（模式识别与智能系统专业论文）电力机车dcu软件的模块化研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 电力机车d c u ( d r i v ec o n t r o lu n i t ，驱动控制单元) 是列车牵引系统 的核心控制设备。它是用于主整流器及牵引电机的控制装置，包含硬件和软 件两部分。硬件是软件的依托，主要负责对输入输出信号的转换和整定， 并为软件提供可运行和发挥的环境；软件是控制的思想，它通过调节整流桥 晶闸管的导通角来调节牵引电机的端电压，进而实现机车运行速度的调节。 目前，电力机车d c u 的软、硬件正朝着通用化、模块化和智能化方向发展。 如今，电力机车d c u 的硬件结构的通用化程度已经达到了相当高的水 平。因此，人们越来越重视d c u 的软件设计，其中模块化、软件组态和功能 配置已成为人们研究的热点。基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准的图形化软件组态技术 正是控制领域向模块化、标准化、通用化方向发展的典型代表之一，开发一 套基于i e c 6 11 3 卜3 标准的电力机车d c u 模块化软件平台具有典型的代表意 义和较高的实用价值。 本论文首先分析了韶山系列直流传动电力机车的传动原理、控制特性和 电力机车d c u 的功能需求，然后对比分析了目前常用的两种模块化软件平台 ( 带解释器的模块化软件平台和带编译器的模块化软件平台) 。鉴于电力机 车d c u 的系统资源少和对实时性要求高等特殊情况，本论文最终决定选择带 编译器的模块化软件平台作为电力机车d c u 的应用程序开发系统，并着重阐 述了模块化软件平台的体系结构、组成以及设计开发思想。功能模块的划分 与设计是模块化软件设计的核心，论文采用最新的模块化设计理论和方法对 电力机车d c u 的软件系统进行了科学的、合理的功能模块划分。在详细描述 了每个功能模块的功能的基础上，结合软件平台的架构提出了基于 i e c 6 1 1 3 1 3 标准的电力机车d c u 模块化软件平台的组成和设计方案，将模 块化软件平台分为输入编辑器和平台连接器两部分，输入编辑器用于完成用 户程序的输入及转换，平台连接器用于完成中间文件到目标c p u 可执行文件 的转换。论文采用v c + + 6 0 设计开发了支持f s o 功能块图形输入的模块化软 件平台。最后通过一个实例，介绍了通过该电力机车d c u 模块化软件平台开 发s s 3 型电力机车d c u 的应用程序的流程，验证了软件平台的可行性。 关键词：电力机车、d c u 、模块化软件、i e c 6 1 1 3 卜3 、软件平台 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ee l e c t r i cl o c o m o t i v ed c u ( d r i v ec o n t r o lu n i t ) i st h ec o r ee q u i p m e n to f t r a c t i o ns y s t e mo ft r a i n i ti st h ec o n t r o le q u i p m e n tf o rm a i nr e c t i f i e ra n d t r a c t i o ne n g i n e ，c o n t a i n sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 啊地h a r d w a r ei sw h a tt h e s o f t w a r et or e l yo n i ti sm a i n l yr e s p o n s i b l ef u rt h ec o n v e r s i o no fi n p u ta n d o u t p u ts i g n a l s ，a n d p r o v i d e st h ee n v i r o n m e n tf o rt h es o f t w a r er u n n i n g a n d b e h a v i n g t h es o f t w a r ei st h ec o n t r o lt h o u g h t i tr e g u l a t e st h ev o l t a g eo ft r a c t i o n e n g i n et h r o u g hr e g u l a t i n gt h ec o n d u c ta n g l eo ft r a n s i s t o rt or e a l i z et h es p e e d r e g u l a t e t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fd c ui sg o i n gt om o r ea n dm o r e u n i v e r s a l i z a t i o n m o d u l a r i z a t i o na n di n t e l l e c t u a l i z e d c u r r e n t l y , t h eu n i v e r s a l i z e dl e v e lo ft h ed