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北京交通大学 硕士学位论文 DF型内燃机车机务行车数据采集诊断及信息提示系统研制 姓名：孙海波 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：刘明光 20080101 中文摘要 摘要：本文针对D F 型内燃机车机务行车数据采集诊断及信息提示系统的研发 目的、整体设计及装车实验进行了系统分析论证。机务行车数据采集诊断及信息 提示系统旨在建立一个集动态质量数据采集、应急处理专家系统、行车及标准化 作业指导系统等一体的开放式的车载计算机平台。我单位与济南畅为电器科技有 限公司共同开发研制了“J S C T I I 型机务行车数据采集诊断及信息提示系统”。通 过该系统，可及时了解和掌握机车质量状况并进行相应的乘务操纵提示，从而建 立完善的机车运行质量档案，并预测和预报机车设备的质量演变和发展趋势，为 实现机车状态修提供可靠的数据依据，对推动修制改革、降低备品备件、降低维 修工作量、提高工作效率，具有重要的社会效益和经济效益。同时可最大限度地 防止人为故障和机破的发生，是适应铁路提速和机务修制改革发展的新一代铁路 机车检测、监测装备，是监控机车质量的“黑匣子”。 关键词：数据采集信息提示C A N 总线机车当量 分类号：U 2 6 2 A B S T R A C T A B S T R A C T ： T h eD F - L o c o m o t i v eM a i n t e n a n c eo ft r a f f i cd a t aa c q u i s i t i o na n di n f o r m a t i o n s u g g e s ts y s t e m ，i n c l u d i n gt h ep u r p o s eo fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，h a r d w a r ed e s i g n , s o f t w a r es u p p o r ta n dl o a d i n ge x p e r i m e n t s ，a r eg e n e r a l l yp r o v e da n da n a l y z e di nt h i s p a p e r M a i n t e n a n c eo ft r a f f i cd a t aa c q u i s i t i o na n di n f o r m a t i o ns u g g e s ts y s t e ma i m e da t t h ee s t a b l i s h m e n to fas e to fo p e nC a rc o m p u t i n gp l a t f o r m ，w h i c hc o n t a i n sq u a l i t a t i v e d a t a a c q u i s i t i o n , e m e r g e n c ye x p e r ts y s t e m , 觚ca n ds t a n d a r d i z e do p e r a t i o n a l g u i d a n c es y s t e ma n dS Oo n J i n a nC h a n gW e ie l e c t r i c a lT e c h n o l o g yL t d a n do u ru n i t h a v ed e v e l o p e dt h e ”J S C T - I d i a g n o s i so fL o c o m o t i v et r a f f i cd a t ac o l l e c t i o na n d i n f o r m a t i o na l e r ts y s t e m ”t o g e t h e r A d o p t i o no f t h es y s t e mC a nm a k eU Su n d e T s t a n da n d m a s t e rl o c o m o t i v eq u a l i t yo f t h ec r e wa n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lt i p st oi m p r o v et h e q u a i l t yo fl o c o m o t i v e sr u n n i n gf i l e s , a n df o r e c a s t st h eq u a i l t yo fl o c o m o t i v e e q u i p m e n t s e v o l u t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n d s ，a n dp r o v i d er e l i a b l ed a t ab a s i sf o rt h e s t a t eo