（电力电子与电力传动专业论文）高速磁浮列车测速定位系统通信网络的研究.pdf

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 od e t e c tt h el o c a t i o na n ds p e e do fh i g h s p e e dm a g l e v ( m a g n e t i c a l l y l e v i t a t e d ) v e h i c l e ，al o c a t i o na n ds p e e dd e t e c t i n gs c h e m ew a sp r o p o s e d ，t h e t o o t h a n d s l o t so fl s m ( 1 i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r ) a n dt h el o c a t i o nr e f e r e n c e l e a v e sb e s i d et h et r a c ka r ed e t e c t e da st h er e l a t i v ea n da b s o l u t e 】o c a t i o ns i g n a l s , r e s p e c t i v e l y i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fs y s t e m ，t h e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fs y s t e ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m m u n i c a t i o n s n e t w o r kw e r ea n a l y s e do b j e c t i v e l y t h e nad e t a i l e dc o m m u n i c a t i o ns c h e m ew a s p r o p o s e d , i n c l u d i n gd e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e s p is y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nw a sa d o p t e dt oc o n n e c tt o o t h - a n d - s l o t s s e n s o ra n dp r wm a g l e vp o l ea n g e le l e c t r o n i cu n i t ，t r a n s m i t i n gp o l ea n g l e i n f o r m a t i o n a s y n c h r o n o u s s e r i a lc o m m u n i c a t i o nw a s a d o p t e d t oc o n n e c t a b s o l u t el o c a t i o nu n i ta n do r tl o c a t i o ne l e c t r o n i cu n i t 。t r a n s m i t i n g1 2b i t s l o c a t i o nc o d i n g p r wm a g l e vp o l ea n g e le l e c t r o n i cu n i ta n do r tl o c a t i o n e l e c t r o n i cu n i tu s i n gc a nf i e l d b u st oe x c h a n g e di n f o r m a t i o nf o rc a l c u l a t i n g a c t u a ll o c a t i o na n ds p e e do fm a g i e vv e h i c l e t h eo r tl o c a t i o ne l e c t r o n i cu n i t p r o v i d el o c a t i o na n ds p e e di n f o r m a t i o nt ov e h i c l es a f ec o m p u t e rb y2 0 m a c u r r e n tl o o p , w h i c hw a sf o rv e h i c l em o n i t o ra n ds a f ep r o t e c t i o n t h ep r w m a g i e vp o l e a n g e le l e c t r o n i cu n i tp r o v i d el o c a t i o na n ds p e e di n f o r m a t i o nt o v e h i c l ew i r e l e s st r a n s m i t i n gu n i tb yr s - 4 8 5s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n ，w h i c h w a sf o rf e e d b a c kc o n t r o lo fl o n gs t a t o rl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r v e h i c l e d i a g n o s ec o m p u t e rc o n n e c t e db o t ho fe l e c t r o n i cu n i t sb yc a nf i e l d b u s ，w h i c h w a sf o rf a u l td e t e c t i o na n da n a l y s i so fv e h i c l el o c a t i o ns y s t e m c o n s i d e r i n g t h ea c t u a lw o r kc i r c u m s t a n c eo fl o c a t i o ns y s t e m ，as e n s o r r e d u n d a n c yd e s i g na n ds e l f - d i a g n o s t i cs c h e m ew a sp r o p o s e d ，t h ee x p e r i m e n t s s h o w e dt h a tp r o p o s e ds c h e m ew a sf e a s i b l e f i n a l l y , aa n a l y s i sr e s u l tw a sg i v e na n dr e l e v a n ts o l u t i o n sw e r ep r o v i d e d k e yw o r d s ：h i g i l s p e e dm a g i e vv e h i c l e ；l o c a t i o na n ds p e e dd e t e c t i o ns y s t e m ； c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文的背景和意义 第1 章绪论 高速磁浮列车以其在技术、经济、环保等方面的独特优势被认为是2 1 世纪交通工具的发展方向。德国和日本等国家已经在这方面取得了重要进展， 磁浮列车技术也开始走向实用阶段。磁浮列车利用电磁吸力或电动斥力使列 车悬浮于空中，实现与地面轨道没有机械接触，并用直线电机来驱动，从而 克服了传统车辆必须通过轮轨机械接触实现列车牵引的许多弊端【1 】。磁浮列 车具有乘坐舒适、污染小、噪声低、转弯半径小、爬坡能力强以及能适应各 种气候等特点，在未来的交通中有着广阔的应用前景【2 1 。 从原理上说，高速磁浮交通系统可以理解为一个巨大的直线同步电机系 统。磁浮列车可视为该直线同步电机的转子，而定子则位于轨道上当牵引 系统牵引列车运行时，必须实时、精确地获得列车( 即转子) 的位置信息， 以确保定子移动磁场和转子磁场同步。此外，运行控制系统为实现其两大核 心功能一运行指挥和安全防护，也必须实时可靠地获得列车的位置信息毋 庸讳言，测速定位系统是牵引系统和运控系统实现闭环控制的基础，是高速 磁浮交通系统中一个极为关键的子系统。 测速定位系统的各子部件之间以及与其他车载设备( 如车载安全计算 机、车载无线电控制单元、车载诊断计算机等) 之间存在着大量信息交换， 这些信息交换均需依赖通信网络来进行。由于牵引系统和运控系统对测速定 位信号的实时性、可靠性和精确性有着非常严格的要求，同时测速定位系统 及其通信网络的工作环境也较为恶劣。为满足这些要求，必须正确选择通信 协议和网络设备，并合理构建和配置一个磁浮列车测速定位系统的通信网络 本论文即围绕这一问题而展开研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 磁浮列车测速定位技术综述 对于普通的轮轨铁路，主要通过轨道电路和安装在车轮上的光电编码器 确定列车的位置和速度。而磁浮列车是一种高速无接触的铁路系统，它是利 用电磁原理来实现列车的悬浮、导向和驱动，因此磁浮列车的测速和定位方 式不能直接沿用传统轮轨列车的方法。 在目前国内外的各种磁浮列车中，主要采用基于感应无线技术的测速定 位方案和基于齿槽计数的测速定位方案。以下将对各种测速定位方案作简 i 基于轨间电缆的测速定位方案 轨间电缆是铺于磁浮列车轨道上，用于定位测速的各种电缆。通过和列 车上的感应线圈的电磁耦合，可以实现连续的位置和速度测量1 5 i f 6 1 。 图1 一l 是这种方式的示意图。位于车上的一个线圈连续发送用于定位 的高频振荡信号，铺于轨道上的电缆感应接收后，由地面设备处理，得到列 车的位置、速度信息。如图1 1 中所示，轨间电缆以一定的间隔形成开放的 环路，列车在运行时，在轨间电缆上可以得到相应的感应电压，经过和轨间 电缆相连的位置检测设备处理后，形成位置脉冲。显然，位置脉冲的序数反 映了列车的位置变化，而位置脉冲的周期和列车的速度成反比。通过累计位 置脉冲，并测定位置脉冲的宽度后，就可以知道列车的位置和速度。 车黻圈昌 = h = 船 蓐应电压p - - 卜一 一r 厂 厂 厂 这种方式简单、实用、成本很低，实现起来很方便，形成的位置脉冲接 近5 0 的占空比，很容易检测到列车相对位置的变化。