（安全技术及工程专业论文）基于工控机的机车监控设备检测系统的研究.pdf

a b s t r a c t t h el o c o m o t i v em o n i t o r i n gi sc h a r g eo f m o n i t o r i n gl o c o m o t i v es t a t u s , w h i c hi st h e i m p o r t a n tg u a r a n t e eo f t h es a f c - t r a v d i n g , s ot h el o c o m o t i v em o n i t o r i n gi sn o r m a lo rn o t h a sg r e a ti m p a c t0 1 1t h ed r i v es a f e l yo f t h el o c o m o t i v e t oa l $ u l et h el o c o m o t i v em o n i t o r i n gw o r kn o r m a l ，r e g u l a re x a m i n a t i o ni s n e c e s s a r y t h ea u t o m a t i cd e t e c t i o ns y s t e mo fl o c o m o t i v em o n i t o r i n gc u r r e n t l yu s i n g 伽o n l yt a k eo v e r a l le x a m i n a t i o n , w h i c hc a nn o td e t e c tt h ep r o b l e mo fi t sc o m p o n e n t s - - - - c o m p u t e rc o n t r o lp l u g - b o a r d t h es i n g l ep l u g - b o a r dt e s t i n gs y s t e mi s s t i l li nt h e d e v e l o p m e n ts t a g e , a n dt h e r ea r cs t i l lm a n yp r o b l e m st ob es o l v e d 。 t h i sp a p e rp r e s e n t st h et h o u g h t sa n da c h i e v i n gm e t h o d so f t h ed e t e c t i n gs y s t e mo f l o c o m o t i v em o n i t o r i n g ，w h i c hu s i n gi p ca n dp c id a t aa c q u i s i t i o na n d 。0 n t r o lc a r df o r h a r d w a r ed e t e c t i o ne q u i p m e n t u s i n gv c + + 6 0f o rs o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ， a n du s i n ga u t o m a t i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya st h ec o r ot e c h n o l o g y t h ed e t e c t i o ns y s t e m u s i n gt h ew h i t eb o xt e s t i n ga n db l a c k - b o xt e s t i n gp e r s p g c t i v ci ns o f t w a r ee n g i n e e r i n g , u s i n gw h i t e - b o xt e s t i n g 雕髑删v et ot e s tt h ec o m p u t e rc o n t r o lp l u g - i nb o a r d sd e e p l y ； u s i n gb l a c k - b o xt e s t i n gp c 鹈p c c 小，et ot e s tt h el o c o m o t i v em o n i t o r i n gc o m p r e h e n s i v e l y , a n dt h et w ot e s t sw i l lb eo r g a n i cc o m b i n e d , n o tm e c h a n i c a l l y i nt e r m so fh a r d w a r e , t h i ss y s t e ms o l v e dt h ep r o b l e mt h a th o wt h es c s i - i i i n t e r f a c eo fa d v