（电力系统及其自动化专业论文）列车监控系统仿真及应用研究.pdf

a b s t r a c t l o c o m o t i v em o n i t o rs y s t e mi s a l le q u i p m e n tt op r o t e c tt h es a f e t yo ft h e l o c o m o t i v e 。c o u l dr e s e a r c ha n da n a l s y st h ea c c i d e n t t h ea p p l i c a t i o n a n dr e s e a r c hc a n b r i n gap l a t f o r mf o rd e t e c t i n ga n ds i m u l a t i n go ft h em o n i t o rs y s t e m f o rl k j 2 0 0 0 m o n i t o re q u i p m e n th a sb e e nm a i n l yu s e di no u rc o u n t r y , s o ，i nt h i sp a p e r , w e w a n tt o r e s e a r c has i n n l l a t i o no fi n t e r f a c ec i r c u i t ，a i m e dt os i m u l a t et h es i g n a lf r o mt h e l o c o m o t i v e s u c ha sl o c o m o t i v e ss p e e ds i g n a l ，w o r kc o n d i t i o no ft h el o c o m o t i v e a n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i tc a nb eu s e dt od e t e c tt h el k j 2 0 0 0m o n i t o re q u i p m e n t ，t o c h e c kw h e t h e rl k j 2 0 0 0m o n i t o re q u i p m e n tc a nn o r m a l l yw o r ko rn o t ，a n dc a nb e u s e df o re i i u c a t i o n ：s o ，c a nb eu s e df o rl o c o m o t i v es i m u l a t o r t h e nw ew i l lr e s e a r c h t h et y p ea n df e a t u r eo ft h eg r o u n ds i g n a l s ，a n db r i n gu pt w ot y p e so ff r e q u e n c y - s h i f t m o d u l a t e ds i g n a l sg e n e r a t o r , a tt h es a m et i m e ，w ew i l lr e s e a r c ht h ei d e n t i f ym e t h o d o ft h eg r o u n ds i g n a l s a n dt h e nw ew i l lr e s e a r c ht h es p e e d c o n t r o lm o d eo ft h e l k j 2 0 0 0m o n i t o re q u i p m e n t ，a tt h es a m et i m e ，w eh a v ea n o t h e rp l a n ，r e s e a r c ha d i g i t a ls i m u l a t o rb yp e r s o n a lc o m p u t e r , i tw i l l i n c l u d ed i g i t a ls i g n a lg e n e r a t o ro f l o c o m o t i v e a n dad i g i t a lm o n i t o re q u i p m e n t ，f o ri tw i l lb ec h e a p a n dc a ne a s i l yw o r k ， c o u i db ee a s i l yu s e df o re d u c a t i o n ，a n dc a nb ec o n n e c t e dt ot h el o c o m o t i v es i m u l a t o r f o re x p l e r i m e n ta