（电力电子与电力传动专业论文）电力机车制动系统实时监测与故障诊断研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 霹 a b s t r a c t t h en o v e l t yo ft h et h e s i si s g e n e r a t e f r o mt h er e a l - t i m er u n n i n gs t a t e m o n i t o rs y s t e mf o rl o c o m o t i v em a i n t e n a n c e t h et h e s i ss h o w st h er e q u i r e m e n to f r e a l t i m em o n i t o ra n df a u l td i a g n o s i sf o rt h eb r a k i n gs y s t e mt op r e v e n tt h ea c c i d e n t c a u s e db yt h eb r a k i n gs y s t e mw h e nt h el o c o m o t i v ei sr u n n i n g f i r s t l y , t h et h e s i sd e m o n s t r a t e st h em e a n i n g o fr e a l - t i m em o n i t o ra n dd i a g n o s e s y s t e mo nt h el o c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e m a f t e rt h a t ，t h et h e s i so u t l i n e st h es t a t u s b o t hi n f o r e i g na n dl o c a l a f t e rd e s c r i b i n gt h es t r u c t u r ea n df u n d a m e n t a lo ft h e l o c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e m ，i tt u r n st ot h em e t h o do fd a t aa c q u i s i t i o na n df i n i s h e s t h ec o l l e c t i v i t ys t r u c t u r eo ft h es y s t e m i tc o m p l e t e st h ef a u l td i a g n o s eb a s e do nt h e f a u l tm o d ea n d a b n o r m i t yp h e n o m e n o n c o m b i n e dw i t ht h e b r a k i n gs y s t e m s f u n d a m e n t a li nd i f f e r e n tf a u l tg a s e s ，t h e nc r e a t e st h eb r a k i n g s y s t e m f a u l tt r e em o d e l b yu s i n gt h et h e o r yo f f a u l tt r e ea n a l y s i s i tv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yt og e n e r a t et h e e s k n o w l e d g ed a t a b a s eb a s e do nt h eb r a k i n gs y s t e mf a u l tt r e em o d e l ，a n dr e a l i z e d e si nt h ev i s u a lc + 十6 。0w h i c hm a k e st h ef a u l td i a g n o s i si n t e l l e c t u a l i z e da f t e r r e s e a r c h i n g t h e g a s s t a t ec h a n g i n gd u r i n g l o c o m o t i v e c h a r g i n gp r o c e s s i n t h e r m o d y n a m i c s ，i tp r o v e st h ef e a s i b i l i t yt od i a g n o s et h ec l o s i n gf a u l to ft h et r a i n c o u p l i n gc o c ka n dt h el e a k a g ef a u l tb ym o n i t o r i n gt h el o c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e m t h ec h a p t e r5i st