fr e p a i ro fl o c o m o t i v e s ，i th a ss i g n i f i c a n ts o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t si nt h e p r o m o t i o no fr e p a f rs y s t e mr e f o r m ，r e d u c i n gs p a r ep a r t s ，l o w e r i n gw o r k l o a do f m a i n t e n a n c e ，a n di m p r o v i n gw o r ke f f i c i e n c y A tt h es a m et i m e ，i tC a nm i n i m i z eh u m a n e r r o ra n dp r e v e n tt h eo c c u r r e n c eo fb r e a k i n g ，a n di ti san e wg e n e r a t i o no fr a i l w a y l o c o m o t i v ed e t e c t i o n ，m o n i t o r i n ge q u i p m e n t ，w h i c hs t d t sf o rR a i l w a ya c c e l e r a t i o na n d t h er e f o r ma n dd e v e l o p m e n to fL o c o m o t i v eR e p a i rS y s t e m S oi ti sc a l l e d b l a c kb o x ” i nm o n i t o r i n gt h eq u a l i t yo f l o c o m o t i v e K E Y W O R D S ：D a m A c q u i s i t i o n I n f o r m a t i o ns u g g e s tC A NB u sL o c o m o t i v e e q u i v a l e n t C L A S S N o ：U 2 6 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 E t签字E t 期：年月日 j b 峦銮适盔堂童些亟堂鱼盈塞独剑世直盟 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘明光教授的悉，1 2 , 指导下完成的，刘教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来刘明 光老师对我的关心和指导。 感谢电气工程学院的各位领导、老师，是他们不辞辛苦为我们授课讲解，使 我们的学业得以顺利完成。 感谢陈功局长和路局干部处及原青岛分局干部分处的所有同志，是他们以超 前的眼光和极大的魄力完成了与北京交通大学的合作，给我们创造了一个深入学 习、全面提高的良好机遇。 在现场工作及撰写论文期间，张健高级工程师作为我的厂内指导教师从论文 的选题和现场的实践都给予我极大帮助，在此特向他表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们为我的学习付出了很多，他们的理解和支持是推 动我完成学业的巨大动力，在此一并表示感谢。 韭鏖銮 道盔堂童些 亟 堂焦垃塞 压 序 机车作为铁路运输的主要技术装备，是完成铁路运输任务的物质基础。我国 机车产业经过几十年的发展在安全与可靠性方面基本达到了要求，但经济性、 舒适性、快捷性方面与国外先进机车有较大差距，己在很大程度上制约了国民经 济的发展。 铁道部党组提出的铁路跨越式发展，其中重要一点就是要实现技术装备水平 的快速提高。也就是充分利用国际国内先进的技术资源。加快技术创新，在较短 时间内，使我国路主要技术装备达到或接近发达国家水平。为此，铁道部先后与 西门子、日本川崎、庞巴迪公司合作，引进技术生产高速动车组，逐步实现快速 列车的国产化。但大量的国产老型号机车面砰缶着技术改造升级任务，这项工程是 各机车工厂、铁路局、机务段今后几年面临的艰巨任务。 本文作者根据多年从事D F 型内燃机车运用与检修的管理经验，结合机车技术 升级改造和修制改革，在济南畅为电器科技有限公司的协助下，设计开发出 “J S C T I I 型机务行车数据采集诊断及信息提示系统”。相信通过该系统的使用， 对促进乘务员标准化作业、推进机车状态修等修程修制改革、减少机车故障发生 等，将产生巨大的推动作用，也为现有国产机车技术升级提供了一个很好的借鉴。 j E 塞窑通盔堂童些亟堂僮迨塞绻监 1 绪论 本章首先介绍在我国铁路实现连年大提速的背景下，内燃机车在运行过程中 机车运用状态实现在线实时监测的意义；然后说明了对机车状态进行监测的任务 和目的；并介绍国内外在这方面的研究现状和发展动态；最后介绍了本论文研究 的主要内容以及要完成的工作。 1 1 机车状态在线监测的意义 长期以来，我国内燃机车一直处于一种运营速度不高的状况。