n de d u c t i o n f u r t h e rm o r e ，w ew i l lr e s e a r c ht h el o c o m o t i v em o n i t o r s y s t e md e e p l y , a n di m p r o v e t h ea p p l i c a t i o n ，t oc o n t r i b u t eo u rc o u n t r y k e yw o r d s ：l o c o m o t i v em o n i t o re q u i p m e n t ，s i m u l a t i o no f i n t e r f a c ec i r c u i t ，d i g i t a l s i m u l a t o r , i d e n t i f y , g r o u n ds i g n a l i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 始嘉呔十 沙吕年3 月5 曰 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名矗软串 瑚g 年弓月5 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 列车运行监控记录装置简称监控装置，是在分析我国铁路设施状况和运输 实际需求的基础上研制的一种以保障列车运行安全为主要目的的列车运行速度 监控装置。该装置在实现安全速度控制的同时，采集记录与列车安全运行有关 的各种机车运行状态信息，促进了机车运行管理的自动化和机车操纵的规范化。 在铁路技术发达国家，把以保障运行安全为目的，以检测运行速度为手段 对列车运行进行控制的系统称为列车自动防护系统a t p ( a u t o m a t i ct r a i n p r o t e c t i o ns y s t e m ) 。通常，这种系统由运行指令信息传递、运行所处线路参数信 息传递、列车自身运行状况信息的采集等信息获取环节和对信息进行处理并做 出控制的主机组成。 虽然a t p 往往被作为一个完整的技术系统来描述，但历史上是由轨道电路、 机车自动信号、自动停车等各项技术逐步发展而柬的。随着铁路运输要求的提 高和现代电子技术的发展，原来单纯以保障行车安全为目的的相对独立的a t p 系统，正在被扩展为既保障行车安全，又提高运输效率，并且改善运营管理的 铁路运输控制、管理系统( 如欧洲的e r t m s 或北美的a r e s ) 。监控装置以在 中国铁路已普遍使用的轨道电路及机车自动信号设备作为列车运行指令的信息 源，以线路数据预置于主机的独特方式获取运行线路参数信息，采用计算机智 能处理对列车运行速度进行安全监控，实现通常意义的a t p 功能。同时，监控 装置完成了机车运行管理和机车操纵规范化所需的列车运行实际参数的采集、 记录工作，为实现机车运行管理自动化和进一步发展铁路运输管理系统提供了 基础条件。1 1 1 1 2 国内外发展动态 我国列车速度控制技术开发是从上世纪9 0 年代初丌始的，各铁路局和科研、 生产单位怀着满腔热情进行了大量的试验。当时，功能、性能不同的列车监控 装置有7 种之多，其中j l 卜2 h 型监控装置使用较多，得到了较好的评价，具有 代表性，成为了第一代装置。 第1 章绪论 根据监控装置需要完善、提高的情况，1 9 9 3 年铁道部制定了l 一9 3 型监 控装置技术条件并组织联合研制。l 一9 3 型列车监控装置于1 9 9 5 年研制成功 并开始进入批量使用，形成了第二代装置。从1 9 9 3 年开始，我国列车监控车载 设备走进了技术高度统一、规范并且系列化发展的道路。l k j 2 0 0 0 型监控装置于 2 0 0 0 年底完成研制工作，于2 0 0 1 年开始批量投入使用。到2 0 0 2 年底，三代监 控装置安装机车保有总数超过了1 5 0 0 0 台；运行范围遍及所有国铁运营线路。 十多年来，监控装置从试验运用、批量安装，在全路列车上的普及推广； 以监控装置记录数据处理分析技术为基础发展形成了机务行车安全管理的网络 化信息系统；全路逐步建设形成了以监控装置为主要内容的机务行车安全装备 维修、控制模式设定管理系统，同时也形成了专业机构和一支专业人员队伍； 监控装置从j l 卜2 h 型、l k j 一9 3 型到l k j 2 0 0 0 型，技术在创新、内涵在丰富、 功能在扩展，l k j 2 0 0 0 型是各方科研人员和机务职工辛勤汗水的结晶，技术达到 了新的高度。 在国外轨道交通监控方面，瑞典a d t r a n z 公司生产的e b i c a b 9 0 0 列车控制系 统结构采用分散式模块方式，通过网络连接，以点式应答方式实现车地信息传 输。