oc h o o s et h e c h i p st o f i n i s ht h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h ec o n t r o l s o f t w a r ed e s i g na n dt og i v et h et e s tp r e c i s i o nr e q u i r e ds t a n d a r do ft h es y s t e ma f t e r s t u d i e dt h ee r r o rd i s t r i b u t i o n p r o b l e m b y t h e e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nt h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r me d y s 一1 ，t h er e s u l t o ft h e e x p e r i m e n t a lp r o v e sb o t ht h e s y s t e m sf u n c t i o na n d t h et e s tp r e c i s i o nc a ns a t i s f i e dt h e r e q u i r e d s t a n d a r d i nt h ee n d ，t h ea u t h o rs u , n l s u pt h er e s u l t sa n dp o i n t so u tt h ed e f e c to ft h e s y s t e m t h ea u t h o rp r e s e n t ss o m e r e c o m m o n d a t i o nt ot h es y s t e ma n dt h ep r o s p e c t k e y w o r d s ：b r a k i n gs y s t e m ； m o n i t o r ； e x p e r ts y s t e m ； f a u l t t r e e ；t r a i n c o u p l i n gc o c k 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 本章在介绍电力机车运行过程中对机车制动系统实现在线监测与故障诊 断的重要性的基础上，制定了对制动系统进行监测的任务和目的及本论文研 究的主要内容以及要完成的工作。 1 1 机车制动系统实时监测与故障诊断的意义 高速、重载是世界铁路技术的两个重要方向，同样也是我国铁路技术的 发展方向。随着新形势的发展，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m 。 首先是安全问题。提速需要解决的首要技术问题之一就是列车的制动问 题。列车豹安全运行需要可靠和离性能的制动来保证，而作为提供牵引力和 制动力来源的机车，其制动系统的运用状态将直接影响着整列车的安全。铁 路机车的制动系统经常处于频繁起动、环境恶劣、连续较长时间的运转、冲 击频繁以及振动剧烈的运行状态下。列车提速后，因为制动系统出现故障而 导致的事故频繁发生，铁路运营中的许多大事故都是由于制动系统出现故障 或对制动系统操作不当所引起的。随着机车运行速度的不断提高，由制动系 统故障引起的行车事故将更加突出。为了预防因机车制动系统故障而引发恶 性事故，我国传统的方法是定期进行辅修、小修、中修和大修，集中检查、 解决机车制动系统各零部件的状态及故障”“1 。为了提高机车运行的安全性， 及时发现机车制动系统的故障，对制动系统进行实时监测与故障诊断是十分 必要的。 荐者机车运用部门需要更好的、能够识别早期故障的新技术为提速战 略服务，以期确保安全正点，确保人身和设备的安全：维修部门也要求预知 和跟踪机车制动系统各组成部分的故障发展状态，以便科学的安排“状态” 维修计划以节约和降低维修成本，杜绝突发事故、机破事故、中途停车事故。 此外，在高速、重载下运行的机车，其工作条件更加苛刻、严峻，因此对机 车制动系统的性能要求也越来越高。在这种情况下，电力机车的制造厂商有 必要及时掌握机车制动系统在长期高速、重载的运行中各部件所表现出来的 动态特性，分析实际运营中的制动系统在长期运行中的变化情况，从而提高 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 设计制造的可靠性、安全性。3 。为了解决这些问题，也需要对机车制动系统进 行实时监测与故障诊断研究的支持。 综合上述可见，如何通过对机车制动系统工作状态进行在线监测和故障 诊断，进而了解机车甚至整列车的制动、缓解、保压、运转、紧急等工况下 的运行状态，将成为铁路部门急需解决的问题。随着现代科技如通信技术、 电子技术、控制技术和网络技术的发展，解决上述问题的已经成为可能。而 进行机车制动系统实时监测与故障诊断的理论、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 国内外研究现状和发展 在国外一些铁路发达国家，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“1 。