（车辆工程专业论文）机车重联计算机控制系统设计.pdf

北方交通大学硕士研究生学位论文 摘要 电力机车的重联控制现在所采用的形式都与车型相对应，不同的 机车，其控制的内容不同，而本文所述的重联控制可以适用于s s l 、 s s 3 、s s 3 b 等机车，对于不同的机车，改变输入信号及进行软件设置 即可完成。 采用计算机控制的重联系统，可以实现多机重联，而现有的重联 系统由于相互之间信号传输所需重联导线数量太多，而无法实现。 计算机控制的重联系统首先将司机指令转换为数字信号，该数字 信号一方面传送给本务机车，由本务机车c p u 处理后作为本务机车信 号显示与执行指令；另一方面由本务机车输出设备输出数字代码到重 联机车，重联机车计算机接到该信号后经处理输出重联机车控制指令 及显示指令，本务机车可以通过司机显示屏看到本机车的执行结果， 也可以看到重联机车的执行结果。同时，重联机车也同样可以看到两 台机车的执行结果。由于采用计算机控制，可以在机车之间大量传输 信息，而不需很多的电缆。 电力机车重联控制为保证两台甚至多台机车之间协调同步运行创 造了条件，使机车间内耗消失，保证了最大牵引力与制动力的发挥。 本重联控制系统完成了四个部分的控制内容：一是机车整备控制， 即完成机车起动前的各项预备性操作，如升受电弓、合主断路器、起 动各辅机等；二是机车调速成控制，完成机车工况选择、运行方向选 。罩及速度调节的重联控制；三是机车保护控制，即保护与机车主电路、 辅助电路有关的执行重联控制；四是信号显示的重联控制。 电力机车的控制技术不断向前发展，自动化、智能化是必然趋势。 目前该方案正在试验中不断完善。 关键词：电力机车电气重联单片机控制 第1 顼 北方交通大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y sa 1 1d o u b l eh e a d e de l e c t r i cl o c o m o t i y e sa d o p ts o m ek i n d o f c o n t r o lw a y si na c c o r d a n c ew i t h t h e i rl o c o m o t i r et y p e s d i f f e r e n t l o c o m o t i y e sc o n t r o ld i f f e r e n tc o n t e n t s t h ed o u b l ec o n t r o ls y s t e m d e s c r i b e di nt h i sp a p e rcanb eu s e di ns s is s 3s s 3 be t cl o c o m o t i y e sb y c h a n g i n gi n p u ts i g n a l sa n dr e s e t t i n gs o f t w a r e t h ed o u b l ec o n t r o ls y s t e mw h i c ha d o p t sc o m p u t e rc o n t r 0 1canr e a li z e m u l t i p l el o c o m o t i y e sc o o nc o n t r 0 1 b u tt h ed o u b l ec o n t r o ls y s t e mu s e d t o d a yc a n tc o m p l e t et h i sb e c a u s et o om o r ew i r e su s e dt ot r a n s m i ts i g n a l s b e t w e e nl o c o m o t i y e s t h ec o m m o nc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mc o n v e r t ss i g n a l sf r o md r i v e rt o d i g i t a ls i g n a l sw h i c hc a nb et r a n s m i t t e dt ot h i sl o c o m o t i v ea n dp r o c e s s e d b yc p ut h e na st h i sl o c o m o t i v e ss i g n a l sd i s p l a ya n de x e c u t i n sc o m m a n d s a tt h es a m et i m et h i sl o c o m o t i v e so u t p u te q u i p m e n tg i v ed i g i t a lc o d e s t ob e i n gd o u b i ec o n t r o l l e di o