法国c s e e 公司生产的t v m4 3 0 系统采用集中结构方案，双机热备，具有 较高的可靠及安全性能：采用轨道电路传输方式实现车地信息传输。s i e m e n s 公司研制的l z b 列车控制系统最大特点是采用轨面环线方式进行车地信息传 输。欧洲的e r t m s 系统采用无线传输方式，列车以移动闭塞方式运行。而日本 的数字a t c 则通过轨道电路编码实现列车定位。这些设备从功能上已从简单的 超速防护( a t p ) 向列车自动控铝i j ( a t c ) 、列车自动操纵( a t o ) 甚至列车自动营运 方向发展。车载控制设备与地面信号设备紧密结合，形成了系统。 1 3l k j 2 0 0 0 型监控装置的特点和功能 由于l k j 2 0 0 0 型监控装置已经在我国铁路广泛使用，所以我们所做的列车 监控装置仿真及应用研究皆是针对l k j 2 0 0 0 型监控装置，它具有如下的特点和 功能。 1 3 1l k j 2 0 0 0 型监控装置的特点 ( 1 ) 车载存储线路参数。l k j 2 0 0 0 型监控装置继承了各型监控装置获取线 路参数的成熟技术，将列车运行全部线路设施资料预先存储于主机中，不用在 第1 章绪论 地面增设附加设备。既节省设备投资，又节省维护管理费用。大量线路资料载 于车上，不需要复杂的地面至车上的传输环节，稳定可靠。对于地点特征、特 殊要求信息，l k j 2 0 0 0 型监控装置设计了接受地面传输信息的接口。 ( 2 ) 采用连续平滑速度模式曲线控制。与各型监控装置相同，将线路设施 固定限速、闭塞指令限速等各种控制要求的控制值沿运行里程形成连续平滑速 度模式曲线，最大限度地适应司机正常人工操纵和运行效率的提高，提高了控 制精度。连续平滑曲线控制模式符合当今国际a t p 控制方式发展方向。 ( 3 ) 实时计算取得速度控制值。l k j 2 0 0 0 型监控装置继承了l k j 9 3 型和 j k 2 h 型等前代监控装置的成熟经验，对每一速度控制值均针对限速目标按验证 成熟的数学模型进行计算取得。l k j 2 0 0 0 型监控装置采用了先进的3 2 位c p u 作 为系统主机，比前代装置具有更高的运行速度、控制精度和更强的数据处理能 力。实时计算中考虑了本列车设备类别和状况、本地线路参数、本地特殊控制 要求等随机变化因素，最大限度地使控制符合运行实际。 ( 4 ) 装置主要控制过程全部采用计算机实现。做到了全国铁路采用统一的 硬件和统一的基本控制软件，对各运行区域的不同线路条件和不同行车要求， 通过写入不同的线路资料和控制条件予以适应，因此，适应性强，便于规范管 理。 ( 5 ) 提高可靠性设计。l k j 2 0 0 0 型监控装置系统采用模块级主从机热备冗 余。当工作机发生故障，便自动切换到热备机工作；当任何一个单元或通道出 现故障，便自动启动备用单元和备用通道。采用控制器局域网( c a n ) 作系统 内部通信方式进行数据交换，具有高强的检错与纠错能力，传输可靠性大为提 高。系统设计除满足机车振动、温度等环境的国家标准要求外，其电磁兼容性 满足i e c 6 1 0 0 0 标准的三级要求。 ( 6 ) 提高安全性设计。l k j 2 0 0 0 型监控装置的故障安全措施较前代做了很 大加强。在双机数据处理方面，在速度信号故障、轨道绝缘节识别故障、通信 故障等的检测、判断和处理方面均进行了专门设计。 ( 7 ) 采用了图形化屏幕显示器。l k j 2 0 0 0 型监控装置采用1 0 英寸t f t 高 亮度彩色液晶显示器，以动态图形方式预示运行前方线路的弯道、坡道、桥梁、 隧道、道岔以及信号机布置情况，随列车运行滚动显示监控装置控制模式限速 曲线。图形化屏幕显示器显示直观，认读性好，司机操作的交互性好。装置也 可选配与l k j 9 3 型相类似的数码显示器。l n j 第1 章绪论 1 3 2l k j 2 0 0 0 型监控装置的功能 ( 1 ) 监控功能：防止列车越过关闭的信号机；防止列车超过线路( 或道岔) 允许速度以及机车、车辆的构造速度；防止机车高于规定的限制速度调车作业； 在列车停车情况下，防止列车溜逸；可按临时增加的运行要求控制列车不超过 临时限速；在自动闭塞区段，列车在显示停车的通过信号机前停车2 m i n 后又继 续向此关闭信号机防护的分区运行时，保证在该信号机防护的分区内运行速度 不超过规定限制速度；列车通过显示黄色、双黄色、双黄闪的进站信号机进入 站内无码的股道时，装置按前方信号机关闭进行控制。经正、副司机同时确认 操作后，装置允许列车以低于规定的限制速度通过该信号机。 ( 2 ) 记录功能：一次性记录项目：运行参数记录项目；记录条件：运行记 录：运行事故状态记录， ( 3 ) 显示和声音提示功能 显示和提示功能由监控装置的显示器实现。l k j 2 0 0 0 型监控装置系统允许配 置数码型显示器或屏幕型显示器运用。 