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0 1 。在走行部监测方面， 传动系统中最早使用的监测设备是机车车辆上的轴温监测和报警系统。由于 单一的轴温监测存在无法发现轴承的早期故障的局限性，利用共振解调技术 原理，国内外先后研制出了基于振动信号的机车车辆传动装置故障诊断系统。 随着速度的提高，制动系统中出现了为防止制动时车轮打滑擦伤车轮出现了 电子防滑器4 1 。目前，北美货物列车制动系统中已经使用了的电控空气制动系 统中( e c p ) ，除了实现全列车的同步制动控制之外，利用通讯与网络技术还 实现了列车脱轨、断钩等事故的在线监测一，。 机车制动系统的在线监测与故障诊断方面的研究，在国内尚属空白，正 因为对机车制动系统进行实时监测与故障诊断的研究较少，对制动系统的工 作情况无法做到及时的了解，由制动系统故障引起的行车事故才会屡屡发生。 此外，机车运行区间越来越长，要使铁路相关部门及时掌握机车制动系统的 运行状态，有必要将实时监测到的制动系统的各状态信息发送到地面数据库 中，供相关部门进行诊断分析。为了达到这一目的，在研究机车制动系统实 时监测与故障诊断的同时，还有必要研究监铡数据的实时传输，而这在列车 制动领域中的应用仍处在起步阶段。 1 3 制动系统实时监测与故障诊断的任务和目的 对机车制动系统状态监测与故障诊断的基本任务是研究机车运行时制动 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 系统所表现出来的动态特性，并对系统的动态特性做出决策与故障诊断。 监测与诊断的目的是： 保证机车制动系统无故障或及早发现故障： 科学操作制动系统，保证列车平稳可靠运行： 及时对制动系统的异常或故障做出诊断，并采取相应的保护措施 通过性能评价，为优化设计与正确制造提供信息和依据。 1 4 本论文研究的主要内容与目标 本系统的任务是针对电力机车制动系统构建一个在线监测与故障诊断 系统，使其能够在机车运行过程中实时地监测制动系统的动态特性，及时了 解机车制动系统的状态，实现机车制动系统的状态修。具体如下几点： 1 _ 针对制动系统的实际要求，制定系统总体方案。包括系统总体结构规 划、信息获取与采集方法的制定、系统通讯方式选择、系统软硬件要求。 2 确定合适监测对象并研究监测系统应达到的检测精度： 3 利用故障树分析法和专家系统的相关理论，结合具体工况对制动系统 进行故障诊断研究： 4 基于故障树的制动系统故障诊断专家系统的软件实现； 5 列车管折角塞门误关与系统泄漏的数学建模与故障诊断； 6 研究监测系统信息采集与通讯方式的软、硬件组成。 7 通过对实验数据的分析，验证系统的功能是否满足设计要求。 本论文研究的主要内容是对电力机车制动系统进行在线监测与故障诊断， 完成监测与故障诊断系统软、硬件构成的研究，并对机车制动系统进行故障诊 断。 本论文的目标是：系统学习电力机车及列车制动系统的组成结构和工作原 理- 分析和研究制动系统需监测的信息，对机车制动系统的故障诊断。完成符 合实际情况的信息采集、传输系统的软、硬件设计，通过实验验证系统的可行 性。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 第2 章状态信息的获取及系统总体结构研究 本章通过对电力机车制动系统的学习，确定了制动系统中需要监测的对 象及需要检测的物理量，并研究了状态信息的获取方法。在此基础上制定了 系统的总体方案和系统的总体功能结构图。 2 1 机车制动系统状态信息的分类 2 1 1 电力机车制动系统简介 铁路运输中，无论是机车还是车辆，都具有各自的制动系统。当机车、 车辆组成列车后，其各自的制动系统相互联系而构成一个统一的制动系统一 一列车制动系统。作为列车制动力来源的电力机车制动系统，其运用状态对 列车运行安全的影响非常重要，对其实时监测不仅可以及时发现机车制动系 统的早期故障，而且还能从监测结果中掌握列车制动系统的一些状态信息。 为了确定本系统中需要检测的状态信息，首先要学习电力机车制动系统的一 些知识。 电力机车制动系统主要由几部分组成，包括：d k - 1 型电空制动机、机车 管路系统、基础制动装置。作为机车制动系统的核心，d k l 型电空制动机是 电力机车制动系统中结构最为复杂，也是最易出故障的一个子系统。d k l 型 电空制动机主要由电空制动控制器和空气制动阀等操纵部件，以及车体内的 电空制动屏、分配阀、紧急阀、电动放风阀等组成。除了以上部件外，机车 上还设有均衡风缸、过充风缸、工作风缸、初制风缸、调压阀、分水滤气器、 虑尘止回阀、虑尘器以及各种塞门、软管、压力表、和中间继电器、电子时 间继电器、二极管、压敏电阻等零部件。 d k - i 型机车电空制动机各主要部件的控制关系如下： 1 电空位 ( 1 ) 控制全列车 电空制动控制器电空阀，均衡风缸+ 中继阀+ 列车管压力变化 ( 5 3 ) ( 5 4 ) 0 = + + 勺 ( 5 5 ) 式中：( f = i ，2 ，3 ) s ，受，s 环节相对误差，= 孚 o 。 ， 。 ，整机相对误差， = 竺。 77 y 上式用于已知各环节误差的大小和方向时的误差综合，故适用于系统误 差。对于以计算机为核心的现代测试系统，由各环节的系统误差产生的整机 误差可以通过实验数据进行修正，因此本系统只关心变化系统误差系统 不确定度和随机误差随机不确定度。 