但它的位置精度较低， 无法检测到两个环路之问的位置变化。 另一种方案是从轨道上的电缆发送定位信号，由列车上的感应线圈接受 以实现列车的位置和速度检测。如图1 2 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 由凸由 ! 上叫 孰闻电缓=二二二=二二=：=二二二爵 线圈t 广 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 线圈s 广 厂 广 厂厂 位置脉冲 几几几几几几几几几几几n 几 图1 - - 2 多线圈位置检测 这时，轨道上只需铺设一条电缆，为提高位置测量的精度，车上一般设 置多个接收线圈。 当列车速度变化很大时，位置脉冲的频率也会有很大的变化。在低速时， 可使用三个线圈的感应信号组合成位置脉冲，而在中速和高速时，分别使用 两个和一个线圈的感应信号，这样速度测量可以获得比较平均的相对精度。 另外，通过比较三个感应线圈的相位，可以确定列车的行驶方向。同时， 相位关系也可以作为检测三个线圈是否工作正常的一个依据。 这种传感方式必须在线路上按一定的距离安放信号源。对信号源的频 率、功率和可靠性都提出了严格的要求。对长距离的线路这种方案是不经济 的。 2 基于长定子齿槽计数的测速定位方案 德国磁浮列车采用了长定子同步电机，所以它采用了基于长定子齿槽计 数的测速定位方案。由于长定子齿槽有非常精确的几何尺寸，用它来获取位 置与速度信号既经济又准确。 齿槽计数的传感方式可以是参数变量式，即处于齿面与处于槽面时由于 磁路的不同，传感器的电参数例如电感量不同，从而实现位置传感。 齿槽计数的传感方式是一种无源方式。它可靠、经济，基本上不需要维 修，信号的获取与处理都比较方便，是一种较好的传感方式。 另外，还有泄漏同轴电缆、微波( 雷达) 定位测速，激光定位测速等方 案，在此不再详述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 3 绝对定位方案 无论是采用轨间电缆、回线以及齿槽计数都难免出现偏差或漏计位置脉 冲。为避免误差累计，需要有绝对位置校正。 绝对位置校正是在磁浮列车的线路两侧设置一些标志或设备，这些标识 或设备包含了线路的绝对位置信息，列车通过这些标识或设备时，可以读取 绝对位置信息，然后由它来校正增量位置信息。 在德国磁浮列车系统中采用无源的定位标志板来表示绝对位置信息。通 过读取标志板上的编码与车上的增量信息相互校验，以消除误码带来的误差。 1 3 常导高速磁浮列车测速定位系统简介 1 3 1 技术方案 在众多的磁浮列车测速定位方案中，本文所论述的系统中采用了齿槽计 数与绝对定位标志板相结合的测速定位技术方案。 选择齿槽计数进行测速定位的主要理由如下n ( 1 ) 与轨间电缆方式相比，齿槽计数不需要在线路上增加任何设备。它 可以利用齿槽非常精确的几何尺寸，经济、准确地获取位置与速度信号； ( 2 ) 由于长定子的特殊安装方式，它可以保证检测面的清洁与安全，不 需要维护。同时，由于采用的是电磁参数变量传感方式，故结构简单、不怕 污秽，环境变化时不会影响传感器的正常工作； ( 3 ) 采用特定的激励频率，可以从电机工作时产生的高频干扰中抽取出 信号： ( 4 ) 实现的难度相对较小。 其难点主要在于： ( 1 ) 直线同步电机在变频过程中高次谐波电流产生的磁场对齿槽传感器 可能会产生影响，给信号的提取与处理带来困难； ( 2 ) 齿槽计数传感器的大小与结构形式受齿槽几何尺寸的约束； ( 3 ) 激励信号源的频率与功率，以及传感器参数必须进行优化选择。 而绝对位置信息的获取则使用了定位标志板及位置读码器的方法。在线 路上确定的位置安装含有绝对位置信息的标志板。列车通过这些标识时，读 回绝对里程信息，然后校正增量位置信息。为提高电路的可靠性及抗干扰能 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 力，位置信息采用了二进制编码技术。 由于定位标志板是无源的，它安装在轨道上不需要维护，所以可靠性极 高。但确定定位板的结构、编码、读出方式，激励频率、信号提取方式以及 电路等都是设计者需要研究解决的关键问题。 1 3 2 系统构成及其功能 常导高速磁浮列车测速定位系统由齿槽传感器( 相对位置传感器) 、绝 对位置读码器、地面绝对位置标志板( 以下简称标志板) 、信号处理电路、逻 辑运算电路、通讯电路等部分组成。 在整个测速定位系统中，其各个组成部分的功能简要介绍如下： ( 1 ) 相对位置传感器：即齿槽计数器。当传感器线圈掠过同步电机齿、 槽表面时，它将电机的齿、槽位置变换成电脉冲信号。所以列车连续移动时， 会形成所谓的位置脉冲列。它是测速与定位的基础。 ( 2 ) 绝对位置传感器：包括绝对定位读码器与标志板等一套装置。标志 板是一种被动( 不需要电源) 的构件，每块标恚板上有若干位二进制编码。 为标记标志板上的二进制编码，根据传感器的原理不同，其实现的方案也不 同。采用电磁透射式传感原理的方案，是用在金属标志板上开编码窄缝的方 法来标记二进制编码。为了减少和防止错误信息的出现，标志板的编码采用 二进制格雷码。读码器是用来读出标志板上的二迸制编码的设备。它与标志 板配合实现绝对位置编码的输入。 ( 3 ) 信号处理电路：来自传感器的信号一般很微弱，必须将它放大到足 够大的程度且进行数字化处理后才能被数字处理电路接收。