（车辆工程专业论文）受电弓滑板磨耗检测系统的上位机软件设计及其误差处理.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第t 页 捅要 高速机车是通过受电弓从接触网上取得电能的，受电弓与接触导线的稳定接触是 列车良好受流的重要条件。然而，随着列车速度的提高，弓网间接触力会发生变化， 系统会产生自激振动，振动幅度过大会造成受电弓滑板与接触网导线分离，出现离线 现象。离线对电力机车牵引供电是非常有害的，不仅会引起机车受流不良，造成机车 运行不稳定，加速接触网和受电弓滑板的磨耗。所以了解受电弓滑板表面的磨耗情况 对电力机车正常受流是非常有必要的，以便对受电弓进行及时的维修及更换。本系统 在综合了目i j 行业中已有受电弓磨耗检测方法的基础上，利用超声波传感器信息处理 简单、价格低廉、硬件容易实现、测距准确等优点，设计了一种以超声波传感器作为 检测元件的新型的受电弓磨耗检测系统。本文的主要工作是设计出该检测系统的上位 机软件并对检测到的数据进行误差分析。 上位机用a c c e s s 数据库保存数据和以v c + + 6 0 作为编译环境编写人机界面，基 于m f c 技术，采用面向对象的方法。根据超声波传感器检测受电弓滑板磨耗系统的 特点将上位机界面分为滑板图形显示和滑板磨耗曲线图的显示、数据库的显示、图形 变换按键显示、串口状态显示、车速显示等不同的功能模块。通过m s c o m m 串口程 序读取下位机测距情况，对检测到的数据进行误差的评估和处理并将其保存在界面的 数据表单中。在o p e n g l 窗口中根据保存的数据绘制受电弓的磨耗曲线图并且进行图 像处理。通过实验可知上位机软件具备了在线、多点、分时检测，人机界面友好。 关键词：受电弓滑板；磨耗检测；v c 郴0 ；数据库；误差分析：o p e n g l 图像变换 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 h i g h s p e e dl o c o m o t i v eg e t e l e c t r i cp o w e rf r o mp o w e r s u p p l yw e bt h r o u g hp a n t o g r a p h , a n ds t a b l ec o n t a c tb e t w e e ns l i d ea n dw i r ei sa ni m p o r t a n tc o n d i t i o nf o re l e c t r i cl o c o m o t i v e c o l l e c t i n ge n e r g y h o w e v e r ，w i t ht h ee n h a n c e m e n to ft r a i n ss p e e d ，c o n t a c tf o r c eb e t w e e n s l i d ea n dw i r ew i l lc h a n g et om a k et h es y s t e mp r o d u c es u r g ev i b r a t i o nb yo n e s e l ft h a tc a r t l e a dt os l i d ea n dw i r ea p a r tb e c a u s eo fh i g hv i b r a t i o na m p l i t u d e o f f l i n ef o rl o c o m o t i v e t r a c t i o np o w e rs u p p l yi sv e r yh a r m f u l ，t h i sc a n c a u s ea d v e r s eo fl o c o m o t i v eg e t t i n ge l e c t r i c p o w e r , l e a d i n gt oi n s t a b i l i t yo fl o c o m o t i v er u n n i n ga n da c c e l e r a t i n ga b r a s i o nb e t w e e ns l i d e a n dw i r e s ou n d e r s t a n d i n gt h es u r f a c eo fp a n t o g r a p hs p l i d ep l a t ea b r a s i o ni sn e c e s s a r yf o r t h ee l e c t r i cl o c o m o t i v ei no r d e rt om a i n t e n a n c ea n dr e p l a c e m e n tt i m e l y t h i ss y s t e mb a s e d o nm e t h o d s 、析t 1 1e x i s t i n ga b r a s i o nd e t e c t i o nd e s i g n san e wd e t e c t i o ns y s t e mo fp a n t o g r a p h s l i d ep l a t e sa b r a s i o nb yu t i l i z i n gu l t r a s o n i cs e n s o r sa sd e t e c t i n ge l e m e n t s ，f o ri ti ss i m p l ef o r p