c uh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eh a s a l r e a d yb e e nq u i t eh i g h t h e r e f o r e ，p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o n st os o f t w a r e d e s i g n s o f t w a r em o d u l a r i z a t i o na n dc o n f i g u r a t i o nh a v eb e c o m et h eh o ts p o t w h i c hp e o p l ea r eh i g ho n t h eg r a p h i c a ls o f t w a r ec o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y b a s e do ni e c 6 1 t 3 1 - 3s t a n d a r di st h en e wt e c h n o l o g yw h i c hi st u r nu pa l o n g w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h em o d u l a r i z a t i o n ，t h es t a n d a r d i z a t i o n ，t h e u n i v e r s a l i z e di nc o n t r o lf i e l d s oi ti s n e c e s s a r y t o d e v e l o p as u i to f m o d u l a r i z a t i o ns o f t w a r e p l a t f o r m f u re l e c t r i cl o c o m o t i v ed c ub a s e do n i e c 6 1 1 3 l 一3s t a n d a r d t h et h e s i sf i r s ta n a l y z e dt h ed r i v ep r i n c i p l ea n dt h er e g u l a t i n gc o n t r o l c h a r a c t e r i s t i co ft h es h a o s h a ns e r i e sd i r e c t - c u r r e n td r i v ee l e c t r i cl o e o m o t i v e ， f u r t h e rm a d eo u tt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to fd c u ；t h e ni tc a r r i e do nt h e a n a l y s i s a n d c o m p a r i s o n t ot h e p r e s e n tc o m m o n l yu s e d t w ok m d so f m o d u l a r i z a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r m ( b a s e do ni m e r p r e t e ra n dc o m p i l e r ) ，a n dt a k e i n t oc o n s i d e r a t i o no ft h es p e c i a lr e q u e s t so fd c us u c h 船s y s t e mr e s o u r c e sa n d r e a l t i m ee t c i tf i n a l l yc h o s et h em o d u l a r i z a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do n c o m p i l e rt ob et h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ts y s t e mo fd c u ，a n de m p h a t i c a l l y 话南交通大学硕士研究生学位论文第1 h 页 n a r r a t e dt h ea r c h i t e c t u r e ，t h ec o m p o s i t i o na sw e l la st h ed e s i g nt h o u g h to ft h e m o d u l a r i z a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r m t h ed i v i s i o na n dt h ed e s i g no ft h ef u n c t i o n a l m o d u l ew e r et h ec o r eo f t h em o d u l a r i z a t i o ns o f t w a r ed e s i g n t h et h e s i