（电力系统及其自动化专业论文）高速磁悬浮列车车载监控系统及数字接口研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t v e h i c l ed i a g n o s i sa n dc o n t r o ls y s t e mi sa l li m p o r t a n t p a r to n t h em a g l e vt r a i n i t c a nr e a l i z et h ef u n c t i o n ss u c ha s e q u i p m e n t so n l i n es u p e r v i s i o n , f a u l td i a g n o s i s ， c e n t r a lc o n t r o la n dr e g u l a t i n go nt h e m a g l e vt r a i n t h e e l e c t r i c a la n de l e c t r i c c o m p o n e n t si n av e h i c l e c o o p e r a t i n gw i t he a c ho t h e rm u s tc o m m u n i c a t et h r o u g h d i g i t a li n t e r f a c e s m a s t e rt h ec o m m t m i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nc o m p o n e n t sw i l lb eo f g r e a ts i g n i f i c a n c ef o r t h er e s e a r c ha n d p r o d u c e o ft h e s e c o m p o n e n t s o nt h eb a s i so fg e r m a n h i g h s p e e dm a g l e v t r a i no n s h a n g h a im a g l e v d e m o n s t r a t i o nl i n e ，a i m i n ga tt h el o c a l i z a t i o no f m a g l e vt r a i n ，t h i st h e s i sh a sd e e p l y a n a l y z e da n ds t u d i e dv e h i c l ed i a g n o s i sa n dc o n t r o ls y s t e ma n ds o m ek e yd i g i t a l i n t e r f a c e so nt h e m a g l e vt r a i n t h et h o u g h t w a yt os t u d yv e h i c l ed i a g n o s i sa n d c o n t r o l s y s t e mi s “a n a l y z i n g a n d a p p r e h e n d i n g t h e s y s t e m p u t t i n g f o r w a r d m o d i f i c a t i o ni d e aa n dm e t h o dt o i m p r o v eo no l ds y s t e m p u t t i n gf o r w a r ds o f t w a r e a n dh a r d w a r ed e s i g n s c h e m e r e a l i z i n g ”t h em e t h o dt os t u d yd i g i t a li n t e r f a c e i s “e x p e r i m e n t i n ga n dt e s t i n gt o g e t h e rw i t ht h e o r e t i c a l l ya n a l y z i n g ” v e h i c l ed i a g n o s i sa n dc o n t r o l s y s t e mo ng e r m a nh i g h s p e e dm a g l e vt r a i ni s d i v i d e di n t ot w op a r t s ：v e h i c l ed i a g n o s i ss y s t e ma n dv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m t h e f u n c t i o n s ，a r c h i t e c t u r e ，s i g n a lf l e we t c o ft h e s et w os y s t e m sa r ea n a l y z e da n d s u m m a r i z e d v e h i c l ed i a g n o s i ss y s t e mc a nb u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sc