a n t e c hp c id a t aa c q u i s i t i o nc o n t r o lc a r dc o n t r o lt h ed f 7b u sf o i n t e r f a c eo f m i c r o c o m p u t e rc o n l r o lp l u g - i nb o a r d ，i n c l u d i n gp r o t o c o lc o n v e r s i o n , s i g n a l d i s t r i b u t i o n , v o l t a g er e g u l a t i o n , a n do t h e ri 8 8 u e 8 i nt c r n 鸲o fs o f t w a r e , u s i n gm f c f f a m e w o 咄a n dd y a d i cl i n kl i b r a r yt e c h n o l o g y , a d o p t e dt h et h o u g h to fw h i t i n ga n d d 曲u g g i n gt h ei n t e r f a c ep r o c e d u r e sa n dc o n t r o lp r o c e d u r e ss e p a r a t e l yw h i l en m n i n g t h e mt o g e t h e r i ta l s op r o v i d e sn e ww a y st od e c i d et h el a n g u a g ee n v i r o n m e n t - i nr u n t i m e e n v i r o n m e n t s u s i n g d a t a b a s e t e c h n o l o g y a n d m u l t i - t h r e a d i n gt e c h n o l o g y 髂 s u p p l e m e n t a r ym o a n st oc o m p l e t et h ed e s i g no f t h es o f t w a r e t h i sd e t e c t i o ns y s t e mw i l ln o to n l ys o l v et h i ss p e c i a le q u i p m e n tf o rt h ed e t e c t i o n w o r k , b u tp u tf o r w a r ds o m en e wi d e a sw h i c hc a nb ea p p l i e dt oo t h e ra u t o m a t e d d e t e c t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：a u t o m a t i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g y ：b u sp r o t o c o la n a l y z e s ：d y n a m i cl i n k l i b r a r y ：i p c c l a s s n 0 ：t p 2 1 6 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：友刀聊歹吞 签字日期：弘一7 年皮月少日 导师躲鳓 签字日期：锄。7 年二月日 韭塞交道太堂亟堂焦监奎 独剑生彦盟 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静研 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：支刁脚乎乐 签字日期：厶v 7 年气月 6 0 致谢 本论文的工作是在我的导师龚卓蓉老师的悉心指导下完成的，龚卓蓉老师严 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 龚卓蓉老师对我的关心和指导。 龚卓蓉老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向龚卓蓉老师表示衷心的谢意。 龚卓蓉老师对我的科研工作和论文提出了许多宝贵意见，在此表示衷心的感 谢。 在实验室工作及撰写论文期间，郭志明、廖彬等同学对我论文中的硬件电路 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京变通太堂受堂焦i 佥窑 i i 畜 1 引言 1 1 研究背景及意义 早期，机车的运行状态都靠人工监测，由于机务人员的技能存在差异，而且 人容易产生疲劳，所以容易忽视某些问题，而且有一些安全隐患不易被察觉，故 人工监测方式很不可靠，列车的安全行驶也不能保证。1 9 9 5 年，中国的铁路机车 开始普遍安装使用l k g 9 3 a 型列车监控装置，俗称“黑匣子”。