sg a v eo u t t h es c i e n t i f i ca n dt h er e a s o n a b l ed i v i s i o nf o rm ed c us o f t w a r es y s t e m a c c o r d i n gt ot h en e w e s tm o d u l a rd e s i g nt h e o r ya n dt h em e t h o d t h et h e s i s n a r r a t e df u n c t i o no fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l ei nd e t a i l e d t h e ng a v eo u tt h e c o m p o s i t i o na n dt h ed e s i g np r o p o s a lo fd c um o d u l a r i z a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r m b a s e d0 1 1i e c 6 11 3 1 - 3 t h es o f t w a r ep l a t f o r mi sd i v i d e di n t ot w op a r t s ，也ei n p u t e d i t o ra n dt h ep l a t f o r ml i n k e r t h ei n p u te d i t o ru s e dt oc o m p l e t et h eu s e r p r o g r a mi n p u t t i n ga n dt h et r a n s f o r m a t i o n ，t h ep l a t f o r ml i n k e ru s e dt oc o m p l e t e t r a n s f o r m a t i o nf r o mt h em i d d l ef i l et oe x e c u t i v ef i l eo fg o a lc p u a n dd e s i g n e d t h em o d u l a r i z a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r mw h i c hs u p p o r t e dt h ef b df u n c t i o nb l o c k g r a p h i c a lp r o g r a mi n p u t t i n gb yv c 抖6 0 f i n a l l y t h et h e s i si n t r o d u c e dt h ef l o w o fd e s i g n i n ga p p l i c a t i o np r o g r a mo fs s 3l o c o m o t i v ed c ut h r o u g ht h ed e s i g n e d m o d u l a r i z a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r m ，c o n f i r m e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es o f t w a r e p l a t f o r m k e y w o r d ： e l e c t r i c i o c o m o t i v e 。d c u m o d u l a r i z a t i o n s o f t w a r e i e c 6 1 1 3 1 3 s o f t w a r ep i a t f o r m 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着我国铁路运输的发展，列车对高速、重载、安全和舒适的要求越来 越高，这对列车控制系统提出了更高的要求。驱动控制单元( d c u ，d r i v e c o n t r o lu n i t ) 是网侧整流器的驱动控制器，其任务是控制和保护整流器、 调节所需的牵引电动机端电压、粘着控制、以及故障诊断与记录等。d c i j 负 责提供电气传感器输入接口、g t o 或i g b t 或i p m 或g t r 输出驱动接口和车 辆总线( m v b ) 接口【“。d c u 性能的好坏直接关系到列车运行的安全性、可 靠性和舒适性。d c u f 朝着模块化、网络化、智能化方向发展，其可靠性、 稳定性、适应性和可扩展性随之逐渐提升。 目前，我国干线铁路上运行的主型电力机车驱动控制单元多数是采用模 拟控制方式，通过在新车生产和旧车改造中为机车增加微机控制系统使之装 载有d c u 的机车数量逐年增加。国内的d c u 尽管采用微机控制，但几乎都是 集中控制，在模块化、智能化和可扩展性方面与国外同类产品相差甚远。车 载控制系统是一个非线性、强耦合的复杂控制系统，它的工作环境恶劣，性 能要求高。国外在这方面投入了几十年时间和巨资研究和摸索才取得目前的 优势，由此可见萁难度之大。 在控制系统中，直流驱动和交流驱动有本质的区别，但就d c u 的硬件而 言，交流驱动可以向下兼客直流驱动。