（机械电子工程专业论文）铁路货车滚动轴承轴颈检测与选配系统.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 车轴轴承是机车车辆走行系统不可缺少的一部分，列车提速后对 它提出了更高精度的装配要求，其检测与组装的质量，直接影响到车 辆的行车速度和安全。但是现在的大部分机务段、车辆段所采取的检 修方法还比较落后，主要弊端是测量误差较大和自动化程度较低。对 轴承、轴颈的测量，现在普遍采用的还是传统的机械式内径百分表和 外径千分尺，系统精度仅在1 0 9 m 数量级。而且数据的录入、计算、 比较以及选配都是通过手工进行的，不但繁琐耗时，而且容易出错。 因此轴承轴颈自动检测及优化选配系统的设计是铁路部门面临的紧 迫问题。本课题就是在这个基础上提出的，目的就是要提高轴承轴颈 的测量精度，并且使选配过程自动化。 该系统在功能上主要分为三个部分：数据采集子系统、数据通信 子系统和数据选配管理子系统。本文对相关的若干关键问题进行了深 入探讨，并在此基础上提出了本系统的软硬件设计方案。数据采集子 系统，在综合考虑精度和成本因素后，设计的直径测量模块借鉴了内 径百分表和外径千分尺的设计原理，但采用光栅传感器代替了其变换 指示部分，通过硬件细分电路实现了轴承轴颈的高精度测量；并通过 普通单片机外加u s b 接口器件p d i u s b d l 2 的方法，实现了测量数据 的自动化采集、显示及存储等功能。数据通信子系统采用了新型总线 技术通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，简称u s b ) ，并按照通 信协议设计软件，完成了采集数据从现场设备到主机的快速、可靠传 输。在数据选配管理子系统，研究设计轴承轴颈的优化选配算法，并 用v i s u a lb a s i c 语言编程实现，使选配质量和效率都有了大幅度的提 高；并且根据实际情况和现场的需求，规划和设计了测量和选配数据 的存储形式和组织方式，即使用文本文件的形式实现对数据的查询、 访问和更新，以便于操作和维护历史数据。 关键词：轴承轴颈直径通用串行总线优化选配 北京交通大学硬士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a si m p o r t a n t p a r t so f t h er a i l w a yt r a i n s ，t h ea x l e sa n db e a r i n g sh a v e b e e nd e m a n d e dh i 曲a c c u r a c yi nt h e i r m a t c h i n g t h eq u a l i t yo ft h e i r d e t e c t i n g a n d a s s e m b l i n gd i r e c t l ya f f e c t st h et r a i n s s p e e da n ds a f j t y b u t a tp r e s e n t , t h em e a s u r e m e n tm e a n su s e di nm e a lf i e l d ss u c ha sl o c o m o t i v e d e p o t sa l eo u to f d a t e t h e r ea r et w om a i ns h o r t c o m i n g s o n ei st h el a r g e s y s t e m u e r 】i o ra n dr a n d o me r r o r , a n dt h eo t h e ri st h el o wl e v e lo f a u t o m a t i o n n o wt h ei n s t r u m e n t sc o m m o n l yu s e dt od e t e c ta x l e sa n d b e a t i n g s d i a m e t e r sa r es t i l lt r a d i t i o n a la n dm e c h a n i c a li n s i d ed i a m e t e r g a u g e sa n do u t s i d ed i a m e t e rm i c r o m e t e r sw h o s ea c c u r a c yi sv e r yl o w f u r t h e rm o r e ，m o s to ft h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sa l em a n u a l l ym e a s u r e d ， c a l c u l a t e d ，c o m p a r e da n dm a t c h e d ，w h i c ha r et i m ec o n s u m i n g ，l i a b l et o m a k e 孤e r l d ra n dh a r dt oo b t a i nd e l i c a t ea n dr e