数码显示器：显示实际运行速度、限制速度目标速度；显示机车信号色灯 信息；具备如下选择显示功能；声音提示内容。 屏幕显示器：数码显示器显示和提示内容屏幕显示器全部覆盖。由于屏幕 显示具有信息量大、显示方式灵活的特点，运行显示的内容可充分发挥图形、 符号、曲线的优势，屏幕显示器主要分两类显示界面形式：综合信息显示和单 项信息显示。1 2 j 1 4 课题来源与目的 随着a t p 、a t c 和l k j 2 0 0 0 的技术的不断完善、发展和改进，进行监控系 统的仿真和应用研究可为各种新技术的出现提供了一个仿真试验平台，可以脱 离机车，在离线的情况下检测各种监控系统；同时，也可以为列车监控装置的 发展和改进提出新的思路。 在培训列车司机的驾驶模拟器中，为实现l k j 2 0 0 0 型列车监控系统的功能， 可以采用两种方法：( 1 ) 模拟接口电路和实际的l k j 2 0 0 0 系统相配合；( 2 ) 全 数字仿真监控系统。 另一方面，随着l k j 2 0 0 0 型监控系统的应用普及，需要使用操作、维护以 4 第1 章绪论 及教学，可以采用以下两种方案。 我们准备研制一种模拟产生机车信号的模拟接口电路，用以模拟发送机车 速度信号、工况信号以及地面信号，可以用来离线检测l k j 2 0 0 0 型列车运行监 控记录装置，看其是否可以正常工作，可以方便的应用于教学；同时，也可以 用于机车仿真器。 同时，还有一种方案，就是用p c 机研制一个全数字仿真器，其中包括了数 字机车信号发生和数字监控装置，由于造价便宜且使用方便，可以方便的应用 于教学，也可以连接于机车仿真器，用作教学及试验。 在第二章中，我们将介绍列车监控装置模拟接口电路的设计思路与具体实 现，首先介绍此模拟接口电路的要求，接下去介绍此模拟接口电路中各个不同 功能的模块的具体实现，其中重点介绍速度脉冲信号的实现方法及电路中3 个 c p u 之间的协作。 在第三章中介绍了地面信号的种类及对移频信号的详细研究，介绍了移频 信号简易发生器的仿真实现。同时在这一章中对不同地面信号制式的识别做了 研究，因为地面信号制式种类很多，我们研究了通用制式的地面信号的识别方 法，解决了不同制式地面信号的识别问题，同时分析了过绝缘节信号的判别原 理。 第四章开始介绍l k j 2 0 0 0 型监控系统仿真实现的第二种方案实际上就 是用p c 机研制一个全数字仿真器，由于全数字仿真器解决的根本问题是速度控 制模式，所以我们首先在第四章第一节中对目前我们使用的列车监控装置中的 速度控制模式进行详细研究，接下去在第二节中对轨道交通中的速度控制模式 进行研究，最后在第四节和第五节中介绍用v c 开发全数字仿真器的具体实现。 第2 章列下监控装置模拟接口设计与实现 第2 章列车监控装置模拟接口设计与实现 鉴于列车运行监控记录装置已经在我国批量使用，并且我们在研制列车模 拟操纵培训装置中也需配备列车监控装置，所以，我们设计研制了一套模拟机 车信号的仿真接口，接口通过发送模拟机车速度信号、柴油机转速信号、机车 工况信号以及地面信号灯信号，完成与列车模拟操纵台的联接；同样该部分的 接口也可以独立出来作为检测仪，离线检测列车运行监控记录装置，看其是否 可以正常工作，同时也可以方便地应用于教学。 2 1 列车运行监控记录装置模拟接口的要求 监控装置的主要作用，一是防止列车运行越过关闭的地面信号机，二是防 止列车在任何区段运行中超过机车车辆的构造速度、线路允许的最高运行速度 和对应于不同规格的道俞限制速度。 l k j 2 0 0 0 型列车安全运行监控记录装置的工作原理是：首先在地面微机上运 用开发软件把区间线路参数诸如公里标、信号上码点位置、车站位置、线路坡 度、线路限速、线路分支等数据输入、修改、编译变成二进制目标码，然后用 编程器把二进制形式的线路参数写入e p r o m 型存储器中，完成对地面参数的 固化工作。然后把写有线路参数的存储器芯片装入车载主机中。在列车运行时， l k j - - 2 0 0 0 装置的计算机部件不断测定机车速度、机车信号状态及机车设备状 念，并调出存储器中预先存好的线路参数，计算出列车距前方信号机距离，再 考虑当时地面信号和机车设备状态，计算出列车的限制速度，监控列车的运行； 同时实时显示字符提示、曲线显示和语音提示通知机车乘务员采取相应的措施， 当列车应进入停车状态而乘务员没有采取相应措施时，立即启动常用制动或紧 急制动实施停车，防止可能发生的事故。此外，l k j 2 0 0 0 型装置还根据发生的时 间在不停地进行相关运行工作记录，把列车运行过程中机车运行状态、信号设 备状态、乘务员操作情况等准确及时地记录下来，在机车回库后通过便携式转 储器把运行数据转录下来，再传给地面微机进行处理，可以再现列车运行实况， 或以各种方式查询、统计和打印报表、绘出运行图形曲线。 下图2 1 为监控装置在实际中信号走向原理框图。 6 第2 章列下监控装置模拟接口设计与实现 广一 竺三三兰竺全 一 ! ! 