当前，我国铁路干线上还有大量直流 传动电力机车，其牵引控制系统急需升级改造。目前驱动控制器都在朝着通 用化方向发展，利用标准化、模块化的设计思想设计d c u 的软、硬件，可实 现d c u 对不同车型的兼容。只需在标准化的d c u 硬件模块上重新配置软件实 现的功能，就可以使之适用于不同型号的机车( 动车) 。因此，其中的模块 化软件设计是d c u 设计中的关键技术之一。本论文研究的模块化软件平台从 直流驱动入手，并逐步向交流驱动方向过渡，最终达到d c u 在直流驱动和交 流驱动机车( 动车) 上通用的目的。 综上所述，开展电力机车o c u 软件的模块化设计方法研究具有重要的现 实意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状 驱动控制技术是动车组和电传动机车的核心技术之一，s i e m e n s 、 a l s t o m 、b o m b a r d i e r 、川崎重工、东芝、g e 、e m d 等国际著名机车车辆供应 商为了解决这方面的技术问题都花费了相当长的时间和大量的人力物力。他 们从8 0 年代初开始理论和应用研究，在不断的试验和实际运行中发现和解 决问题，直到9 0 年代中期才进入实用化阶段。目前，国外新型机车( 动车) 的驱动系统几乎都采用了3 2 位微机控制，其中具有代表性的系统包括 s i b a s 、m i c a s 和e m 2 0 0 0 等。这些系统有一个共同的特征，就是都采用了模 块化的分层次的体系结构和图形化的功能块编程语言，这为机车的升级改造 带来了极大的方便l z 3 1 1 4 l 。 我国的d c u 经历了以运算放大器为核心的分立元件模拟控制、数字和模 拟混合控制、以微处理器为核心的微机控制几个阶段，现在正逐步向模块化、 网络化方向发展。通过国内有关科研院所的研究和探索，现已取得了一批研 究成果和定的技术积累，但总体储备相对还比较薄弱，特别是模块化和层 次化方面与国外同类产品相差甚远，编程语言方面主要还是界定予c 语言和 汇编这一级，设计人员必须非常熟悉微机原理，这给工程设计人员升级改造 机车带来了困难。 电力机车d c u 软件的模块化研究与设计以直流传动电力机车为应用对 象，吸收计算机软件技术的最新成果，高起点、高标准、高要求地开展研究。 针对直流传动电力机车，采用模块化的分层次的设计思想，设计符合i e c 6 1 1 3 1 3 标准的图形化编程语言，来实现直流电力机车d c u 的功能定制。使 得工程技术人员能够在较高层面上来规划工程设计，而不必拘泥于繁琐的微 机系统设计细节，能够大大的缩短开发周期p l 。 1 。3 本论文所做的主要研究工作 本论文的主要目标是在分析韶山系列直流传动电力机车的驱动控制原 理的基础上，开发一套基于通用电力机车d c u 硬件平台的模块化软件平台， 为我们自行开发d c u 的应用程序提供一个友好的、高效的图形化编程环境。 论文主要研究内容及工作包括： ( 1 ) 分析直流传动电力机车的驱动控制原理，进行电力机车d c u 的需 求分析，提出d c u 的硬件结构以及模块化软件平台的总体设计方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 2 ) 深入研究软件模块化设计理论与方法，结合电力机车d c u 的特殊 应用环境，对d c u 的软件系统提出合理的功能模块划分方法和设计方法。 ( 3 ) 设计符合i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的电力机车d c u 模块化软件平台，为机 车工程设计人员开发d c u 应用程序提供图形化的开发环境。 ( 4 ) 以s s ，型电力机车的d c u 软件开发为应用对象，说明电力机车d c u 模块化软件平台的使用方法，验证软件平台的可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章电力机车d c u 的需求分析及 一模块化软件平台的总体设计 2 1 韶山系列电传动机车的调节特性及d c u 的功能需求 2 1 1 交一直电传动机车工作原理 韶山系列机车采用交一直电传动方式，串励式脉流牵引电机驱动。其转 向架单元整流调压电路如图2 - i 所示【6 1 ： 图2 - i 转向架单元调压电路 电能从电网经由机车受电弓和主断路器进入机车主变压器，然后经过硅 机组整流得到直流电压，该电压作为直流电机的端电压，驱动牵引电机运转， 达到牵引列车的目的【_ ”。为了提高功率因素，韶山系列机车主电路采用多段 相控整流调压电路。例如在图2 1 ( s s 3 型) 中，调节电机端电压时，先开 通一段桥( 大桥) ，当一段桥满开放时，再开通二段桥，最后开通三段桥。 通过改变晶闸管￥9 和v l o 、￥3 和v 4 、v 5 和v 6 的导通角就可以改变牵引电 机的端电压，从而达到调速的目的。 2 1 2 韶山系列电力机车的特性及其控制方法 ( 1 ) 机车速度特性 v = f ( i o ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 机车速度特性是指机车运行速度v 与牵引电动机电枢电流五的关系。机 车速度单位采用k m h ( 公里d 时) ；牵引电动机电枢电流的单位采用a ( 安) 。 机车速度与牵引电动机转速间有如下关系 - y ，；：旦旦丝( 2 1 ) 耻。 