十二年来，列车监 控装置的应用对铁路运输安全做出了极大的贡献。2 0 0 7 年4 月1 8 日。中国铁路在 六千多公里的铁路线上实施了第六次大提速，为适应第六次铁路大规模提速的需 要，使提速后的机车运行更加可靠安全，一些列车要配备第二代“黑匣子”，用 l k j 2 0 0 0 型替代原来的i j ( j 9 3 a 型监控装置，这更加说明了机车监控装置的重要 性。 虽然列车监控装置保障了行车安全，但是从另一方面看，也使机务人员对其 产生了依赖。在这种情况下，假如其发生故障，即使列车出现闯题也不会发出警 报或给出异常提示。如果机务人员也没及时发现问题，轻则使列车晚点，重则可 能造成财产损失和人身伤亡，后果非常严重。在此情况下，列车监控装置的检测 系统被开发出来，检测监控装置是否正常工作。定期检测可以保证监控装置正常 运转，进而保证了列车的安全行驶。 北京东风机车电器厂目前使用的控制装置为d f - j 4 0 c 型微机控制装置，其功 能较为完善。此微机控制装置由微机箱、彩色液晶显示器和外围传感器组成。微 机箱是系统的核心，通过外围传感器采集信号，运用其内部组件控制励磁机励磁 电流和其他机车电器的工作，以满足各种控制要求。彩色液晶显示器与微机箱进 行通信，显示各种运行参数和故障信息，为司机提供足够的信息，了解机车运行 状况 目前正在使用的检测系统，正是根据此控制装置的基本原理开发出来的。此 系统通过信号发生设备模拟机车运行时产生的各种信号，输入到微机箱中，代替 由传感器采集的列车实际产生的各种信号。彩色液晶显示器接收并处理主机箱的 反馈信号，并显示各种运行参数和故障信息。由于输入信号为已知量，工作人员 通过显示信息，即可对控制装置是否正常做出判断。利用此系统，可以方便的检 测微机控制系统是否正常工作。但是此系统也存在一定的局限性，即只能检测控 制装置整体是否正常工作，而不能针对单个插件板进行检测。测试单个插件板时， 只能采用替换法，即在保证一套插件板均正常工作的前提下，用待测板卡取代相 应的板卡，以检测其是否工作正常。即便采用替换法，也很难检测出具体哪一路 模拟量或者数字量通道发生故障。在这种背景下，便产生了开发单板测试系统的 需要。 单板测试系统开发完成后，只能对单板进行测试，如果需要整机测试，还是 需要采用原测试系统。为了充分利用新开发系统的资源，发挥其优势，于是提出 将整机测试部分整合进此系统，开发出全套的机车监控设备检测系统。 本课题开发的自动检测系统，以工控机、p c i 插入式数据采集控制卡和电压调 整与信号分配电路板为硬件基础，以v c + + 6 0 为主要软件开发平台，利用自动 检测技术、面向对象程序开发技术，动态链接库封装技术及数据库技术等各种技 术进行开发。由于此系统采用第三代自动检测技术，以软件编程控制硬件为基本 测试方法，以程序界面与控制部分分离为主导思想，不仅可以解决上面提出的具 体问题，还可以较方便地改装或升级为其他监控装置的检测系统。 1 2 本课题相关技术应用现状 1 2 1 工控机技术及其发展 2 0 世纪9 0 年代之后，p c 机广泛用于工业控制系统，其主要原因如下： 1 ) 拥有功能强大的c p u 2 ) 软件资源特别丰富 3 ) 显示适配卡和相应的支持软件齐全 4 ) 硬件资源相当丰富 5 ) 联网方便 6 ) 功能升级方便 7 ) 价格比较低廉 但是普通的p c 机，其设计和组装形式是不能适应工业现场应用环境的，其缺 陷主要表现在下述方面： 1 ) 抗震动、抗冲击能力差 2 ) 不适于长期运行 3 ) 对环境要求比较严格，不能适应工业现场恶劣环境 4 ) 可维护性差 5 ) m d 扩展槽比较少 为克服上述各项缺点，出现了工业生产现场测控系统专用的p c 机，即工业控 制计算机，简称工控机( 口c ) 。工业控制计算机是对工业生产过程及其机电设备、 工艺装备进行测量与控制用的计算机。传统意义上，将用于工业生产过程的测量、 控制和管理的计算机统称为工业控制计算机，包括计算机和过程输入、输出通道 2 j e 立变通去堂亟堂焦论奎li 直 两部分但今天工业控制计算机的内涵已远不止这些，其应用范围也已经远远超 出工业过程控制。 工控机在p c 机的基础上做了6 方面的改进： 1 ) 改进结构形式 去掉了外面的大盒盖，代之以分离式钢板机壳结构，从而提高了可维修性， 使得普通模板在打开机壳后就可以直接插拔更换。在各个插板的上方，增加一条 横放的压杠，以增加各个模板的抗震动和抗冲击的能力。 2 ) 采用无源底板系统 取消大底板，把大底板的功能集中到一块插板上，l s i 技术的飞速进步使得这 种设计得以实现。这种系统称为无源底板系统。 3 ) 使机内形成微正风压抵抗环境粉尘 在前部增加一个带过滤网的强力风扇，不仅加强了散热，而且使机内形成微 正风压，增强了抵抗环境粉尘的能力。 4 ) 增加扩展槽的数量 在无源底板上，扩充总线变成了具有十几个插槽的总线，从而大大提高了可 能插入模板的数量。 5 ) 减少模板尺寸 随着芯片集成度的增高，过去要用几个芯片才能完成的p c 机的某项功能，现 在只需一片便可完成。加上采用表面装贴工艺( s m t ) ，使得模板的尺寸得以大大 减小。 