o n s t i t u t e db y m y s e l fa c c o r d i n g t oo w n e dd o c u m e n t sa n ds t a n d a r dc a ns p e c i f i c a t i o n t h r o u g h p a r t i c u l a ra n a l y s i s t h em e t h o dt og e tc a n b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb ys p y i n g a n da n a l y z i n gc a nc o m m u n i c a t i o n t e l e g r a mi sd i s c u s s e da n ds t u d i e d e x p e r i m e n t s a r ed o n et os p ya n d a n a l y z ec a n c o m m u n i c a t i o n t e l e g r a mt ov a l i d a t et h ec o n s t i t u t e d p r o t o c 0 1 t h ek e yt e c h n o l o g ya n di m p l c m e n t a r y s t r a t e g y t h a ts h o u l db er e s o l v e dt o r e s e a r c ha n dp r o d u c el o c a lv e h i c l ed i a g n o s i ss y s t e mb yo u ro w na r ea n a l y z e da n d d i s c u s s e d p r i m a r yt e c l m i q u es c h e m e t or e s e a r c ha n d p r o d u c el o c a lv e h i c l ed i a g n o s i s s y s t e mi sp r o j e c t e d a r c h i t e c t u r ed e s i g n ，h a r d w a r ed e s i g n ，o p e r a t i o ns y s t e mc h o s e n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 a n ds o f t w a r e d e s i g nf o r t h em a i nc o m p o n e n t so fv e h i c l e d i a g n o s i ss y s t e m a r e a n a l y z e da n d d i s c u s s e d s o m eo f s u p e r v i s o r yl o g i cm a d c i r c u i ti nv e h i c l ec o n t r o ls y s t e ma r e i m p r o v e d o n l o g i c a l l y t h ei m p r o v e d c i r c u i tl o g i cf u n c t i o ni sa l s or e a l i z e db y c p l d ( c o m p l i c a t e d p r o g r m n m a b l el o g i cd e v i c e ) a n dv e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ei nt h i st h e s i s a n dt h el o g i cf u n c t i o ni sp r o v e db ys i m u l a t i o n r s 4 8 5s e r i a li n t e r f a c eb e t w e e nl e v i t a t i o n m a g n e tc o n t r o lu n i ta n dl e v i t a t i o n s p a nm e a s l l r e m e n tu n i ti nl e v i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mo ng e r m a nh i g h s p e e dm a g l e v t r a i ni s a n a l y z e d a n ds t u d i e d r s 4 8 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l b e t w e e n l e v i t a t i o nm a g n e tc o n t r o lu n i ta n dl e v i t a t i o ns p a nm e a s u r e m e n tu n i ti sa c q u i r e db y e x p e r i