5 1 3 检测系统各部分误差分配计算 5 1 3 1 传感器的引用误差计算 系统所使用的c y g i o i y 型固态压阻传感器的量程为i m p a ，具有1 3 0 的 过载能力，完全可以满足机车制动系统的压力测量范围。其主要特点是高精 度、高灵敏度、高稳定性和高可靠性，实测寿命已达1 0 7 压力循环，平均无故 障工作时间1 0 5 小时以上，具有优良的性价比和动态性能。1 5 v 电源供电下主 要性能指标如下：满量程输出l o o m v ，零位温漂为o 5 1 0 。v 。c ：满量程 下灵敏度温漂口s 为o 4 x 1 0 。v 。c ；迟滞误差为0 0 4 ：重复性误差为 0 0 3 。计算传感器的输出电压虬的随机不确定度和系统不确定度的叠加结 果综合不确定度时，主要考虑以上几个参数的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 9 页 在第二章己经讨论了传感器的安装位置，如果传感器安装在机车的空气 管路柜中，则其环境温度变化范围一般不会超过1 0 。c 。i 驭, a t 为1 0 。c ， 导致的系统误差设为p ，o ， e m = a o a t = 0 s x l 0 。1 0 x 1 0 3 = 0 5 m v ( 5 6 ) 导致的系统误差设为e 。， e 日；c b a t = 0 4 x 1 0 4 l o x l 0 3 = 0 4 m v ( 5 7 ) 。引起的随机误差设为e 。，。为传感器的满量程输出， = r , n l 。= 0 0 4 x 1 0 0 = 0 0 4 m v ( 5 8 ) 引起的随机误差设为e 。， e r = r l 。= 0 0 3 x 1 0 0 = 0 0 3 m v( 5 - 9 ) 温漂所造成的变化系统误差p ，。、e 。一般服从均匀分布，而、所造 成的随机误差可以认为服从正态分布，但如果考虑到在置信概率为9 5 时， 均匀分布和正态分别的置信系数较接近，因此可以采用方和根法来估算传感 器输出电压h 的综合不确定度p 。： e r 拓忑磊虿可= 0 ，6 4 2 m v( 5 _ 1 0 ) 上式表示成传感器的引用误差。，： _ ：旦：0 6 4 2 1 2 芒2 5 1 3 2a d 转换器位数的确定 ( 5 - 1 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 0 页 a d 转换器的误差主要是指输入信号的量化误差传递到输出所产生的误 差，因此计算a d 的误差的过程实际上就是确定a d 位数的过程。a d 的误差 主要来自于量化误差，它是模拟信号数字化时产生误差的主要组成部分。量 化误差与a d 转换器位数的关系如图5 4 所示。从图中可以看出，位数在1 1 位以下的a d 转换器量化误差比较大，而1 2 位以上的a d 转换器对减小量化 误差贡献不大，且随着转换器位数的增加成本也直线上升。此外确定a d 位 数时还要结合前向通道的精度来综合考虑。 量化误差 9l ol ll z 图5 4 量化误差与转换器位数的关系 由于模拟信号是先经过测量前向通道中的测量装置测量后，再经a d 转 换输入单片机的，因此总的误差由测量误差和量化误差共同构成。如果设测 量误差和量化误差互不相关，由前面分析可知测量误差由传感器的误差和放 大器的误差两部分组成，设二者引起的综合误差的标准差为，则 = p j + e ： ( 5 1 2 ) a d 转换器的量化误差的标准差为8 若e 。与p 。互不相关，则总误差的标 准差e 为： e z = e 己+ e ：，= f ( 5 1 3 ) 式中： f = 再瓦万了 由式( 5 1 4 ) 可得f 与e 。e 。的关系曲线如图5 - - 5 所示。 ( 6 - 1 4 ) 从图5 - - 5 可以看出当口。，e 0 5 时，总误差将显著增大。如果把传感 器的满量程输出电压调理到i o v ，即放大器的增益为1 0 0 倍，则传感器输出电 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 1 页 压的综合误差e 。经放大后变为6 4 2 m v a 确定a d 位数时可以暂时忽略放大环 节误差，为确保精度，取气，e 。值为0 2 ，那么要求a d 的量化误差达到 0 2 6 4 - 2 - - - - 1 2 8 4 m v ( 5 1 5 ) 如果a d 满量程输入电压为i o v ，则至少要1 0 位以上的a d 转换器才能满足 要求e 再结合对图5 - - 4 的分析结果，本系统选用了1 2 位的a d 转换器。 f 1 3 1 。2 1 1 1 o o 1o 3o 5o 。7 图5 - 5f 与p 。e 。的关系曲 e i 、| 。m 线 把a d 转换器的量化误差表示成引用误差形式，记为： = 掣j 丽1 22 一。呲z ” 。 一1 2 式中：e ，( s ，) s 环节造成的输出y 的误差 工。a d 转换器的输出范围。 5 1 3 3 放大器的精度要求计算 由图5 2 得y = s ：墨川，因此传感器误差对输出y 的影响为： 州跗= 卧瑙即。 ( 5 - 1 6 ) ( 5 1 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 2 页 式中：e y ( s 。) 