竺兰三兰 l k j 2 0 0 0 - t ：机 l r li r 一j 竺三 ，。 _ - 。- 。_ _ _ _ 。 _ _ - 。_ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ - 。1 。 机车信号 l，。，j - 、 2 絮针、) 。一 t 厂一一一事故状态记录器 l 一一j j 一jj j ，一。? ? 一、j ，、j 速度传压力传 、压力传压力传 感器2 感器1 感器2 感器3 、 、一， 、一j 、一。 图2 1 信号走向原理框图 列车模拟操纵装置是用来进行培训和教学为目的的，为了在模拟操纵培训 装置中使用l k j 一2 0 0 0 型监控装置，我们需要产生与实际机车运行中相等效的 模拟信号送给监控装置。所以，监控记录装置模拟接口是模拟产生机车信号、 机车工况、机车速度、柴油机速度、列车管压力信号的接口装置，另外该接口 也可以用于l - 2 0 0 0 型列车运行监控记录装置的检修和培训工作。 为此，根据实际机车运行上与监控装置之间的信号连接和传递关系，相对 应所设计的列车运行监控记录装置的模拟接口，需要具有如下功能： ( 1 ) 模拟产生2 路速度脉冲信号，其中，一路为机车速度脉冲，一路为 柴油机速度脉冲；设计制作时另加一路以做备用； ( 2 )1 0 路4 8 v 工况信号丌关量输出，用于模拟信号灯状态信号( 其中2 路备用) ； ( 3 ) 6 路1 1 0 v 工况信号开关量输出，用于模拟机车工况信号( 其中2 路 一 丫一 第2 章列车监控装置模拟接口设计与实现 备用) ； ( 4 ) 8 路模拟量输出，用于模拟列车管压力、均衡风缸压力等风压信号( 其 中4 路备用) ； ( 5 ) 同时有6 路1 1 0 v 信号开关量输入通道，用于接收监控装置的卸载、 常用排风、关风和紧急制动动作后信号；从而传递给列车模拟操纵培训装置( 其 中2 路备用) 。 2 2 方案设计 为便于控制，使用单片机来进行本接口系统的设计。考虑单片机本身的速 度能力和功能的模块化，设计中采用了多个c p u ，其中用一个单片机的定时器 中断来实现速度脉冲信号的仿真，同样用一个单片机的定时器中断来实现柴油 机脉冲信号的仿真，再采用一个单片机作为本接口系统的主控制机，用于协调 系统工作，其i o 口实现开关量和模拟量的输入和输出，同时通过串行口与列车 模拟操纵装置的p c 机相互联接。 2 2 1 单片机简介 近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技 计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、 重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫 星定向、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单 片机的发展更为迅速，它己渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。 在本课题中，我们使用了单片机作为c p u 来实现控制。 2 2 2 信号发生器综述 目前，市场上的信号发生器多种多样，一般按频带分为以下几种： ( 1 ) 超高频：频率范围1 m h z 以上，可达几十兆赫兹。 ( 2 ) 高频：几百干赫兹到几兆赫兹。 ( 3 ) 低频：频率范围为几十赫兹到几百千赫。 ( 4 ) 超低频：频率范围为零点几赫兹到几百赫兹。 超高频信号发生器，产生波形一般用l c 振荡电路。高频、低频和超低频信 号发生器，大多使用文氏桥振荡电路，即r c 振荡电路，通过改变电容和电阻值， 第2 章列车监控装置模拟接口设计与实现 改变频率。用以上原理设计的信号发生器，其输出波形一般只有两种，即正弦 波和脉冲波，其零点不可调。而且价格也比较贵，一般在几百元左右。 在实际应用中，超低频波和高频波一般是不用的，一般用中频，即几十赫 兹到几十千赫兹。用单片计算机a t 8 9 c 5 1 ，就可以做成一个简单的信号发生器， 其频率受计算机运行的程序的控制。我们可以把产生频率信号的程序，写在f l a s h m e n o r y 中，装入本机，按用户的选择，运行程序，产生频率信号。这样的机器 体积小，价格便宜，耗电少，频率适中，便于携带。 2 2 3 设计原理 由于接口中有5 0 v 和1 1 0 v 开关量信号的输入和输出，为了提高电路的安 全性和抗干扰能力，在电平转换时，需进行光电隔离。同时所要求的机车速度 信号是连续低频信号，且其精度要求较高，一般方法所产生的脉冲信号都达不 到精度要求，例如模拟振荡式信号发生器，虽然其优点是：电路结构简单、器 件数量少、制造成本低廉和容易调试，但其缺点是：很难达到很高的精度要求、 稳定度很差、不便于自动控制。