a s o n a b l er e s u l t s s ot h ed e s i g no fa x l e sa n d b e a r i n g sd e t e c t i n ga n dm a t c h i n gs y s t e mi s a nu r g e n tp r o b l e mf a c e db yt h el o c o m o t i v ed e p o t s t h i st h e s i si s p u t f o r w a r dt or e s o l v et h ea b o v ep r o b l e m s t h em a i np u r p o s ei st oi m p r o v e t h em e t r i c a lp r e c i s i o na n da u t o m a t i o n d e g r e e t h es y s t e mi s f u n c t i o n a l l ym a d eu p9 ft h r e ep a r t s ，d a t aa c q u i s i t i o n s u b s y s t e m ，d a t a c o m m u n i c a t i o n s u b s y s t e m a n dd a t a m a t c h i n g a n d m a n a g e m e n ts u b s y s t e m i nt h i st h e s i s ，s e v e r a lk e y p r o b l e m sa g es e t t l e d ，a n dt h er e a l i z a t i o n so f s y s t e m s h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r e i n t r o d u c e di nd e t a i l i nd a t a a c q u i s i t i o ns u b s y s t e m ，h i 曲p r e c i s i o ni s o b t a i n e db y u s i n g a d v a n c e d m e a s u r i n gm o d u l e s a n dt h ef u n c t i o n ss u c h a sa u t o m a t i c a c q u i s i t i o n ， d i s p l a y , s t o r a g e a r er e a l i z e d b ym e a n so fm i c r o p r o c e s s o ra n do t h e r p e r i p l 砌c h i p s i nd a t ac o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e m ，an e wt y p eo fb u s 一 一u n i v 蚴ls e r i a lb u si su s e d a n dt h es o f t w a r eh a sf u l f i l l e dt h e h i g h - s p e e da n dr e l i a b l ed a t ai r a n s m i s s i o nf r o me q u i p m e n tt oh o s t i nt h e d a t am a t c h i n ga n dm a n a g e m e n ts u b s y s t e m ，a na l g o r i t h mi sd e s i g n e di n v i s u a lb a s i c l a n g u a g e i no r d e rt o o p t i m i z e t h ea x e l sa n d b e a r i n g s m a t c h i n g m o r e o v e r d a t aa r es a v e da st e x tf i l et of a c i l i t a t em a n i p u l a t i n g a n d m a i n t a i n i n gt h eh i s t o r yd a t as u c h a sa c c e s s ，q u e r y , u p d a t ea n ds oo n k e y w o r d s ：a x l e b e a t i n g d i a m e t e ru s b o p f i m m e dm a t c h i n g 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 ，1 论文的立题背景 铁道车辆是铁路运输的主要设备，为保证铁路畅通，要求运载货 物和运送旅客的铁道车辆，始终处于良好的技术状态下。而铁道车辆 在运用过程中，不可避免的会出现零部件尺寸或运用性能不符合技术 要求的现象，此现象统称为“损伤”。因此，检修工作十分重要。