c o m o t i r e st h a tr e c e i v et h e s es i g n a l sa n d p r o c e s st h e mb yc o m p u t e rt h e no u t p u tc o n t r o lc o m m a n da n dd i s p l a yc o m m a n d t h i sl o c o m o t i v e sd r i v e rc a nw a t c ht h er e s u l to ft h i sl o c o m o t i v e s e x e c u t i n gt h r o u g hc a b sd i s p l a ya n dt h ed o u b l ec o n t r o ll o c o m o t i v e s e x e c u t i n gr e s u l t a tt h es a m et h ed o u b l ec o n t r o ll o c o m o t i v ecanw a t c ht h e e x e c u t i n gr e s u l to ft h e s et w ol o c o m o t i v e s b e c a u s ea d o p t i n gd i g it a l c o n t r 0 1 1 0 t so fi n f o r m a t i o nc a nb et r a n s m i t t e db e t w e e n1 0 c o m o t i y e s w i t h o u tal o to fc a b l e s e l e c t r i cl o c o m o t i v e sd o u b l ec o n t r o ls y s t e mc r e a t e sc o n d i t i o n st o r e a l i z et w oo rm o r el o c o m o t i v e so p e r a t i o ni nc o o r d i n a t i o na n ds i m u l t a n e o u s a n di tr e d u c e si n t e rc o n s u m i n ga n da s s u r e st h eb i g g e s tt r a c t i o nf o r c ea n d b r a k ef o r c e t h i sd o u b l ec o n t r o ls y s t e mc o m p l e t e sf o u rp a r t so fc o n t r o l ：o n eis l o c o m o t i v ep r e p a r ec o n t r o lt of i n i s ha l l d r e p a r i n go p e r a t i o nb e f o r e s t a r t i n g ，s u c ha sp a n t o g r a p h ，s w i t c ho nm a i no p e n c i r c u i t ，s t a r t i n ga ll a s s i s t a n te q u i p m e n t t w oi sl o c o m o t i v e ss p e e d a d j u s t i n gc o n t r o lt o 第2 页 北方交通大学硕士研究生学位论文 e o m p l e t es e l e c t i o no fl o c o m o t i r e sw o r k i n gc o n d i t i o n s a n d d r i v i n g d i r e c t i o na n ds p e e da d j u s t i n g t h r e ei sl o c o m o t i v e sp r o t e c t i o nc o n t r o lt op r o t e c tm a i nc i r c u i ta n d a s s i s t a n tc i r c u i t f o u ri ss i g n a ld i s p l a y i n gd o u b l ec o n t r 0 1 c o n t r o lt e c h n o l o g yo fe l e e t r i cl o c o m o t i v ei sd e v e l o p i n ga h e a dw it h t h et r e n do f a u t o m a t i ca n di n t e l1i g e n c e t o d a yt h is s c h e m eis e x p e r i m e n t i n g k e yw o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e ， c o m p u t e r ，c o n t r o l ，e l e c t r i c ，d o u b e c o n t r 0 1 第3 页 北京交通大学硕士研究生学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景 改革开放以来我国交通运输形成了新的竞争局面，由原来以铁路 为主体的客、货运输，变成了铁路、公路、航空运输三分天下的竞争。 