m e n tt o g e t h e r w i t h a n a l y s i s as e to f g r o u n ds i m u l a t i v et e s tv e h i c l ed i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nc a nb u si s d e s i g n e da n dd e v e l o p e db yu s i n gs o m es i m p l eh a r d w a r ea n dv i s u a lc + + p r o g r a m l a n g u a g e f u n c t i o no fad i a g n o s i ss y s t e mc a nb er e a l i z e da n do p e r a t i o n a lp r i n c i p l e a n dp r o c e s sc a nb ei l l u m i n a t e d k e yw o r d s ：h i g h 。s p e e dm a g l e vt r a i n ；v e h i c l e d i a g n o s i ss y s t e m ；v e h i c l e c o n t r o l s y s t e m ；d i g i t a li n t e r n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 刚罱 本文是作者参加国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 高速磁浮交通技术重 大专项上海配套项目车载监控网络中接口规约侦析以及高速磁浮列车车载 诊断系统和车载控制系统国产化研究工作的部分成果总结，其中r s 4 8 5 数字接 口部分的工作由作者与课题组共同完成。在此，谨向上海市科委、国家磁浮交 通工程技术研究中心和项目课题组表示由衷的感谢! 由于论文的研究工作由殖南交通大学、国家磁浮交通工程技术研究中心及 作者签订了保密协议，恳请各位评审专家和和答辩委员对本文研究内容和成果 注意保密，若由此引起的泄密问题，后果概由泄密人承担。 由于作者水平有限，加之时间较为仓促，文中难免有错误和不足之处，恳 请各位专家学者不吝赐教。 作者：赵华华 2 0 0 4 年4 月 西南交通大学四陶父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、 保密i 4 f ，在l 年解密后使用该授权书； 2 、不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打) 学位论文作者签名：起拜华 日期：p 。仁年仁月旬日 指导教师签名：锄喜- 曰期：知o v 年u 月 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 磁悬浮列车发展概况 第1 章绪论 磁悬浮列车作为一种新型交通工具正在由试验阶段向商业运营阶段发展， 磁悬浮列车摆脱了轮轨关系的束缚，它拥有速度高、乘坐舒适、对地形适应性 强、选线较灵活、节能、环保无污染、易维护等众多的优点，因而赢得了世界 的关注。 磁悬浮列车从悬浮机理上可分为电磁悬浮( e m s e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o n ) 和电动悬浮( e d s e l e c t r o d y n a m i cs u s p e n s i o n ) o “2 。所谓电磁悬浮就是对车载的、 置于轨道下方的悬浮电磁铁( 或永久磁铁加励磁控制线圈) 通电励磁而产生电 磁场，电磁铁与轨道上的铁磁性构件( 钢质轨道或长定子直线电机定予铁芯) 相互吸引，将列车向上吸起悬浮于轨道上，电磁铁和铁磁轨道之间的悬浮间隙 ( 称为气隙) 一般约8 n 1 0 m m 。列车通过直线电机牵引行驶，通过控制悬浮电 磁铁的励磁电流来保证动态稳定的悬浮气隙。 电动悬浮的特点是当列车达到一定速度时才能悬浮。当列车运动时，列车 上安装的磁体( 一般为低温超导线圈或永久磁铁) 的运动磁场在安装于线路上 的悬浮线圈中产生感应电流，两者相互作用，产生一个向上的磁力将列车悬浮 于路面一定高度( 一般为1 0 0 1 5 0 m m ) 。列车运行靠直线电机牵引。与电磁悬 浮相比，电动式悬浮系统在静止时不能悬浮，必须达到一定速度( 约1 5 0 k i n h ) 后才能起浮。电动式悬浮系统在应用速度下悬浮气隙较大，不需要对悬浮气隙 进行主动控制。 德国、日本、美国、中国等国家都在积极地研究磁悬浮列车技术，并且已 取得了较大的进展，现在世界上有三种磁悬浮列车系统已发展到应用或接近应 用的阶段，分别为德国的t r 常导吸力型磁悬浮列车，日本的m l x 型超导斥力 型磁悬浮列车和日本的h s s t 型常导吸力型磁悬浮列车。其中德国的t r 磁悬浮 列车和日本的h s s t 磁悬浮列车属于电磁悬浮型，日本的m l x 磁悬浮列车属于 电动悬浮型。