6 ) 彻底改变p c 总线插板的结构 把p c 模板的规格制成欧洲总线双宽的或单宽的结构，把边缘连接器改为针形 连接器。 经过这样改造后，工控机与普通计算机相比具有以下特点： 1 ) 可靠性高 工控机通常用于控制不问断的生产过程，在运行期间不允许停机检修，一旦 发生故障将会导致质量事故，甚至生产事故。因此要求工控机具有很高的可靠性。 2 ) 实时性好 3 ) 环境适应性强 4 ) 过程输入和输出配套较好 工控机要具有丰富的多种功能的过程输入和输出配套模板，如模拟量、开关 量、脉冲量、频率量等输入输出模板。 5 ) 系统扩展性好 6 ) 系统开放性好 3 j e 基至监太茔亟堂僮j 金塞 ii i 毫 7 ) 控制软件包功能强 8 ) 系统通信功能强 9 ) 后备措旌齐全 1 0 ) 具有冗余性 1 1 ) 系统能监测和自复位 1 2 ) 软硬件兼容性好 典型的工控机系统由下列几部分构成： 1 ) 工控机主机 包括主板，显示卡、无源多槽i s a p c i 底板、电源、机箱等。 2 ) 输入接口模板 包括模拟量输入、开关量输入、频率量输入等。 3 ) 输出接口模板 包括模拟量输出、开关量输出、脉冲量输出等。 4 ) 通信接口模板 它包括串行通信接口模板( r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 等) 与网络通信模板 ( a r c n e t 网板或e t h e m e t 网板) ，还需要现场总线通信板等。 5 ) 信号调理单元 包括对输入信号的隔离、放大、多路转换、统一信号电平处理，对输出信号 进行隔离、驱动、电压转换等。 6 ) 远程采集模块 包括各种常用的现场总线等。 7 ) 工控软件包 它支持数据采集、控制，监视、画面显示、趋势显示、报表、报警、通信等 功能。 典型的工控机系统构成原理框图如图1 1 所示： 4 北京交通太堂亟堂缱j 金室 !量l 宣 图1 1 典型工控机结构图 f i g 1 1 日砷谢s t r u c t u r e c h a r t o f i p c 按照所采用的总线标准类型，可将工控机分成下列四类： 1 ) p c 总线工控机。有i s a 总线、v e s a 局部总线( ，b u s ) 、p c i 总线、p c i 0 4 总线等几种类型工控机，主机c p u 类型有8 0 3 8 6 、8 0 4 8 6 、p e n t i u m 等。 2 ) s 1 d 总线工控机。它采用s t d 总线，主机c p u 类型有i n t e l 8 0 3 8 6 、i n t e l 8 0 4 8 6 等，另外与s t d 总线类似的有s t e 总线工控机。 3 ) v m e 总线工控机。它采用v m e 总线，主机c p u 类型以m o t o r o l a m 6 8 0 0 0 ，m 6 8 0 2 0 和m 6 8 0 3 0 为主。 4 ) 多总线工控机。它采用m u i t i b u s 总线，主机c p u 类型有i n t e l 8 0 3 8 6 、 i n t e l 8 0 4 8 6 和p e n t i u m 等。 与早期的扩展总线大不一样，p c i 总线是一种局部总线。它与把外设放在一条 慢速、独立的扩展总线上的这种形式不同，p c i 提供了一条高速通道，直接连接外 部设备到c p u 和主存。这种设计显著改善了总线传输率和系统的总体性能。由于 p c i 总线工控机的这些优点，本课题选择了p c i 总线工控机作为硬件开发基础。 1 2 2自动测试技术及其发展 自动测试技术创始于5 0 年代。有一个研究计划，它的最终目标是不必依靠任 何有关的测试技术文件，由非熟练人员上机进行几乎是全自动的操作，以电子计 北京交道太堂亟堂位论奎!i 直 算机的速度完成各种必要的测试项目。通过灵活的程序编制，也可以适应任何其 它具体的测试问题。在当时条件下该计划虽然花费了可观的经费，最终也远没有 达到预期的目标。但是，自动测试技术的思想却很快为广大测试技术工作者所接 受。不久，这项技术就获得了惊人的发展。到了6 0 年代末，市场就有了成套的自 动测试系统。到7 0 年代，出现了仪器仪表与计算机融为一体的智能化仪器。今天， 各种仪器功能卡应用于微型计算机，使之成为计算机及仪器兼容的微型计算机仪 器，又称“p c 仪器”，或“个人仪器”。在p c 仪器中，许多复杂的仪器功能及仪 器操作“面板”都是用软件实现的，因此又被称为“虚拟仪器” 从自动测试技术发展过程看，从5 0 年代至今大致经历了以下几个发展阶段。 1 ) 初级自动测试仪器 从第一代自动测试系统开始就采用了计算机技术，主要用来进行逻辑定时控 制。由于它没有标准接口，技术比较复杂，只能用于大量的要求重复、快速、高 可靠和对人员健康有害又难于接近的测试场合。这种自动测试技术初级产品的主 要功能是进行数据自动采集和自动分析。用它完成大量重复的测试工作，承担繁 重的数据运算和分析任务，以便快速准确地获得测试结果。起初这类设备没有通 用接口，它们多数是专用的。后来，为了系统组建方便，提出了自动测试系统中 的仪器都应配置标准化的通用仪器接口，能进行系统连接的主张。