由于电磁铁和线 性电机工作时会产生很大的噪声干扰，放大传感器提取的微弱电磁信号是设 计整个系统时必须考虑的重要环节之一放大后的信号通过整形变换送到运 算电路。 ( 4 ) 逻辑与运算电路：用来解算出绝对位置信息，计算速度、校验纠正 相对位置信号。由于输入的信号相当于串行信号，要在串行信号的结尾得到 位置与速度信息，必须采用高速硬件电路来实现。需要采用一些高速数字信 号处理器，也可采用专用硬件运算电路来实现。 ( 5 ) 通讯电路：它的作用是与列车控制系统交换信息。除输出数据外， 还可根据外部指令进行备用电路切换、采样周期变更、调用上次停车前的绝 对位置信息等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 6 ) 备用传感电路：为确保系统的正常运行，应当设计一定的冗余度。 在正常时冗余的传感电路用于保证系统的精度：当传感器故障时切除故障电 路，系统仍然能够保持其基本功能，只是精度有所降低。 1 3 3 系统主要性能指标 测速定位系统的主要性能指标如下： ( 1 ) 定位精度 定位精度应达到长定子电角度的3 度。对应的空间距离为4 2 7 m m 。 ( 2 ) 定位的时间周期 提供给牵引系统的位置信号的定位时间周期不超过2 0 m s ：提供给运行控 制系统的位置信号的定位时间周期不超过2 0 0 m s 。 ( 3 ) 定位的工作间隙 定位传感器的工作间隙与悬浮间隙是一致的，而车辆的悬浮间隙是个 动态调整的变量，因此，定位传感器必须能适应这一要求： 定位传感器应满足工作间隙的幅值在6 m m 到1 2 m m 之间变化。 ( 4 ) 定位传感器的电磁兼容 定位传感器工作在牵引系统和悬浮系统的电磁场之中，因此，必须考虑 其相应的电磁兼容问题。 1 3 4 系统工作环境 整个测速定位系统主要分成相对定位部分和绝对定位部分。其中，相对 定位部分由安装在车体端部下方的相对定位传感器和内部的数字处理电路组 成。绝对定位部分则是由安装在轨道侧的定位标志板以及随车运动的绝对定 位读码器组成。相对定位信息和绝对定位信息同时传送到放置在车体前端控 制室的定位信号处理机箱，完成磁极相角的判断、速度的计算、相对位置与 绝对位置的相互校验以及与其它车载设备之闯的通信等任务 系统的安装示意图如图1 - - 3 所示i l j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图1 - - 3 相对定位传感器n u t 的安装位置 从以上的简要介绍和图1 - - 3 中可以看出，测速定位系统紧邻牵引磁场 和悬浮磁场，可能受到较强的磁场干扰，且需长时间工作在高速、振动和露 天条件中，其工作环境是非常恶劣的。 1 4 测速定位系统通信网络的特点和要求 测速定位系统各子部件之间，须经过通信网络的联系才能形成一个有机 的整体同时，测速定位系统与其他车载设备之间的信息交换，也必须经由 通信网络来完成。 磁浮列车定位系统共有8 个定位通道，分别位于列车的两端。每套定位 系统包括4 个独立的定位通道以及安全计算机提供的列车安全定位功能。如 图l 一4 所示。定位通道r 11 、r 21 、l 11 、l 21 位于端车1 ，与列车定位 1 相连；定位通道r 1 - 2 、r 2 - 2 、l l2 、l 2 _ 2 位于端车2 ，与列车定位2 相 连f 。 物理上每个定位通道由3 部分组成，一个齿槽计数器( n u t 测量单元) 、 一个绝对定位读码器( i n k 测量单元) 、一个o r t 定位电子部件。 在磁浮列车端车头部两侧的悬浮磁铁模块上，分别安装了两个齿槽计数 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 定位通通l ，老囝萄建缸之l 定雠i l j 定倒嚼道b ； 图1 4 列车定位通道位置 器( n u t 测量单元) ，这四个齿槽计数器都是相互独立的单元。此外，在端 车的悬浮磁铁上，左右对称地安装了四个绝对定位读码器( 1 n k 测量单元) ， 这四个绝对定位读码器工作也是相互独立的。 测速定位系统与其他车载设备之间的信息交换主要包括： ( 1 ) 通过车载安全计算机( v s c ) ，为运行控制系统提供车辆的位置和速 度信号，用于车辆运行的监控和安全防护； ( 萄通过车载无线电控制单元( m r c u ) ，为牵引控制系统提供车辆的位 置和速度信号，用于牵引系统的长定子直线同步电动机的反馈控制； ( 3 ) 为车载诊断计算机( s d r ) 提供相应的诊断信息。 测速定位系统内部及与其他车载设备之间的信息交换内容，可如图1 - 5 所示。 由前文所述可知，牵引系统对于测速定位信号的精度要求极高，因此对 信息传输的速率及实时性要求很高。运控系统则须利用测速定位信号进行运 行指挥和安全防护，对测速定位信号传输的可靠性要求极高。加之测速定位 系统及其通信网络的工作环境非常恶劣。因此，在设计和研制测速定位系统 通信网络时，必须采取有效的方法以保证信息传输在速率、实时性和可靠性 等方面的要求。 