德国的t r 磁悬浮列车最大运行速度大致在4 0 0 5 0 0 k m h ，日本的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 h s s t 磁悬浮列车最大运行速度为1 0 0 k n 怕左右，日本的m l x 超导磁悬浮列车 最大运行速度在5 0 0 5 5 0 k m h 之间“3 。我国西南交通大学和国防科技大学正在 研制的磁悬浮列车属于常导电磁悬浮吸力型。 上海磁浮运营示范线就是引进德国高速磁悬浮技术而建设成的世界上第一 条商业运营线，本文就是在消化吸收上海磁浮运营示范线上德国高速磁悬浮列 车车载监控系统技术及其它关键技术的基础上进行得车载监控系统国产化及车 上关键的数字接口等方面的拓展性研究。 1 2 德国高速磁悬浮列车车辆介绍 上海磁浮运营示范线上采用的是德国t r 系列磁悬浮列车，t r 车辆是一个复 杂的系统，根据其结构和功能，它可以划分为下面八个子系统。3 ： 悬浮导向系统：保证车辆的悬浮磁铁、导向磁铁与轨道功能面之间保持一 定的间隙。这是车辆系统的关键功能，是磁悬浮列车区别于轮轨列车的关 键技术所在，通过悬浮导向系统与线路上的长定子及牵引供电系统共同作 用，实现列车沿轨道的无接触运行； 涡流制动系统：主要功能是在系统发生故障，难以正常运行和制动时，实 现列车的可控安全停车； 定位测速系统：用于对列车在线路上的位置、速度、牵引直线电机的相位 等参数进行测量； 车载控制系统：车载控制用于将车载运行控制系统发出的与安全相关的控 制命令分配到相应的列车部件，并把由列车中各车辆部件产生的关系到安 全性的监测信号经过一定处理后传送回车载运行控制系统； 车载供电系统：主要功能是为车上用电设备提供电力供应，如为车载控制 系统、悬浮导向系统、制动系统、照明、空调等设备提供安全可靠的电源； 车载诊断系统：主要实现列车在线故障诊断功能和列车上的部分与安全无 关的操作控制功能； 车体：包括车厢和车厢下部的夹层结构。车厢用来安装座椅、空调等设备， 提供运载乘客的内环境；夹层结构内安装有插拔式电气设备机箱、空压机、 控制和动力电缆等： 走行机构：这是整个车辆的支承部分，悬浮导向及安全制动系统的磁铁模 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 块、车体是通过走行机构进行连接的，它把悬浮力、导向力、制动力以及 牵引力传递到车体部分，同时在运行过程中要跟随轨道的变化。 1 3 磁悬浮列车上的电子电气部件及其数字接口 磁悬浮列车由众多的电子电气部件组成，每节车上大约有3 3 0 多个电子电 气部件，而且这些部件上大多都具有c a n 、r s 2 3 2 或r s 4 8 5 数字接口，部件之 间协调工作需要通过这些数字接口相互通信。掌握这些部件之间数字接口的通 讯协议对于部件的研制具有重要的意义。车辆上的电子电气部件及其数字接口 在每节车上的数量分布如表1 - 1 所示。 表1 1 每节车上的电子电气部件及其数字接口 电子部件所属系统数量( 一节车)接口 车载电网控制单元b n s 1c a n 接口 2 3 0 v 配电器v t 2 3 02c a n 接口 升压斩波器h s端车3 0 中车3 2c a n 接口 逆变器w r7c a n 接口 直直变换器d c d c 4 2 4 v - 配电器v t 2 4车载供电1 4 4 0 v 开关箱b v 4 4 0系统4 2 4 v 开关箱b v 2 4 4 2 3 0 v 开关箱b v 2 3 0 2 外部供电开关箱b v e e 2 受流器s a 4 受流器控制单元p s s a 2 2 4 v 蓄电池b 2 4 1 4 4 0 v 蓄电池b 4 4 0 8 制动磁铁控制单元m r e b涡流制动 8c a n 接口 系统 悬浮磁铁控制单元m r e t 悬浮导向3 2c a n 接口、r s 4 8 5 接口 导向磁铁控制单元m r e f 系统3 2c a n 接口、r s 4 8 5 接口 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 悬浮间隙测量单元t s m 6 4r s 4 8 5 接口 导向间隙测量单元f s m 6 4r s 4 8 5 接口 o r t p r 电子部件定位测速端车2 中车0c a n 接口、r s 2 3 2 接口 相对定位测量单元n u t 系统4r s 2 3 2 接口 绝对定位测量单元i n k 4r s 2 3 2 接口 车辆诊断计算机s d r 车载诊断 lc a n 接口、以太网接口 列车操作计算机f p r 系统端车1 中车0以太网接口、t t y 接口 列车诊断计算机f d r端车1 中车0以太网接口、t t y 接口 车载控制单元b s t车载控制 2c a n 接口 车载控制分配器v t b s t 系统1 空气弹簧控制单元l s t 1 6 车体水平控制单元n r 2 供气单元p v l 蓄电池通风机b l 1 8 通风机l u e端车1 5 中车1 7 门控单元t s 其它 4c a n 接口、r s 4 8 5 接口 空调控制单元k l m 2c a n 接口 车载安全计算机v s c端车1 中车0t t y 接口 无线电单元r a d i o仅端车1 中1 个 以太网接口 合计电子部件端车3 4 8 中车3 3 8 有c a n 接1 ：3 的电子部件 1 2 0 有r s 4 8 5 接口的电子部件 1 9 6 1 4 磁悬浮列车上的车载监控系统 磁悬浮列车上的电子电气部件工作状态是否正常、磁悬浮车辆的各个子系 统是否工作在正常模式下等这些问题都需要通过车载监控系统来判断，通过车 载监控系统可以实现车辆部件或子系统的状态监测、故障诊断、集中控制调节 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 等功能。