所以在这罩我们专门用一个单片机来生成速度 脉冲信号，以达到速度脉冲信号的精度要求。 下图2 2 是模拟接口的原理框图，用一片8 9 c 5 2 单片机做主c p u ，4 片 7 4 l s 3 7 3 分别控制两片8 9 c 5 2 单片机( 其中一片单片机产生机车速度信号，另 一单片机产生柴油机速度信号) ，控制同一片c p u 的2 片7 4 l s 3 7 3 ，其中一片接 收高位数据，；另一片接收低位数据；同时主c p u 通过2 片7 4 l s 3 7 3 来输出1 0 路4 8 v 开关量和6 路1 1 0 v 开关量的信号控制( 输出时光隔) ；控制两片4 通道 1 0 位d a 芯片a d 5 3 1 4 ，输出8 路模拟量( 0 5 v ) ；主c p u 上有6 路i o 口可 以采集监控装置输出的丌关量控制信号。主c p u 与p c 机用r s 2 3 2 相连，可以 从p c 机上输出指令来控制电路板上各量的输出，并对主c p u 采集的信号进行 处理。 第2 章列车监控装置模拟接口没计与实现 高8 位 低8 位 丫节 模拟操纵培训装置土机2 0 3 2 一i主c p u l 光隔1 6 路开关量光隔 f 模拟操纵培训装置一】i 机，一 卜主 路开关量 。f l 一，jl 一jl - j 光隔 。_ 。1 1 。_ 。_ _ 。 6 路开天量输入 。 图2 2 设计原理图 2 3 具体模块的实现 2 3 1 模拟速度脉冲信号产生原理 机车速度检测系统是关系机车可靠控制和机车安全运行的重要环节，直接 影响机车运行的安全萨点。目前国内铁路主要干线机车普遍采用了光电速度传 感器，速度信号提供给速度表、列车运行监控记录装置系统、机车控制电子柜以 及内燃机车微机励磁系统。为了使l 一2 0 0 0 型监控装置可以在模拟操纵培训 装置中使用，就需要有模拟速度信号的产生，同样，在机车测试、检修中也需要 产生模拟速度脉冲信号，为此，设计研制机车光电速度传感器模拟信号发生器， 使机车在静态不动车情况使用模拟发出的速度信号，对满足机车检修工作的需 要也同样有着重要意义。 速度信号发生器需要满足如下的技术要求： ( 1 ) 能发送出低频模拟币弦波或数字脉冲矩形波( 频率范围可在1 h z 3 0 0 0 h z 之间) 。其中，方波的占空比要求为5 0 为宜，占空比太高，监控装置 会过滤掉输入的速度信号；占空比太低，速度信号又不能有效地进入监控装置 速度通道，影响信号接收。 ( 2 ) 由于速度信号幅度要求15 v 高电平9 v ，低电平s2 v ，所以要求信号 具有较强的驱动能力。 i o 扫 臣 蔓 一 第2 章列车监控装置模拟接口设计与实现 ( 3 ) 由于使用的是每转2 0 0 脉冲的光电有源测速电机，故要求该信号发生器 能产生较高频率的脉冲速度模拟信号( 频率达到3 0 0 0 h z 以上) 。 设计时，曾考虑采用单片机控制技术和精密的函数信号发生器件m a x 0 3 8 再加以适当的外围电路构成的正弦信号发生器，配合检测电路可以形成一个单闭 环控制系统，根据反馈控制理论知识，这样的单闭环控制系统可以保证正弦信 号的频率出现偏差时自动调整，但是电路实现比较复杂，成本比较高，软件、 硬件的调试也较难，所以在这里专门使用一个单片机定时器延时的方法实现脉 冲信号的模拟。 频率信号的产生是本设计的核心之一，采用a t 8 9 c 5 2 芯片：频率发生程序 运用延时的方法实现，只用一个计时程序即可，因为产生一个方波只需要高低 两个数。只要给一个频率，再计算所需的延时即可。 2 3 2 机车速度信号 由于机车的速度传感器是当车轮转一圈时输出2 0 0 个方波脉冲，然后根据 轮径大小( 这罩以1 2 5 米计算) ，从而可以推出速度信号从0 k m h 到2 0 0 k m h 变 化时( 精度为o 5 k m ) ，脉冲频率可由以下( 2 1 ) 计算，其中筋为速度值，求得 最大频率为2 8 2 9 h z 。 f r e q = 加宰2 0 0 ( 万半1 2 5 木3 6 ) f ，1 、 本设计采用定时器0 的方式1 ( 1 6 位计数器) ，单片机品振采用2 4 m h z ，产 生的脉冲信号频率范围可以达到1 5 h z 3 0 0 0 h z ，并且保证精度。 采用分段式频率产生方法，介绍如下： 定时器初值n 按下式( 2 2 ) 计算： n = m 一1 0 0 0 0 0 0 f ( 2 2 ) 方式l 时，m = 6 5 5 3 6 ；f 为所需频率，由于中断服务程序会产生额外的周期， 所以需要进行补偿，根据定时中断服务程序计算额外消耗5 4 个机器周期，且系 统产生的理论频率范围在：1 6 - - 3 0 0 0 h z ，可以直接由定时器延时产生，所以修 正的定时器初值为( 2 3 ) ： n = 6 5 5 3 6 1 0 0 0 0 0 0 f + 5 4 ( 2 3 ) 1 1 5 h z 不可由系统定时直接获得，可以采用软件分频的方法实现，也就是 说1 0 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 、7 0 的1 0 倍分频就可得到1 1 5 h z 。 