式中 v 一一机车速度( k m h ) 以一一传动齿轮传动比，其值为 段= 等 ( 2 2 ) 其中z 2 传动大齿轮齿数 z i 一传动小齿轮齿数 d 车轮直径，一般以半磨耗轮计算( m ) 一一牵引电动枧转速( r m i n ) ，其值为 n ： (23)a u - l r = 一 t z 一3 ) t o 其中 u d 一一牵引电动机端电压( v ) i o 一一牵引电动机电枢电流( a ) m 一一一一牵引电动机回路电阻( q ) o 主极磁通量( w b ) c p 一电机常数，其值由公式( 2 - 4 ) 决定 e = 篆( 2 - 4 ) 式中p 一主极对数 一一电枢绕组有效导体数 a 电枢绕组并联支路数 牵引电动机由晶闸管整流器供电，因而端电压由整流电压确定。由公式 ( 2 - 1 ) 至( 2 - 4 ) 可得出机车速度特性计算公式 v ：u a - f a r d ( 2 5 ) c m 式中 c ：丝e 6 0 z d 。 ( 2 - 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 以s s 8 型机车为例，由于机车采用恒流准恒速控制( 特性控制) ，电机 电流和机车速度随司机控制手柄级位而变化。s s g 型电力机车的控制手柄分 为1 8 级但级位是连续的，即标定的两级位间的位置也可以使用。s s s 型电 力机车特性控制函数如下所示 f 1 2 0 n 1 l = 8 7 5 n 一8 7 5 s ，取最小值 ( 2 7 ) 【 1 3 6 0 j 式中 咒一一级位，分1 8 级 v 一机车速度( k m h ) 厶一一一牵引电动机电枢电流( a ) s s 8 型电力机车采用了晶闸管整流器和晶闸管磁场分路，因而牵引电动 杌的端电压和励磁电流均可平滑调节，即机车的速度特性是几条限制曲线内 的整块面积，限制面积内的任何一点都可能是机车的运行点。 s s 8 型电力机车牵引特性受到下列条件的限制，由这些限制条件构成限 制线： ( a ) 最大起动电流限制 ( b ) 牵引电动机额定电压的限制 ( c ) 牵引电动机持续制功率的限制 ( d ) 牵引电动机最深磁场削弱限制 ( e ) 机车最高速度限制 图2 2 中绘出了机车的速度特性曲线。对不同级位的速度特性，由两段 直线组成了机车的恒流准恒速特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 8 1 7 一、 1 6 l j 1 4 1 3 1 2 j l 1 0 9 8 7 、0 - 6 j | d l 3、 | 2 1 | l1 q 、 o2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 t 4 0 0 i a 图2 - 2 机车速度特性曲线v = f ( 1 0 ) ( 2 ) 机车牵引特性 r = f ( v ) 机车牵引特性是指机车轮周牵引力凡与机车速度v 之间的关系 f k = ，( v ) 。机车牵引特性曲线如图z 一3 所示， 加 m 蚴。 啪瑚 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 l 加 e 讲 l 6 0 4 0 2 0 、 、 n - - 泠 f 、 、 、 1 i 2 | 4 681 01 21 41 6 碳虹m ) 图2 - 3 机车牵引特性曲线凡= f ( v ) ( 3 ) 机车电阻制动特性 成= f ( v ) 机车电阻制动特性指机车电阻制动时，机车轮周制动力 b k 与机车速度 的关系 b k = f ( v ) 。机车制动力在无加馈时的计算公式为 最= 等州2 旷 ( 2 - 8 ) 式中匝 尼 他 机车轮周制动力 参与电制动的牵引电机台数 制动时的主极磁通( w b ) 制动电阻阻值( q ) 牵引电动机的空载效率 加馈时，机车制动力计算公式为 最：尝辱f 墚坠吵2 + 生。姐。口) 1 1 0 。 。观胄：l 6 0 r r d 2 万一。 j ( 2 9 ) 啪 瑚 啪 m m 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 式中 u 2 口 主变压器绕组电压 整流器的相控角 s s 3 型电力机车电制动时，司机控制器分为1 8 级，级间的任一位置均可 使用。该机车采用准恒速特性控制，固定级位与制动电流间有如下的关系式 扣p 5 卜8 7 5 叶取最j 、僮 ( 2 一t o ) 。i 9 2 0i 4 一 、 式中n 一级位 v 一机车速度( k m h ) s s 3 型电力机车制动特性受到下列条件的限制，由这些限制条件构成限 制线： ( a ) 最大制动功率限制 ( b ) 最大制动力限制 ( c ) 最高速度限制 ( d ) 最大电抗电势限制 ( e ) 人为设置限制 图2 - 4 中绘出了制动控制的特性曲线。 、 ； 、 。j 芦 | l| 24681 0 f 1 21 4 1 6； 02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 0 1 6 01 8 0 v ( k - n ；n ) 图2 4 机车电阻制动特性曲线b k = f ( v ) 柏 如 舯 的 加 勰 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 4 ) 韶山系列直流电力机车调速系统控制方法啊 在韶山系列相控电力机车中，电子控制回路对机车特性的控制一般采用 速度环和电流环相结合的双闭环控制方式，电压限制环节作为辅助控制，控 制框图如图2 - 5 所示。 