r o c e s s i n gi n f o r m a t i o n , l o wc o s t , e a s yt or e a l i z eh a r d w a r ea n da c c u r a t eo ft h em e a s u r e m e n t s u p p e r - c o m p u t e rs o f t w a r eu s e da c c e s sd a t a b a s et os t o r et h ed a t a , p r o v i d e dv c + + 6 0 w i t h p r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n tt ow r i t eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n d e m p l o y e d o b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d s ，w h i c hb a s e do nm f ct e c h n i q u e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro f u l t r a s o n i cs e n s o rd e t e c t i o ns y s t e mf o r t h ea b r a s i o no fp a n t o g r a p hs p l i d ep l a t e ，p ci n t e r f a c e a r ed i v i d e di n t od i f f e r e n tm o d u l e ss u c ha sp a n t o g r a p hs p l i d ep l a t eg r a p h i cd i s p l a ya n d a b r a s i o ng r a p h i c a ld i s p l a y sf o rp a n t o g r a p hs p l i d ep l a t e ，t h es h o wf o rd a t a b a s e ，t h es h o wf o r t h eb u t t o n so fi m a g et r a n s f o r m a t i o n , t h es h o wf o rt h ec o n d i t i o no ft h es e r i a lp o r ta n d v e h i c 1 e 鬈! 趔d e t e c t o rd a t a st h a tg e tt h r o u g hm s c o m ms e r i a lp r o g r a mw i l lb ee v a l u a t e d , p r o c e s s e da n ds t o r e di nt h ed a t a b a s e t h ea b r a s i o ng r a p ho fp a n t o g r a p hs p l i d ep l a t ew i l lb e d r a w e da c c o r d i n gt ot h ed a t a st h a tk e p ti n t od a t a b a s ea n dt r a n s f o r m e du n d e rt h eo p e n g l w i n d o w t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h ep cs o f t w a r ea c h i e v e do n l i n e ，m u l t i p o i n ta n d t i m e s h a r i n gd e t e c t i o n , f r i e n d l yi n t e r f a c e k e yw o r d s ：p a n t o g r a p hs l i d ep l a t e ；a b r a s i o nm e a s u r e m e n t ；v c + + 6 o ；d a t a b a s e ；e r r o ra n a l y s i s ； o p e n g li m a g et r a n s f o r m a t i o n 西南交通大学 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论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密刮使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“妒) 学位论文作者签名：、爱反雳 指导老师签名： 日期：。叫，工翻 训侈泓 日期：砂【o s 3 1 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 在v c + + 6 0 的编译环境下编写用户操作窗口同时连接o d b c 数据源到当前 的项目中，为当前项目连接数据库资源，并进行o d b c 数据库的编程。 ( 2 ) 对下位机检测到的数据进行误差处理和插值计算，并在操作界面上对处理后 的数据进行保存和显示。 ( 3 ) 用o p e n g l 对保存的数据绘制磨耗曲线图和受电弓滑板图形。 ( 4 ) 对绘制好的磨耗曲线图进行图像变换。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：喷硪苈 日期：咖归；7 至室茎塑奎兰堡圭丝圣兰兰堡耋三薹! 至 11 研究的背景和实际意义 第一章绪论 受电弓是动车组从接触网的接触导线上受取电流的一种受流装置。它通过绝缘子 安装在动车组的车顶上，当受电弓升起时，其滑板与接触网导线直接接触，从接触网 导线上受取电流，通过车顶母线传送到动车组内部，供动车组使用。受电弓靠滑动接 触受流，足动车组与固定供电装置之间的链接环节，其性能的优劣直接影响到动车组 工作的可靠性。受电弓可分单臂弓和双臂弓两种，均由滑板、上框架、下臂杆( 双臂 弓用下框架) 、底架、升弓弹簧、传动气缸、支持绝缘于等部件组成i ”。近年来多采用 单臂弓如图1 一l 所示。 霄 十嚣砖茑 ：靖柱2 史粲3 寻栅叶tl 椎皇；铨芒1 6 下瞥轩7 赢g ks 程一 k9 传“、托 u2 塞1 1 睁；尊莹 2 连c 譬# 1 3 滑j 1 4 t 扦! j 支持8 矗子 u 士? 曾黄1 7 压苯 1 s ：卜： 圉1 一】单臂受电弓结构图 受电弓特定的工作状态要求它在与导线作高速接触摩擦运动中向机车发动机传输 大电流的电能，这就直接影响电力机车的j 下常工作和安全运行。随着列车速度的不断 提高和电气化铁路不断向高速、高密度和重载方向发展，受流电流和离线率不断增加， 受电弓外部特征出现问题后，受电弓滑板的磨耗也随之大幅增加，容易造成卡网或拉 网，从而导致严重事故并带来巨大的交通和经济损失。中国铁路第六次大提速的线路 绝大多数为既有线改造电气化线路，滑板的磨耗直接与提速列车运行速度相关，在提 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 速线路中占有1 分重要的地位。为保证滑板具有良好的安全状态及弓网间的良好受流 性能，对受电弓滑板进行检测并随时掌握滑板的磨耗状态是一项非常重要的 _ = 作。随 着对铁路的运输安全提出越来越高的要求滑板磨耗是受电弓的重要检查项目，闲而 对其进行捡测具有重要的意义，而滑板中部往往磨耗得比较严重，如图1 2 13 所示。 器量簿蓊。- _ 憋 豢霖蒸赢函麓罾簸 陶1 - 2 滑板中部磨耗严重 i2 国内外研究的现状 12 1 传统的目测方法 图i 3 滑板中部艘击碎 目前铁路运营部门对受电弓滑扳磨耗的检测技术主要采用较为原始的测量方法一 一人工登顶测量法如图1 4 所示。为了保障f 4 车行车安全，在机车驶入机务段，停 车降弓，断电，检修工人登到车顶上用游标 尺或卷尺等测量磨耗，观察有无异常 磨耗等。实践证明，这样对防止“病弓”出库，对受电弓进行状态维修，防止和减少 “弓网”故障起到了积极的作用。但这种方法效率低、精度低、准确性差。 幽1 4 传统的人工等车顶检修法 要霍至耋銮耋至圭至耋兰耋堡丝耋兰：圣 12 2 受电弓状态自动检测装置 电力机车入库受电弓状态自动检测装置，是一种受电弓在线自动化综合检测装置。 检铡内容：自动检测受电弓滑板状态。它安装在电力机车入库线旁，当机车入库时t 在接触网不断电、机车升弓状态下，停留5 分钟左右便可自动检测受电弓的主要技 术参数，分析、存储受电弓及车顶设备状忐的图像，为受电弓及车顶设各及时检修提 供科学、及时、准确、定量和全自动检测手段，对提高受电弓和接触网运用质量、改 善弓网关系和保证行车安全具有重要意义。装置采用了两个主要检测模式：机械接触 式精密检测和_ | = 接触式图像分析快速检铡。 2 3 在线式定点检测系统 同本的“j r 东同本铁路公司”开发了受电弓滑板磨损自动测量装簧该公司采用高 架的超声波传感器发送超声波，通过空气传输并送到被测物上，然后超声波反射返回 到传感器上。根据超声波的传输时可j 当时的波速，经计算后获得滑板厚度口j 。另外， 谆装置还能检测滑板表面的凹凸和沟槽”】。系统主要由超声波传感器。照明灯，监控 像机触发丌关组成。图1 5 为j r 东日本公司受电弓滑扳磨损检测装置系统组成图， 接触网正上方三排白色孔板即为超声波传感器。 阿1 5 受电弓滑扳磨耗检测装置组成 2 4 基于图像处理技术的检测系统 j r 两闩本铁路公司丌发的受电弓自动监视装臣采用定点设置的6 台c c d 摄像机 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 对电力机车的受电弓滑板进行非接触式的在线检测，是通过对图像的拍摄和分析来检 查滑扳的磨耗情况的。其中左右分布的4 台黑白摄像机是用来做图像处理的，中间的 2 台c c d 为彩色摄像机用柬对受电弓进行监测，通常用于异常观测。如图1 6 所不为 图像获取部分6 台c c d 个摄像机和闪光灯的安装示意罔。通过对拍摄到的图像进行 处理u j 以自动榆啬出缺口、阶梯状磨、受电弓的变形、弓头打痕、以及翘曲等异常现 象。可以将拍摄的照片存储的在电脑罩，通过图像的变换观察而面检查出受电弓滑板 的异常问题。同时系统还可以显示受电弓整体( 彩色) 和滑板( 黑白) 的图像并 提供检测结果的查询、统汁、综合分析、打印、故障预警及罔维共享管理。这中 装置能根掘周围照明度及滑板的种类，调节照明度和摄像机的光圈，并通过分析受电 弓各个部分的特征，找出各部分最合适的图像处理方法，咀实现完全的自动化| 4 】。 图i 每周像获取部分6 台c c d 摄像机和闪光灯的安装示意蚓 其他的还有三角测量法，定点检测法，牟载光纤检测都能实现机车的在线监测 这些检颡4 技术虽然比较成熟，但检测效率不高，系统组成比较复杂，后期处理麻烦 受环境影响比较大，目前在实际运用中都比较少。 