这样就可以把 任何一个厂家生产的任何型号的自动测试仪器，都能用同种标准总线连接成为 一个自动测试系统。这个主张首先是由美国h p 公司提出的。1 9 7 5 年美国i e e e 正 式颁布了m e e s t d 4 8 8 1 9 7 5 标准。后为i e c 定为国际标准，名为l e c6 2 5 标准。这 项技术很快为世界许多仪器制造厂家所采用 2 ) 智能仪器仪表 随着微电子技术的迅速发展，微处理器、单片计算机开始推广应用，人们开 始用微处理器来设计仪器仪表。由于微处理器和单片计算机具有强大的数据运算 能力和数据处理能力，因此，这种新型的仪器无论在性能和综合测试能力方面都 比传统仪器仪表强得多有些用传统仪器无法测试的参数或需要人工运算才能得 到的结果，现在可以借助计算机的推演运算直接得到。因此人们常称这类新型仪 表为“智能仪器”或“智能仪表”。这种仪器一般都配有标准接口，可以参与自动 测试系统的组建。图1 2 为其组成原理图，图中测量系统一般指信号放大器和调理 器。a d c 部件将被铡模拟量转换成数字量。计算机将测量得到的数据经过必要的 处理运算之后，就可以通过输出部件将结果显示出来。智能仪器的所有功能操作 都是通过键盘实现的，这也是它区别于一般传统仪器的主要特点之一。近年来已 有人将语音技术应用于智能仪器，实现了测量结果的自报。 6 被 图1 2 智能仪器仪表组成原理图 f i g 1 2d i a g r a mo f i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tc o m p o s i t i o n 3 ) 虚拟仪器 随着计算机技术的发展和普及，人们开始用p c 机来开发新一代的自动测试系 统，这就是个人仪器p c 测量系统( p e r s o n a li n s t r u m e n t p e r s o n a li n s t r u m e n t a t i o n s y s t e m ) 。也称。p c 仪器”或“虚拟仪器” 图1 3 所示是p c 仪器的一种基本组建方法。它是把具有测量功能的模块或仪 器卡直接与个人计算机的系统总线联接而成的。联接时既可以插在p c 机内接口槽 上，也可插在计算机外部专用的仪器板卡架上或专用机箱内。p c 仪器的各种测量 功能都是由磁盘中的常驻测量程序来实现的。 用个人仪器组建的自动测试系统，可以去掉一些不必要的硬件，充分利用个 人计算机的软硬件资源。这种情况下，不同功能的仪器仅体现于测量模块及其软 件的不同，仪器不再以传统的独立形态出现了，仪器效益极高一台计算机只要 配备相应的测量模板或扩展机箱，就可立即成为存贮示波器、频谱分析仪、逻辑 分析仪、数字多用表、通用计数器、函数发生器或g p i d 仪器控制器等等。因此个 人仪器的开发是当代仪器技术的又一重大进步。 图1 3 虚拟仪器 f i g 1 3v i r t u a li n s t r u m e n t 7 北京变通太堂亟堂焦论奎!i l 直 1 2 3e d a 技术及其发展 “e d a ”即e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ( 电子设计自动化) ，是能够帮助人 们设计电子电路或系统的软件工具，该工具可以使设计更复杂的电路和系统成为 可能。“e d a ”是涉及计算机图形学、微电子工艺等学科的综合性技术，随着计算 机、集成电路、电子系统设计的发展，经历了一个由浅到深的过程。从2 0 世纪6 0 年代中期开始，人们就利用各种计算机辅助设计工具来取代手工操作，进行i c 版 图编辑和p c b 布局布线，改变了传统的手工方法制图和设计集成电路方法，由于 p c b 布局布线工具受到计算机工作平台的制约，其支持的设计工作有限，性能比 较差。2 0 世纪8 0 年代，由于各种设计工具( 如原理图输入、版图自动布局) 均已 齐全，人们采用统一的数据管理技术将各个工具集成为一个系统，提供标准元件 库，使设计工作方便快捷，但在设计过程中，自动化和智能化程度还不高，各种 e d a 软件界面千差万别，学习使用困难，并且互不兼容，直接影响到设计环节闻 的衔接2 0 世纪9 0 年代以来，电子工艺水平已经达到了深亚微米级，人们开始追 求贯彻整个设计过程的自动化，把精力集中在创造性的方案与概念构思上，从而 可以提高设计效率，缩短产品的研制周期。这时的e d a 工具不仅具有电子系统设 计的能力，而且能提供独立于工艺和厂家的系统级设计能力，具有高级抽象的设 计构思手段 p r o t e l 是国内最流行、使用最广泛的一种印制电路板( p c b ) 设计的首选软件， 由澳大利亚p r o t e lt e c h n o l o g y 公司出品，过去只是用来进行原理图输入和p c b 版 图设计，从p r o t e l9 8 开始，加入了模拟数字混合电路仿真模块( s d 订) 和可编程逻 辑器件设计模块( p l d ) ，1 9 9 9 年p r o t e l 推出了功能更加强大的e d a 综合设计环 境p r o t e l9 9 ，它将e d a 的全部内容整合为一体，成为完整的e d a 软件，因而该 软件发展潜力很大，但它最具特色和最强大的功能仍是原理图输入和p c b 版图设 计；另外还有u l t i b o a r d 与m u l t i s i m 配套的p c b 设计软件，p c bw i z a r d 与l i v a w i r e 配套的p c b 制作软件包等等。 