墨环节造成输出y 的综合不确定度。 将式( 6 1 1 ) 代入上式，并注意到三，= $ 2 s ，工。得 e y ( s 1 ) = s 2 s 3x o 6 4 2 工m = 0 6 4 2 l y ( 5 1 8 ) 改写式( 5 1 ) 得j ，= 墨”2 ，得放大器误差e 。，对输出y 的影响p ，( s ：) 啊s ：，= 肄：瑙 设放大器的引用误差为：= 2 心l q 代入上式： e y ( s 2 ) = 墨。2 l 。：= 。2 0 由于本系统要求输出精度达到1 0 级，即要求y 的综合不确定度e 。 ( 5 - t 9 ) ( 5 - 2 0 ) e ，= p ；( s i ) + e ；( s 2 ) + p ；( 马) 1 l ， ( 5 2 1 ) 代入式( 5 1 6 ) ( 5 - 1 8 ) ( 5 - 2 0 ) 的计算结果得： ( o 6 2 4 ) 2 + 蠢2 + ( o 0 1 2 2 ) 2 ( 1 ) 2 所以放大器的引用误差要求为：2s 0 7 6 7 这一要求对一般放大器而言 并不困难。本系统拟采用高精度仪用放大器a d 5 2 4 对弱信号进行放大调理， 能够满足上述的精度要求。 5 2 主要硬件芯片的选择 5 2 1 处理器的选择 在进行系统总体方案设计时已经讨论了各监测模块采集到的压力信息要 通过c a n 总线传送到上位机。因此选择下位机及上位机的处理器时必需考虑 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 3 页 c a n 通讯功能的实现问题。目前c a n 总线接口电路的设计方法有如下两种：一 种是处理器与独立的c a n 控制器，另种是带片内c a n 控制器的处理器。选 用带片内c a n 控制器的处理器，设计时的灵活性虽不如使用独立的c a n 控制 器，但外部电路的复杂性也降低了，提高了系统的可靠性与健壮性。此外根 据本系统的要求，c a n 站点控制电路在提供c a n 总线接口的同时还要提供大量 的i 0 口，因此选用了p h i l i p s 公司的带片内c a n 控制器的p 8 7 c 5 9 l 单片机 作为各监测节点及上位机的核心控制芯片“”。 p 8 7 c 5 9 1 是8 位高性能微处理器，具有片内c a n 控制器，从8 0 c 5 l 微控制 器家族派生而来。它采用了强大的8 0 c 5 1 指令集并成功地包含了p h i l i p s 半 导体s j a l 0 0 0c a n 控制器强大的p e ll e a n 功能。p 8 7 c 5 9 1 组合了8 7 c 5 5 4 ( 微控 制器) 和s j a l 0 0 0 ( 独立的c a n 控制器) 的功能，具有如下特性：增强的c a n 接 收中断；扩展的验收滤波器；验收滤波器可“在运行中改变”：自带6 输入 l o 位如c ，可选择快速8 位 毗：3 个1 6 位定时计数器：1 0 、t l 和t 2 ( 捕获 比较) ，1 个片内看门狗定时器t 3 ；1 6 k 字节内部程序内存，5 1 2 字节片内资 料r a m , 2 个8 位分辨率的脉宽调制输出( p w m ) ；具有3 2 个可编程i o 口：带 硬件i 总线接口，双d p t r ；全双工增强型u a r t ，带有可编程波特率发生器； 增强的温度范围：一4 0 + 8 5 ；提供p l c c 4 4 、q f p 4 4 封装。本系统选用p l c c 4 4 型封装的p 8 7 c 5 9 1 芯片。 5 2 2a o 转换器与放大器的选择 a o 转换器从起动到完成转换需要一定的时间，确定a d 转换器的转换速 率必须考虑数据采集模块的采样速率。由采样定理可知，采样频率和被采 样信号的截止频率之间应满足式( 5 2 2 ) 的关系，否则会产生混叠现象。 工2 工 ( 5 - 2 2 ) 而在进行系统总体方案设计时采用多路模拟信号通过多路开关的切换，共用 一个a d 转换器的方式进行数据采集。因此虽然被测量压力信号为低频信号， a d 转换器的转换速率仍宣选的高些，这样不仅能够提高采样数据的可靠性， 而且为以后的扩展留有余地。另钋，由于机车制动系统在不同工况下，各个 压力变化速度很快，这就要求数据采集系统应具备采样保持功能，为简化电 路设计，本系统选择的a d 转换器应自带采样保持功能。 结合前面的分析内容本系统选用具有采样保持功能的1 2 位a d s 7 7 4 逐 次逼近式a d 转换器，外形采用2 8 脚的d i p 封装结构，其模拟输入范围可以 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 4 页 从o i o v 、o 2 0 v 、5 v 、i o v 。特点如下：可与a d c 5 7 4 ，a d c 6 7 4 等互换； 具有采样保持电路；具有内部基准、时钟和微机接口：最大转换时间不超过 8 5 u s ；采用+ 5 v 单电源供电：功耗小于1 2 0 m w a 由于传感器c y g i o i y 的输出电压为毫伏级电压。需经信号调理电路放大 后才能送入a d 转换器进行转换。本系统信号调理电路的核心放大器选 用的是a d 公司的精密仪表放大器a d 5 2 4 。