车辆 修理工作就是通过检查、更换或修复已损伤的零部件，恢复其应有的 技术状态，以保证车辆具有良好的运用性能。 车轴轴承是机车车辆走行系统不可缺少的部分，对它们来说， 一个很重要的参数便是配台过盈量。轴承在装配对，为傈证轴承与轴 颈过盈配合的质量，分别制定了轴承与轴颈的尺寸公差和形状公差【l 】a 根据轴颈的尺寸来选择轴承的尺寸，其主要依据是保证配合的过盈量 在允许的范围内，即要求在保证过盈量的前提下，采用较小的过盈配 合，来控制组装后的径向河隙。一般出厂时，车轴轴承的配合过盈量 都是合格的，但其在长时间的使用后，由于遭受到磨损、腐蚀、裂纹 和变形等损伤，尺寸和外形产生变化，改变了正常的配合条件，导致 配合过盈量不足或压力不够，从而使接融面产生严重的摩擦腐蚀，这 种破坏往往导致燃轴事故。所以要定期对这些部件进行检测，重新压 装选配。 采甩先进的技术进行商精度高效率的轴承轴颈检测选配是各个机 务段、车辆段面对的重要课题。目前，运输市场竞争日趋激烈、铁路 市场份额不断减少，尤其是在面稿高速公路严峻挑战的情况下，铁路 部门需要不断提高行车速度和牵引重量，这就要求轴承轴颈有更高的 装配精度。它们检测与组装的质量，直接影响到车辆的行车速度和运 行安全。 但是经现场调研。发现现在大部分机务段、车辆段所采取的检修 方法还比较落届，具体过程如下：将要检修的轮对从列车上卸下，再 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 把轴承从轮对上卸下存入仓库。每天晚上将第二天要检修压装的轮对 与轴承放入车间，以保证同温8 小时以上。第二天检测前对所有待测 的零部件用粉笔从1 开始连续标号，然后用内径百分表对轴承、后档、 密封座进行测量，再用外径千分尺对轮对上的轴颈和防尘板座外径进 行测量，并用纸笔手工记录下所有的数据到表格。接着由另一工作人 员按照规定计算出每一个物体的平均直径和圆度。对不合格的进行舍 弃，合格的以轴颈为基准算出与之过盈量在许可范围内的轴承的平均 直径范围，再从编号的轴承中查找，直到成功为止。总而言之，这样 的方法存在两个弊端【2 j ： 测量的系统误差和随机误差较大 对轴承、轴颈的测量，普遍采用的还是传统的机械式内径百分表 和外径千分尺，系统精度仅在1 0 岬数量级。这种测量工具无可靠的定 位机构，测量直径点数为2 ，操作时其3 个方向的准确性完全凭操作人 员的视觉和感觉来判断，操作人员的经验、精神状态以及周围环境都 会对测量值的准确性产生较大的影响。经现场了解即使最有经验的操 作者，也很难保证测量位置、方向与准确测量值的一致性，所以必然 存在随机误差，而且分散性较大。 人工方法计算与选配，不但繁琐耗时，也易出错 轴承、轴颈多数技术指标是由测量值经过计算得到的，而在选配 时也还要对数值作比较与计算。以每天检修7 组轮对和2 5 套轴承为例， 需进行2 4 6 次测量，3 6 0 次算术运算，其问还穿插一定量的数据抄录、 比较和核对过程，通常要花2 0 多分钟才能完成。可见人工方法数据处 理量很大，计算冗长，不但容易出错，选配也难以保证最佳匹配。 以上可以看出：铁路的现有段修能力明显不足，即检修工艺及手 段不完善、自动化程度低，已跟不上现代科学技术的发展，满足不了 检测技术现代化的要求，并阻碍检修质量的进一步提高，这必然影响 铁路的安全性及进一步提速。改造、更新检测设备，提高检测和自动 化水平，是十分必要的。为此需要设计一种测量精度高、抗干扰能力 北京交通大学硕- k 学位论文第一声绪论 强，能够实现轴承轴颈数据采集、选配自动化的系统，以提高工作效 率，减轻劳动强度，从“质”和“量”两个方面改善目前的状况。 1 2 国内外研究现状 直径是一个很重要的检测值，在很多场合都要对其进行测量，所 以产生了各种各样的直径测量方法，主要有三大类：机械方法、光学 方法和其它方法。机械方法测量原理简单、使用方便、测量成本低， 但测量精度不高，具体有内外径千分尺、n 尺法、弓高法、卡钳式法 等。光学测量方法为非接触式，测量时无测力、无磨损、无变形，在 保证较高测量精度的同时具有高的测量速度。光学测径方法进一步可 分为：光栅法、线阵c c d 影像法、衍射法、干涉法、激光光束法等。 直径测量除了主要采用光学与机械法外，还有如气动法、超声波法等唧。 目前市场上有许多按照上述各种原理设计制造的测径仪器。每一 种测量仪器都存在着优点和不足。从国内外现状来看，国外产品价格 普遍高，往往是国内产品的几倍甚至十几倍，而国内产品大多测量精 度低且实时性不理想。 ， 例如西安逵盛公司生产的k s j d c 型、k s p d a 型激光测径仪测 量范围广，同时具有数据处理、显示、报警、打印、存储控制及r s 4 8 5 串行通讯等功能，但精度低。俄罗斯斯捷尔里格玛克机务段1 9 9 6 年开 发并使用的一种测量装置，这种装置可测量内环直径从5 0 m m 到 2 0 0 m m 的各种型号的轴承的径向间隙。但它是纯机械式的，从指示器 上读数人为误差较大。德国米铱公司生产的对轮廓、不平度、不圆 度、尺寸等在线或离线质量监控的成套检测设备能达到微米级的测量， 但是仅其中的传感器部分就需5 万马克，价格昂贵，而且没有数据管 理系统，即使花重金购买了该套设备，仍然要追加投资开发测量数据 的管理与优化选配系统。 