但是近年来， 在国内交通运输市场日趋激烈的竞争的推动下，我国铁路明显加快了以高速、重 载、安全为主题的发展步伐，大批快速运营线路相继开通，各种新型的提速车辆、 快速车辆、快速动车组、重载货车不断地设计制造出厂并投入运营，我国铁路呈 现出一个前所未有的发展势态。随着新的形势的发展，对电力机车的设计、制造、 维修、运营管理提出了一系列新的问题。 首先是安全，随着列车编组中的车辆新车型、新技术、新材料的大量应用， 机车的载重及列车时速的显著提高，给机车运行的可靠性、安全性提出了更高的 要求；其次要求对机车的运营管理更加经济、高效，技术状态的维护和决策更加 科学。在这种情况下，传统的定期检修制度己明显感到不适应。为此，国内外推 出了一种经济高效、先进合理的维修制度一伏态修。状态修就是把目前的定期、 定型和分解型的维修方式，改变为实时、在线的状态监测，通过对机车的技术诊 断，随时掌握设备出现的故障及运转工况，有效地确立以功能为中心和非分解型 的设备维修方法。状态是一种预维修制，它能科学地分析并测试设备初始状态好 坏和运行条件的差别，通过采用新的检测设备和高新诊断技术，监测设备状态， 以充分发挥设备的优势。与定期检修相比，机车状态修是现代科学技术诸如数学、 物理、力学、化学、电子技术、计算机技术、信息技术、人工智能等多种学科在 机车的运行维护和运营管理上的综合应用，状态修更能保证机车运行的可靠性、 安全性，维修决策的科学性，运营管理的高效性、经济性，是我国铁路机车的运 营管理现代化的发展方向。而状态修制度的基础是对机车进行状态监测。因此， 机车的状态监测技术是状态修的关键技术、基础技术，发展机车的状态监测与故 障诊断技术是机车更加安全可靠运行的关键。 再者，为适应在高速、重载情况下更加严峻的工作条件和更加苛刻的性能要 求，对高速重载机车的设计制造要求也越来越高。这种情况下，内燃机车的设计 制造厂商有必要进一步研究机车在长期高速、重载的运行中各部件所表现出来的 动态特性，分析实际运营中的机车在长期运行中的变化情况，从而提高设计制造 的可靠性、安全性。这一问题的提出也需要对机车运行进行状态监测。 综上所述，我国铁路的现代化建设、机车的高速、重载的运行和管理都需要 机车的状态监测技术给予支持，进行机车状态监测的理论、方法和应用研究具有 重大的理论意义、现实意义和广阔的市场前景。 1 2 国内外发展现状 在国外一些铁路发达国家，随着本国铁路的高速化、现代化，为了保证列车 的安全可靠，大都进行了机车车辆状态监测和控制技术的研究和发展。目前机车 车辆状态监测技术的研究己经非常普遍。 地面监测装置发展较早，主要是对车轮裂纹、轴箱温度、踏面形状等故障的 监测或检测。而车载检测、监测装置发展较晚。但是随着近年来计算机技术、网 络通讯技术，尤其是嵌入式系统的飞速发展，为车载监测系统的研制开发提供了 广阔的空间，人们开始越来越重视车载监测系统的研制和开发。最早使用的监测 设备是在车辆上的轴温监测和报警系统。该装置通过对轴温的监测以避免车轴热 切事故的发生。随着速度的提高，为防止制动时车轮打滑擦伤车轮出现了电子防 滑器。该装置不仅对车轮的滚动状态进行监测，而且根据需要对制动缸的压力进 行控制以防止打滑现象的出现、避免车轮擦伤。 在我国，目前机车在运行过程中产生的各类数据信息的记录，是通过列车运 行装置的记录来实现。监控装置将运行过程的数据实时可靠地记录在存储器中， 机车返回段后通过I C 卡把记录的数据转录下来，经过地面处理软件处理后，就能 得到机车在运行过程中的各种动态信息，通过安全信息评分系统对这些信息的综 j E 塞銮塑太堂童些亟堂僮j 盒塞缰监 合分析，就可以得到机车乘务人员的操作评分、机车质量信息、机车信号的工作 状态及其他相应的数据，这些数据的获取为制定可行的安全、质量控制方案提供 了可靠的理论依据，实践证明，这套装置的使用己为铁路的安全畅通做出了巨大 的贡献。但随着铁路的提速，机车运行区间越来越长，以前的数据模式己不能适 应铁路的需要，为保证数据能为安全运输生产服务，必须要建立实时传输。 而这一学科领域在我国国内尚属起步阶段。铁道部关于机车车辆修制改革的 总体目标是：机车车辆的修理应在计划预防前提下，逐步实施状态修、换件修和 主要零部件的集中修，改革配件的生产和供应体制，建立运用和维修的现代化管 理体系。 状态修又称视情维修，是按照装备实际技术状况来确定维修时机。它不对装 备规定维修期限，不固定拆卸分解范围，而是在检查、检测、监控其技术状态的 基础上确定装备的最佳维修时机。这种维修方式是靠不断定量分析和监测装备的 某些参数和状态数据来决定维修时机和项目，可以充分发挥装备的工作寿命，提 高维修的有效性，减少维修工作量和人为差错。状态修需要适当的检测、诊断条 件和较高的人员素质，是一种比较先进的维修方式。 机车车辆检测诊断技术自2 0 世纪7 0 年代初开始采用，随着电子和计算机技 术的发展，技术诊断取得了丰硕成果，已成为机车车辆维修的重要手段。机车车 辆技术检测诊断分为外部诊断和内部诊断。外部诊断是应用现场的检测装置，在 需要时与被测设备连接进行诊断，比较典型的有轮对诊断、轴温探测、光谱分析 等。内部诊断是使用固定安装在机车车辆上的检测诊断装置，对主要零部件的工 作状况进行连续监测，做出实时通报。 目前世界上发达国家如法国、德国和日本的高速列车普遍采用了现代检测诊 断技术。