本课题采用了p r o t e l9 9s e 作为电路板开发软件，为电压调整与信号分配电路 板的开发工作带来了极大的方便。 1 3 课题研究主要内容 根据目前自动检测技术的发展以及针对东风7 型微机监控系统的特点，本课题 主要研究内容如下： 1 微机监控系统的主要组成部分一微机控制插件板的单独检测。主要工作是 分析c p u 板的存储器中与被测插件板相关的汇编程序以及被测插件板的电路结 j e 塞窆亟太堂亟堂焦i 佥室!l 言 构，分析被测插件板的接口总线协议，分析完成后，制定相应的检测手段。设计 检测的软硬件实现方法。 2 微机监控系统的整体检测。主要工作是模拟机车上实际产生的各种数字量及 模拟量信号，研究信号发生的虚拟仪器解决方案。 3 对检测系统进行了抗干扰设计，保证检测系统正常运行。 4 研究先进的软件设计手段及软件设计思想，使检测软件便于升级、扩展、使 用。 本系统整体框架如图i a 所示： 图1 4 检测系统整体框架 f i g 1 4o v e r a l lf r a m e w o r ko f d e t e c t i o ns d t e m 图中的工控机、插入式采集控制卡、电压调整与信号分配电路板、触摸显示 器和参数显示器，为检测系统的硬件组成部分。微机监控装置与微机监控插件板 为被检测对象。插件板组件是机车监控装置的组成部分，在图中相分离，为了表 明检测系统可以对其整体及组件分别进行检测。在以下章节中，将具体介绍设计 思想及实现方法，包括协议转换、电压调整、信号产生、信号分配等问题的解决 及软件开发过程中各种技术的应用，其中动态链接库技术为软件设计的核心技术， 辅以a c t i v e x 技术、多线程技术及a d o 技术。对在开发过程中遇到的问题及怎样 通过改变设计而得以解决，在以下章节中也有阐述。 9 j e 塞銮煎太堂亟堂焦i 金奎 2 丕统i l 佳遮让 2 系统硬件设计 2 1 插入式数据采集控制卡及其应用 近些年来，工业p c 的i o 接口产品已经变得越来越精确，可靠而且容易购买。 因此，基于p c 的数据采集系统已经被广泛应用于工业现场及实验室。研华公司设 计的数据采集控制硬件及软件可用于测量，监控和应用控制，功能既全面，又强 大。但是首先要明确自己的需求，才能正确应用适当的数据采集控制卡。 2 1 1 数据采集控制卡的选择 数据采集控制卡的选择应基于以下五个主要标准： 1 ) 通道的类型及个数 2 ) 差分或单端输入 3 ) 分辨率 4 ) 速度 5 ) 软件与硬件的兼容性 经过需求分析，初步决定使用p c i - 1 7 1 0 ，p c i 1 7 2 3 ，p c i - 1 7 5 0 和p c i - 1 7 5 1 四 种类型的数据采集控制卡在系统设计与调试过程中，根据实际需要与系统优化， 将p c i - 1 7 1 0 替换为p c i 1 7 1 0 l ，并将p c i - 1 7 5 0 所承担的任务，改由其他几块数据 采集控制卡承担。下面几节简要介绍一下各数据采集控制卡的参数性能，具体应 用在单板检测部分介绍。 2 1 2p c i - 1 7 1 0 p c i - 1 7 1 0 系列属于p c i 总线多功能数据采集卡，包含五种最常用的测量和控 制功能：1 2 位a d 转换、d a 转换、数字量输入、数字量输出及计数器，定时器功 能。其基本参数为： 1 ) 模拟量输入 通道：1 6 路单端或8 路差分模拟量输入( 可编程控制) 分辨率：1 2 位 输入范围：( 可编程控制) 表2 - 1 模拟量输入范围 2 ) 模拟量输出 通道：2 1 0 拙基窑煎基堂亟堂僮盈奎 2 丕红堡往超让 分辨率：1 2 位 输出范围( 可编程控制) ： 内部参考电压：o + 5 v 一5 v ，o + l o v 一l o v 外部参考电压：o 如【v - - x v ( - - 1 0 x 1 0 ) ( 注：此处 为手册上使用的符号，含有“和”的意思) 3 ) 数字量输入 通道：1 6 输入电压： 低电平：0 4 v ( 最大) 高电平：2 4 v ( 最小) 4 ) 数字量输出 通道：1 6 输出电压： 低电平：0 4 v ( 最大) 8 0 m a ( 汇) 高电平：2 4 v ( 最小) - 0 4 m a ( 源) 5 ) 可编程定时器计数器 本系统未用，参数略过。 其i o 接口为6 8 脚s c s i - i i 孔式接口，如图2 1 所示： 图2 1p ( 、i 一1 7 t 0 接口图 f i g ，2 ip c i 一1 7 1 0i n t e r f a c e 其中p c i - 1 7 1 0 l 除了没有2 路模拟量输出通道，其他功能与p c i - 1 7 1 0 相同。 