一，t 十1 5 v 司 图2 5 韶山系列电力机车调节控制框图 在图2 - 5 中，虚线框内的部分为数字控制部分( 经过微机化改造的车) ， 由d c u 来实现。由司机手柄给出的指定速度与检测出的机车实际速度比较， 得出当前控制所需的牵引或制动值。该值送入电流控制部分作为控制指定 值，与机车的实际牵引或制动值相比较，得出整流桥的电压控制值。脉冲形 成与放大环节负责执行，进而控制整个机车的主回路工作状态。电压限制环 节仅在电机端压达到限制值时，采取措施抑制整流桥的电压控制值的继续增 大，平时不起作用。机车在d c u 的控制下，通过速度、电流、电压三个闭环 的不断调节来控制机车速度，进而达到司机手柄所给定的速度要求。 根据机车自动控制的要求，目前大多数电力机车采用了电流调节器和速 度调节器相结合的双闭环串级调节系统来对机车进行控制。具有电流调节器 的速度自动调节系统的方框图如图2 - 6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 图2 - 6 双闭环调速系统框图 在此系统中，速度反馈是主反馈，而电流反馈则是局部反馈。电流反馈 可以保证系统在起动时以随所需的最大起动电流作恒流起动控制，从而大大 缩短了系统起动时间，故对于起动频繁的调速系统显得特别有利。而在起动 过程结束，系统速度达到给定速度时，速度调节器发挥作用，使调速系统维 持在给定速度上运行。 此外，这种调节系统对接触网电压波动的抗干扰性能也较强。当接触网 电压波动，整流电路随之发生变动时，将首先引起牵引电动机电流的变化。 由于具有电流反馈，电流调节器将迅速产生调节，从而抵消接触网电压波动 的干扰，减少速度的波动。由于列车的机械惯性很大，如果没有电流反馈与 电流调节器，那么只有在接触网电压的波动引起列车速度发生变化之后，速 度调节器才能产生控制作用去抵消接触网电压的扰动作用，这样势必会造成 调节作用推迟而导致速度的波动较大。这种采用电流与速度两个调节器提高 抗干扰性能的自动调节系统称为串级调节系统1 7 l 。 这种串级调节系统的特点是电流与速度两个参量可以分别进行调节，而 不致互相干扰，调整较为方便。系统的静态误差较小，静态精度高。 2 1 3 电力机车d c u 必须具备的功能 ( 1 ) 能够接收并处理司机的操作命令，完成机车加载回路的电气控制。 ( 2 ) 能够实现机车的牵引制动特性控制。 ( 3 ) 能够实现机车的空转滑行保护。 ( 4 ) 能够实现空电联合制动控制。 ( 5 ) 应该具备故障监控、故障记录和完善的高、低压自检功能。 ( 6 ) 具备初步的故障诊断、显示和智能控制功能【s 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 2 电力机车d c u 的硬件组成结构 硅帆组模拟接口接触罂接触器 图2 - 7 韶山系列电力机车d c u 的硬件逻辑结构图 根据对电力机车d c u 功能的分析，并考虑d c u 的通用性和灵活性，论文 设计的d c u 采用模块化分布式的结构。其结构框图如图2 - 8 所示 双c a n 仪 表 插 件 司 机 室 插 件 i 架 脉 冲 插 件 1 0 插 件 特 性 插 件 一一一一一一一静一 脉 冲 插 件 i o 插 件 特 性 插 件 图2 - 8 电力机车d c u 硬件组成结构图 o c u 系统采用插件式设计，各插件完成的主要功能如下 ( 1 ) 特性插件： i o 量的输入采集和输出驱动控制 - 模拟量输入输出 一r，0l一 一噬：_。；_ 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 一速度采集 防滑防空转保护 过压、过流保护控制 信号处理 特性计算 ( 2 ) 1 0 插件： i o 输入信号处理 i o 输出信号放大与隔离 模拟量输入输出信号处理 速度信号前端处理 ( 3 ) 脉冲插件： 网压补偿 脉冲移相控制 信号同步 脉冲分配和脉冲放大 ( 4 ) 司机室插件： - 通过仪表插件采集司机速度指令和控制指令 - 通过r s 4 8 5 与显示屏交换数据 l 通过仪表插件驱动司机室仪表和指示灯 i 通过仪表插件实现重联信号收发 ( 5 ) 仪表插件： 速度指令调制解调 - 司机速度指令和控制指令处理 司机室输入开关量处理 司机室指示灯驱动 司机室仪表驱动 l 重联信号调制解调 ( 6 ) 切换插件； 一a 、b 切换 ( 7 ) 电源插件基本功能： - 为系统中其他插件提供+ 5 v 、1 5 v 、+ 2 4 v 工作电源 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 电力机车d c u 模块化软件平台的总体设计 2 3 1 常用的模块化软件平台的体系结构 ( 1 ) 使用解释器韵软件平创1 8 1 【1 9 1 f 2 0 l ( 2 1 r 图2 - 9 基于解释器的软件平台总体结构 由图2 - 9 可以看出，使用解释器的软件平台分为编程系统和运行系统两 大部分。其中编程系统运行于开发机上，通常为p c 机，用于实现目标机器 的功能定制以及仿真、调试和验证；而运行系统运行于目标机上，通常为单 片机、d s p 、a r m 等，主要完成现场数据采集、控制、通信等任务1 9 j 。 