1 5 论文主要研究内容 本论文的主要研究内容如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 相对位置传感器电路f| 绝对位置传感器电路i b 一之夕 数字处理获得数字处理获得 磁极相角信号绝对位置编码 l 传送信息到传送信息到 p r w 磁极相角 o r t 定位电子 电子部件 部件 j ，n 忙一目u 纠撇黼i 楣对定位信息与绝对定位 信息的相互校正并计算实时 的列车速度与位置 i lj l i 车载无线电i | 车载安全i i 车载诊断l l 传输单元i l计算机l | 计算机l 图1 - 5 测速定位系统内部及外部的信息交换 ( 1 ) 介绍了高速磁浮列车测速定位系统定位通道的分布，对基于这些通 道的该子系统内部、子系统与其它车载设备之间的通信网络结构作了简要分 析； ( 萄分析了不同通信方式之间的特点，正确选择通信协议及网络设备， 对测速定位系统的整个通信网络的硬件设计及软件实现进行了详细地阐述， 可靠有效地实现该子系统内部及与其它车载设备之间的通信要求； ( 3 ) 针对测速定位系统在磁浮列车上的实际工作状况，提出了系统的冗 余设计方案。选择合适的通信网络及软件协议，并通过实验验证了方案的可 行性。同时根据实际工程要求设计了系统内部的自诊断功能，以及相对位置 与绝对位置的互相校正，以提供准确可靠的位置速度信号； ( 4 ) 最后对通信实验结果进行了分析，并提出了相应的解决方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章测速定位系统通信网络硬件设计 高速磁浮列车测速定位通信网络主要承担着测速定位系统向车载设备发 送定位信息，同时接收车载设备控制、诊断任务的数据通信网络，它首先将 本系统的各个单元之阈连接起来，作为系统信息交换和共享的渠道，并在此 基础上根据相应车载设备的要求实时可靠地传送定位信息，从而实现列车环 境下的信息交换。本章将在介绍测速定位系统硬件结构的基础上着重介绍系 统通信网络硬件的设计与实现。 2 1 通信系统总体方案设计 在本系统中，实现整个系统功能的数字处理电路分为两大部分：齿槽传 感器数字处理电路以及处理机箱中的p r w 磁极相角电子部件和o r t 定位电 子部件。齿槽传感器中数字电路的主要任务是对模拟板上经a d 变换后的正 余弦信息值进行处理，换算出悬浮磁极磁场相对于定子移动磁场的相角信号， 并以合适的通信方式传给处理机箱中的p r w 磁极相角电子部件。p r w 磁极 相角电子部件和o r t 定位电子部件则分别完成对齿槽传感器和绝对定位读 码器的数据采集、存储、整合、计算、并通过各种通信方式实现系统内部及 与车载无线电传输单元( m r c u ) ，车载安全计算机( v s c ) ，车载诊断计算 机( s d r ) 之间的信息交换。通信网络总体框图如图2 - 1 历示。 2 1 1 通信方案的确定 从上一章列车纵剖面结构简图可知：齿槽传感器安装在悬浮电磁铁的箱 梁体内。p r w 磁极相角电子部件和o r t 定位电子部件则安装在车上控制室 的处理机箱中，齿槽传感器与p r w 磁极相角电子部件之间的实际通信距离 可按2 0 米设定。由于悬浮电磁铁箱梁体内部存在极大的电磁干扰，为了保证 传感器数据传输的稳定性和可靠性，从底层传感器到机箱的通信需采用屏蔽 性能好、抗干扰性强的传输方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 i - 一： 图2 _ 1 测速定位系统通信网络总体框图 来自齿槽传感器的极相角信息( 相对位置信息) ，是一个变化速度非常 快的信号，它以8 6 r a m ( 单个齿槽) 为一个3 6 0 。周期，3 。为最小变化单位 实时更新，因此需要选用一种传输速率较高的通信方式。考虑到s p i ( 串行 外设接口) 是目前嵌入式系统中种应用极为广泛的接口标准，很多附带数 据交换功能的c p u 同外部数字逻辑电路的接口都采用了该技术，它灵活的配 置及高速高效的传输特性也符合齿槽传感器与磁极相角电子部件之间的通信 要求。 根据系统对绝对位置信息的要求，绝对定位读码器一读到定位标志板上 的定位点参考位置，立即发送准备信号给o r t 定位电子部件，o r t 定位电 子部件收到该信息后立刻对线圈周期数的计数值清零，然后对线圈数从零开 始计数。等到读码器读到完整的3 个定位标志板的编码信息，绝对定位系统 再将该信息传送给o r t 定位电子部件。由于帧信息量不大( 包括1 2 位编码 和校验) ，并且相邻两组定位标志板相距至少为几十米的距离，通信线路大部 分时间处于空闲状态，所以采用串行异步通信便可满足要求。 在根据相对位置信息和绝对位置信息计算出列车实际位置及速度后， p r w 磁极相角电子部件需向牵引控制系统提供车辆的位置和速度信号，由于 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 该信号用于长定子直线同步电动机的反馈控制，对定位系统与车载无线电传 输单元的同步性有较高的要求，因此采用同步通信方式更为可靠。另外由于 端车l 与端车2 只有一个无线电传输单元( 放置在端车1 上) ，从端车2 到无 线电传输单元的传输距离跨越了所有车厢的长度，通信距离达上百米，所以 在通信接口上可采用基于r s 4 8 5 物理层的同步串行接口方式。 车载安全计算机控制着整个列车的安全运行，必须可靠的接收测速定位 系统传来的数据，并利用这些数据得到唯一的、准确的、安全的定位信息， 传给地面的运行控制系统。该信息的实时性要求不高，采用异步串行通信即 可实现。