a d 5 2 4 采用双电源供电，供电电压 最高可达1 8 v 。它具有低的增益误差和高的共模抑制比两个差动输入端的阻 抗完全匹配，而且数值很高，典型值为1 0 9 ，既可以差动输入也可以单端输入。 a d 5 2 4 内置输入电源保护电路，适应上电和掉电时各种恶劣的工作环境。同时， 它还提供较宽的增益带宽、高的输出转换速率和低的阶跃响应建立时间等优 越的动态待性。a d 5 2 4 可阻通过改变外围接线来设置增益。当增益倍数分别为 l 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 时无需外接电阻即可实现，当需要l 到i 0 0 0 之间其它增 益时，可通过外接电阻来设置所需增益。 5 2 3 其他芯片的选择 本系统在进行c a n 总线通讯模块硬件电路设计时选用了p 8 2 c 2 5 0 芯片作 为c a n 总线收发器。p c a 8 2 c 2 5 0 是c a n 协议控制器和物理总线之间的接口，该 器件对总线提供差动发送能力并对c a n 控制器提供差动接收能力。主要特性 如下：和“i s 0 1 1 8 9 8 ”标准完全兼容：高速率( 最高可达i m b p s ) ：具有抗汽车 环境中的瞬间干扰，保护总线能力：斜率控制以降低射频干扰( r f i ) ：差分接 收器，抗宽范围的共模干扰，强的抗e m i 的能力：对电源和地的短路保护： 可连接1 l o 个节点等。 p 8 2 c 2 5 0 有8 个引脚，d i p 封装，各引脚的功能定义如表5 2 所示。通过 不同的连接方式将p 8 2 c 2 5 0 的第8 管脚r s 接地或接高电平，可使p 8 2 c 2 5 0 在 高速、待机、斜率控制三种模式中种下工作。 表5 - 2p 8 2 c 2 5 0 的管脚功能定义 l 管脚号名称管脚号名称管脚号名称管脚号名称 l 1t x d 3v c c5 v r e f7c a n h l 2g 柚4r x d6c n lbr s 为防止外界的强电信号对系统造成冲击，在硬件设计时选用了高速光电 隔离器件6 n 1 3 7 使输入信号与系统c p u 保持光电隔离。6 n 1 3 7 为8 脚d i p 封装， 各脚电路连接：1 、4 脚空闲；2 脚正极：3 脚负极；5 脚接地；6 脚输出；7 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 5 页 脚使能；8 脚接电源。需要注意的是6 n 1 3 7 的输入端与输出端的电源要分别供 给，否则起不到隔离的作用。 除以上介绍的各芯片外，硬件设计中使用了多路模拟开关a d g 5 0 6 f i 进行 多路模拟信号的切换。以及v r 转换芯片a d 6 9 4 等，这些芯片的功能将在后 砸电路设计中介绍。 5 3 系统硬件电路组成 5 3 1 前向通道电路设计 c y g i o i y 型压力传感器的满量程输出是l o o m v ，此时对应的压力为 1 0 0 0 k p a ，而实际上电力机车制动系统各受压容器中的最大压力一般不会超过 7 5 0 k p a ，多在6 0 0 k p a 以下，这样传感器的输出一般在6 0 m y 以下。这样的弱 信号需经过放大调理处理后才能被数据采集部分接收和处理。根据a d 转换 器相对误差计算公式： 万= 荸葡 哥z 。， 可以看出，相对误差与a d 的输入电压巧成反比，电压信号的放大倍数 要与a d 的输入范围相匹配。这样才能保证渊量的准确性。在本系统设计中， 选择了a d s 7 7 4 的满量程输入电压为i o v 。故选择使传感器的输出电压放大i 0 0 倍后送入a o 转换器进行模数转换。 信号调理电路的核心芯片使用的是美国a d 公司生产的a d 5 2 4 。a d 5 2 4 是 种精密单片仪表放大器。有较强的抗干扰能力。在本系统中采用1 5 v 电源 供电，两电源分别接入a d 5 2 4 的7 、8 两脚6 脚接模拟地，传感器输出差模 信号由a d 5 2 4 的i 、2 脚输入，放大后的信号从9 脚输出，l o 脚为输出反馈端， 通常与9 脚相连，4 、5 脚接正电源，用于补偿由于温度变化引起的误差。a d 5 2 4 的特点是在芯片内部已经集成了高精度的增益电阻，因此不需外接电阻，只 要通过不同的连接方式即可获得不同的增益。改变增益最简单的是通过跳线 将3 脚分别与1 3 、1 2 、1 1 脚相连即可得到1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 倍的增益。由于本 系统中各被测压力的变化范围及最高压力有所不同，因此希望得到i 0 0 到 1 0 0 0 倍之间的可调节增益，故在电路连接上使用了外接电阻的方式来根据实 际需要调节放大器的增益。传感器输出信号的放大调理电路如图5 6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 6 页 传感器的输出信号由j 1 的2 、3 端输入，传感器的电源和接地端分别与 j 1 的4 、1 脚相连。放大器的增益范围通过j p l 跳线来改变，电阻r w 3 用于调 节放大器的增益，放大后的输出v o 由9 脚输出。 ，0 - 托c 图5 6 传感器输出信号的放大调理电路 传感器的输出信号经放大调理后得到的输出信号是电压信号，由于机车 上被测压力的位置较为分散，当使用一个数据采集模块对多个压力信息采集 时，各传感器的输出电压要传送到数据采集模块进行a d 转换，而电压信号 远传时损失较大，会给测量结果的精度带来较大影响。电流信号比较适合远 距离传输，因此需要将放大器的输出信号调理成电流信号。v i 变换的方法较 多，为了简化设计，本系统选用了外围电路连接简单的a d 公司的a d 6 9 4 芯片 来实现v i 变换。a d 6 9 4 是一种4 - 2 0m a 转换器，适当接线也可使其输出范围 为0 - 2 0m a a d 6 9 4 的主要特点是：输出范围：4 - 2 0 m a o - 2 0m a ：输入范围：0 - 2 v 或0 - i 0v ；供电电源范围宽；具有开路或超限报警功能。v i 变化电路原理 如图5 7 所示。 根据前面设计要求，a d 5 2 4 的最大输出达到l o v ，因此应v i 变换时应使 a d 6 9 4 的4 脚悬空，选择a d 6 9 4 的输入范围为o l o v ，若要选择0 2 v ，则应 使4 脚接地。在进行电路设计时，并没使用标准的4 2 0 m a 电流输出，而是 a d 6 9 4 的输出电流范围为o 2 0 l f l a ，目的是在a d 输入端用电阻采样时方便的 使电压达到0 i o v 。因此a d 6 9 4 的9 脚要接大于3 v 的电压，电路中通过对 v c c 分压获得。输出部分采用n p n 型晶体管实现，基极接a d 6 9 4 的1 l 脚，集 电极与1 2 脚相连，输出部分从射极取出。 本系统中a d s 7 7 4 的输入信号为o 1 0 v 电压信号，因此进行a d 转换前 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 7 页 还耍把o 2 0 m v 的电流信号作i v 变换，这一点通过取样电阻可以方便实现 在此不在作深入研究。 o 一1 0 嗡入 图5 - - ? v i 变化电路 5 3 2 数据采集模块电路设计 ￥n 数据采集模块是监澳4 节点的核心部分。从前面的分析中可知，对本系统 所要监测的压力信号来说，在转换速率方面a d s 7 7 4 完全能够满足多路信号共 享一个a d 的方式进行数据采集。图5 - - 8 为系统中数据采集部分的硬件电路 原理图。 l e p o 0 p o 7 p 1 2 p 2 0 p 8 7 c 5 9 1 非伪6 r d p 3 7 7 舷c 3 8 - c s 图5 - - 8 数据采集部分电路原理图 o l 2 a 3 q - v s u p p l 。v s t t l p l a d g 5 0 6 a i n l o u t i n l 6 e n a b l eg n d 多路 被测 模拟 信号 输入 慨下r垫 群一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 8 页 图5 8 中，为使a d s 7 7 4 的满量程输出电压是l o v ，把来自传感器的多路 模拟信号中的一路经多路开关选通后接入a d s 7 7 4 的1 3 脚。c p u 发出转换开始 命令后，a d s 7 7 4 的5 脚变为低电平，启动转换，转换完成后变为高电平，通 知c p u 可以读取转换结果。a d s 7 7 4 的s t a t u s 位是工作状态输出标志位，该位 为1 时，说明转换正在进行，为0 时则说明转换已经结束，可以读取转抉结 果了，数据采集时，c u p 通过查询该位来判断是否转换完成。在数据输出方式 选择上，电路采用8 位双字节输出方式。通过把a d s 7 7 4 的2 脚接地，并配合 a o 引脚来实现，a o 为0 时输出高8 位，为l 时输出低8 位，并用0 来补足尾 随的4 位。电阻r f 用来调节a d s 7 7 4 的参考电压，a d 转换器的片选信号由 p 8 7 c 5 9 1 的p 2 口的p 2 5 p 2 7 控制译码器7 4 l s l 3 8 产生。 5 。3 。3 数据存储模块电路设计 由于机车运行环境复杂多变，上位机接收到的各节点的数据肯定无法完 全实时的传输到地面系统，为了能够在无法传输到地面时把来自备节点的数 据保存下来，上位机必需具备数据存储功能。从整个监测系统的成本、体积、 可靠性、功耗以及数据安全性等方面考虑，对比了几种大容量数据存储方案 后，由于c f 卡与单片机的接口方法比较简单，所需的外围器件较少，因此本 系统选用c f 卡作为系统的数据存储设备，。 c f 卡具有如下的一些优点：体积小，重量轻，容量大；工作温度为一4 0 + 8 5 ，可以满足机车现场的需要：支持5 v 3 3 v 双重电压，擦写次数可 达1 0 0 万次；内置徽控制器，使外围电路大大简化；数据吞吐率高；可靠性 高，平均无故障工作时间为l 百万小时。此外，接口方面，c f 卡采用的是5 0 针的接口，可以并行传输更多的数据。c f 卡的内部设计采用了模拟硬盘方式， 所以c f 卡采用的接口和i b e 接口是兼容的，在存储芯片和接口问不需要特殊 的信号转换芯片，这也就是c f 卡能够实现高速的原因。 c f 卡是以柱面磁头扇区的形式存储数据的，即c f 卡包含若干柱面，每 一柱面包含若干磁头，每一磁头又包含若干扇区。