2 1 3p c i 1 7 2 3 p c i 1 7 2 3 是一款非隔离的多通道p c i 模拟量输出卡，每个模拟量输出通道都 带有一个1 6 位的双缓冲d a c 。此输出卡具有自动校准功能。是要求多路模拟量输 出应用的理想选择。其基本参数为： 1 ) 模拟量输出 通道：8 分辨率：1 6 位 工作模式：单独输出，同步输出 输出范围：一1 0 + l o v ，0 2 0 m a ，4 2 0 m a ( 仅内部参考电压) 2 ) 数字量输入偷出 通道：1 6 ( 双向) 端口数量：2 输入电压：低电平0 8 v ( 最大) 高电平2 0 v ( 最小) 输出电压：低电平0 5 v ( 最大) 2 4 m a ( 汇) 高电平2 4 v ( 最小) 1 5 m a ( 源) 其i o 接口为6 8 脚s c s m i 孔式接口，如图2 2 所示： 图2 2p c i - 1 7 2 3 接口 f i z z 2p c i - 1 7 2 3i n t e r f a c e 1 2 j e 廑窑盟太堂缝主堂僮j 金塞 2 丞统焦佳设让 2 1 4p c i - 1 7 5 0 p c i - 1 7 5 0 提供了1 6 位隔离数字量输入通道，1 6 位隔离数字量输出通道及一个 p c i 总线的隔离计数器定时器。由于带有2 5 0 0 v ( d c ) 隔离保护及支持干接点， p c i - 1 7 5 0 非常适合需要高电压保护的工业应用场所。p c i - 1 7 5 0 每个加通道对应 p cf o 端口的一位。使得对p c i - 1 7 5 0 编程非常容易。其基本参数为： 1 ) 数字量输入 1 6 路光隔离输入 输入范围：5 5 0 v ( d c ) 或干接点 隔离电压：2 5 0 0 v ( d c ) 2 ) 数字量输出 1 6 路光隔离输出 输出范围集电极开路5 4 0 v ( d c ) 汇点电流每通道最大2 0 0 m a 隔离电压2 5 0 0 v ( d c ) 3 ) 可编程计数器定时器 未用，参数略过。 其接口为d b 3 7 图2 3p c i - 1 7 5 0 接口 f i g 2 3p c i - 1 7 5 0l a t e r f a e e 2 1 5 p c i 1 7 5 1 p c b l 7 5 1 是一款基于p c i 总线的4 8 位数字量v o 卡。其4 8 位被分为6 个8 位的f o 端口，用户可以通过软件对每个端口进行配置。p c i - 1 7 5 1 还提供了一个 1 3 事件计数器和两个1 6 位的定时器，这两个定时器可以级联为一个3 2 位定时器。 其基本参数为： i o 通道：4 8 路数字量i o 编程模式：8 2 5 5 p p i 模式0 1 ) 数字量输出 逻辑电平0 ：0 4 v 最大 2 4 m a ( 汇) 逻辑电平l ：2 4 v 最小 1 5 m a ( 源) 2 ) 数字量输入 逻辑电平0 ：o 0 8 v 逻辑电平l ：2 5 2 5 v 3 ) 可编程定时器计数器 未用，参数略 在本系统中，p c i - 1 7 5 1 主要充当数据线，地址线及控制线的控制采集卡。 其i o 接口为6 8 脚s c s i - h 孔式接口，如图2 4 所示： 图2 4 p c i 1 7 5 1 接口 f i g 2 4p c i - 1 7 5 1i n t e r f a c e 1 4 n 鼻m 声n 与 竹佗牾话他仃。褥”坦拈俘博d协21糟博侮”d阳h”h住c盼陬雎附队辨雅睢翎飑糟雕雕婚睢雕鸭翎雌雌k陌阿阢雌翩甜蹦饼饿钳翻砌 篱黔嚣箝耱甜镗竹“聪蜡盯褥循甜艟昭辩鞯雒甜鼹骆甜舱鹞髓祜姆钉鳃，234；7，住牾循竹羽嚣孔弱嚣”疆扮；鞭牡辩 曼趸怒囊銎萋鼍器器觳鬈嚣嚣蹯摆器|毫裟器怒羹譬；|躲黢船墓莓慧黑嚣裟器船慧器基是一器篙 n n h 2 2 人机交互设备 人机交互设备是计算机系统中最基本的设备之一，是人和计算机之间建立联 系、交换信息的外部设备，只有通过人机交互设备，操作人员才能发出检测命令， 并观看检测结果。常见的人机交互设备可分为输入设备和输出设备两类。 1 ) 输入设备 输入设备是人向计算机输入信息的设备。常见的输入设备有键盘，鼠标，扫 描仪、光笔、数字化仪等设备。 2 ) 输出设备 输出设备是直接向人提供计算机运行结果的设备。常见的输出设备有c r t 显 示器，l c d 显示器，l e d 指示灯，打印机等设备。 常规的自动检测系统，一般采用键盘和鼠标作为输入设备，采用l c d 显示器 作为输出设备。本课题采用触摸显示器作为人机交互设备，因为它是由具有输入 功能的触摸屏和具有输出功能的l c d 显示器组装而成的，所以同时具有鼠标与 l c d 显示器的功能，通过操纵软键盘，也同时具有了键盘的功能，采用这种设计， 使系统整体显得整洁，操纵也非常方便。 2 3 单板检测部分 单板检测部分，借用软件工程的术语，相当于一个白箱测试系统。我们需要 对微机控制插件板的工作原理非常了解，才能进行此部分的测试。 2 3 1 简介 单板微机插件板是机车监控系统的组成单元，在单板检测部分，它则是被测 对象，被我们开发的测试系统检测。