第2 章列下监控装置模拟接口设计与实现 2 3 3 柴油机速度信号 柴油机转速信号e s i 来自柴油机上的测速电机，其频率为0 n 2 5 h z ( 对应于 0 - - 15 0 0 r m i n ) 。 本设计采用定时器0 的方式1 ( 1 6 位计数器) ，单片机晶振采用1 2 m h z ，所 以计时器理论上可以产生时方波频率为：7 6 2 9 - - 5 0 k h z 。 设计初想了3 种方案： 方案一、1 卜2 5 0 h z 的1 0 倍分频，得到1 2 5 h z 所需频率，由于软件上实 现1 0 倍分频的误差难以准确估计，所以在高频段的误差过大。 方案二、使用定时器先产生一个高频基频，在此基础上使用软件分频来得 到所需频率，但此方案中软件的每一周期所产生的误差对高频的影响很大，故 不适合。 方案三、采用分段式频率产生方法，定时器初值n 按下式( 2 4 ) 计算： n = m - 5 0 0 0 0 0 f ( 2 4 ) 方式1 时，m = 6 5 5 3 6 ；f 为所需频率，由于中断服务程序会产生额外的周期， 所以需要进行补偿，根据定时中断服务程序计算额外消耗1 8 个机器周期，且系 统产生的理论频率范围在：7 6 2 9 5 0 k h z ，8 - 2 5 h z 可以直接由定时器延时产生， 所以修正的定时器初值为( 2 5 ) ： n = 6 5 5 3 6 5 0 0 0 0 0 厂+ 5 4 ( 2 5 ) 机车速度信号是连续低频信号，且其精度要求较高，如果想提高脉冲信号 的精度，在这罩我们可以选用高精度信号发生芯片或高性能的单片，以达到脉 冲信号的精度要求。 2 3 4 模拟量输出 模拟量的输出用于模拟列车管压力、均衡风缸压力、制动缸压力等风压信 号，本设计采用了两片4 通道1 0 位串行d a 芯片a d 5 3 1 4 来产生8 路0 5 v 模 拟量输出，此芯片有2 路控制端和1 路数据输入端，具有控制简单、功耗低、 体积小、价格低等特点，且其1 0 位的数据也可以达到我们所要求的精度。其控 制时序如下图2 3 所示： 第2 章列车监控装置模拟接口设计与实现 s c l i h i - 斗 l t “ j1i 厂1慨睇j 。” 一 - t 一1 3kl -t 7 卜 卜1 ， 、 h 、 1 6 牛一 - p t s ：。 焉忑f - +潍咖 咯 二jr 以 图2 3 控制时序 s c l k 为参考时钟端，s y n c 端为数据输入允许端，低电平有效，d i n 为数 据输入端。模拟量输出电压范围是0 - 5 v ，最大值由r e f i n 端控制，但不得大过 v d d 。 芯片内部有一个1 6 位的输入寄存器，数据先从高位输入，且其前两位是输 出选择，如下图2 4 所示， a la od a ca d d r e s s e d ood a ca old a cb l0d a cc l1d a cd 图2 4 地址位 第1 4 位数据是p d 控制端，当为1 时芯片为j 下常操作，为0 时是低功耗模 式；第1 3 位是l d a c 控制位，当为0 时4 个输出寄存器同时更新数据，为1 时 只有由a 1 和a 0 选择的输出寄存器更新数据。接下来的1 0 位为数字量，此1 6 位数据最后两位无效。数据位含义如下图2 5 ： 8 i t l s b i t o (rdsb)(lsb) i 一d a t ab i t s 一 图2 5 各位数据含义 第2 章列车监控装置模拟接口设计与实现 工作原理：当s y n c 为低电平时采集数据，在此期间每当s c l k 下降沿到来 时，芯片读取d i n 端的一位数据，当经过1 6 个时钟脉冲后，寄存器中读入1 6 位数据，然后根据公式圪研：二学可以计算出模拟量输出大小，其中。为1 0 位数字量，其大小为0 1 0 2 3 。 2 3 5 开关量输出、输入 本文涉及的电路板上还具有用于模拟机车工况信号和信号灯状态信号的1 0 路4 8 v 开关量输出和6 路1 1 0 v 丌关量输出，以及和监控动作状态连接的6 路 1 1 0 v 开关量输入。传统作法是对各路信号进行光电隔离，所以选用t l p 6 2 7 光 电隔离元件，可以有效抑制干扰。 2 3 6 三个c p u 之间的协调 由于此接口中用到了三个c p u ，所以它们之间的协调问题也是很重要的， 否则会产生时序错乱、接收数据错误或不完整等错误。为了解决这个问题，本 设计中采用了一片7 4 l s 0 8 与门。 