如德国I C E 高速列车就有一个完善的内部检测诊断系统，主要功能有： 1 、对所有电子控制的范围，包括制动机的故障进行检测； 2 、通过显示屏给机车司机和列车乘务员以排除故障的提示： 3 、按照优先等级和故障意义即时间长短来划分故障等级； 4 、可输入发现的其他故障，对故障库进行升级； 5 、通过履历存储、试验曲线、过程参数值的查询和外部决策软件对维修提供 帮助。 通过这一系列检测诊断技术的应用，德国I C E 高速列车的安全性得到极大保 证。 济南局在用内燃机车也陆续采用了诸如轮对超声探伤、轴温检测和润滑油光 铁谱分析等外部检测诊断技术，但在内部检测诊断技术方面，除D F 8 B 和D F l l 型 内燃机车部分采用了微机检测、控制系统外，大部分D F 4 型内燃机车均未采用任 何微机检测、控制手段。若要推行状态修，就必须对现有机车进行技术升级改造。 目前各铁路局都在进行相关工作的研究，已经成形的初级产品就是机车当量公里 仪。机车当量公里仪是根据机车牵引总重、机车走行来确定机车检修周期的一种 仪器，严格来说并不是一种检测装置。如何使现有国产内燃机车进行技术升级， 以满足铁路大面积提速的要求，已成为各机车厂、铁路局和机务段的当务之急。 从2 0 0 4 年，路局组织机务系统相关专业技术人员与济南畅为电器科技有限公 司合作，开始进行该领域的技术研究与产品开发。在研制成功机车当量公里仪后， 又在此基础上进行了功能扩展，最终定型为“j s c r I I 型机务行车数据采集诊断及 信息提示系统”。该系统主要功能如下： ( 1 ) 机车质量状态数据采集 通过C A N 总线将采集的机车各种仪表、电气监测数据及当时的操作状态进行 全交路实时记录。目前，已实现的数据有机车走行公里、时间、主发电机电压、 主发电机电流、柴油机转速、燃油压力、滑油压力、高温水出口温度、柴油机机 油温度、l 石牵引电动机电流、辅助发电电压等。根据这些数据通过地面分析软件， 可计算出机车的当量公里、总做功量、负荷率、燃油单耗等，并可汇总分析各种 分类指标与走行公里、当量公里、时间、做功量等的关系规律和曲线。 ( 2 ) 故障智能判断处理提示及现场数据记录 将机车上的各种仪表数据、传感器数据和各种机械电器数据通过C A N 总线传 到本系统中，由本系统内的车载专家软件分析后，以语音和文字的形式通过液晶 显示屏幕自动地提示示既注意事项和处理建议，帮助机车司机提前把握故障和处 理故障。并以故障指示灯为判断点，自动记录故障发生前后一段时间内的各种现 场数据。 ( 3 ) 趟车标准化作业提示及记录 以T A X 2 所提供的信息为坐标，根据趟车标准化作业规定，适时自动提示乘 4 务员库内及途中应当执行的作业内容。如按规定时间提醒“工具备品检查”、“电 气动作试验”以及根据相应的的公里标提醒巡检、鸣笛等。 通过总线采集，全程自动记录司机室内操纵台上的琴键开关、司机控制器和 其他操纵装置的动作顺序和状态，从而判定标准化操作的规范程度，并为事故责 任分析提供依据。 ( 4 ) 查询功能 可查询到各种信息如：各种规章规则、行车办法、乘务员关键作业、常见故 障处理办法等。 ( 5 ) 地面专家系统 通过对历史数据的分析对比，能够对机车的运转状况做出准确地分析，对机 车故障的发展趋势做出明确的判断。 该项目已通过了局级科技成果鉴定，先后在济南、徐州、淄博、青岛等地装 车近百台。通过近两年来的运用实践，该系统不仅在产品的硬件上已趋于成熟可 靠，软件的功能上也更加完善，机务段建立了运用机车的数据转储制度，并累积 大量机车运行的质量数据，对机车检修和机车质量的保持提供了一种新的手段。 1 3 课题的目的和任务 对内燃机车进行状态监测的基本任务是研究运行中的机车系统表现出来的动 态特性，并对系统的动态特性做出决策。 监测与诊断的目的是： ( 1 ) 保证机车无故障，安全可靠地运行； ( 2 ) 保证机车发挥最大设计能力，物尽其用； ( 3 ) 及时对各种异常或故障做出诊断，并作必要的干预措施，如控制、调整、 维修、治理以及继续监测等进行指导； ( 4 ) 通过性能评价，为优化设计与正确制造提供信息和依据。 本课题的主要任务是： ( 1 ) 阐述C A N 总线的特点及技术规范，分析了C A N 总线的分层结构。 ( 2 ) 根据霍尔传感器的原理，设计该采集系统的电路。 I b 塞窑重去兰童些亟堂僮j 金塞缝盈 ( 3 ) 针对D F 型内燃机车，研制数据采集及信息提示系统。 ( 4 ) 讨论系统的安装调试方案。 ( 5 ) 论述该装置在实际投入运行过程中的装车要求以及相关注意事项。 ( 6 ) 通过现场采集和分析数据，对研制系统进行实际考核。 1 4 本章小结 本章主要介绍了内燃机车状态在线监测的重要意义，为的是适应铁路的跨越 式发展，搜集和介绍了内燃机车状态在线监测的国内外发展现状，然后，对机车 进行状态监测的基本任务进行了阐述，即研究运行中的机车系统表现出来的动态 特性，针对我段常用的D F 型内燃机车，提出了研制数据采集及信息提示系统，并 要求进行实际考核。 6 j E 峦銮亟友堂主些硒堂鱼迨塞堕捌丕红簋佳缝捡班究 2 监测系统总体结构研究 2 1 E A N 总线的提出及概念 现代车辆往往使用大量电子设备来控制其正常行驶。当执行一个较复杂的控 制时，需要在设备之间进行大量的数据交换。