这对铁路既是一种压力，也是一种动力。近几年以来，中国铁路发展 中一个最大的特点就是铁路运输大提速。铁路技术发展下是以速度为 龙头，从市场经济角度上看，“时间就是金钱，就是效益”，乘客首先 要的是快捷、简便；从竞争的角度上看除了快捷以外还要在价廉、安 全、方便上具有优势。铁路运输的提速使铁路运输与公路运输、航空 运输等竞争中得到了快速的发展，铁路客运的提速是适应市场经济的 必然结果，也是提高铁路运输经济效益的必由之路。 中国铁路运输大多客运线路与货运线路不分，客运的进一步提速 在客观上要求货物运输也进行提速。这样才能够协调地发展，充分利 用现有资源。我国货物运输要在重载的情况下实现提速，对牵引动力 就提出了较高的要求。目前，货物运输所用的s s l 型、s s 3 型、s s 3 b 型机车的单台功率就不能满足铁路货物运输的要求。要解决牵引动力 不足的问题，一方面要积极发展大牵引力的新机车，另一方面要对现 有机车进行重联改造。而对现有机车进行重联改造是提速适应铁路运 输新形势的有力举措。经重联改造后，两台或多台机车形成一个牵引 动力单元。这种举措特别适用于线路坡度大，曲线多的山区铁路，我 们在成都局对其所有s s i 、s s 3 、s s 3 b 未装重联的机车进行了重联改造， 改造后效果比较明显，牵引制动能协调一致的进行充分合理地发挥了 重联机车所具有的牵引力。 从1 9 9 7 年我们开始研究对现有机车进行重联改造，几年来已针对 多种电力机车进行了改造方案的设计与实施，效果是明显的。但这种 重联方案是比较初级的，其原理是对本务机车的控制信号通过导线传 递到被重联机车，实现通过本务机车对重联机车的控制，而故障信号 是通过导线相互传递，使两车司机均能看到车的状态。这样的重联方 式使两车之间有大量的连接导线，特别是模拟信号的传递衰减不可避 免，不能够进行多机重联。另一个问题是通用性差，针对不同车型要 设计一套施工方案，工作量大，工艺性差。几年来的实践引发一个思 北京变通大学硕士研究生学位论文 考，能否对现有的重联方案进行一个数字化式的改造了。 现在计算机技术突飞猛进，电力机车牵引控制方式也已进行多次 重大进步。从调压开关调速，调压开关与电子调速相结合，再到纯电 子控制调速，现在进一步发展到了全部由计算机进行控制，向控制电 路无触点方向发展，一年多来，我对电力机车重联计算机控制方式进 行深入的研究，并与铁路局有关专家进行了交流，一致认为进行机车 重联计算机控制的研究实用性强，不仅对现有机车改造有现实意义， 经试验成功后，可在现有机车进行实用性考察。 1 2 重联机车的发展趋势 机车重联的发展可以说历史较久远，主要有以下几种形式： 1 2 1 为通过特殊路段而进行的局部重联。 如在宝成线上，过秦岭时一个机车的牵引力是不够的，为此出现 了一个机车牵引，另一个机车在后面推动的形式，两个机车发挥最大 功率，以使列车通过秦岭的大坡道为目的。在这种工况下进行的重联， 两个机车不需做更多的协调，形式较简单。 1 2 2 为了增加牵引吨位在较长线路上进行双机牵引。 这种形式范围大，运用时间长，各路局均有这种牵引形式，两个 机车连挂，每个机车单独操纵，通过司机对话交流信息协调两个机车 的牵引、制动，对司机要求高，劳动强度大。而且不同步现象经常出 现。这样牵引力发挥受到了较大制约。这种双机连挂形式的长时间运 转，激发了各方面必需将机车进行重联控制，以彻底改善双机牵引性 能。 1 2 3 新造s s 3 b 、s s 4 型电力机车直接加上机车外部重联装置。 目前车内新造的电力机车，如大同工厂生产的s s 3 b 型电机车，在 出厂时就加装了机车重联功能，他们正是通过对两车司机控制信号的 直接相连，构成两车重联系统。 1 3 选题意义及研究内容 如前所述，在目前铁路干线货运机车需要重联的大环境下，两车 司机通过对讲机联系进行重联控制显然是落后的，这样不仅浪费了机 车功率，而且存在着一定事故隐患；新造机车时加装重联控制功能， 在很大程度上解决了重联问题，但重联线路过于烦琐，而且在多机重 北京交通大学硕士研究生学位论文 联时会出现信号衰减现象，也就是说不适用于多机重联。还有，当不 同型式的机车在一起进行重联时也会出现问题。 为了解决目前机车重联系统存在问题，用计算机实现机车重联的 控制是很有必要的。