但普通的r s 2 3 2 由于收发之间具有公共信号地，不能使用双端信 号，共模噪声会耦合到信号系统中，即使采用了较高的传输电压，最大通信 距离仅为1 5 m ，远程通信还需采用调制解调器，不能满足系统环境及通信距 离的要求，目前应用较广的长距离串行通信方式中可选用2 0 m a 电流环，它 的最大优点是低阻传输线对电气噪声不敏感，而且易实现光电隔离，通信距 离在2 k m 以上。 车载诊断网络系统是对车载设备诊断信息进行采集、分析、诊断的系统， 该系统通过网络实时地采集分布在磁悬浮列车上的各设备的诊断信息。这里， 可选用的通信方式主要为工业以太网和各种现场总线【羽。 工业以太网是一种标准开放式的网络，由其组成的系统兼容性和互操作 性好，资源共享能力强，可以很容易的实现将控制现场的数据与信息系统上 的资源共享，它的数据传输距离长、传输速率高。但是以太网采用的是带有 冲突检测的载波侦听多路访问协议( c s m a c d ) ，无法保证数据传输的实时性 要求，是一种非确定性的网络系统：另外，以太网采用超时重发机制，单点 的故障容易扩散，造成整个网络系统的瘫痪。各车载设备与诊断计算机之间 不存在固定的主从关系，且作为车辆内部通信也限制了通信距离，因此，工 业以太网的优势在此处无法体现，它更适用于列车一级的信息传输。在各种 现场总线中，a 蛾现场总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。 主要表现在c a n 为多主方式工作；总线节点分成不同的优先级；采用了非 破坏性仲裁技术；报文采用短帧结构，数据出错率极低；其特点基本符合车 载诊断系统与各车载设备之问通信的要求。因此，本系统中p r w 磁极相角 电子部件和o r t 定位电子部件与诊断系统的信息交换采用c a n 总线通信。 另外，为了实现相对位置信息和绝对位置信息的相互校验l 三( 及列车实际 位置的计算需要将磁极相角( p r w ) 电子部件和o r t 定位电子部件互联。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 作为定位系统内部的信息交换，它在通信方式的选择上没有过于苛刻的要求， 可以采用普通的串行通信。但本文所论述的系统中为了硬件连接方便，也采 用了基于c a n 网络的通信方式，只是内部信息交换的优先级要高于外部。 2 1 2 测速定位系统硬件结构 根据对系统所需实现功能的描述，系统硬件部分需包括各类通信接口， 主控制器应带有定时器，i o 输入输出、外部存储器扩展等功能，同时还应 具备高速的运算能力。因此，在系统主芯片的选择上有以下三种方案进行选 择： 方案一：完全采用f i g a 实现各种功能。 方案二：采用单片机+ f p g a 进行控制。 方案三：采用d s p + f p g a 进行控制。 对于方案一，由于完全采用硬件描述语言或原理图输入的方法进行硬件 电路的搭建，所有的功能都基于硬件来完成，不会出现软件设计中的程序跑 飞、误中断、死循环、复位不当等情况，因此增加了系统的可靠性和稳定性。 但是，从f p g a 的构造原理来看，用其进行数学运算会占用非常多的硬件资 源，再加之还要在其内部构造各种通信控制器和收发器，使得内部电路非常 复杂，增加了设计的难度。 对于方案二，由于5 v 单片机的普遍应用，它的抗于扰性比3 。3 v 系统更 强，与目前众多的外围器件相连不需要进行电平转换，因此外部的硬件连接 更为简单但是，各种功能的实现需要占用c p u 的地址、寄存器、内部存储 器、大量i o 口以及中断等资源，所以功能单一的普通单片机不太适用于本 系统。 。 在本系统中，采用第三种方案。数据的采集和处理、通信控制器及收发 器的实现主要采用t i 公司的数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和x i l i n x 公司的 现场可编程逻辑阵列x c 2 s 5 0 。下面简要介绍一下选用这两款芯片作为系统 硬件电路主芯片的理由。 ( 1 ) 数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列是目前t i 公司推出的最先进、功能最强大的3 2 位定 点d s p 芯片。该款芯片基于高速静态c m o s 技术，1 5 0 m h z 的c p u 执行速 度使得指令周期缩短到6 6 7 n s ，从而极大地提高了该控制器的实时控制能力。 芯片采用低功耗设计，内核采用1 8 v 供电，片内外设和片载f l a s h 采用3 3 v 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 供电。片上带有8 k x1 6 位的f l a s h 存储器，1 8 k 1 6 位的s a r a m ，并可以 在c p u 之外通过存储器接口对外围设备、外围存储器进行直接存取，为程序 的运作及数据的存储提供了足够的空间。另外，片上的看门狗电路可保证系 统的可靠运行；三个外部中断可用于检测发生频率不是很高的外部脉冲信号； 3 个3 2 位的c p u 定时器则可实现通信协议要求的定时传送数据功能；两个 事件管理器的捕获单元可随时捕获引脚上出现的跳变，可用来检测齿槽脉冲 计算列车运行的速度。更符合本系统要求的是，该芯片带有一个串行外设接 口( s p i ) ，一个可配置为串行外围接口模式的多通道缓冲串行接口( m c b s p ) ， 两个串行通信接口( s c i ) ，一个增强型的区域网络控制器( e c a n ) ，这些外 设接口直接提供了本系统所要求的多种通信控制器。