所以将现有市场上的通用的直径测量设备直接用于轴承轴颈测量 显然是不可行的，它们不能很好的满足铁路部门对测量车轴轴承的要 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 求。 针对这个问题曾有科研单位进行过尝试试图改变现状，如国内 黄石市邦科计算机技术应用研究所在1 9 9 6 年研制开发了客( 货) 车轴 承轴颈智能检测与选配系统。该系统实现了轴承轴颈数据的自动检测 与选配，但是测量精度低而且价格昂贵，其中货车轴承智能检测及微 机优化选配系统价格为1 5 ，5 万元套，轴颈智能检测及微机优化选配系 统为7 5 万元套，因此一直没有得到普遍应用。 株洲众欣科技发展有限责任公司与天津车轮厂共同设计卷造的众 欣轴承自动检测及选配系统也已于2 0 0 0 年9 月在株洲车辆厂台车分厂 投入使用，该系统采用轴承卧式定位，利用电子塞规通过轴承自转进 行连续测量，测量直径点数为1 6 ，测量精度在3 p m 左右，测量时间约 4 5 s 。但是该系统外形尺寸为2 0 0 0 m m ) ( 1 5 0 0 m m x1 0 0 0 m m ( 长宽 高) ，售价3 0 万元左右，应用受到限制。目前测量装置的发展趋向于 简洁轻便，只有研制经济实用的便携式仪器才能从根本上解决这一阔 题。 检索这个领域的研究文献，从1 9 9 7 2 0 0 3 年闻的关于铁路系统韵 科技期刊中仅发现l 篇相关论文。为此迫切的需要研制开发一种适用 于铁路货车滚动轴承轴颈测量的高精度、价位合理且自动化管理的系 统。本课题就是针对这个问题提出的，目的旨在提高铁路部门的检修 指标和技术管理水平。 1 3 本论文拟完成的主要任务 鉴于上述背景和要求，该系统是对铁路货车滚动轴承轴颈进行自 动测量的专用设备，应该严格按照铁路货车轮对和滚动轴承组装及 检修规则工艺标准的要求，为轴承内径和轴颈外径的测量提供全自 动、高精度、高效率的技术手段。 本文的研究内容是轴承轴颈自动检测与优化选配系统中涉及的一 些关键问题，对该系统的几个主要部分：数据采集系统、通信系统和 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 数据优化管理系统，进行了研究：对其中一些实现的细节问题作了详 细的阐述。具体的任务主要有： ( 1 ) 明确系统的功能和技术要求，在综合考虑系统的先进性、 可靠性、可维护性和成本、经济效益的基础上，分析、设计轴承轴颈 及其它部件的自动检测和优化选配系统的框架，并对其可行性进行论 证： ( 2 ) 实现轴承轴颈选配优化算法的设计，对给定范围内的轴承 轴颈，实现最大的匹配数量和最优的配合结果； ( 3 ) 对高精度内外径测量模块( 其中采用光栅传感器) 进行了 研究，选择了适用于本系统的模块结构和设计方案； ( 4 ) 对u s b 的总线规范、体系结构以及协议等进行研究，实现 测量设备与p c 机的可靠高速的数据通信： ( 5 ) 分析实际情况和现场的需求，规划和设计测量和选配数据 的存储形式和组织方式，并设计相应的软件实现对数据的管理。 ( 6 ) 初步探讨该系统的应用前景和发展方向。 北京交通大学硕士学位论文第二章轴承轴颈自动检测与优化选配系统简舟 第二章轴承轴颈自动检测与优化选配 系统简介 2 1 系统设计思想 本课题的目的就是要将轴承轴颈检测和选配过程自动化，研制出 一种铁路货车滚动轴承轴颈自动检测及优化选配系统，这种系统是针 对铁路部门货车轴承、轴颈开发的一种集检测、选配、管理功能于一 体的测试系统。它能对轴承内圈内径、车轴外径进行高精度的测量， 能自动显示检测数据，并将之输入计算机，根据需要进行统计分析、 优化选配，对不合格的检测对象能够准确作出判断和超限报警。 由于目前段修主要是r d 2 和r d 2 a 型轴，与其配合的是1 9 7 7 2 6 型 轴承，而其它型号的轴和轴承极少，所以本测量系统设计的精度及软、 硬件功能都是依据上述轴颈和轴承的段修技术要求而定的。表2 - 1 是 上述轴颈和轴承段修工艺中的有关技术要求。 表2 - 1 轴颈和轴承段修工艺技术要求 名称段修限度不圆度配合过盈量最佳配合 ( r a m )( m m )( m m )过盈量( r a m ) 轴承( 内径) 1 3 0m 。0 0 0 0 0 距大端面 # 1 2 9 5 - 0 0 0 0 o 0 0 3 0 1 5 r a m 处 4 2 9 ：器 0 0 5 5 0 1 0 20 0 6 5 0 0 7 6 轴颈( 外径)# t 3 0 嚣器 1 2 9 5 + 。4 1 。0 2 0 0 1 5 # 1 2 9 + d n l 0 5 2 本系统的目的之一是要提高直径的测量精度，所以内外径测量模 块是一个关键的部分。要设计测径工具，有两种方法：一是不借鉴任 何现存的工具，完全重新设计；二是在现有的基础上进行改造。显然， 后者可以降低成本和时间，所以这里选用第二种方法。 6 北京交通大学顾士学位论文第二章轴承轴颈自动检测与优化选配系缝简介 测量数据管理和匹配运算由高端机完成，由于测量现场环境( 嗓 音、粉尘等) 不适于p c 机工作，选用工控机又价格昂贵，所以采用计 算机放在管理工作室，而测量现场采用便携式仪表的办法。由于管理 工作室距离测量现场一般较远，因此存在着工作于现场的便携系统与 工作站之间的信息传输问题。