随着大规模集成电路的发展，单片机以其具有功 能强、体积小、功耗低、价格便宜、工作可靠、使用方便等特点，愈 来愈广泛地应用于数据处理系统。我们这个课题正是运用单片机进行 机车重联控制。 具体工作内容如下： 1 、确定计算机重联控制系统的总体设计方案。 2 、计算机重联控制系统的硬件设计开发。 3 、计算机重联控制系统的软件系统开发。 北京交通大学硕士研究生学位论文 第2 章重联控制计算机系统的总体设计 随着计算机科学技术的不断发展，微型计算机在控制技术上的应 用也越来越多，其技术优势也越来越明显。单片机是在一块芯片上集 成一台微型计算机所需的c p u 、存储器、输入输出部件和时钟电路等。 考虑单片机各方面的优点，这次重联系统采用单片机系统。同以前的 重联系统相比，它的特点有： 1 应用范围广，智能水平高 用可读可写的r a m 存储器，可以随时修改程序，适用于各种型号 的机车； 2 性能稳定可靠，适合于各种工作环境 由于单片机内部就含有r o m 、r a m 和i o 端口，这样，可以省去很 多外部连线，也简化了印刷电路板的设计加工； 3 操作简单。 2 1 重联系统的电路原理 计算机重联控制系统的原理图如下图所示，下面我们分别来介绍 其基本原理、基本结构、基本功能及基本布置。 i 豫* 口目 1 r 一 断呱恻j i ? 一横署 重联系统原理图 2 1 1 基本原理 计算机预先把要传输的重联信号按0 0 1 - - 0 6 4 编成代码，每个代码 代表一种操作指令( 例如0 0 1 代表分主断，起劈相机为0 0 2 ，起风机为 0 0 3 ) 。本务车需传给被重联车的所有信号经过输入模块进入计算机， 转换成代码，计算机经过判断确定要送入重联车的代码，代码经两车 雾_ 娑 一叫 戥 砸曲 瀚矗 羿辩圄f；纂一 羿鹫翟 北京交通大学硕七研究生学位论文 间重联线送入被重联车的计算机系统，计算机再把该代码转换为1l o v 电信号送到相应的执行元件，达到双车重联的目的。 下表中0 0 1 0 1 4 代码通过逻辑电路构成键盘接口电路输入计算机 系统，具体硬件电路见图8 1 5 5 与8 0 3 1 的连接。 机车重联信号的编码见下表( 1 6 进制) ： 机车功驻 预备中继牵引向前牵引向后制动 c p u 代码 0 0 0 0 0 1 0 0 20 0 3 机车功能磁削l磁削2零位时继风速时继 c p u 代码 0 0 40 0 50 0 60 0 7 机车功能电源4 0 1合主断分主断前弓 c p i j 代码 0 0 80 0 9o o h0 0 1 3 机车功能 后弓劈相机通风机 制动风机 c p u 代码 o o co o do o eo o f 机车功能 显示零位中继 预备完向前结束 c p u 代码 0 1 0 0 1 l0 1 20 1 3 机车功能向后结束制动结束磁削l 完磁削2 完 c p u 代码 0 1 40 1 50 1 6 0 1 7 机车功能零位结束风速结束降前弓降后弓 c p u 代码 0 1 80 1 9o l ao l b 机车功能关劈相机关通风机关制动风机 c p u 代码 0 1 c0 1 d0 1 f 2 i 2 具体传输过程如下： 所有耍传递到被重联车的信号，经过插头插座连接进入重联柜， 再经光电隔离进入计算机接口，若此时是非重联状态，计算机没有工 作，这些信号都没有意义；若进入重联状态，我们以起劈相机操作为 例，当司机按下劈相机按钮，起劈相机信号就以高电平进入3 7 3 锁存 器，计算机读入并判断出该号，再把该信号转换成要传递的代码，代 码再经过输出模块转变成5 v 信号经过重联线直接进入被重联机车计算 机，被重联机车计算机再把它转换成1i o v 电信号起动被重联机车的 北京交通大学硕士研究生学位论文 劈相机。当本务车关断劈相机，则该信号变成低电平，计算机再发出 一个相应的代码到被重联车的计算机系统，关掉被重联车的劈相机。 在被重联车的计算机系统中不接收到关断信号时，一直维持其输出信 号。 对于司机控制器指令是模拟信号送到计算机，经过a d 转换变为 数字信号送到被重联车的计算机，再经d a 转换为模拟信号送给司机 控制器。以便重联机车与本务机车电机电流、电压一致。 2 2 基本结构： 重联控制系统由计算机系统、对外接口和重联线三部分组成。对 夕 接口是通过两个2 0 芯插座和1 0 芯插座与整车电路相连。2 0 芯插座 在本务车是接收机车指令，在重联车是执行本务车指令的接口；i 0 芯 插座在本务车是发送指令到重联车，在重联车是接收本务车指令的接 口。重联线由一根1 0 芯屏蔽电缆构成，其中三芯是用来传递机车司控 器调制信号，六芯是用来传递计算机发出的重联指令编码，2 6 能传递 6 4 个编码，另外一芯为备用线。重联线在本系统中起双向数据传输作 用，既传输本务车的重联信号，又传输重联车显示信息。计算机系统 在以下作详细介绍。 2 3 重联控制实现的功能： 2 3 1 机车起动、调速控制 1 位置转换开关控制。