当控制系统变得复杂时，交换数据 的信号线连接将变得更复杂，同时费用将提高。 C A N ( C o n t r o l l e rA r e aN e t w o r k ) 即控制器局域网络，是德国B O S C H 公司从八 十年代初为解决现代车辆中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种 串行数据通信协议，它是一种多主总线。国际上一些大的半导体开发商也积极开 发出支持C A N 总线的专用芯片。C A N 总线规范己被I S O 国际标准组织制定为国 际标准。C A N 网络的配制比较容易，允许任何站之间自接进行通信，而无需将所 有数据全部汇总到主计算机后再行处理。在国外，C A N 总线技术己德到了广泛的 应用，尤其在汽车工业，如奔驰、宝马、大众、沃尔沃及雷诺汽车都普遍采用了 C A N 总线技术。然而，在国内自主开发的车辆中，C A N 总线技术的应用研究尚处 起步阶段。 C A N 总线具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点， 使其在道路运输工具以外的领域，如机器人、工业自动化、医疗仪器、自动测试 系统，如智能火灾报警控制系统等领域得到了广泛应用。 2 2 C A N 总线技术特点 国内传统的工业测控系统通信方式一般都采用R S 4 8 5 等通信方式，其缺点是： ( 1 ) 无法构成多主结构，主节点任务繁忙，一旦主节点出现故障就可能引起 系统瘫痪： ( 2 ) 数据通信方式为命令响应式，数据传输效率降低，同时当下端出现异常 时，数据不能立即上传，灵活性极差，不适于实时性要求较高的场合： ( 3 ) 物理层采用较陈1 日的R S 4 8 5 规范，链路层为S D L C 协议，总体来讲效率 较低，灵活性差，尤其是错误处理能力不强。 7 j E 塞至垣盔堂童些亟堂焦迨塞堕型丕蕴簋链绪掬硒宜 R S 一2 3 2 也是一个比较常用的接口之一，而且它已经被内置于每台P C ，每一台 P C 机都有一个或者更多的R S - 2 3 2 端口，其缺点是： ( 1 ) 数据通信速率低R S 一2 3 2 规定的最高传输速率2 0 k b i d s 虽然可以满足一般 的异步通信需要，但并不能满足同步传输的要求。 ( 2 ) 通信距离短使用R S - 2 3 2 接口的通信的线路在1 5 m 左右可以达到正常的 通信要求，但无法满足更长的通信距离，即使使用极好的线路器件和优良的信号 条件，也无法使电缆长度超过6 0 m 。 ( 3 ) 抗干扰能力差通信两端的电平转换电路均为单端电路，无法抑制共模干 扰，各信号间也易受到串扰干扰。 r C A N 属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行 通信网络。C A N 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。与上述通信 方式相比，C A N 具有以下特点： ( 1 ) 采用通信数据块编码，可实现多元工作方式，数据收发方式灵活，可实 现点对点、一点对多点及全局广播等多种传输方式；可将D C S 结构中主机的常规 测试与控制功能分散到各个智能节点，节点控制器把采集到的数据通过C A N 适配 器发送到总线，或者向总线申请数据，主机便从原来繁重的底层设备监控任务中 解放出来，进行更高层次的控制和管理功能，比如故障诊断、优化协调等； ( 2 ) 采用非破坏性基于优先权的总线仲裁技术，具有暂时错误和永久性故障 节点的判别及故障节点的自动脱离功能，使系统其它节点的通信不受影响；同时 C A N 具有出错帧自动重发功能，可靠性高： ( 3 ) 信号传输用短帧结构( 8 字节) ，实时性好； ( 4 ) 不关闭总线即可任意挂接或拆除节点，增强了系统的灵活性和可扩展性； ( 5 ) 采用统一的标准和规范，使各设备之间具有较好的互操作性和互换性， 系统的通用性好； ( 6 ) 通信介质可采用双绞线，无特殊要求；现场布线和安装简单，易于维护， 经济性好； ( 7 ) 借助接收滤波的多地址帧传送； ( 8 ) 远程数据请求，配置灵活性。 总之，C A N 总线具有实时性强、可靠性高、结构简单、互操作性好、价格低 j b 立銮适太堂童些亟堂焦逾童堕型丕缝盛住结趋班荭 廉等优点，克服了传统的工业总线的缺陷，是一种有效的解决方案。所以本论文 中系统的通信方式采用C A N 总线。 C A N 中的总线数值为两种互补逻辑数值：“显性”数值表示逻辑“0 “，隐性表 示逻辑“1 ”在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态，“显性”状态以 大于最小阐值的差分电压表示。在“隐性”状态下，。一。和一。被固定于平均 电压电平，P 矗近似为0 。在“显性”位期间，“显性”状态改写。隐性”状态并 发送。如图2 一l 所示。 2 3 C A N 总线技术规范 图2 - 1 总线位的数值表示 随着C A N 在各种领域的应用和推广，对其通信的标准化提出了要求。为此， 1 9 9 1 年9 月B O S C H 公司制订并发布了C A N 技术规范( V e r s i o n 2 o ) 。