它同时提供j t a g 接口， 其自带的程序编译器高效地支持c c + + 语言的编写，给程序的开发调试带来 了极大的方便1 9 】。 ( 2 ) 现场可编程逻辑阵列x c 2 s 5 0 本系统采用的f p g a 属于s p a r t a n i i 系列的x c 2 s 5 0 。这一系列芯片采用 低压布线结构，工作电压虽然为2 5 v ，但仍可完全耐受5 v 信号。所使用的 x c 2 s 5 0 集成度为5 万门，速度可达2 0 0 m h z ，有1 7 2 8 个逻辑单元，1 7 6 个 可使用的y o 管脚【1 1 】。在本系统中，该款f p g a 主要用来进行逻辑处理和实 现特殊要求的通信时序。 x c 2 s 5 0 外带p r o m 的型号为x c f 0 1 s ，它是3 3 v 供电的f p g a 串行配 置p r o m 。x c f o i s 的可擦写次数为2 0 0 0 0 次l i 捌。这种可随时改变电路功能 的方式使得系统的硬件设计变得非常灵活。 下面对整个系统的硬件原理框图做一个总体介绍，以阐述该系统通信网 络构成的基础。 ( i ) 底层数字板原理框图 来自底层传感器的两路模拟信号经r d 变换后，转换成八位的正弦和余 弦信号，送到数字板进行处理。如图2 _ 2 所示，这两路信号通过s n 7 4 l v t 2 4 5 进行电平转换和隔离，组合成1 6 位地址送到数字扳上的两块f l a s h 中。由 于两块f l a s h 内部已按照一定的算法生成了齿槽极相角值与正余弦信号的 对应关系表，因此，根据每次不同的地址值，可查出与之相对应的极相角。 该极相角值对应于8 6 r a m 的齿槽周期，精度达到8 6 m m 1 2 0 = 0 7 1 6 m m 。按照 列车牵引系统和运控系统对定位数据的要求，需将此齿槽周期极相角及正余 弦信号上传到p r w 磁极相角电子部件做进一步处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图 2 底层数字板原理框图 ( 2 ) p r w 磁极相角电子部件的c p u 和接口板原理框图 p r w 磁极相角电子部件负责从齿槽传感器接收齿槽周期极相角和正余 弦信号，与o r t 定位电子部件进行绝对位置信息和相对位置信息的交换，并 根据要求完成以下任务：换算牵引周期电角度；对齿槽个数进行计数；判断 列车行驶方向；计算列车实际位置。处理后的定位信息通过f p g a 传送给牵 引控制系统。c p u 所扩展的外部f l a s h 和s r a m 用于数据的存储，具体应 用见后面的章节。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图2 - 3p r w 磁极相角电子部件的c p u 和接口板原理框图 ( 3 ) o r t 定位电子部件的c p u 和接口板原理框图 o r t 定位电子部件负责从绝对位置读码器接收绝对位置编码信息，与 p r w 磁极相角电子部件进行绝对位置信息和相对位置信息的交换。同时利用 两路齿槽脉冲信号计算列车速度并对由极相角值处理得到的齿槽个数进行校 验。处理后的定位信息通过r r y 电流环传送给车载运行控制系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图2 4o r t 定位电子部件的c p u 和接d 扳原理框图 2 2 磁极相角电子部件( p r w ) 的通信网络 在高速磁浮列车测速定位系统中，每节端车有两个磁极相角电子部件， 每个磁极相角电子部件所需获得的位置信息来源于一个绝对定位读码器和两 个齿槽计数器，进一步处理后得到磁极相角信号；此信号为锯齿波，其周期 对应于定子线圈周期。该信息通过无线电传输到地面，用于牵引电机转子磁 链定向控制f 牵引过程中，控制定子移动磁场相角与转子磁极相角的相对关 系) 。每隔2 0 m s 磁极相角电子部件通过同步r s 一4 8 5 接口将8 字节信息传送 到列车一地面数据传输系统。磁极相角信号传输通道如图2 - 5 所示。图中， 端车1 和端车2 上n u t 、i n k 和o r t 的表示方法如下：器件名称器件位置 器件号一端车号。如：n u t r i 一1 表示端车1 右边第1 个n u t 器件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 端辑端靶 筒 7 辑 臣 冈 廷1 图2 - 5 磁极相角信号的产生与传输 磁极相角电子部件所需处理的信息具体包括以下内容： 磁极相角信息( 8 位) 。第8 位为标志位，若为1 ，则后7 位数据有 效；若为o ，则表明发生故障。后7 位表示定位角度。磁极相角的范 围为0 3 6 0 。，每一位的分辨率为3 6 0 0 2 7 - 2 8 。b i t 。列车每经过一个 定位标志板清零( 对应于中间一块的中间点) ，然后重新开始积累。 定位标志板( l r f ) 信息( 1 2 位) 。反映列车的绝对位置，最低位表 示在轨道的左侧或右侧，若为0 ，表示在轨道左侧，若为1 ，表示在 轨道右侧。高1 l 位表示当前位置定位标志扳的编码，对应于当前的 绝对位置。 列车运行方向信息( 2 位) ，编码“1 1 ”表示正方向，编码“0 0 ”表 示反方向 列车相对位置( a s i ) ( 1 6 位) ：每6 个齿槽是一个牵引周期，即5 1 6 m m ( 8 6 r a m 6 ) 。