当设备出现故障时，通过车载监控系统能够准确判断出故障的部位， 并报告出故障原因等有关信息。通过车载监控系统还可以随时知道列车的运行 状态，如当前速度、温度等。所以无论是传统的轮轨铁路，还是新型的高速磁 悬浮列车，都需要一套完善的列车车载监控系统来更好的服务于列车的安全和 高效运行。 在上海磁浮运营示范线的德国高速磁悬浮列车中，车载监控系统功能的实 现又分为两部分“1 ：安全相关的功能和非安全相关的功能，这两部分功能部件的 控制在功能上和物理结构上是完全独立的，是通过两套不同的系统来实现的。 其中与安全相关的控制及命令的产生，以及相关操作信号的传输都通过车载控 制系统来实现，并要求达到最高安全级别。同时在车载控制系统中也仅对安全 相关的状态信号进行监视。对于与安全无关的控制功能则通过车载诊断系统来 完成，通过车载诊断系统可以在线监测车辆上的设备和部件，进行故障诊断并 把诊断结果送至运行控制中心和维护中心。 1 5 本文的课题研究背景 经过上海磁浮运营示范线的试验运行，德国高速磁悬浮列车最高时速可达 5 0 0 k m h ，各方面都具有较为优越的性能。我国国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 高速磁浮交通技术重大专项就是主要以高速磁浮交通系统的国产化为目 的而开展的，对于高速磁浮交通系统中的车辆而言，目标即要研制一列性能至 少不劣于德国的高速磁悬浮列车。而在上海磁浮运营示范线的工程项目中，德 方并未转让技术，提供的技术资料主要是针对系统应用和系统维护的，极少涉 及到技术细节，其中很多的技术数据和图片等都是残缺不全的。这就需要在消 化吸收德国高速磁悬浮列车技术的基础上，主要依靠自主研发，通过现场试验 测试、分析研究、关键技术攻关等逐步实现国产化。国产化可借鉴德国高速磁 悬浮列车的优势，而对其不足之处加以改进。而在目前情况下还不能实现磁悬 浮列车电子电气部件的完全国产化，部分部件还需要从德国购买，因此要最终 实现整车的集成，需使国产的部件和系统与购买德国的部件和系统之间能够相 互通信协同工作，因此对车上的通信网络协议和数字接口规约进行分析非常必 要。本课题所作的关于车载控制系统和车载诊断系统的国产化研究以及关键数 字接口通信协议的研究就是基于以上前提和目标进行的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 6 本文研究的主要内容 本文是作者参加国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 高速磁浮交通技术重 大专项上海配套项目车载监控网络中接口规约侦析以及高速磁浮列车车载 诊断系统和车载控制系统国产化研究工作的部分成果总结。本文主要对磁悬浮 列车车载监控系统和车上的些关键数字接口进行深入的研究，可望为高速磁 浮列车车载控制、诊断系统及部分电子电气部件的国产化奠定基础，对磁浮列 车进行成功的分解与集成。论文重点对车载诊断系统做详细的分析和研究，对 车载控制系统做简单介绍和局部改进。对于车上的数字接口，重点对悬浮控制 系统中悬浮磁铁控制单元与间隙测量单元之间的r s 4 8 5 接口、车载诊断系统中 的c a n 网络接口进行了分析和研究，这两种数字接口比较重要且数量比较多。 概括起来，论文的主要研究内容包括： l 、介绍分析了德国高速磁悬浮列车车载诊断系统和车载控制系统。 2 、对车载诊断系统中的c a n 总线网络协议进行了分析和研究，制定了车载 诊断系统c a n 总线网络通信协议，研究了c a n 总线协议报文侦析的方法， 制定的协议通过实验进行了初步的侦析验证。 3 、分析和讨论了自主研制国产化的车载诊断系统所要解决的关键技术和 实施策略。初步提出了自主研制国产化的车载诊断系统的技术方案。对 系统的结构进行了改进，对系统中各主要组成部分的硬件设计、操作系 统选择、软件设计等进行了分析和讨论。 4 、对车载控制系统中的部分状态监视电路进行了合理的改进，并在文中通 过c p l d ( 大规模可编程逻辑器件) 和v e r i l o gh d l 硬件描述语言实现了 改进后的电路逻辑功能，通过仿真进行了功能验证。 5 、对悬浮控制系统中悬浮磁铁控制单元与间隙测量单元之间的r s 4 8 5 串行 接口进行了分析和研究，通过实验分析获得了悬浮间隙测量单元与悬浮 磁铁控制单元之间的r s 4 8 5 串行信号数据传输协议。 6 、采用基本的硬件和v i s u a lc + 十高级编程语言设计开发了一套简单的基 于c a n 总线的车载诊断地面模拟试验系统。 论文结论部分对本论文的工作进行了总结，并指出本文中的不足和需要完 善的地方，并对下一步需要做的工作进行了说明。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章德国高速磁悬浮列车车载监控系统 2 1 车载诊断系统 车载诊断系统主要用于对车辆电气与电子部件进行在线诊断，它采集车辆 上各部件的状态信号来判断各部件是否有功能故障。