该技术规范 包括A 和B 两部分，2 0 A 给出了C A N 报文标准格式，而2 0 B 给出了标准的和扩 展的两种格式，此后，1 9 9 3 年1 1 月I S O 正式颁布了道路交通运输工具一数据信 息交换一高速通信控制器局域N ( C A N ) r 司际标准0 S O1 1 8 9 8 ) ，为控制器局域网的标 准化、规范化铺平了道路。 2 3 1C A N 的分层结构 C A N 的分层结构遵循I S O O S I 标准模型，它分为数据链路层和物理层，而 在C A N 技术规范2 0 A 的版本中，数据链路层包括逻辑链路控制子层 j b 塞銮亟左堂主些亟堂焦丝塞堕剩丕缠簋佳绪趋硒究 L L C ( L o g i c a lL i n kC o n t r 0 1 ) 和媒体访问控制子层M A C ( M e d i u mA c c e s sC o n t r 0 1 ) ， U C 和M A C 子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。C A N 的分层 结构和功能如图2 - 2 所示 图2 - 2C A N 总线分层结构 逻辑链路控制子层L L C 的主要作用是为远程数据请求以及数据传输提供服 务，确定L L C 子层接收的报文中那些实际上被验收，为恢复管理和过载通知提供 手段。介质访问控制子层M A C 的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行 仲裁、错误检测、错误的标定和故障定界。M A C 子层也要确定，开始一次新的发 送，总线是否开放或者是否马上开始接收。位定时特性也是M A C 子层的一部分。 物理层的功能是有关全部电气特性在不同节点间的实际传送，在同一个网络内， 物理层的所有节点必须是相同的。 0 I 塞銮通盔堂童些亟堂鱼监塞堕捌丕箍簋佳绪翅硒嚣 C A N 技术规范2 O B 定义了数据链路中的M A C 子层和L L C 子层的一部 分，并描述与C A N 总线有关的层。物理层的功能是定义信号怎样进行发送，涉 及到位定时、位编码和同步的描述，但未定义驱动器接收器的特性。M A C 子层是 C A N 协议的核心，它描述了由L L C 子层接收到的报文和对L L C 子层发送的认 可报文。它可响应报文帧、仲裁、错误检测和标定。M A C 子层又称为故障界定的 一个管理实体监控，具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。 L L C 子层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管理。 2 3 2 报文传送及其帧结构 在C A N 中报文是以帧为单位进行传送的，只有报文中所有的数据位都未出 错，报文才算正确传送，否则报文无效，必须重新发送和接收。在C A N 技术规 范中，规定了总线上传输的四种帧类型，他们分别为：数据帧、远程帧、出错帧 和超载帧。数据帧携带数据由发送器至接收器；远程帧通过总线单元发送，以请 求其它节点发送具有相同标识符的数据帧：出错帧由检测出总线错误的任何单元 发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据帧的附加延时。下面分别介绍各种类 型的帧结构： 数据帧数据帧由7 个不同的位场组成，即帧起始、仲裁域、控制域、数据 域、C R C ( C y c l i e a lR e d u n d a n c yC h e c k ) 域、应答域和帧结束C A N 2 0 A 数据帧的组 成如图2 3 所示。在C A N 2 0 B 中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识 符的长度具有1 1 位标识符的帧为标准帧，而包括2 9 位标识符的帧为扩展帧。 为使控制器设计相对简单，并不要求执行完全的扩展格式，但必须不加限制地执 行标准格式。 帧问空问数据帧帧间空间 或超载帧 f 仲裁域控制域数据域孤c 域 f 帧结束 帧起始 图2 - 3 数据帧结构 应答域 ( 1 ) 帧起始：帧起始标志数据帧或远程帧的开始，它仅由一个显性位组成， 该显性位用于接收状态下的C A N 控制器的硬同步。 ( 2 ) 仲裁域：在标准格式里，仲裁域由1 1 位标识符及 R T R ( R e m o t e T r a n s m i s s i o nR e q u e s t ) 位组成。在扩展格式里，仲裁域包括2 9 位标识 符、S R R ( S u b s t i t u t eR e m o t eR e q u e s t ) 位、I D E ( I d e n t i f i e r E x t e n s i o na i t ) v 位和R T R 位。 当有多个C A N 控制器同时发送数据时，在仲裁域要进行面向位的冲突仲裁。C A N 总线上的接收节点可以请求总线上另一节点发送信息，方法是向网络上发出远程 帧，置远程发送请求位R T R 为高，如果所寻址节点立即发送所请求的数据，则使 用相同的标识符，此时总线上不会产生冲突，因为数据帧的R T R 位此时为低( O ) 。 ( 3 ) 控制域：控制域由6 个位组成，标准格式的控制域结构和扩展格式的 不同。