出输入、c a n 控 制模块、显示模块、手动开关控制几部分。f o 量的输出1 6 路，i o 输入8 路。a d 转换有8 路，精度在1 0 位以上。 3 1 微处理器m c u 介绍 3 1 1 主控制芯片的选择 在满足系统要求的情况下，使单一的芯片能够完成最多的任务， 并且价格便宜是我们要首先做的工作。通过广泛的调研以及实验室现 阶段技术实力，因此选择了a t m e l 公司的a t m e g a l 2 8 。a t m e g a l 2 8 是 一款基于a v rr i s c 结构的低功耗c m o s8 位单片机，通过在一个时 钟周期内执行一条指令a t m e g a 8 可以取得1 m i p s m h z 的性能从而使 得设计人员可以在功耗和执行速度之间取得平衡【1 9 】。a t m e g a l 2 8 具有 以下特点f 刎： ( 1 ) 先