通过诊断系统还可以实现 些控制命令的输入操作和状态、诊断信息的显示，同时还可实现一些与安全 无关的控制功能。 2 ，1 1 系统功能 整个车载诊断系统实现如下功能： ( 1 ) 采集车辆各部件的状态信号，汇总后传输给运行控制系统； ( 2 ) 对车辆电气与电子部件进行在线诊断，如果部件出现故障则生成故障信 号，并将其传递到列车操作台和运行控制中心及维护中心。 ( 3 ) 将运行控制系统或列车操作台产生的与安全无关的控制信号传输到列车 上相应的部件。 ( 4 ) 通过键盘与显示模块实现控n 给定值的输入与诊断、状态信号的显示。 ( 5 ) 实现供气装置的压力控制，这通过检测供气回路压力并控制对气动装置 供电的逆变器的开关实现 2 1 ，2 系统结构 组成车载诊断系统的部件主要有车辆诊断计算机s d r 、列车渗断计算机 f d r 、列车操作计算机f p r ( 也可称作列车驾驶台计算机) 以及它们的显示模 块和键盘，还有一个两级的总线式诊断网络：车辆级诊断网络是一个c a n 总线 网，列车级诊断网络是一个1 0 m 的标准工业以太网，相关的网络部件包括信号 电缆和网络接口卡( 以太网卡、c a n 总线i o 卡) 等。 车载诊断系统的结构如图2 - i 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 - 1 车载诊断系统结构 在车载诊断系统中各车辆底层设备通过c a n 总线连接起来，每节车厢有4 组c a n 总线段，每节车厢上要诊断的部件分为4 组，分散的、平均的分别接在 4 段不同的c a n 总线段上，这主要出于可靠性的考虑，避免因为c a n 总线故 障而影响所有的部件诊断功能。每节车厢有一个车辆诊断计算机s d r ，一个车 辆诊断计算机上有4 个c a n 总线i o 卡，分别与这4 段c a n 总线相连。车辆 中的各功能部件通过部件内的信号采集装置采集部件中的状态信号，并将这些 信号通过c a n 总线传输给所在车辆的车辆诊断计算机。每节车厢中通过c a n 总线与车载诊断系统相连的车辆部件有：车载电网控制单元b n s 、车载控制单 元b s t 、升压斩波器h s 、制动磁铁控制单元m r e b 、悬浮磁铁控制单元m r e t 、 导向磁铁控制单元m r e f 、车门控制单元t s 、2 3 0 伏配电器v t 2 3 0 、逆变器 w r 、p r w 电子设备、空调控制单元k l r 、o r t 定位电子设备，每节车中各类 部件的数量见表l l 所示。 在端车1 和2 分别有一个列车诊断计算机和一个列车操作计算机以及它们 的显示模块和键盘，这两个列车诊断计算机和列车操作计算机以及各车厢里的 车辆诊断计算机之间通过一个1 0 m 的工业以太网相联接。 列车诊断计算机与列车操作计算机通过以太网与车载无线电设备连接，通 过无线电系统与分区运行控制系统、运行控制中心和维护中心交换数据；通过 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 t t y 串行接口与车载运行控制系统的车载安全计算机( v s c ) 相连，以便有关 操作命令传递到车载运行控制系统，同时运行控制中心和分区运行控制系统的 有关信息也可以传输到列车驾驶台的操作显示模块上。 整个车载诊断系统的列车诊断计算机及其显示模块与键盘、列车操作计算 机及其显示模块与键盘都具有冗余。两个端车的列车驾驶台的操作和显示功能 完全相同，其中一个驾驶台的部件发生故障不会影响另一驾驶台的功能。 车载诊断系统的功能实现大致如下过程：各车辆的功能部件通过部件内的 信号采集装置采集部件中的状态信号，并将这些信号通过c a n 总线传输给所在 车辆的车辆诊断计算机。采集到的状态信号在车辆诊断计算机通过与设定值的 比较来判断车辆部件是否出现故障，从而产生相应的故障信息。获得的诊断信 息再进一步通过以太网传输到列车诊断计算机，然后列车诊断计算机将这些信 息缓冲存储起来，这样维护中心或车辆上的维护和运行人员就可以获得这些诊 断信息。车辆诊断计算机作为c a n 总线主控制器控制各c a n 总线段，它循环 读取4 段c a n 总线段上各个c a n 节点的诊断信号并将诊断信号传送给列车珍 断计算机，同时也将来自列车操作计算机的控制信号传输给各c a n 节点。 在端车的驾驶台通过键盘和显示模块实现了人机接口，可以进行各种信息 的显示与操作。列车操作计算机可以传输和显示车辆部件的状态信号和车载运 行控制系统( b l f ) 的运行数据。通过列车操作计算机的键盘输入可以进行一 些控制操作。从车载运行控制系统或者从操作键盘传来的与列车安全无关的各 种操作命令通过列车操作计算机处理后传到列车诊断计算机，再通过车辆诊断 计算机传输到相应的被控设备；而与安全相关的控制信号则经过列车操作计算 机处理后传到车载安全计算机，再由车载安全计算机传到各车载控制单元，由 各车载控制单元完成对各底层部件的控制。 列车诊断计算机接收来自车辆诊断计算机的故障信号，并可监测失效的车 辆诊断计算机，同时还接收列车操作计算机与车载运行控制系统发来的诊断数 据，从列车诊断计算机可以显示、存储及读出故障信息，通过以太网将故障信 息传输到无线电系统，再传输到运行控制中心和维护中心。 