数据传输有两种方法：一是利用软盘、 磁卡、i c 卡、优盘等作为中间媒体进行数据转储，但是这些载体有的 存储量小，有的设计复杂、成本高而且速度也不一定快。第二种方法 是先将数据存储在半导体存储器中，再通过有线或者无线方式进行通 信，比如串行通信、以太网通信和u s b 总线通信。由于串行通信速度 慢，可靠性低；网络通信在技术和成本上不可行。而u s b 具有传输速 度快，可靠性高，价格便宜等优点，且u s b 具有代替p c 机所有外围 接口的趋势【4 】，所以本系统采用u s b 接口技术用于采集系统与p c 机之 间的数据通信。 从以上的分析可以看出，系统在功能上分为三个部分：数据采集 子系统、数据通信子系统和数据选配管理子系统，如图2 - 1 所示。采 集予系统进行数据的采集、处理、存储等，这部分重点研究光栅信号 的细分方法；选配管理子系统负责检测数据的读取、统计、查询、打 印输出等功能，这部分内容的难点在于优化选配算法的确定；通信部 分则负责u s b 协议的实现，从而保证数据能够可靠快速地传输。 图2 - i 系统结柄简图 2 2 方案确立 在上一节中介绍了系统的设计思想及组成，这一节主要贪绍系统 微控制器和数据存储方式等的选取。 2 2 1 微控制器的选择 数据采集系统的核心部分是微处理器和u s b 功能芯片。要开发一 北京交通大学硕士学位论文第二章轴承轴颈自动检测与优化选配系统简介 个带u s b 功能的设备，其核心部分可以有两种实现方法m 。 ( 1 ) 采用普通单片机外加u s b 接口器件 u s b 接口器件只处理u s b 通信，必须由一个外部单片机来控制。 通过u s b 接口器件可以把u s b 端口接到任何类型的单片机上，这种实 现u s b 接口的模块化设计方法使得设计者们可以自由地选择最合适的 单片机。 目前市场上已有很多公司提供u s b 接口器件，如p h i l i p s 公司的 p d i u s b d l1 1 2 ，l u c e n t 公司的u s s 8 2 0 8 2 5 ，n a t i o n a l 公司的 u s b n 9 6 0 2 ，n e t c h i p 公司n e t 2 8 8 8 等等。其中p h i l i p s 公司的 p d i u s b d l 2 是一款性价比很高、带并行总线的u s b 接口器件，它集 成了s i e ( 串行接口引擎) 、f i f o ( 先进先出) 存储器、收发器及电压 调节器( 见图2 - 2 ) ，可与任何单片机实现高速并行接口；其主端点的 双缓冲配置增加了数据的吞吐量，从而可以轻松地实现实时数据传送； 可通过软件控制与u s b 的连接，支持双电源操作，即3 3 0 3 v 和扩 展的5 v 电源；具有高错误恢复率( 9 9 ) 的全扫描设计确保了高品 剧q 。 图2 - 2p d i u s b d l 2 结构框图 ( 2 ) 采用具有u s b 接口的单片机( 简称u s b 微控制器) 随着u s b 应用的日益广泛，i n t e l 、c y p r e s s 等单片机厂商推出了具 有u s b 接口的单片机，其中c y p r e s s 半导体公司是u s b 市场的著名厂 北京交通大学硕士学位论文第二彳轴承轴颈自动检测与优化选配系统简介 商，该公司开发的e z u s b f x 2 是世界上第一款u s b 2 0 集成微控制器。 这类单片机处理能力强，有的本身就具备多路a d 、d a ，采用这类 单片机构成系统的电路简单，调试方便，电磁兼容性好【7 j 。不过其缺点 也是比较突出的，由于增加了u s b 接口，这类单片机与原来的开发系 统一般是不完全兼容的，需要购买新的开发套件，投资较高。 不同种类的芯片各有利弊，面对这么多的芯片如何选择呢? 在本 系统中，芯片要执行的功能、费用和开发的简单性是我们选择的标准。 开发的简单性取决于可以使用的开发工具、主机的设备驱动软件和范 例代码以及它们的质量，还有就是对设备结构和指令集或语言编译器 的熟悉程度。经过比较，在数据采集系统中仍选择了用单片机芯片开 发专用的u s b 接1 2 1 芯片，这里的u s b 接1 ：3 芯片采用p h i l i p s 公司的u s b 通信控制芯片p d i u s b d l 2 。而微控制器可以针对所需开发的u s b 功 能设备的不同进行选择，进而设计核心程序，以完成设备功能。至于 如何将数据信号转变为符合u s b 规范的信号，则由p d i u s b d l 2 完成。 2 2 2 数据的存储方式 随着计算机和网络的不断发展，手工劳动都要由计算机来代替。 轴承轴颈数据的统计、选配工作现在主要依靠手工完成，这种方法不 但繁琐，而且容易产生错误。如果利用计算机来管理，则会变得简单 容易。采用文本文件的形式对数据进行存储和管理是最简单、也是目 前应用得比较广泛的一种方法。 - 文件是存储在外部介质( 如磁盘) 上的以文件名标识的数据的集 合。v i s u a lb a s i c 的文件是由记录组成，记录由字段组成，一组相关的 字段就组成一条记录。而v i s u a lb a s i c 提供了强大的对文件进行操作的 语句，既可以将数据保存到磁盘文件上，也可以通过读取磁盘文件获 得程序运行过程中所需要的数据。 