它采用软件组件的设计思想，将整个软件划分为几个具有独立功能的模 块，模块之间定义规范的接口，便于软件更新和维护。它主要包括的组件( 功 能模块) 有：工程管理器、编辑器、调试器、i l 指令、功能库，虚拟机( 运 行系统) 等1 1 2 l 。 应用程序向目标平台移植的核心是虚拟机。虚拟机相当于在机器和编译 程序之间加入了一层抽象的虚拟的机器。这台虚拟的机器在任何平台上( 与 具体硬件平台无关) 都提供给编译程序一个共同的接口。编译程序只需要面 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 向虚拟机，生成虚拟机能够理解的代码，然后由解释器来将虚拟机代码转换 为特定系统的机器码执行。在运行系统中，这种供虚拟机理解的代码叫做通 用代码，它不面向任何特定的处理器，只面向虚拟机。应用程序的具体实现 过程如下：戗建应用程序代码，即通用代码。用i e c6 1 1 3 1 - 3 标准规定的 编程语言编写应用程序，然后调用相应的编译器编译生成通用代码。由虚 拟机解释执行通用代码，虚拟机将每一条要执行的通用代码送给解释器，解 释器将其翻译成特定机器上的机器码，然后在特定的机器上运行。不同硬件 平台的解释器是不同的，但是实现的i e c6 1 1 3 1 3 虚拟机是相同的【1 0 l 1 1 】【1 2 】。 因此，该平台有如下特点： ( a ) 应用程序无需经过特定编译软件编译，移植性好，在任何c p u 上 都可以运行。 ( b ) 能实现在应用编程，用户可以通过系统本身的现场总线下载程序。 ( c ) 反编译容易，用户即使没有源代码，也可以很容易的移植代码， 或更改原先的设计。 ( d ) 需要针对不同的硬件平台开发相应的虚拟机程序。 ( e ) 代码效率低，难以满足实时性要求较高的应用 ( f ) 耗费系统资源多 ( 2 ) 使用编译器的软件平台【2 2 】【2 3 】【2 4 i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图2 一1 0 基于编译器的软件平台总体结构 由图2 一1 0 可以看出，使用编译器的软件平台也分为编程系统和运行系 统两大部分。其中编程系统运行于开发机上，通常为p c 机，用于实现目标 机器的功能定制以及仿真、调试和验证。而运行系统运行于目标机上，通常 为单片机、d s p 等，主要完成现场数据采集、控制、通信等任纠u j 【”】。 它与使用解释器的软件平台的最大区别就是在运行系统中没有虚拟机， 只有可执行代码。软件平台的开发工作完全集中在编程系统中，而运行系统 不需要开发任何程序。 它同样采用软件组件的设计思想，将整个软件划分为几个具有独立功能 的模块，模块之间定义规范的接口，便于软件升级和维护。它主要包括的组 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 件有：工程管理器、编辑器、调试器、i l 指令、功能库，代码生成器等【1 4 1 【”】。 应用程序向目标平台移植的核心是代码生成器，而且不同的硬件平台应 具有不同的代码生成器，需要单独编写。代码生成器的主要任务是把中间文 件翻译成与目标c p u 的c 编译器兼容的c 文件。这里的中间文件是指与目标 平台无关的配置文件，它提供标准的输出接口，供代码生成器使用。应用程 序的具体实现过程如下：用i e c6 1 1 3 1 - 3 的规定的编程语言编写源程序代 码，调用预编译器编译生成中间文件。通过调用指定的代码生成器将中间 文件翻译成c 文件或汇编文件。调用指定硬件平台的编译器链接器生成 目标平台的机器代码。将机器代码下载到目标平台。 因此，该平台有如下特点： ( a ) 代码效率高，可以满足实时性要求很高的应用。 ( b ) 耗费系统资源少。 ( c ) 需要在用户开发机器上安装各种编译器软件。 ( d ) 如果编译器厂商没有提供编译器的调用接口，则无法实现编译。 ( e ) 下载程序必须使用专用接口，而且不同c p u 的下载方式不同。 总结：通过对电力机车d c u 功能和性能的分析，考虑到d c u 对实时性要 求非常高，而且系统的资源有限，所以论文选择第二种方式来设计d c u 的软 件系统，即采用基于编译器的模块化软件平台。 2 3 2 电力机车d o u 模块化软件平台的体系结构 电力机车d c u 模块化软件平台是构建在特定的控制系统之上的，软件平 台的功能和控制系统的架构、设计思路紧密相关。电力机车d c u 模块化软件 平台的总体部署如图2 - 1 l 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 o 入 机车工 5 计人 图2 - i l 电力机车d c u 模块化软件平台的总体部署图 电力机车d c u 模块化软件平台主要由编程系统和运行系统两大部分组 成，编程系统是在定制系统控制功能时使用的，而运行系统是在系统实时控 制时使用的。软件平台是为d c u 的应用程序开发而研制的，主要由实时操作 系统内核、功能块库、监控、功能块图形编辑器、层次划分、代码生成和编 译链接等软件包组成。前三者驻留在d c u 系统的处理器的f l a s h 、r o m 等非 易失性存储器当中，称之为固件( 即运行系统) ，后五者在通用的p c 机上运 行，称为编程系统，用于完成d c u 功能的定制。 