1 3 本文采用的测量方法 超声钡4 距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法， 它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、 有毒等恶劣的珂= 境下有一定的适应能力。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较 漫，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来具有很高的分辨 力，因而其准确度也较其它方法高。而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号 处理可靠等特点。 d s p 芯片是3 2 位并行处理的，集图像采集、存储、处理为一体的专用图形处理 芯片。与计算机图像系统的结合使得整个检测过程完全自动化，并具有高精度、现场 测量、实时显示、便于操作等许多优点【i o 】。本文基f - d s p 处理嚣t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 控 制超声波探测传感器芨送超声波束测量受电弓表面磨损情况。工作时，超卢波发生器 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 不断地发出一系列连续的脉冲，并给d s p 芯片提供一个短脉冲。超声波接收器则在接 收到受电弓滑板表面反射回来的反射波后，也向d s p 提供一个短脉冲。最后由d s p 装置对接受信号依据时间差进行处理，自动计算出该超声波传感器离滑板表面之间的 距离。该种方法具有测距原理简单，成本低，制作方便，易于实时控制，并且在精度 方面也能达到工业实用的要求等特点。而且超声波传感器的体积比较小，这样就可以 在受电弓滑板的上方排列成阵列进行多点在线测量，这样就可以比较精确的测到受电 弓表面上更多点的磨耗情况。 1 4 本文的工作内容 本文主要是对受电弓磨耗检测系统的上位机软件进行设计，并对该系统的误差进 行分析处理。 上位机软件设计主要包括： ( 1 ) 在v c + + 6 o 的编译环境下编写用户操作窗口同时连接o d b c 数据源到当前 的项目中，为当前项目连接数据库资源，并进行o d b c 数据库的编程。 ( 2 ) 对检测数据进行误差处理和插值计算，并在操作界面上对处理后的数据进行 保存和显示。 ( 3 ) 用o p e n g l 对保存的数据绘制磨耗曲线图和受电弓滑板图形。 ( 4 ) 对绘制好的磨耗曲线图进行图像变换。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 1 超声波的特性 第二章超声波测距的设计 波是日常生活中比较常见的现象，声波就是其中的一种。根据频率的大小，声波分 为三种：( 1 ) 次声波：其频率小于1 6 赫兹，是人耳听不到的声波，对人体有强烈的伤害 作用：( 2 ) 声波：其频率在1 6 2 0 0 0 0 赫兹之间，为人耳能听到的声音；( 3 ) 超声波：其 频率大于2 0 0 0 0 赫兹以上，是人类耳听不到的声频率的振动。超声波方向性好，穿透能 力强，易于获得较集中的能量( 在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率 成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大) 传播距离 远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。超声波的这些典型的应用和 它自身的特点是分不开的，它有如下的特点： ( 1 ) 束射特性 由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦， 而且。遵守几何光学上的定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射 角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射，也就是要改变它 的传插方向，两种物质的密度差别愈大，则折射也愈大。 ( 2 ) 吸收特性 声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会渐进减弱，这是因为物质 要吸收掉它的能量。对于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。对于一个频率一定的 声波，在气体中传播时吸收最历害，在液体中传播时吸收比较弱，在固体中传播时吸收 最小。 ( 3 ) 超声波的能量传递特性 超声波所以往各个工业部门中有广泛的应用，主要之点还在于比声波具有强大得多 的功率。为什么有强大的功率呢? 因为当声波到达某一物资中时，由于声波的作用使物 质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率一样，分子振动的频率决定了分子振动 的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分子的质量有关外， 是由分子的振动速度的平方决定的，所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得 到更高的能量、超声波的频率比声波可以高很多，所以它可以使物资分子获得很大的能 量；换句话说，超声波本身可以供给物质足够大的功率。 ( 4 ) 超声波的声压特性 当声波通入某物体时，由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，将使物质 所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 曼曼曼曼曼曼皇蔓曼曼曼曼i i i i 一_ i ii i_ i 曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇皇皇曼量曼鼍! 曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼曼! ! 曼 由于超声波所具有的能量很大，就有可能使物质分子产生显著的声压作用例如当水 中通过一般强度的超声波时，产生的附加压力可以达到好几个大气压力。液体中存起着 如此巨大的声压作用，就会引起值得注意的现象。当超声波振动使液体分子压缩时，好 象分子受到来自四面八方的压力；当超声波振动使液体分子稀疏时，好象受到向外散开 的拉力。对于液体，它们比较受得住附加压力的作用，所以在受到压缩力的时候不大会 产生反常情形。但是在拉力的作用下，液体就会支持不了，在拉力集中的地方，液体就 会断裂开来，这种断裂作用特别容易发生在液体中存在杂质或气泡的地方，因为这些地 方液体的强度特别低，也就特别经受不起几倍于大气压力的拉力作用。由于发生断裂的 结果，液体中会产生许多气泡状的小空腔，这种空泡存在的时间很短，一瞬时就会闭合 起来。空腔闭合的时候会产生很大的瞬时压力，一般可以达到几千甚至几万个大气压力。 液体在这种强大的瞬时压力作用下，温度会骤然增高。断裂作用所引起的巨大瞬时压力， 可以使浮悬在液体中的固体表面受到急剧破坏。我们常称之为空化现象。 为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置 就是超声波传感器，称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器， 但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效 应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波； 而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 2 2 超声波测距的原理 超声波测距是一种非接触式的在线检测的方法。与其它方法相比，如电磁、光学或 激光的测量方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、 烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下也有一定的适应能力，因此这种测距方法特备适 合恶劣环境下的测距。特别是应用于空气测距，由于空气中声波传播的速度比较慢，其 回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易被检测出来，具有很高的分辨力，因 而其测量精度也比其它方法高；而且超声波传感器具有体积小、结构简单、信号处理可 靠等特点。 超声波发射器向待测对象发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气 中传播，传播的速度已知，直到碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就 立即停止计时，根据发射和接收的时间之间的时间差就可以计算出发射点距障碍物的距 离( l ) ，即： l = c d 2 其中l 为超声波传感器与被测障碍物之间的距离，c 为声波在介质中的传输速度， 为测量距离传播的时间差。空气中声波传播速度为c = c o g l + t 2 7 3m s ，t 为绝对温 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 曼量舅曼曼曼曼曼曼曼i _mli ii ! _ 皇曼皇曼曼曼曼曼皇曼 度，c o = 3 3 1 4m s 。 2 3 超声波传感器测量受电弓滑板磨耗 2 3 1 超声波测距的硬件设计 u b 5 0 0 3 0 g m h 3 型系列超声波测距模块的硬件结构如图2 1 所示： p 圜蛔 图2 - 1 硬件结构框图 硬件系统的工作过程为当电力机车受电弓驶过两个处于常开状态的 r l 2 8 8 h 1 5 0 0 l a s 型光电传感器时，当经过第一个光电传感器正下方时定时器t 3 清 零，经过第一个光电传感器时定时器t 3 开始计时，直到到达第二个光电传感器的时候定 时器t 3 关闭，此时，下位机接收到两个回波信号，由于这两个光电传感器之间的安装距 离一定，就可以根据这两个信号之间的时间差计算出机车经过检测装置时的速度。当受 电弓滑板经过某超声波传感器的下方时，下位机d s p 系统就触发该传感器并且处理回波 信号。本装置总共用了3 0 个交错分布的传感器，分别测得受电弓滑板上3 0 个不同点的 磨耗值。当机车受电弓离开检测装置后，所有的传感器工作完毕，下位机就将采集到得 数据通过r s 2 3 2 串口传送给上位机。 2 3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 芯片简介 本系统采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 芯片来实现对r l 2 8 8 h 1 5 0 0 l a s 型光电传 感器和u b 5 0 0 3 0 g m h 3 型超声波传感器的控制。