v i s u a lb a s i c 根据计算机访问文件的方式将文件分为3 类：顺序文 件、随机文件和二进制文件【8 l 。 9 北京交通大学硕士学位论文 第二章轴承轴颈自动检测与优化选配系统简介 2 2 3 系统的软件平台和开发环境 软件平台及开发工具对软件的开发周期积系统质量有着重要鹩影 响，为保证本软件的开发质量和周期，选配管理系统选择建立在 m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s2 0 0 0 操作系统基础上，以m i c r o s o f tv i s u a l b a s i c ( 简称1 1 3 ) 作为系统的开发平台，调用v i s u a lb a s i c 的w i n 3 2a p i 函数，可以容易地被移植到以w i n d o w sn t 2 0 为操作系统的任何微 型计算机上。 选择w i n d o w s 2 0 0 0 作为本系统的软件平台，是由于w i n d o w s 2 0 0 0 是一个具有抢先多任务方式、存储器保护、支持对称多处理( s y m m e t r i c m u l t i - p r o c e s s o r ，简称s m p ) 和联网的3 2 位操作系统。它支持d o s 、 w i n d o w s 、w i n 3 2g u i 和基本字符的应用程序，支持p o s i x 规范和基 于字符的o s 2l 工应用程序，并且还包含集成的联弼、安全性和管理 工具。它可以无需修改而运行在一个或多个c p u 之上，支持i n t e l 处理 器和一些r i s c 芯片。更为重要的是n t 的内部客户机服务器模式把 操作系统内部分为两个部分，并且动态地采用磁盘高速缓冲，极大地 改进了系统的性能【9 j 。 w i n d o w s2 0 0 0 的多任务特性使它可以同时做几件事情，这得益于 它支持多线程。进程是应用程序韵一个运行实侧。每个进程由若干代 码和数据块( 从e x e 和d l l 文件中调入) 组成，它们被存放在进程所 属的4 g b 地址空间中。每个进程还拥有舅& 韵资源，比如文件、动态内 存地址，以及线程( t h r e a d ) 。这些不同的资源随着进程的生成而产生， 当进程终止时，它们也同时被撤消。线程是进程中的一个执行单元， 同一进程中的各个线程对应于一组c p u 指令、一组c p u 寄存器以及 个堆栈。进程并不执行代码，它只是代码存放的地址空问，进程地址 空闻中所存放的代码由线程来执行。 在w i n d o w s2 0 0 0 中，一个进程可以被进一步划分为若干个线程。 w i n d o w s2 0 0 0 中事件的调度是基于线程单元，而不是进程。因此，这 些独立的线程每个都由w m d o w sk e r n e l ( 核心) 来调度c p u 时间， j ! 塞銮望查兰堡主竺堡丝塞 苎三兰塑垩壁塑垒垫竺型兰堡垡垄墼墨茎塑坐 w i n d o w s2 0 0 0 把它的时间片按照线程的优先级分配给处于活动状态的 线程，直到该线程结束或被挂起。w i n d o w s2 0 0 0 的这种抢先式多任务 调度方式能够让一个应用程序抢先于另一个应用程序，动态分配c p u 周期，甚至在必要时进行周期挪用，提高了多任务方式下应用程序运 行的可靠性。 w i n d o w s2 0 0 0 的存储器保护方式使每个应用都有独立的4 g b 可 寻址逻辑地址空间，各个应用程序运行在自己的逻辑地址空闯内，不 但保证了每个应用都有足够的内存空间来运行程序，而且各应用程序 之间互不影响，一个应用程序的崩溃不会导致其它应用程序和操作系 统的崩溃，从而提高了系统的可靠性。 w i n d o w s2 0 0 0 广泛使用了一种客户朋酲务器结构，在这种结构之 下，应用程序是客户，它们申请各种服务，让操作系统完成诸如在屏 幕上宦4 建窗口、数据发送等工作。由于服务器能给任意数量的客户( 应 用程序) 提供服务，从而缩小了操作系统的规模，提高了系统运行的 速度。 在w i n d o w s2 0 0 0 的结构模块中，w i l l 3 2 子系统是建立在w i n d o w s 2 0 0 0 内部的、支持3 2 位w m d o ，s2 0 0 0 应用程序的3 2 位环境，是 w i n d o w s2 0 0 0 功能中最核心的部分，也二黾3 2 位应用程序运行的基础。 这一特点使3 2 位的应用程序可以在w i n d o w s2 0 0 0 上很好的运行，操 作系统在处理时的吞吐总量得以提高。 以上讨论的w i n d o w s2 0 0 0 的这些特点对于本系统来说具有很大 的优点：它可以满足系统软件在进行大量数据查找时对系统存储器速 度的要求，为本系统软件提供很高的运行可靠性和很好的移植能力。 同时，w i n d o w s 系统的图形化界面和统一的风格对于用户来说也是友 好而熟悉的。因此，本系统软件选择w i n d o w s2 0 0 0 作为软件平台。 