从某一组定位标志板( 以中间一块板的中心点为准) 开始，列车每经过6 个齿槽周期( 1 个3 6 0 度) a s i 数值加1 或减1 ， 正向运行时，a s i 数值增加1 ，反向运行时，a s i 数值减少1 ，以此 累计。列车每经过一个定位标志板清零，然后重新开始积累。 通过绝对位置信息和相对位置信息的数据，牵引系统就能计算出列车的 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 实际位置。当列车速度低于2 0 k n f f h 时，牵引控制系统需要磁极相角信号。 当列车速度超过2 0 k m h 后，牵引电机控制不再使用该信号来定位，而采用 列车运行时悬浮磁场切割定子绕组所产生的端电压分量( 即反电势) 来计算 磁极与定子磁场的相位关系，但此时仍需要p r w 信号作为校准信号。 2 2 1p r w 电子部件与n u t 传感器之间的通信接口 s p i ( s e d a lp e r i p h e r a li n t e r f a c r 串行外设接口) 总线系统是一种高速 同步串行外设接口，允许c p u 与各种外围设备以串行方式进行通信，它有信 号线少、协议简单、传输速度快( 通信速度可达几十m ) 的特剧切。 在耵公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 中s p i 总线有以下主要特性【l o 】：接 收和发送操作同步；主机或从机工作模式可选；波特率时钟频率和时钟模式 可编程；数据字长度为1 5 1 6 数据位；发送器和接收器中断驱动等。 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 中s p i 的4 个外部引脚分别为： m i s o ：串行数据信号( 主设备输入一从设备输出) ； m o s i ：串行数据信号( 主设备输出一从设备输入) ； c l k ：时钟信号( 串行数据流输入，输出的移位时钟) ； s t e ：从设备使能信号。 s p i 控制下构成各种简单总线有多种方式，如一个主机和多个从机；多 个从机相互连接构成多主机系统( 分布式系统) ；一个主机和一个或多个从 i o 设备【。本系统的s p i 通信硬件连接示意图如下： 徘湃 c p u c p u 主机 从机 c u c u ( m o s i m o 铆 m i s om i s o 图2 - 6t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 系统s p i 通信硬件连接示意图 其中，p r w 磁极相角电子部件为主机，相对位置齿槽传感器( n u t ) 为 从机。如果采用一个主机对应两个从机的总线方式，则必须依靠p r w 磁极 相角电子部件来决定哪路传感器的s p i 片选被拉低，从而让两路相对位置传 感器分时工作。但是，这种工作方式使得p r w 磁极相角电子部件获得的两 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 路定位信息不满足固定的机械安装位置关系，在切换两路传感器工作状态时 引入了延时所带来的误差，不利于两路相对位置传感器定位信息之间的互校 验。因此，在p r w 磁极相角电子部件上设计了两路s p i 通道( 即同时存在 两个主机和两个从机) ，并让其同时工作，这样就避免了上述缺陷。本系统所 采用的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制芯片只带有一个s p i 接口，但可利用其多通道缓 冲串行口扩展另一路s p i 通道。 2 2 2p r w 电子部件与m r c u 之间的通信接口 车辆定位系统与牵引控制系统之间的接口组成环节用于车辆定位系统 向牵引控制系统传输列车定位数据。 每一列车上有一套车载无线电控制单元m r c u 置于端车1 中，每一套车 载无线电控制单元m r c u 具体由两个互为冗余的m r c u _ a 和m r c u _ b 组 成；每一列车上有四套p r w 定位单元，分别包括端车1 左右两侧各一套( p r w l 1 、p r wr 1 ) 和端车2 左右两侧各一套( p r wl 2 、p r wr 2 ) 。m r c u 和p r w 之间的接口关系如图2 - 7 所示，共有4 个r s 4 8 5 接口。 广 图2 7 车载无线电控制单元与列车定位系统之间的接口逻辑关系图 列车定位系统得到的定位数据通过磁极相角电子部件的r s 一4 8 5 接口传 给车载无线电控制单元m r c u ，再通过车地无线电系统传给分区无线电控制 单元d r c u ，最后传给牵引供电系统的电机控制子系统用于牵引电机控制。 磁极相角电子部件与车载无线电传输单元之间的接口在通信方式上采 用了基于r s 4 8 5 物理层的同步串行接口方式，每个接口有4 对差分线。车 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 载无线电传输单元为主控方，车辆测速与定位单元为受控方。其接口关系示 意图如下： - 车载无线电 车辆测速与 控制单元定位单元 a n f 控 收 c l k收 r 控 制 发u 发