列车操作计算机和列车诊断计算机可以互为冗余与无线电系统和车载安全 计算机交换数据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 21 3 信号流分析 1 、车辆部件与车辆诊断计算机之间的信号流分析 从车辆部件传到车辆诊断计算机的信号主要是部件的状态信号和诊断信 号，例如部件内部各部分的工作状态是否正常，各部分是否工作在要求的模式 下，部件测得的电流、电压、速度、位置等模拟量值。这些信号从部件产生后 通过c a n 总线传到车辆诊断计算机。各车辆部件通过c a n 总线传到车辆诊断 计算机s d r 的信号这里不再一一详述。从车辆诊断计算机传到各部件的信号主 要是一些与安全功能无关的控制信号这些控制信号主要有： 空调开启关闭待机、空调给定温度、空调左右挡板的开关信号 照明开启信号 前窗玻璃加热装置开启信号 车头红灯、白灯开启信号 逆变器的开关信号 2 、车载诊断系统上层部件间信息流分析 下面分别列出了列车诊断计算机、列车操作计算机、车载无线电设备、车 载安全计算机、车辆诊断计算机间信号的传递。 ( 1 ) 车载安全计算机到列车操作计算机的信息 列车最大给定速度、列车最小给定速度、行驶到下一停车点的距离、运行 方向已调整好、运控系统正常、允许运行、当前速度、允许降落、牵引接通、 有无牵引的立即停车、定位电子部件o r t 正常、车载无线电设备正常、来自于 车载运行控制系统的故障、强制停车( 手动b l d b l f 服务站) 、车载运行控制 系统工作正常、车内照明、制动正常、制动激活、时间日期、列车号码等。 ( 2 ) y # g 操作计算机到车载安全计算机的信息 悬浮降落命令、受流器伸出缩回命令、制动检验命令、车门开允许命令、 速度设定、运行方向设定、行车准备好、乘客紧急信号等。 f 3 ) y u 车诊断计算机到车载无线电设各的信息 诊断信息、来自于定位系统的速度信息等。 ( 4 1 车载无线电设备到列车诊断计算机的信息 诊断信息的应答信息等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 ( 5 ) 车载无线电设备到列车操作计算机的信息 空调开关待机、空调挡板y r - i 关、空调给定温度、 明开关、前窗玻璃加热开关等控制信息。 ( 6 ) y 0 车操作计算机到车载无线电设备的信息 空调开关，待机、空调挡板开关、空调实际温度、 明开关、前窗玻璃加热开关等状态信息。 车头红灯白灯开关、照 车头红灯白灯开关、照 ( 7 ) 车辆诊断计算机到列车诊断计算机的信息 渗断信息和每节车如下的状态信息：空调开，关待机、空调左右挡板开关、 空调给定温度、空调实际温度、上下车门开关、照明开关、乘务员呼叫激活、 车头红灯与白灯激活、前窗玻璃加热开关、供气系统供气达到开通压力关断压 力、火警装置激活、乘客紧急信息启动、受流器伸出缩回、来自于定位电子部 件的车辆定位、来自于m r e t 的速度信号、来自于所有定位电子部件的参考定 位、来自于定位电子部件的列车运行方向、来自于o r t 定位电子部件上的齿槽 信号、车载控制单元提供的用于列车诊断的信息、h s 提供的用于蓄电池状态显 示的电量参数等。 ( 8 ) 列车诊断计算机到车辆诊断计算机的信息 空调开，关待机、空调挡板开关、空调给定温度、车头红灯白灯开关、照 明开关、前窗玻璃加热开，关、阅读灯开关、诊断批准、气动控制开，关、行驶 方向、起浮、当前速度等控制信息。 ( 9 ) n 车诊断计算机到列车操作计算机的信息 空调开关待机、空调给定温度、空调实际温度、空调左右挡板开关、上： 下门开i 关、火警已激活、乘客紧急信号确认、照明开，关、乘务员呼叫信号确认、 车头红灯自灯开关、前窗玻璃加热开，关、受流器伸出关闭等状态信息。 ( 1o ) 列车操作计算机到列车渗断计算机的信息 空调开关待机、空调左右挡板开关、空调给定温度、车头红灯自灯开关、 照明开关、前窗玻璃加热开关等控制信息。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 车载控制系统 2 2 1 系统功能 车载控制系统的主要功能有两个：一个功能是将车载运行控制系统发出的 与安全相关的控制命令经一定的处理后分配到相应车辆部件，从而控制这些部 件实现其功能；另一个功能是把由车辆部件产生的与安全相关的监测信号进行 逻辑运算后送回车载运行控制系统。 这些与安全相关的部件及其功能包括： ( 1 ) 悬浮功能 向全部悬浮磁铁控制单元发送起浮和降落指令，并且可以接收和上传悬浮 磁铁控制单元的工作状态到车载安全计算机。 f 2 ) 导向功能 向全部导向磁铁控制单元发送导向启动和关闭导向的指令，并且可以接收 和上传导向磁铁控制单元的工作状态到车载安全计算机。 ( 3 ) 涡流制动功能 对涡流制动单元的制动电流进行8 级控制，并且可以接收和上传制动单元 是否失效和最大制动电流是否满足等涡流制动的状态信号到车载安全计算机。 ( 4 ) 供电功能 、对受流器的收放功能进行控制，对车载电网的上电与断电进行开关和逻辑 控制，并能接收和上传受流器与电网的状态信号到车载安全计算机。 ( 5 ) 车门控制功能 对左侧车门和右侧车门进行单独开关控制，并能接收和上传车门的状态信 号到车载安全计算机。 ( 6 ) 火灾报警处理功能 接收和上传车厢内部以及夹层结构的烟雾和火灾探测器的输出信号到车载 安全计算机，并由相应的电路传递车载安全计算机的处置命令，如关闭车厢隔 离门、关闭空调、切断有关电源等。 ( 7 ) 乘客紧急信号功能 接收和上传乘客紧急信号到车载安全计算机。