v i s u a lb a s i c 是m i c r o s o l r 公司在1 9 9 1 年推出的，v i s u a lb a s i c 具有 以下几个功能和特点f l o 】： 具有面向对象的可视化设计工具 北京交通大学硕士学位论文第二章轴承轴颈自动检测与优化选配系统简介 在v i s u a lb a s i c 中，应用面向对象的设计方法( o b j e c to r i e n t e d p r o g r a m m i n g ，简称0 0 p ) ，把程序昶数据封装起来，视为一个对象， 每个对象都是可视的。程序员在设计时只需要用现有工具根据界面设 计的要求，直接在屏幕上“画”出一个窗口、菜单、按钮等不同类型 的对象，并为每个对象设置相应的属性。程序员的编程工作仅限于编 写相关对象要完成的功能的程序，因丽程序设计的效率可大大提高。 事件驱动的编程机制 在w i n d o w s 环境下。程序的运行是以时阃为驱动的。也就是说， 程序运行时，只有当发生一种事件，如用户按下鼠标或键盘等，才去 执行为这一时间而编写的事件处理程序。这样也更符合人们的思维习 惯，也为多任务的运行方式提供了保证。 提供了易学易用的应用程序集成开发环境 在v i s u a lb a s i c 集成开发环境中，用户可以设计界面、编写代码、 调试程序，直至把应用程序代码编译成可执行文件并在w i n d o w s 中运 行，使用户在友好的开发环境中工作。 结构化的程序设计语言 这一特点主要表现在：强大的数值和字符串处理功能；丰富的图 形指令，可方便地绘制各种图形：提供静态和动态数组；过程可以递 归使用，使程序更简练；支持随机文件访问和程序文件访问：提供了 一个可供应用程序调用的包含多种类型的国标库：具有完善的运行出 错处理。 支持动态数据支持( d y n a m i c d a t a e x c h a n g e ，简称d d e ) 、动 态链接库( d y n a m i cl i n l ( l i b r a r i e s ，简称d l l ) 和对象的链接与键入 ( o b j e c tl i n k i n g a n d e m b e d d i n g ，简称o l e ) 技术。 选配管理系统软件选择v i s u a lb a s i c 作为开发工具的最直接的理由 在于：v i s u a lb a s i c 和w i n d o w s2 0 0 0 都来自于m i c r o s o f t 公司，毫无疑 问，这将提供最大的代码致性和应用程序运行的可靠性。 2 北京交通大学硬士学位论文第二章轴承轴颈自动检测与优化选配系统简介 2 2 4 通用串行总线u s b 简介 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 作为一种新型总线， 具有凑速可靠，即插即用，易于扩展等优点。正受到越来越多的重视， 本文采用u s b 技术实现数据通信子系统，在本节中给出简要介绍，为 后续系统设计展开傲一准备【1 ”。 1 - u s b 的起源和发展 u s b 是由7 家主要电脑、电子科技厂商，包括了c o m p a q 、d i g i t a l 、 i b m 、i n t d 、微软、n e c 以及北方电讯( 加拿大) 在1 9 9 5 年1 1 月研发 出来的。其主要思想是使多个外设在同一时刻共享一条总线，实现外 设与主机问接口特征( 电气和机械) 及传输的信息标准化和规范化。 诸家公司联合提出这一新型总线，是为了解决p c 机外围设备的拥挤和 提高设备的传输速度【1 2 】。 首先，外设增多，计算机的接口也必须跟着增多，但计算机的接 口总是有限的，虽然可以通过给计算机添加板卡的方式来扩展出一些 接口，但这终究不是解决问题的根本方法。 其次，随着技术的不断发展，大量新的外设不断出现，这些外设 对计算机接口提出了更高的要求，如高速度、双向传输数据等。传统 的计算机接口，如并口、串口已经不能满足用户的需求。 还有，计算机越来越向简单、使用方便、廉价的方向发展。传统 计算机外设安装过程中，在加、减设备时，必须关掉电源，加、减设 备完成后再重新启动机器。对于板卡式的外设就更加不方便了，不得 不打开机箱，既麻烦又容易出问题，而且有些板卡价格还很昂贵。 u s b 技术就是在这些需求的推动下提出的，并随着支持u s b 标准 的w i n d o w s9 8 的出现和u s b 设备数量的快速增加而在近年逐渐流行 起来。最初的标准版本为v e r 0 7 ，以后进行了多次修改和补充，出现 了v v r 1 1 和v v r 2 0 。目前普遍采用的u s b l 。l 主要应用在中低速外部 设备上。 u s b 协议出台后得到各计算机生产商、芯片制造商和计算机外设 北京交通大学硕士学位论文 第二章轴承轴巍自动检测与优化选配系统简介 厂商的广泛支持。如今，计算机主板都带有u s b 接口，w m d o w s9 8 2 0 0 0 等也全面支持u s b 标准，很多计算杌外设及数字声像设备都采用u s b 接口，各种带u s b 接口的芯片也在市场上不断涌现。 2 u s b 的特点 u s b 之所以有着巨大的魅力，主要是由于它有许多其它总线无法 比拟的优点。其主要优点可归结为以下几点f 1 3 1 ： 速度快 u s b l 1 有全速和低速两种方式，主模式为全速模式，速率为 1 2 m b p s 另外为了适应一些不需要很大吞吐量和很高实时性的设备， 如鼠标等。