本系统可以检测每个插件板是否工作正常， 如果存在故障，可以精确的检测出具体哪一路数字量或模拟量通道存在问题，以 便快速进行故障定位与诊断。单板微机插件板一共有1 4 块，按照功能分类，分别 为主c p u 板，辅助c p u 板，模拟量输入板a d c ，频率输入板，数字量输入板i n l 和i n 2 ，数字量输出板o u t l 和o u t 2 ，p w m 输出板和柴油机无级调速板。 2 3 2 整体框架 单板检测系统整体框架初始设计如图2 5 所示：工控机作为系统的核心，发送 数据与接收数据最终都是由工控机完成的。图中工控机周围的插入式数据采集控 制卡为p c i 总线功能卡，实际插在工控机内的p c i 插槽中，在图中分布在工控机 周围是为了演示方便。数据的发送和接收工作，就是直接通过他们完成的。 j 塞窑通太堂亟坐位j 佥毫 2 丕统鲤往丝让 7 -_ 1 一。- ii t 、厂。 爿圭咝f 哑却瞅。雠i圈 工控朝 。= 夏飞 a p 地型赢、 磁通信j 冒 - 一p - j l 甚滞 7 - 趣匠心戡擀 _ _ j0 嘉秦 批魏 f - - _ h i 翻 图2 5插件板检测系统整体框架( 最初设计) f i g 2 5 0 v e t a t t f r a m e w o r k o f p i a b o a r d o l 弛x i t i o l l s y s t m ( p r 岫- y d e s i g n ) 数据采集控制卡和被测插件板的接口标准是不同的。数据采集控制卡为6 8 针 s c s i i i 接口或3 7 针d 型孔式接口，接口形式如2 1 节所示。被测插件板为以s t d 总线接口为基础的d f ，总线接口，要想通过数据采集控制卡向被测板卡发送和接 收数据，必须要设计外部电路，进行协议转换。由于被测对象采用的是d f 7 总线 接口，故协议转换时，要针对d f 7 总线针脚顺序及操作时序，对研华的数据采集 控制卡进行任务分配，以达到通信的目的。s t d 总线采用三总线结构，即数据线， 地址线及控制线。数据线为8 位，地址线为1 6 位，其他为控制线，其中包括电源 线及各种时序控制管脚。被测插件板采用的d f 7 总线在s t d 总线基础上傲了一定 的变动。数据线与地址线均为8 位，其他为控制线，电源线，以及数字量与模拟 量输入输出线。被测插件板的数据线与地址线是公共的，物理上也是连接在一起 的，故可以由研华的其中一块数据采集控制卡集中控制。p c i 1 7 5 1 为铝位数字量 i o 卡，分为6 组。可集中利用其中3 组作为数据线、地址线与控制线。三总线对 应p c i - 1 7 5 1 相应管脚进行连接后，工作还没有结束，还需要考虑信号发送的先后 问题，这一问题就是时序问题，在下一节中将重点分析时序问题。模拟量输入与 输出针脚主要由p c i - 1 7 1 0 与p c i - 1 7 2 3 进行控制，数字量输入与输出针脚主要由 p c i 1 7 5 0 进行控制。 除了需要解决总线协议问题，还需要解决电压匹配问题。数据采集控制卡输 出电压和输入电压最高不过几十伏，而被测板卡可以输入和输出1 1 0 v 电压的开关 量数字信号。这样的话，如果要利用数据采集控制卡对被测插件板进行控制，或 读取被测插件板1 1 0 v 的开关量数字信号，就要设计电压调整电路。本系统采用了 继电器组作为电压转换电路。具体实现方法在2 3 4 节中讲述。这样，数据采集控 制卡如何控制被测插件板的问题就解决了，然后需要解决的就是检测流程问题。 按照通信信号类型分类，信号分为数字量与模拟量通信，而讨论检测流程问 题时，可以按照数据输出与数据输入2 部分讨论。数据输出是相对于数据采集控 制卡而言的，如对被测插件板中的开关量输入板进行检测时，需要为其提供开关 量信号，故应该归入数据输出部分。而对被测插件板中的a d c 板进行检测时，需 要为其提供模拟量信号，故也应该归入数据输出部分。数据输出部分的起点为提 供数字量或模拟量输出功能的数字采集控制卡，它将信号提供给被测插件板，然 后p c i - 1 7 5 1 对插件板控制线发出信号，使其对输入的信号进行相应的转换，把转 换结果放到数据线上，此时p c i - 1 7 5 1 对插件板地址线发出信号，选通相应插件板， 然后对相应插件扳进行数据读取。数据读取后，由于输出信号为已知量，这就可 以通过程序判断读取的数据与输出数据是否匹配，如匹配，则认为此插件板工作 正常，作出相应提示。如果不匹配，则判断哪一通道不相匹配，给出错误提示， 并进行自动记录。数据输出整个过程就此结束。数据输入部分则正好相反，起点 为控制各插件板数据线、地址线与控制线的p c i - 1 7 5 1 数据采集控制卡，首先，由 p c b l 7 5 1 对被测插件板地址线发出信号，将其选通，然后对其数据线发出信号， 接着对其控制线发送信号，启动插件板进行转换，转换结束后，数字量或模拟量 被送到相应通道，这时利用提供数字量或模拟量采集功能的研华板卡，将这些数 字量或模拟量采集，转换为数据。通过程序，判断发送的数据与最后接收的数据 是否匹配，如匹配，则说明插件板工作正常，给出相应提示，如果不匹配，则判