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 2 2 系统结构 车载控制系统的硬件体系结构如图2 2 。 头车1 车载 控制 单元l 车载 控制 单元2 车载 控制 单元 车载 控制 单元 车载 控制 单元 车载 控制 单元： 车辆部件 ll车辆部件 酬制澜非槠川烈壁 图2 2 车载控制系统结构图 车载控制系统主要由车载控制单元b s t 和车载控制分配器v t b s t 组成。 每节车辆有两个车载控制单元b s t 和一个车载控制分配器v t b s t 。所有的控制 信号由车载运行控制系统1 ( b l f l ) 与车载运行控制系统2 ( b l f 2 ) 的安全计 算机以两倍冗余的方式发出，分别到两个车载控制单元中经过“或”逻辑运算 后以两倍冗余的方式传到车辆的各底层部件。这样保证了当一路控制信号出现 故障时该控制信号仍然能够执行。所有的监测信号也是以两倍冗余的方式分别 传输到两个车载控制单元，在车载控制单元中经过逻辑运算后传输到车载运行 控制系统1 。相邻车相应车载控制单元之间以级连的方式连接，只有两个端车中 的车载控制单元直接与车载运行控制系统的车载安全计算机相连，每节中间 车的车载控制单元一方面监控本节车各种与安全相关的部件，同时接收与传递 来自相邻车辆车载控制单元的监控信号。 车载控制单元的控制与监测信号通过车载控制分配器( v t b s t ) 进行分配。 每节车辆的两个车载控制单元共用一个车载控制分配器，这样可以减少车载控 制单元的接线板数量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 3 各节车车载控制系统之间的信号流程 车载控制系统的控制命令信号和状态信号在各节车之间传输的信号流程分 别如图2 3 和图2 - 4 所示。其中v s c 表示车载安全计算机，b s t i ( m i ) 表示第i 节中车的车载控制单元1 ，e 1 表示端车1 ，e 2 表示端车2 。 喜蜜一蜜一喜 nn 一 图2 - 3 车载控制系统的控制命令信号流程 控制命令信号分别从两个端车的车载安全计算机两倍冗余发出，以两路信 号传向端车的车载控制单元，再经过中间各节车的车载控制单元逐次传递，直 至最后到达相应车辆的被控部件。 n 一 图2 4 车载控制系统的状态信号流程 状态信号从某节车辆的部件传出后先到本节车的车载控制单元，再传到相 邻的下一节车的车载控制单元，直到最终都传向车载安全计算机1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 2 4 车载控制系统的输入输出信号及其逻辑关系 车载控制系统监控的对象包括悬浮导向制动磁铁控制单元、车载电网控制 单元、门控装置、乘客紧急装置、火警装置、悬浮架悬浮导向监测装置等。传 递到车载控制系统的控制命令信号和状态信号在车载控制单元b s t 中是通过其 内部安装的1 6 块带有一定逻辑电路的板卡来实现这些信号的逻辑运算和信号处 理功能的。车载控制系统的输入输出信号及其内部逻辑关系如图2 5 所示。 j ， 十 2 ； l il | l i0 ： l 0 ! - l ： i l ： j ： - - ei l6豳e 丑司国e蜀0 尚 睁a5 丽 b凹_ i 1 十垭 叫 【 ，西 l划 7 】。 f 1 l m p j l 兰二回一_ | 匕呵一 _ _ 一 厂= ，回 r l 巳 乜 1 l 也 lt 口 口 乎 r怛 j i 一 ，1 旺口 ， 匪口 崔1 r 习 蜀 刍 习。习b 司 晖。e 争啄 b * - ： 卟 ； ： ： n n 图2 - 5 车载控制系统的输入输出信号及其内部逻辑关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章车载诊断系统c a n 总线协议研究 3 1 车载诊断系统中的c a n 总线协议 3 1 1 研究车载诊断系统c a n 总线协议的意义 车辆上各部件和车载诊断系统之间通过c a n 总线通信，只有获得它们之问 的c a n 总线通信协议才可以为研制车载诊断系统和与车载诊断系统相连的车 辆部件提供一个统一的通信平台和标准。因此分析清楚c a n 总线接口协议是实 现车辆上诊断系统和各电子电气部件国产化的前提，也是最终实现系统集成的 前提。 本章将对车载诊断系统c a n 总线协议进行研究，也为下章讨论车载诊断系 统的研制方案奠定基础。 3 1 ，2 c a n 总线技术规范和国际标准 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 是一种有效支持分布式控制或实时控制的串 行通信网络，它只采用了i s o o s i 七层参考模型中的两层：物理层和数据链路 层，它的最高速率可达1 m b p s ( 4 0 m ) 。c a n 可以多主方式工作，网络上任意一个 节点均可以在任意时刻主动地向网上其他节点发送信息，而不分主从，通讯方 式灵活，可以点对点、一点对多点及全局广播几种方式发送和接收数据。“”1 。 1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制定并发布了c a n 技术规范( c a n s p e c i f i c a t i o nv e r