从图2 - i l 可以看出，控制系统的设计工作完全集中在图形化的编程系 统中，运行系统的结构主要用于指导代码生成和代码转换，它对于机车工程 设计人员是不可见的。 电力机车i ) c u 模块化软件平台能够把功能块程序的图形符号表达式转 换为目标系统的可执行代码，同时为机车工程设计人员设计应用程序提供许 多其他的设计方便。设计人员开发程序时只需用图形编辑器把功能块图输入 到p c 机，然后进行引线连接或通过指定相同的信号名进行连接，而不必为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 功能块的入口、出口参数指定地址，只需赋予容易记忆的信号名。在设计时， 一般采用层次划分方法定义程序的结构，一个工程由若干个任务组成，每个 任务包含一个或多个程序段，设计人员必须为每一个任务指定具体功能。代 码生成转换工具根据以上定义的任务和程序段，按照运行系统的结构，根 据一定的规则将图形化程序段转换为与运行系统c p u 的编译器兼容的c 或汇 编代码，最后调用它的编译链接器生成可执行的二进制文件，将它下载到目 标平台中即可运行。因此，控制系统的开发一般需要经过如下几个步骤 ( 1 ) 设计人员根据功率电路提出对控制系统的要求； ( 2 ) 界定控制系统与过程的接口以及控制系统的组成( 划分逻辑功能 组和布局，即确定每个插件需要完成的功能) ；， ( 3 ) 确定所需的运算容量，配置硬件； ( 4 ) 定义总线上的数据交换( 数据类型及流量估算) ； ( 5 ) 在图形化编程平台中设计开发各个处理器的应用程序； ( 6 ) 进行配置，编译、链接、程序下载； ( 7 ) 软件、硬件的组装，调试和装车试验； 2 ，3 2 1 电力机车d o u 模块化软件平台的需求 ( 1 ) 编程系统软件的界面要求 为机车工程设计人员提供友好的人机操作界面，图形化的编辑器能够接 收用户输入的源程序，并具有修改、保存等功能。提供方便的端1 3 配置、代 码生成、编译链接、程序下载等操作界面。 ( 2 ) 模块化软件平台的功能需求【1 6 】 工程管理模块 编辑模块 预编译模块 d c u 功能库函数 代码生成模块 调用编译辨链接器 图2 - 1 2 电力机车d c u 模块化软件平台的构成 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 工程管理模块 主要用于管理和归档所有数据，包括用户编辑的源程序、编译生 成的源代码( 中间码、目标码、可执行文件) 、程序库( 硬件驱动函数、 标准功能函数、通信功能函数、d c u 功能库函数) 以及数据存储等。 l 编辑模块 该模块是软件平台最基本的模块，主要为f b d 、l d 、i l 和s t 等编程语言提供一个程序编辑环境。对于f b d 语言来说，必须能够用 鼠标绘制各种组件、功能块、连线，并接受键盘的输入，以对各组件、 功能块进行标注。本论文只设计模块化程度较强的f b d 功能块语言的 编辑器。 预编译模块 主要用于对用f b d 编程语言编写的源程序进行预编译处理并将 其转换成中间文件，以便代码生成模块使用。 d c u 功能库的实现 为了实现d c u 软件的模块化设计，必须将d c u 中相对独立的功能 分离出来，设计成功能库，在定制d c u 的功能时将使用到这些功能库。 同时，运行系统中的实时操作系统内核也在该部分实现。 代码生成模块 根据中间文件和运行系统的体系结构确定的代码生成规则，生成 运行系统的c 文件或汇编文件。 - 调用编译、连接模块 调用目标平台c p u 的编译器和链接器编译链接生成可以在目标 机上运行的可执行文件。 、 ( 3 ) 电力机车d c u 模块化软件平台的逻辑模型【1 7 1 建立电力机车d c u 系统的逻辑模型是需求分析中很重要的一个环节，它 使用结构化的分析方法，自顶向下逐层分解，把一个复杂的问题分解成若干 个d , f a 7 题，每个小问题再分解成若干个更小的问题，经过多次逐层分解，每 个最底层的问题变得足够简单、容易解决，于是复杂的问题就迎刃而解了； 图2 - 1 3 用数据流图给出了电力机车d c u 模块化软件平台的逻辑模型的顶层 图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 用户源程序目标程序 图2 - 1 3 软件的数据流图 2 。3 2 2 电力机车d o u 模块化软件平台的概要设计 图2 - 1 4 电力机车d c u 模块化软件平台的层次结构图 从图2 一1 4 可以看出，系统的总体结构分为编程系统和运行系统两大部 分。编程系统的用户为机车工程设计人员，它为机车工程设计人员提供图形 化的编程环境。在模块化软件平台中开发d c u 的应用程序，可以减少繁琐的 计算机细节操作，提高开发效率。运行系统是d c u 控制系统的核心软件，它 包括实时操作系统以及机车控制程序，负责对机车进行实时控制。下面分别 对两个子模块进行设计。 7 ( 1 ) 编程系统子模块设计【t 3 1 1 5 1 根据上面对电力机车d c u 模块化软件平台提出的需求分析，将它进一步 细化，可得出编程系统子模块软件的系统结构，如图2 一1 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 图2 - 1 5 编程系统子模块的系统结构图 图2 1 5 中的最上方部分属于编辑模块，提供