本务车在i 端操作时，当位置转换手柄置前 位，导线3 0 4 得电，本务车位置转换器动作，同时3 0 4 信号经过计算 机编码处理送到重联车，重联车计算机系统根据自身操纵端使导线3 0 4 或3 0 5 得电，位置转换器同时动作；计算机根据什么来判断自身在i 端还是i i 端操纵呢? 在重联信号的输入端我们还加了一路判别信号， 若此信号为1 则认为是i 端操纵，为o 则为i i 端操纵。 2 机车调速控制。调速指令直接通过l1 0 v 的调制波的型式送到重 联机车电子柜，重联机车电子柜接收到这个信号后，能解调还原成司 机指令的大小，以便重联机车与本务机车电机电流、电压一致。 3 电阻制动控制。电制动控制指令同调速指令也是直接以调制波 型式传递。 2 3 2 受电弓、主断路器及辅机控制 北京交通大学硕士研究生学位论文 1 受电弓控制。升前弓时，导线4 2 1 得电，本务车升弓电磁阀动 作，同时将电信号传给计算机，计算机再传换成代码信号传送给重联 车计算机，重联车计算机经过输出模块，将代码转换成li o v 电信号， 使重联车4 2 1 导线得电，驱动重联车升弓电磁阀动作，进行升弓操作。 升后弓操作同理使4 2 2 导线重联。 2 主断路器控制。主断路器控制分为合主断与分主断两种情况， 重联原理同升弓一样。不同之处是在进行保护操作跳主断时，如果故 障在重联车，只跳重联车主断，同时把信号传递至本务车司机台显示 屏。 3 劈相机及辅助机组控制。重联机车辅助机组重联控制的关键是劈 相机的重联控制，因为只有当重联机车上所有劈相机起动完后才能同 时起动各自的辅机，否则，有可能使劈相机起动失败而烧损。因此， 我们利用计算机软件的优势，在程序中设置一个时间延时，保证只有 在劈相机起动完成后才能起动各辅助机组，避免劈相机烧损。 4 空气压缩机控制。重联机车通过控制线4 4 2 来实现压缩机的重联 控制，这样，用本务机车的压力调节器来控制所有重联机车空压机的 工作，非操纵机车的压力调节器就不再起作用，就可以避免因压力调 节器整定值不一致而造成某台机车风泵全过程不打风。 2 3 3 保护电路控制( 重联保护) 当双机重联机车出现牵引或制动过载、主辅电路接地短路等故障 时，故障车的保护机构动作，同时通过计算机把故障信息传递至另一 节车司机操纵台显示屏。 2 3 4 信号灯重联显示 为了方便司机操纵，便于迅速判别所有机车的故障，为此将重联 车的全部故障信号灯重联，所有重联车信号都通过重联电缆的代码传 输，送到本务车的司机操纵台。当重联车出现故障时，司机可以从显 示屏上做出判断。 1 接地、短路、过载信号灯 接地包括主电路接地、辅助电路接地，短路主要是次边短路，过 载分原边过流、辅助过流、励磁过流和各牵引电机、辅助机组的过载； 2 。主断路器信号指示 北京交通大学硕士研究生学位论文 3 电子柜信号指示。 2 4 重联系统布置圈 重联系统布置图如下图所示，计算机控制系统放在i 端司机室工 具柜内，所有输入、输出信号都至o l j x ，再从o u x 送到电子柜、0 2 j x 和i 、端司机台显示，重联插座在机车i 、i i 端各布置个。 重联系统布线图 霹 瓢 r l 专 一型”一蔓 北京交通大学硕士研究生学位论文 第3 章重联控制计算机系统硬件的设计 重联控制计算机系统设计以8 0 3 1 单片机为核心，通过其扩充功能， 把存储器芯片2 7 6 4 e p r o m 、6 2 6 4 r a m 和接口芯片8 1 5 5 、8 2 5 5 a 与单片机 连接起来，还有些辅助电路，如7 3 l s l 3 8 译码器、缓冲电路、复位电 路等。整个重联系统硬件电路图见图3 1 。 图3 1 重联计算机系统硬件原理框图 北京交通大学硕士研究生学位论文 上图只给出了大概的原理框图，下面分别对各主要部件的结构、 作用、工作方式和具体的连接关系作一介绍。 3 18 0 3 1 单片机及其应用 8 0 3 1 单片机是m c s 一5 1 系列的单片机产品，它的存储容量、接口数 量与种类都比m c s 一4 8 系列单片机强，而且它的指令系统的功能也加强 了许多，尤其是位寻址能力增强，更适合位控、位测试。另外还增强 了乘除法指令，加强了数据处理能力，它还增加了一个全双工串行t o 口，具有多机通信的控制功能，而且8 0 3 1 易于开发，目前应用较多。 由于8 0 3 1 不具有片内程序存储器r o m 或e p r o m ，所以在构成这个应用 系统时，需扩充程序存储器及其它必要的电路，各引脚的功能连接方 法和应用介绍如下： 3 1 - 1 单片机内部结构及功能部件 1 p 0 口：p o 口是真正的三态双向口，既可输入又可输出，每个接 口都由一个锁存器、一个输出驱动器和一个输入缓冲器组成。这些接 口是多功能的，在单片机不需要扩展时，p o 口作一般的i o 口使用。 在单片机需要扩展时，p 0 口担任地址数据复用的总线口，即它的8 根 线既是8 根数据线，又是8 根地址线。在这种清况下，扩展部分所需 的高位地址线由p 2 口提供。