由于系统中用了比较多的传感器( 2 个光电传感器、3 0 个超声波传感器) ，不可能对每个传感器都用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的一 个引脚来控制，因此电路中用c d 4 5 1 4 译码芯片来选通各个传感器。i o p e l i o p e 4 引脚 形成一个组合值控制超声波的发送，利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的外设中断引脚来接收传感 器返回脉冲信号，此时计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 到传感器与障碍物之间的距离。电路如图2 - 2 所示。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 图2 - 2 传感器触发电路 2 3 3 系统软件的设计 超声波测距系统程序流程图如图2 3 所示。 图2 3 超卢波测距程序流程图 工作时，先设置1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的i o p e l i o p e 4 引脚，使其中的一个组合被选通 用来启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器，开始计时。由于所采用的超 声波传感器是集收发于一体的，而且假定在测量单弓时超声波连续发送两个脉冲，这是 为了防止其中有一个发送脉冲没有打到受电弓滑板上的情况发生，所以在发送完2 个脉 冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检 测返回信号必须在启动发射信号后2 4 m s 才可以检测，这样就可以抑制信号之间的干扰。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 当发送的超声波信号碰到受电弓滑板的表面后信号立即返回，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 不停的 扫描外设中断引脚，如果外设中断的引脚接收到信号由高电平变为低电平，此时表明信 号已经返回t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 进入中断关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算就可 以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。 2 3 4 实验数据的处理 超声波测距系统的数据受当时环境的影响： ( 1 ) 空气温度的影响 声波在空气中的传播时间受当场环境温度的影响程度为0 1 7 k 。也就是说4 0 。c 时 的声速相对于2 0 时改变了+ 3 4 ，因此测量距离也会改变约+ 3 铴。但如果选用的超 声波传感器中有温度补偿功能，可以将由温度引起的误差降低到最小。 ( 2 ) 空气湿度的影响 从干燥的空气到饱和湿度的空气中，声速最多增加2 。因此测量距离改变最大也 只有2 。实际现场中，空气湿度变化不会如此大，此影响一般小于1 。 ( 3 ) 空气压力的影响 在一固定地点，正常情况下的气压波动为士5 ，会造成声速波动约士o 6 。 ( 4 ) 气流的影响 当风速大于5 0 k m h 时，声波速度及方向的改变会大于3 。在现场使用中，只有靠 近被测物表面的几厘米的气流有可能大于2 0 k m h ，且垂直于测量方向，故对测量结果的 影响可忽略。 ( 5 ) 油雾的影响 只要防止油雾沉降在超声换能器的有效表面上，就可避免它的影响。 由于受环境温度、湿度、气压和油雾的影响，超声传感器的测量值与实际值总会有一 些偏差。 2 4 本章小结 利用超声波传感器进行受电弓滑板磨耗的检测，其中主要的就是要保证系统在实际 应用中能满足当场温度、恶劣环境的变化，电路设计上一定要满足电路工作的可行性、 可靠性、稳定性。经过实验与数据分析，我们认为用r l 2 8 8 h 1 5 0 0 l a s 型光电传感器 和6 u b 5 0 0 3 0 g m h 3 型超声波传感器进行受电弓滑板的磨耗测量简单、经济、可靠，测 得数据的误差比较小，能满足系统对测量误差0 5 m m 的精度要求，同时能满足铁路系统 的对受电弓滑板磨耗检测的精度要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第三章受电弓滑板磨耗检测系统的用户操作界面及 o d b c 数据库 3 1 受电弓滑板磨耗检测系统的用户操作界面 3 1 1v c + + 编译器 用户操作界面也就是通常所说的上位机，上位机是一个相对的概念，是相对于下 位机来定义的，是人可以直接发出操控命令的计算机，一般是p c ，其屏幕上显示各种 信号变化( 液压、水位、温度等) 。上位机进行直接对话的对象是人，从概念上来说控 制者和提供服务者是上位机，被控制者和被服务者是下位机，它类似于主机和从机的 关系。下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是p l c 单片机之类的。上 位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相 应的控制设备。下位机不时读取设备状态数据( 一般模拟量) ，转化成数字信号反馈给 上位机。