u s b i 1 还提供低速方式，速率为1 5 m b p s 。掘比之下，串 口数据传输率是1 1 5 k b p s - - 2 3 0 k b p s ，标准并口的数据传输率为1 m b p s ， 这些都要低于u s b 的传输速率，2 0 0 1 年推出的u s b 2 o 坍议，在理论 上其传输率可以达到4 8 0 m b p s ，特别适含于需要大量数据交换的外设。 较强的纠错能力 u s b 协议支持主机系统和u s b 设备之间的数据无损传输，通过信 息包错误检查、数据触发嚣错误检查、p i d 检查、循环冗余校验( c y c l i c r e d u n d a n c yc h e e k ，简称c r c ) 、位填充来保证数据发送的正确性。 支持即插即用和热插拔 u s b 设备支持即插即用( p l u g a n d p l a y ，简称p n p ) ，安装u s b 设 备不必再打开机箱，拆除已安装过的设备，完全不必关闭计算机。所 有u s b 设备支持热拔插( h o tp l u g ) ，系统对其进行自动配置，不再占 用中断受源或者d m a ( d i r e c t m e m o r y a c c e s s ，直接存储器存取) 资源， 彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。u s b 为电缆和连接头提供了 单模型。解决了外设越来越多造成的插槽紧张问题。 易于扩展 u s b 剩用菊花链形式对端i 臣加以扩震，一个u s b 系统可实现多迭 5 层的拓扑连接，通过集线器最多可以连接1 2 7 个外设，避免了计算机 插槽数量对外设扩展的限制。虽然标准u s b 电缆长度为3 m ( 低速5 m ) ， 1 4 北京交通大学硬士学位论文第二章轴承轴颈自动检测与优化选配系统简介 但通过h u b 可使外设距离达到3 0 m 。 无需外接电源 所有的u s b 端口都可以为连接其上的设备提供5 v 电压、1 0 0 m a 电流，最大可提供5 0 0 m a 电流。因此新设备无需专门的电源，降低了 这些设备的成本并提高了性价比，当然u s b 设备也可以采用自供电方 式【h 1 。 四种传输模式 u s b 支持四种传输模式：控制传输( c o n t r 0 1 ) 、同步传输 ( s y n c h r o n i z a t i o n ) 、批量传输( b u l k ) 和中断传输( i n t e r r u p t ) ，以便适应不 同的应用场合。其数据传送带宽由主机预先分配，不会出现总线竞争 闯题i 嘲。 占用系统资源少 传统的外设接口方式消耗大量的计算机系统资源如主板插槽、i o 地址、m q 、d m a 及内存地址等，而u s b 接口所占用的系统资源仅为 u s b 系统软件和u s b 主控制器所用少量的地址空间及m q 线。 低成本和可靠性 虽然u s b 比以前的接口更复杂，但它的组件和电缆并不贵。带 u s b 接口的设备与带有相同功能的老接口的设备所需的费用差不多是 相同或更少一些。u s b 还具有高可靠性，它的可靠性来自于硬件设计 和数据传输协议两方面。u s b 驱动器、接收器和电缆的硬件规范消除 了大多数可能引起数据错误的噪声。此外，u s b 协议使用了数据错误 的检测并能通知发送者，因此它可以重新发送。检测、通知和再发送 都由硬件来完成，不需要任何程序。 另外，u s b 以数据包交换协议方式为基础的信息交换，不同于先 前采用电路交换方式的信息传输，符合当今数据交换的发展方向。 3 u s b 的体系结构 从终端用户的角度来看，个u s b 系统包括u s b 主机、u s b 设 备和u s b 互连，其中u s b 互连指的是u s b 设备和主机之间的连接和 北京交通大学硕士学位论文第二章轴承轴颈自动检测与优化选配系统简介 通信方式1 1 6 1 。 ( 1 1u s b 的分层结构 一个主机和一个u s b 设备之间的简单连接需要一些分层和实体之 间的交互。u s b 总线接口层为主机和设备提供了物理、信令、分组连 接。u s b 设备层是u s b 系统软件中用于对一个u s b 设备执行通常的 u s b 操作部分。而功能层通过一个适当匹配的客户软件层向主机提供 一些附加的功能。各层分布见图2 3 。 主机互连物理设备 小山 客户软件k d v = 斗功能 tt 功能层 u s a 系统软f l ：b 巴一u s b 逻辑设备 tt u s b 设备层 lu s b 主控制器l 一lu s b 总线接口l u s b 总线接口层 _ l _ i 实际通信流 o = = = = = = = 逻辑通信流 图2 _ 3u s b 的分层结构 ( 2 ) 总线拓扑 u s b 系统采用级联星形即类菊花链的拓扑结构如图2 - 4 所示。该 拓扑由3 种元素构成：主机、集线器和功能设备。主机中包含有主控 制器和根集线器，主机控制着u s b 总线上的数据和控制信息的流动。 每个u s b 系统只能有一个根集线器，它连接到主控制器上，集线器是 u s b 结构的特定成份，它提供端口将设备连接到u s b 总线上。同时检 测总线上的设备，并为这些设备提供电源管理，负