由于数据和地址是分时地复用p o 口，所 以在p 0 口接一片7 4 l s 3 7 3 锁存器，由a l e 信号的负跳变锁存p o 口输 出的低8 位地址信号，这样，就把地址和数据分开了。7 4 l s 3 7 3 输出的 就是低8 位地址码a o - a 7 。 2 p 2 口：p 2 口可作为输入或输出使用，使用外部i o 口时，它作 为扩充外部存储器的高8 位地址线，输出高8 位地址，与p 0 口一起组 成1 6 位地址总线。对8 0 3 1 单片机来说，p 2 口一般只作为地址总线使 用，而不作为i o 线直接与外设相连。在本设计中，p 2 口低5 位 ( p 2 o - p 2 4 ) 作为2 7 6 4 e p r o m 及6 2 6 4 r a m 的高5 位地址( a s - a 1 2 ) ， 而高3 位( p 2 5 - p 2 7 ) 通过译码器7 4 l s l 3 8 ，输出8 个片选信号，分 别接至2 7 6 4 、6 2 6 4 、8 1 5 5 和8 2 5 5 的片选输入端c s 。 3 p 3 口：p 3 口为双功能口，既可作为一般的i o 口使用，其功能 同p 1 口，而且在必要时，还可用作串行通信的接口，定时器的外部计 数端，外部中断请求输入端、外部存储器的读写选通信号输出端使用。 北京交通大学硕士研究生学位论文 4 控制线： ( 1 ) e s e t ：复位信号输入端。采用上电自动复位和按钮手动复位 方法结的电路，其原理图见图所示。 ( 2 ) a l e ：地址锁存允许信号输出端。它把地址的低字节锁存到 外部锁存器，a l e 引脚以不变的频率同期性发出正脉冲信号，因此它可 用作对外输出的时钟，或用于定时目的。在本设计中，a l e 接到地址锁 存器7 4 l s 3 7 3 的选通端g 及i o 接口芯片8 1 5 5 的a l e 端。 ( 3 ) p s e n ：外部程序存储器读选通信号输出端，只有在读指令时 产生。在从外部程序存储器取指令期间，p s e m 在每个机器周期内两次 有效。 ( 4 ) e a ：内部程序存储器和外部程序存储器的选择端。当e a 为 高电平时，访问内部程序存储器；当e a 为低电平时，则访问外部程序 存储器。由于8 0 3 i 没有内部程序存储器，所以e a 必须接地。 3 1 28 0 3 1 单片机存储器的扩充： 1 外部扩充存储器结构： 在单片机应用系统中，片内的存储容量往往不够用，必须外接存 储芯片。m c s 一5 l 单片机的程序存储器和数据存储器空间是相对独立的， 程序存储器为只读存储器( r o m ) ，数据存储器为随机存取存储器( r a m ) 。 单片机的存储器编址方式采用与工作寄存器、i o 口锁存器统一编址。 在本设计中，采用一片e p r o m ( 8 k x 8 b i t ) ，存放监控程序及调好 的用户程序，其中监控程序用于管理计算机的功能，帮助调试用户程 序。数据存储器采用两片r a m ( s k 8 b i t ) ，r a m 既可作为数据存储器 使用，也可作为程序存储器使用，r a m 的高地址部分的几个存储单元， 作为监控程序专用的程序缓冲器。 2 7 6 4 是一种6 5 5 3 6 ( 8 k 8 b i t ) 位的e p r o m 存储器电路，读出时 间为2 5 0 n s ，是一种高速大容量的存储器电路，它为2 8 线器件，逻辑 符号如图所示。图中a o a 1 2 为1 3 位地址线；0 0 0 7 为8 位数据线：西为 片选信号线，低电平有效；丽为数据输出选通信号线，低电平有效；p g m 为编程脉冲输入线；v c c 为主电源线；v p p 为编程电源线。 北京交通大学硕士研究生学位论文 图22 7 6 与8 0 3 1 日运爱图 7 4 l s 3 7 3 为透明的带有三态门的8 d 锁存器，逻辑符号如图所示。 i 为三态门使能信号线，当e 为低电平时，三态门处于导通状态，1 q 一8 q 输出到o u t l 8 ；当e 为高电平时，输出三态门断开，输出线o u t l 8 处 于浮空状态。g 为数据打入信号线，当g 输入端为高电平时，锁存输出 ( i 0 8 q ) 状态和输入端( 1 d 一8 d ) 状态相同：当g 端从高电平返回低 电平时，1 d 一8 d 的信息打入1 q 一8 q 的8 位锁存器。 6 2 6 4 是一种6 5 5 3 6 位( 8 k 8 b i t ) 的存储器电路，它的集成度很 高，其逻辑符号如图所示。a o a 1 2 为1 3 位地址线，输入地址和内部字 节的单元对应，o o 0 7 为8 位数据线，c e 、w e 为读写信号线，都是低 电平有效。 北京交通大学硕士研究生学位论文 2 存储器扩展方法： 8 0 3 1 的片内无程序存储器，必须外接2 7 6 4 e p r o m 电路作为程序存 储器，8 0 3 1 引脚e a 必须接地。8 0 3 1 最多可直接访问6 4 k 字节的外部 r a m 和6 4 k 字节的e p r o m 。