上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。像触摸屏和p l c 构成的工控 系统中，触摸屏是上位机，p l c 是下位机。 一个优秀的系统离不开友好的人机界面，它体现了机电一体化系统的功能特性， 使用户很容易地对系统进行操作和控制【l4 1 。因此，人机界面十分重要，友好的人机界 面要求能真实再现控制设备的状态以及准确的采集所需参数的数据。下位机通过通信 装置处理数据后通过串口通信把数据传送给上位机，上位机对数据进行温度补偿、保 存、显示、图形成像以及人机对话。人机界面有很好的灵活性，可以根据用户的习惯 设置不同的人机界面。每次测到的滑板的磨耗数据都可以放在数据库里，可以根据车 次和测距时间进行查看。由于各种系统实现的功能多种多样，其编制方法也多种多样， 本文基于v i s u a lc + + 的编译环境控制系统人机界面的制作。 要制作一个界面首先要选择一个实现的平台：一个相应的编译器。选择这个特定 的平台需要两个重要的条件：( 1 ) 是否支持你所使用的语言；( 2 ) 平台特性( w i n d o w s 下p l a t f o r ms d k 为我们提供了一切) 。在w i n d o w s 平台下，可以用c + + 来编程，c + + 就是典型的面向对象的编程语言。v i s u a lc + + 就是w i n d o w s 环境下最主要的应用开发 系统之一，它不仅是c + + 语言的集成开发环境，还与w i n 3 2 紧密相连，因此，v i s u a lc + + 可以完成各种应用程序开发，从底层的软件到顶层面向用户的软件1 1 。w i n d o w s 为 我们提供了一系列丰富的a p i 函数。利用a p i 函数编程时，一个最简单的w i n d o w s 窗口程序都需要几十行代码，这就使编程工作变得很复杂，而且大量的代码都需要用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 户自己编写，编程工作量很大。微软提供了m f c 类库，所谓类库就是提供了对 w i n d o w s a p i 的种封装，类库的出现就是为了解决上述的问题，w i n d o w s 类库 主要是对w i n d o w s 下的a p i 函数进行封装，来达到这样的目的：1 ) 简化我们编程 过程中的重复的简单工作( 只创建窗口、建立消息环这样的单调工作) ；2 ) 使我们的 工作更符合面向对象的风格。如一个m f c 中的窗口： c w n dm y w i n d o w ； m y w i n d o w c r e a t e ( ) ； 这里省略了参数 我们只需要创建一个窗口对象，通过对象的c r e a t e 方法来创建窗口就可以了，就 不用再去创建框架。m f c 是对w i n d o w sa p i 的一种封装，是微软为了简化程序员 的开发工作所开发的一套c + + 类的集合，是一套面向对象的函数库，以类的方式提供 给用户使用。它可以辅助生成源代码的向导工具，可以帮助自动生成基于m f c 框架 的源代码。该向导的每一个步骤中，我们都可以根据要求来选择各种特性，从而实现 定制应用程序。m f c a p p w i z a r d 创建应用程序可以是单文档，多文档，也可以是基于 对话框的。单文档就是一个窗口只能处理一个文档，多文档就是同时可以处理多个， 共享工具栏，菜单栏什么的，对话框就是一个提示用户进行选择或者确认的窗体。对 话框模板适合于做交互界面，单文档模板适合于做文件处理，多文档模板适合于做多 文件处理。本文采用的是基于对话框的应用程序。 3 1 2 生成受电弓滑板磨耗检测系统的人机界面 兰剖e tc l a s s e s 享_ c a b o u t d i g 澎叩c c o l o r b u f l o n 萋叩c c o n n e c t d b 瑟- ，c e t a d d 囊叫c e t d l g l 蔫叩c m s c o m m 融叩c m y b u t t o n 簦即c o d b c s e t 亭叩c o p e n g l 孽吁c o p e n g l d l g 重”c p a g e l 匿 c p a g e 2 薹叩c p r o p s h e e t 匿”c s p l a s h w n d 笺叩c t a b c t r l e x 麓口g l o b a l s c l a s sc e l l c o n s t r t p u b l i c ： v o i d ! b 0 0 1t u n s l g l v o i di i n ti i b 0 0 1 b 0 0 1l i n td i b o o lf c o l e d i i n ti l i n tf 】 c o l o r i c b r u s l v o i d ! i n tr i 图3 - i 与控件关联的所有类 在基于v c + + 的受电弓滑板磨耗监测系统的上位机中，充分运用了m f c 类库，面 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 i 一一i i i i i -_ 曼曼曼 向对象的方法。对v c + + 中的每一个标准控件在系统中都有与其对应的类，如图3 1 所示。这样v c + + 程序中各控件的事件触发就转化为对相应系统类的方法调用【l4 1 。整 个上位机界面包括受电弓单、双滑板磨耗图的主画面、实时数据查看画面、数据库的 显示区、串口通信状态的显示、温度、双弓间距、车速等数据的显示以及图像进行变 化的按键的布置等功能。 