将主c p u 和完成信号发生的c p u 的控制端同时连接于与门，当主c p u 的 控制端输出和从c p u 的控制端输出同时为高电平时，与门的输出为高电平，此 信号输出到7 4 l s 3 7 3 的l e 控制端( 此端口高电平有效) ，这时就可以将从c p u 所需的数据传入7 4 l s 3 7 3 ，从而从c p u 就获得了所需的数据。具体原理如下图 所示。 _ 。 _ _ - 。1 。1 1 。- 1 主c p u 机午速度c p u l f c 1 8 位低8 位 一f 一i 7 4 l s 3 7 37 4 l s 3 7 3 l l el 一1 j l e j 。_ _ 。_ _ 。_ 。1 。1 1 。1 。，。- 。_ _ 。_ _ _ _ _ 。_ _ 。_ 。 柴油g t 转速c p u i 高8 似1 一i 低8 位j 广一 广一 7 4 l s 3 7 37 4 l s 3 7 3 五广 面_ 图2 63 个c p u 之间多协作原理图 1 4 第2 章列乍监控装置模拟接口设计与实现 2 4 软件结构及流程 由于汇编语言的复杂性，所以此电路中的3 个c p u 的软件实现都是由c 语 言完成，其中主c p u 负责与上位机联系，取得控制指令，输出开关量、模拟量 及向下级c p u 输送控制信息，同时接收6 路开关量输入，传输到上位机中；机 车速度信号c p u 和柴油机转速c p u 接收上级c p u 的控制信息，利用定时器中 断及预存数据，产生信号脉冲输出，下面分别介绍各c p u 软件实现的流程图。 2 4 1 主c p u 的软件流程图 i 开始 审 i 0 口定义，数据仞始： 化 j 墨匠 t n - 壹 三垂 二盛 一。1 1 2 0 ? 巨三叵j【j 图2 7 土c p u 的软件流程图 第2 章列乍监控装置模拟接口设计与实现 2 4 2 产生机车速度信号的软件流程图 由于机车速度信号是不同频率的脉冲信号，软件流程图即如下图所示。 j ： f n 4 0 0 个定时器初始值预 一定_ 昕_ 器订；台化f ；们始值为n 2 i ，即。 l 笫组垫篮篮 一! 一 开中断 l j t 7t r o o ? 。二二， y n y 。1 。_ _ _ _ _ 。 芝竺竺兰 ， n 磊否舀、二：多 ， k 萄轰n卜 廷时计数m 吵 ” 一j 一 证c p u 墩定h j 器初始值组号 一 丫 咒定t 器仞始伉j 开小断，簧t r 0 = i ，j ! 中断返同 图2 9 柴油机转速脉冲发生c p u 的软1 ；，l ：流程图 。量 鎏 第2 章列车监控装置模拟接口设计与实现 2 5 实现结果及分析 现在我们来分析一下实现结果，此模拟接口电路的电路板的软硬件已经设 计完成，可以和监控装置配套使用，由于我们使用串口通信来连接接口电路和 上位p c 机，使得可以远程控制，控制方便，同时实现了此接口电路可以近距离 的连接于监控装置，避免了信号线和数据线远距离通信，保证了信号和数据的 稳定性和准确性，减少了出错的可能性，并且减少了相关费用，达到了经济耐 用的目的；本电路的开关量i o 口由于使用了光电隔离，使得输入输出的开关量 稳定和准确，同时不会影响主电路的正常工作环境；模拟量输出使用了1 0 位的 d a 转换器，转换精度完全达到要求，可以精确的模拟列车管压等一系列模拟量 输出；由于监控装置中速度显示的精度是1 公罩，我们产生速度脉冲的定时器 初始值的计算是由0 5 公里的精度来决定的，所以完全可以达到监控装置中所需 的速度脉冲精度；本电路的硬件实现都是由5 1 系列单片机和一系列基本的例如 3 7 3 等芯片，这些芯片价格便宜，且使用方便，极大的降低了我们的成本，同时 又能满足我们的需求，所以达到了即经济又实用的目的。 下图2 1 0 为p c 机通过2 3 2 控制电路板的界面图，其中单选框中选中即表 示输出或输入为1 ，否则为0 。 开关量 输入 柴油机，0 图2 1 0 串口发送程序界面图 研制监控装置的模拟接口不但能使监控能直接用于列车模拟操纵装置设备 中用于培训，而且，机车速度信号、工况信号以及地面信号等模拟产生在机车 监控装置的检修工作中也至关重要，原来的工作需要到f 线试运行才能够完成， 既影h 向铁路的交通运输效率，又浪费人力、物力，且运行中又不利于故障点的查 询。因此，该模拟接口的研制、具有很好的现场使用价值。本电路已经设计制作 完成，经调试达到监控装置所需信号的要求，已用于列车模拟操纵装置。同样 此部件也可独立出来制作监控检测仪，达到了我们当初设计制作的目的。 ， “， 一 0 0 量 一 拟出度梗输速 短曼一开输= 第3 章地面信号研究及仿真识别 第3 章地面信号研究及仿真识别 随着我国高速铁路发展计划的实施，铁路系统对列车自动控制的要求越来 越高，列车监控系统必须提高对列车的控制精度才能保证行车安全，提高运输 效率。列车的控制精度与地面所提供的信息密切相关，地面提供的参数越多、 越精确，控制精度也就越高，运输效率也随之提高。所以我们在这一章中对不 同制