在本设计中，其连接框图见图1 。p 0 口外接 一个地址锁存器7 4 l s 3 7 3 ，8 0 3 1 访问外部程序存储器时，低8 位地址 由p o 口输出，并由a l e 信号锁存到地址锁存器中，地址锁存器输出的 地址信息a b o a b 7 接到所有2 7 6 4 e p r o m 及6 2 6 4 r a m 的地址线a o - a 7 ，p 2 口输出地址信息高8 位，p 2 0 一p 2 4 输出a b 8 一a b l 2 ，接所有2 7 6 4 e p r o m 和6 2 6 4 r a m 的a 8 咄1 2 ，p z 5 一p 2 7 输出接地址译码器，译出8 根选择 线，分别接各芯片的片选端c e 。8 0 3 1 的外部程序存储器选通信号线p s e n 接2 7 6 4 的数据允许输出端o e 。8 0 3 l 的p o 口接到地址锁存器的输入端 和2 7 6 4 e p r o m 、6 2 6 4 r a m 的数据线0 0 0 7 ，r d 、w r 分别连到6 2 6 4 r a m 的 各读写信号o e 和w e 。 3 存储器地址空闯的分配： 2 7 6 4 e p r o m 和6 2 6 4 r a m 都是8 k 8 b i t 的存储器芯片，其1 3 条地址 线( a o a 1 2 ) 都接到8 0 3 1 的a o a 7 和p 2 o p 2 4 ，以便对芯片内的8 k 地址单元寻址。它们的片选端c e 分别接到译码器7 4 l 5 1 3 8 的输出端上， 北京交通大学硕士研究生学位论文 其中2 7 6 4 e p r o m 接译码器7 4 l s l 3 8 的y o 输出端，所以，选址范围是 0 0 0 0 h 一1 f f f h ，而6 2 6 4 r a m 接译码器7 4 l s l 3 8 的y 1 、y 2 输出端，所以， 选址范围是2 0 0 0 h 一3 f f f h 和4 0 0 0 h 一5 f f f h 。 3 2i o 口的扩展： 一个计算机系统的组成，除了c p u 、存储器外，还必须有外部设备。 计算机通过输入输出设备和外界进行通令。计算机所用的数据及现场 采集的各种信息都要通过输入设备送到计算机；而计算机输出的各种 控制信号又需通过输出设备输出到外部设各。虽然单片机本身的i o 口能实现简单的i o 操作，但其功能毕竟十分有限。因为其本身的i o 口电路中，只有数据锁存和缓冲功能，而没有状态寄存和命令寄存功 能，因此难以满足复杂的i o 操作要求。此外，虽然单片机有4 个8 位并行双向i o 口，但在实际中，这些口往往不能用于i o 操作。p q 口经常用作低8 位地址线或数据线，p 2 口用作高8 位地址线，p 3 口的 第2 功能更为重要，多数口线要留作控制信号使用。这样，就只有p l 口能作为真正的数据i 0 口来使用。 在本系统的设计中有大量数字量的输入输出，主机要随时与这些 外设进行信息交换。设计时我们按照“输入三态，输出锁存”与总线 相连的原则，采用8 d 锁存器7 4 l s 3 7 3 组成输出口，采用8 位三态缓冲 器7 4 l s 2 4 4 组成输入口。由于i o 口地址与片外数据存储器r a m 的地 址采取统一编址，c p u 访问它们都是采用m o v x 指令，所以在芯片连接 时利用m o v x 指令产生的r d 及w r 作为控制信号。 3 2 1 可编程并行i o 接口8 2 5 5 a ： 8 2 5 5 a 是i n t e l 公司生产的标准外围接口电路，它采用 s 工艺 制造，用单- - + 5 v 电源供电，具有4 0 引脚，采用双列直插式封装。它 有a 、b 、c 3 个端口共2 4 条t o 线，可以通过编程的方法设定端口的 各种i o 功能。 1 8 2 5 5 a 的内部结构 ( 1 ) 数据端口a 、b 、c 8 2 5 5 a 有3 个8 位数据端口。使用中可以通过软件将它们分别作为 输入端口或输出端口。 ( 2 ) a 组和b 组控制电路 北京交通大学硕士研究生学位论文 根据c p u 的命令控制8 2 5 5 a 工作方式的电路。它们的控制寄存器先 接受c p u 送出的命令字，然后根据命令字分别决定两组的工作方式。 a 组控制电路控制端口a 和端口c 的上半部。 b 组控制电路控制端口b 和端口c 的下半部。 ( 3 ) 数据总线缓冲器是一个三态双向的8 位数据缓冲器，可直接 与系统的数据总线相连，实现c p u 和8 2 5 5 a 之间传送信息。 ( 4 ) 读写控制逻辑 读写控制逻辑电路负责管理 8 2 5 5 a 的数据传输过程。它接收c s 及来 自系统地址总线的信号a 1 、a o 和控制总 线的信号r e s e t 、w r 、r d ，将这些信号 进行组合后，得到对a 组控制部件和b 组控制部件的控制命令，并将命令发送 给这两个部件，以完成对数据、状态信 息和控制信息的传输。 