标准格式里的控制域包括数据长度代码、I D E 位( 位显性) 及保留位r o 。 扩展格式里的控制域包括数据长度代码和两个保留位r o 和r 1 。保留位必须以显 性位发送，接收节点接收显性位和隐性位的所有组合。其中的数据长度代码指示 了数据域里的字节数。 ( 4 ) 数据域：数据域由数据帧里发送的数据组成。它可以为O 8 个字节， 每个字节包含8 个位。 ( 5 ) 循环冗余码校验域：循环冗余码校验域( c R c ) 由C R C 域及C R C 界定 符组成。C R C 计算中，被除的多项式系数由无填充位流给定。包括帧起始、仲裁 域、控制域、数据域及1 5 位为0 的解除填充地点位流给定。此多项式除以下列 多项式： 1 2 韭夏至垣友望麦些亟堂焦途塞些趔丕统盟佳绪翅鲤塞 X 1 5 + _ X 1 4 + X 1 0 + X 8 + X 7 + X 4 + X 3 + 1 相除的余数即为发送到总线的C R C 序列，C R C 序列之后是C R C 界定符，它包 含一个单独的隐性位。 ( 6 ) 应答域：应答域由发送方发出的两位( 应答间隙及应答界定) 隐性位组成， 所有接收到正确的C R C 序列的节点将在发送节点的应答间隙上将发送的这一隐 性位改为显性位。因此，发送节点将一直监视总线信号以确认网络中至少一个节 点正确地接收到所发信息。应答界定符是应答域中第二个隐性位，由此可见，应 答间隙两边有两个隐性位，C R C 界定位及应答界定位。 ( 7 ) 帧结束域：每一个数据帧或远程帧均由一串七个隐性位的帧结束域结尾。 这样，接收节点可以正确检测到一个帧的结束。 远程帧作为激活数据接收器的站或者总线的上位机可以借助于发送一个远 程帧初始化各源节点数据的发送，并要求相应的节点发送其检测到的数据。远程 帧由6 个不同的位域组成：帧起始、仲裁域、控制域、C R C 域、应答域和帧结束。 数据帧的R T R 位是显性位，而远程帧的R T R 位则为隐性位，远程帧不存在数据 域，D L C ( D i g i t a lL o o pC a r d e r ) 的数据值是独立的，它可以是O 8 中的任何数值， 这一数值为对应数据帧的D L C 。远程帧的组成如图2 - 4 所示。 f 间空 远程帧 帧间空 或过载 f 仲裁域控制域C R C 域 f 帧结束 图2 - 4 远程帧构成 错误帧错误帧由两个不同域组成，第一个域由来自各站的错误标志叠加得 到，随后的第二个域是出错定界符。错误帧的组成如图2 - 5 所示。 j E 夏銮垣友堂主些硒堂鱼监塞堕测丕缠簋佳结趁硒窒 硒误坝 裂研go 眄I ， 帧空阳 错误标志 或超载I 。错误叠加标志。措误界定徒 图2 - 5 错误帧构成 错误标志有两种形式：激活( A c t i v e ) 错误标志和认可( P a s s i v i t y ) 错误标志。激活 错误标志由6 个连续的显性位组成，认可错误标志由6 个连续的隐性位组成。 超载帧超载帧包括两个位场超载叠加标志和超载定界符，其组成如图2 - 6 所 示。 或错 或超 超载帧 帧结柬帧空间 误界定符 或超载镌 载界定符一 超载标志。1 ，_ 超垅叠加标志超载界定符 图2 - 6 超载帧构成 导致发送超载帧的条件有三种： ( 1 ) 接收器内部原因，它需要延迟下一个数据帧或远程帧。 ( 2 ) 在“间歇”的第一位和第二位检测到个显性位。 ( 3 ) C A N 结点在错误界定苻或超载界定苻的的8 位检测到一位显性位。 帧间空间数据帧和远程帧与其前面的任何帧( 数据帧、远程帧、出错帧、超载 帧) 以帧间空间的位场隔开。与此相反，超载帧和错误帧前面不存在帧间空间，并 且多个超载帧也不用帧间空间分隔。帧间空间包括“间歇”位和“总线空闲”位， 如果是发送前一报文的“错误认可”站，则还包括“暂停发送”。对于非“错误认 4 j E 立銮垣友堂童些亟堂焦监塞堕型丕缝篮链绪趋班五 可”或已经完成前面报文的接收器，其帧间空间如图2 7 所示，对于已作为前一 报文发送器的“错误认可”的站，其帧间空间如图2 - 8 所示。 。帧间空间。打 坝 7 间歇总线空闲 图2 7 非“错误认可”帧间空间 ， 帧闻空间 戳 ， 、o 暇 间歇暂停发送总线空闲 2 3 3 帧编码 图2 - 8 “错误认可”帧间空间 帧起始、仲裁域、控制域、数据域和C R C 序列帧段均以位填充方法进行 编码。无论何时，当发送器在发送位流中检测到5 个数值相同的连续位( 包括 填充位) 时，它在实际发送位流中，自动插入一个补码位。数据帧或远程帧的 其余位域( C R c 界定符、应答域和帧结束) 为固定形式，不进行填充。错误帧和 超载帧也为固定形式，都不用位填充方法进行编码。 2 3 4 错误检测 M A C 子层具有下列错误检测功能：监测、填充规则校验、帧校验、1 5 位循 环冗余码校验和应答校验。综合起来有以下错误类型： ( I ) 位错误结点在向总线发出一位的同时也在监视总线。当监测到的位数值与 送出的位数值不同时，则检测到位错误。 ( 2 ) 填充错误在使用位填充方法进行编码的帧场中，出现第六个连续相同电平 位时，则检测到填充错误。 f 3 ) C R C 错误C R C 序列由发送器的C R C 计算结果构成。