1 受电弓滑板磨耗图的显示 o p e n g l 是由s g i 公司开发的，是一种硬件图形的软件接口，它包含了1 2 0 多个 图形函数，可以利用这些函数以及上千万种色彩的调色板进行三维交互图形软件的开 发，可独立于操作系统和硬件环境的三维图形库，作为一种三维工具软件包在交互式 三维图形建模能力和编程方面具有无可比拟的优越性，由于其强大的图形功能和跨平 台的能力，己成为事实上的标准。它具有建模、变换、色彩处理、光线处理、纹理影 射、图像处理、动画及物体运动模糊等功能。由于o p e n g l 独立于任何窗口系统和操 作系统，而且包含了许多图形函数，因此需要借助一个“窗口系统来完成o p e n g l 的三维图形的制作【1 5 1 。由于微软在w i n d o w s 中包含了o p e n g l ，所以o p e n g l 可以与 v i s u a lc + + 紧密结合，因此可以利用v i s u a lc + + 强大的功能来完成对o p e n g l 的制作。 w i n d o w s 为编写o p e n g l 程序提供了核心库、实用函数库和辅助函数库，核心库以“西” 为前缀包含了o p e n g l 最基本的命令函数；实用函数库以“g l u ”为前缀，包含的函数 功能更高一些，如绘制复杂的曲线曲面；辅助库以“a u x ”为前缀，包括简单的窗口管 理、输入事件处理等。 要想用这些库函数完成o p e n g l 的图形制作，首先需要把一个o p e n g l 图形类的 头文件和源文件添加到当前的工程中去，也就是说为当前的工程添加一个o p e n g l 类 ( 定义中声明了安装、初始化、渲染、清除o p e n g l 的方法) 。为了利用v i s u a lc + + 的强大功能来实现对o p e n g l 的开发和应用，w m d o w s 提供了o p e n g l 3 2 d l l 和 g l u 3 2 d l l 动态链接库，在程序中我们只需要链接o p e n g ll i b r a r i e s ；在v i s u a lc + + 中单击p r o j e c t ，单击s e t t i n g ，再找到l i n k 单元，最后在o b j e c t l i b r a r ym o d u l e s 的最前面 加上o p e n g l 3 2 1 i b 、g l u t 3 2 1 i b 、g l a u x 1 i b 、g l u 3 2 1 i b ，这样就可以在v i s u a lc + + 实现用 o p e n g l 进行绘图操作了。o p e n g l 程序的基本程序结构为定义窗1 2 1 、清理窗1 5 1 、绘 制物体、结束运行。 2 数据库的显示 显示数据库的内容主要用了两个l i s t c o n t r o l 控件，右边的控件是和o d b c 数据库对应起来的，按照检测的时间从上往下排列，从左到右依次用来显示检测时间、 车号、车速、双弓间距、温度、平均磨耗、最大磨耗，后面依次是传感器测到的3 0 个点的磨耗值；左边的控件用来显示右边控件中单组的所有数据。数据库的显示界面 如图3 2 所示。 垦垦耋塑奎耋至圭墼塞兰耋堡堡圣塞! ：至 u 自h 壤m 弓# 甜 * 图3 - 2 界面l 数据库显示 3进行图像变换的按键显示 如图3 3 所示为在o p e n g l 的绘图窗1 2 下方用米进行图像变换的所有按键，最庄 边的四个b u t t o n 按钮分别表示朝着上下左右四个方向上的平移：中间的四个b u t t o n 按钮表示朝着前后左右四个方向的旋转；右过的两个b u t t m 按钮衷示朝着屏幕向外的 方向上的扩大和朝着屏幕朝罩的方向上的缩小。 平謦f 卜旋转1 旌箔 = 【= l 一一一 幽3 - 3 幽像变换的按钮显示 3 2v i s u a lc h 中的o d b c 编程 怔复 隐礤 在v i s u a jc h 的环境下，如果在创建工程前已经知道自已要用到哪个数据库并已 经建立了这个数据库，在创建工程的时候只需要选择该数据库支持，升选定相应的数 据源和对应的表单，这样就将应用程序和数据库关联在了一起。对于已经做好的应用 程序，可以通过添加o d b c 接e l 使之与数据库建立关联。在受电弓滑板磨耗检测系统 中用了后一种方法加载数据库。 o d b c 是一种开放式数据库的互操作平台，是对数掘库进行访问的标准应用程序 接口。m i c r o s o f t 为大多数标准的数扼库格式提供了3 2 位o d b c 驱动器。a c c e s s 数 据库就是这些标准数据库中的一个。m f c 的数据库扩展部分封装使用了o d b c 数据 资源的细节，应用程序可以直接使用m f c 中的数据库扩展娄，柬操纵o d b c 驱动程 序管理器，访问数据库”“。由于使用v i s u a lc + + 开发应用程序时，大部分的应用程宇 都需要访问数据库，因此v i s u a l c h 中提供了m f c o d b c 库类，进行m f c o d b c 数 =，fj1_-：j：|t一 羞叠，娶-i壮异ri一bm j j ： 一f_：k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 据库开发时，所需的基础工具就是m f co d b c 数据库娄的使用。使用m f co d b c 进 行数据库开发就是利用m f co d b c 数据库类柬操纵o d b c 数据源。受电弓磨耗检测 系统的上位机是基于s u a l c