其中扇区是c f 卡的基本单 位，每一扇区包含5 1 2 个字节，c f 卡的容量= 柱面数磁头数扇区数5 1 2 b y t e 。c f 卡的扇区寻址有两种方式：物理寻址方式( c h s ) 和逻辑寻址方式 ( l b a ) 。物理寻址方式使用柱面、磁头、和扇区号表示一个特定的扇区，起 始扇区是0 磁道、0 磁头、i 扇区，接下来是2 扇区，一直到e o f 扇区；接下 来是同柱面l 头、l 扇区等。逻辑寻址方式将整个c f 卡统一寻址。逻辑块 地址和物理地址的关系为：l b a 地址= ( ( 柱面号磁头数+ 磁头号) 扇区数+ 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 9 页 扇区数一1 ) c f 卡有三种工作模式：p cc a r dm e m o r y , p cc a r di 0 t r u ei d e ，考虑 到实用性和简易性本系统采用了p cc a r dm e m o r y 模式。 c f 卡以扇区为单位，每个扇区为5 1 2 字节，每次可读写个或连续几个 扇区。本系统采用l b a 方式访问c f 卡数据。读写操作时首先指定读写的扇区 数和l b a 地址，然后往命令寄存器发出读命令或写命令，即可通过数据寄存 器连续读写数据。p 8 7 c 5 9 1 与c f 卡的接口设计如图5 - 9 所示。c f 卡的数据口 与r a m 的数据口相连，读写数据时，c p u 通过寻址c f 卡的1 7 2 0 引脚找到要 进行操作的c f 卡的内部寄存器并进行相应的操作，如该地址为0 0 0 0 时选中 数据寄存器，然后通过d 0 口把数据写到该寄存器中；c f 卡的寄存器地址由 7 4 l s 3 7 3 地址数据锁存器提供：p 8 7 c 5 9 1 的p 2 5 p 2 7 控制译码器7 4 l s l 3 8 产生片选信号后，与c f 卡的c e i 管脚相连；r d y b s y 管脚经过一个3 k 的上拉 电阻后与电源v c c 相接，其他各个管脚按图示相连即可。 | i 0 7 j l 眦 p o 0 p o 7当i 。 l d o d d 7 c e 2 a l l ； p 2 0 p 24a s a 1 2 6 2 6 4 v c c 一a 3 卫 r e g c e 1 8 a 2 = r i ) 1 r b s 】f p 8 7 c 5 9 1 “链z a 。i 量 3 6 c f 卡 w r p 36 忱 r d p 3 7 9 0 e f 2 5 p 2 7肆c s t c e l r e s e t g n d 图5 9 数据存储模块电路原理图 5 3 4 通讯模块电路设计 各监测节点与上位机的通讯是通过过c a n 总线实现的，因此c a n 总线通 讯模块的电路设计是系统中重要组成部分之_ 二。c a n 总线通讯模块硬件电路设 计时使用p 8 2 c 2 5 0 芯片作为c a n 总线收发器。c a t 总线通讯部分的电路原理图 如图5 1 0 所示。为防止外界强电信号对系统影响，p 8 7 c 5 9 1 与p 8 2 c 2 5 0 之间 通过光电隔离器6 n 1 3 7 隔离后相连，6 n 1 3 7 的输入端与输出端的电源要分别供 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 0 页 给否则起不到隔离的作用。电路工作原理如下：c p u 将要发送的信息写入发 送缓冲器后发送请求，上位机接收端p 8 2 c 2 5 0 的r x d c 对总线上发送的信息进 行验收滤波后，将总线上的信息放入接收缓冲区中，并通知总线接收成功， 这时发送端就会根据此通知清空发送缓冲区，为下一次发送作好准备。在此 过程中，p 8 2 c 2 5 0 对总线提供差动发送能力，可以抗共模干扰。从而使信息的 发送和接收更加稳定可靠。 p 8 7 c 5 9 1 c i v c 5 旦l+ 5 v q v o 眦b + s v i 心m 3 7b 垡 剖硎dr v c c c a n l 腿d p 8 2 c 2 5 0 c m t x d l l s c 帅 图5 - - 1 0c a n 总线通讯电路原理图 总 拽 5 4 系统软件设计 本节根据模块化思想对系统监测部分所涉及到的软件进行设计。 5 4 1 数据采集软件设计 根据系统的要求，各节点要根据各自的监测任务对信息进行实时采集， 数据的实时采集功能是由软件控制的。对本系统而言，来自传感器的各信号 经多路开关切换后送入a o 转换器，软件部分需要考虑多路开关的切换问题。 a d 接到转换开始命令后即进入转换状态，单片机的p 1 2 脚检测到s t a t u s 变低后说明a d 转换完成，因转换结果为1 2 位数据，故c p u 需分两次将数据 读出保存。数据采集的软件流程图如图5 一1 1 所示。 * m 盯生惯州。，l 盼| l | 上1 州 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 1 页 图5 一i 1 数据采集软件流程图 5 4 2 数据存储软件设计 f初始化) 。广 产 主 童! e r r o r 读c f 卡 i 导扇区 烹 写地址参数i = 二匕 l 写命令寄存器 = 二工= r 一读状态寄存器l n 堡备瓢增y 、y 了 写数据寄存器5 1 2 次 读状态寄存器 耋多 y f