接收器以发送器相 同的方法计算C R C ，如果不等于接收到的序列时，则检测到C R C 错误。 ( 4 ) 格式错误当固定格式位场含有一个或更多非法位时，则检测到形式错误。 其中例外是：接收器在帧结束的最后位检测到“显性”位时，不将其理解为形式 错误。 ( 5 ) 应答错误在发送器A C K 隙期间检测到。显性”位时，则检测到一个应答 错误。 当检测到以上这些错误之一，L L C 子层即被告之，并且M A C 子层启动发 送错误标志。 当任何节点检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，由各自节点 在下一位启动发送错误标志。当检测到C R C 错误时，错误帧在紧随A C K 界定 符后的那位起始发送，除非另一个错误条件的错误帧己经准备好启动。 2 4 本章小结 本章主要介绍了C A N 总线的特点及技术规范，分析了C A N 总线的分层结 构，从分析中可看出，C A N 总线采用的二层网络结构( 物理层和数据链路层) 具有 结构简单、价格低、性能好的特点，同时C A N 是一种多主总线，实时性好，提 供了多种错误处理功能，有极高的可靠性，在机车工业中得到了广泛的应用。 3J S C T I I 型机务行车数据采集诊断及信息提示系统 3 1 系统构成 “机务行车数据采集诊断及信息提示系统”( 以下简称“系统。) 车载基本 组成单元是两个主机，带显示器，根据车型和用户要求可任选一个。一个数据存 储盒，十二个霍尔传感器，三个数据采集盒。“系统”的日期、时间、机车号、车 次、车站号、编组、公里标、速度等信息来自机车安全装备中的T A X 2 箱。霍尔 传感器采集机车主发电机电压、电流，燃油、滑油压力，充电电流，六台牵引电 机分流的信息。冷却水、滑油温度采用双路温度传感器。前后台的司控器触指、 扳键开关的闭合、断开，以及机车指示灯的变化，司机的鸣笛等信息来自数据采 集盒。地面主要是由地面微机和数据处理软件组成地面微机系统。 机车行车薤据采集诊断及信息提示系统 原理框图 - 一- - - - - - ： 。 当臼 珀臼臼曰臼 R 片 砌圈咖 曰 。 J 鞯 目 誉扫 r 一1 l H x 电压、自自& Q l 敲* 弃t l 叮舢虮# d 。斜自勰口2 主机 I “1 ：l 蛆自t 自潮 口3 琴R * 一L r _ J ： 擅 g n a相q 筐矗翦匿垃 mI I 蜘压 m t &l 电 m 9 犍岌 mI 缸I D 抽自n * 口髓机 _ I 埘曲曲m 机井勰由罩月 I：l 兀邱6 D 帆* 龋啊硼棒基僵慧 ! 螂：= 罐彝 后台锥- 瞳 m 帆番H # 匝卜一卜I ” 图3 1J S c T 一型机务行车数据采集诊断及信息提示系统 主、副机外形结构类似。主机上装有数据存储盒装一个，用于记录采集的机 车数据。副机没有安装数据存储盒，主要在后司机室起信息显示、查看等功能。 如图3 2 所示： 韭塞窑适盘堂主些亟堂焦监塞S ! ：l I 型扭经堑至塾握墨塞趁断厘焦息埕丞丕缠 图3 - 2 主机结构外型图 数据采集盒分别安装在前、后司机室各一个( 如图3 3 所示) ，高压室内一个 ( 如图3 4 所示) 。 图3 - 3 前司机室图数据采集盒 3 2 主要技术参数 图3 _ 4 后司机室图数据采集盒 主微处理器： 前沿机： 输入电源： 功耗： 语音提示输出功率： 主机与T A X 2 间通信： C A N 接口通讯： 断电后运行记录数据保存时间： 运行记录容量： 1 6 位单片机8 0 C 1 9 6 K C 。 单片机7 7 E 5 8 D C l l 0 V ( 允许波动范围：1 1 0 V 3 0 ) 最大时低于2 5 W 不低于0 1 5 W 串行R S - - 4 8 5 ，传输速率2 8 8 0 0b p s C A N 2 0 A ，传输速率1 0 0Kb p s 永久保存 3 2 M 3 。3 主要电路原理设计 3 3 1C A N 总线在8 0 C 1 9 6 K C 单片机系统中的设计 16 位的80C19 6KC 芯片是Intel 公司MCS 一96 系列单片机 中重要的新成员，也是目前该系列单片机中性能最强的产品之一，在各类自动控 制系统、数据采集系统和高级智能仪器中都有广泛的应用。80CI96KC 芯 1 9 j E 夏窑适盔堂童些亟堂僮丝塞! S 里I ! 型扭爱红王数据墨塞途匦厘信息握丞丕蕴 片的特点如下：振荡信号频率达l6M HZ ，指令的运算速度更快，16 位乘法 1 75 肛s ，32 位除法3 0 _ 【s ；8 个A D 通道，可以方便地实现被控对 象多点电压和电流采样；通过CPU 的串行口可实现与上位PC 机之间的通信； 新增l00H 1F FH 内部R A M ，在垂直窗下具有更灵活的运用；具有三路 脉宽调制( P w M ) 输出：在80Cl96K B 的基础上又增加了5 条( K B 已 经增加了6 条) ，使程序编制更加方便；16 位多路复用地址数据地址线可以与 PSD 直接接口，同时通过锁存器后，可将地址和数据分别接至双口R A M ，实 现多个cPu 之间的数据传输等。 本系统C A N 节点硬件电路主要由主控单元8 0 C 1 9 6 K C 单片机、C A N 总线控制器 S J A1 0 0 0 、高速光耦6 N1 3 7 、总线驱动器8 2