2 8 2 5 5 a 的芯片引脚 8 2 5 5 a 是一种有4 0 个引脚的双列直 插式标准芯片，其引脚排列如图所示。 除电源( + 5 v ) 和地址以外，其它信号可 以分为两组： ( 1 ) 与外设相连接的有： p a 7 p a o ：a 口数据线 p b 7 p b o ：b 口数据线 p c 7 p c o ：c 口数据线 ( 2 ) 与c p u 相连的有； 川o 计一 p ? ? 一哗 p “一- | t ：* ：o l 一；、- 一： r o 一t ，、 一一 5 1 5b 一 b 1 j7：，卜? i a 1 一l3l - 。i a i 一 i l 一一一) ? m 1 、j 一j 嘣一1 ：l - 【i ， n ) _ ! ? 一i 呲- 1 f 3一r * ：一： i i ：m _ 。b 一 p ( ? ：6 。：一一9 3 0 一t -1 i - 一。、 晰 ：9j 一 ： p 6 f 一f 9 7 l 3 1 啦1 立一，j 噼 畦耗嬲 d 7 d o ：8 2 5 5 a 的数据线，和系统数据总线相连。 r e s e t ：复位信号，高电平有效。当r e s e t 有效时。所有内部寄存 器都被清除，同时，3 个数据端口被自动设为输入方式。 r d ：读信号，低电平有效。当r d 有效时，c p u 可以从8 2 5 5 a 中读 取输入数据。 w r ：写信号，低电平有效。当w r 有效时，c p u 可以往8 2 5 5 a 中写 北京交通大学硕士研究生学位论文 入控制字或数据。 a 1 、a 0 ：端口选择信号。8 2 5 5 a 内部有3 个数据端口和1 个控制端 口，当a i a 0 = 0 0 时选中端口a ：a i a 0 = 0 1 时选中端口b ；a i a 0 = 1 0 时选 中端口c ；a i a 0 = 1 1 时选中控制口。 3 。8 2 5 5 a 的工作方式 8 2 5 5 a 有3 种工作方式，即方式0 、方式1 和方式2 ，这些工作方 式可用软件编程来指定。在本设计中8 2 5 5 a 用于方式0 工作。这种工 作方式不需要任何选通信号，a 口、b 口及c 口的高4 位和低4 位都可 以设定为输入或输出。作为输出口时，输出的数据均被锁存；作为输 入口时，a 口的数据能锁存，b 口与c 口的数据不能锁存。我们选用a 口和c 口的低4 位作为输入口，c 口的高4 位和b 口作为输出口。考虑 到c 口输入时不能缓冲，因此在输入时加一三态缓冲器7 4 l s 2 4 4 。在方 式0 下，外设随时可提供数据给徽处理器，而外设也随时可接受微处 理器送出的数据。数据传送前无需“选通”和“状态”信号，也不必 等待中断请求信号。方式0 输入输出工作方式的特点是：只要r d 或w r 信号有效，就能进行数据传送。 1 f ( 一1 j 0 0剖“。一卜一1 l 一 ：l l 立三j a l 上 8 03 1 、 、 。1 。 p 25 一p 27 刮除卜 e 4 _ r 0 w r d f 5 0 0 n s ，选v c c = + 5 v 电源时更应 满足此要求，如选v c c = + 1 5 v 时，w r 的脉冲宽度只需， l o o n s ，此时为 器件的最佳工作状态；第二是保持数据输入有效时间不小于9 0 n s ，否 则将锁存错误数据。 3 3 输入输出通道设计 在机车重联控制过程中，机车传递给计算机的信号通常有开关量 和模拟量。而由计算机发出的控制信号，有开关量信号和模拟信号。 由于重联控制中两台车计算机相距较远，信号传送过程中，很容易引 入外界干扰，为了提高控制系统的可靠性，除了对输入信号进行必要 的放大、整形、电平转换外，还必须使工作现场和计算机系统之间进 行电磁隔离，以避免外界干扰进入计算机内部，提高整个控制系统的 搞干扰性能。下面分别简述输入通道和输出通道的设计。 3 3 1 输入通道 输入通道的作用是通过光电耦合器件的作用，输入l l o v 的状态信 号，变成了高、低电平的逻辑信号，实现机车l l o v 回路与电子电路间 的输入隔离。为提高输入通道的抗干扰能力，在光电二极管输入端串 联了一个稳压管，又并联了一个电阻，这样可提高输入的动作门槛电 压，减少输入电流。光电祸合器和稳压管上反并的二极管用来保护负 电压，防止损坏光电耦合器。每个输入通道还接有一个黄色的发光二 极管，在光耦导通时发光二极管亮，表示有l i o v 输入，该通道处于工 作状态。原理图如下图所示。 北京交通大学硕士研究生学位论文 | 一 直户害一严l o r 廿 t l f中 输入电路原理图 3 3 2 输出通道 输出通道将计算机输出锁存器给出的控制信号转换成执行机构的 驱动信号，并将计算机与被控对象之间进行隔离，以防干扰。由于执 行元件需要高电压大电流的功 率驱动信号，在计算机与执行 部件之间增加放大环节，通过 一个三极管放大电路驱动相应 的继电器动作，然后继电器的 联锁触点接通相应的1l o v 输出 电路。原理图如图所示。 在本系统中，我们设计了 一个3 2 通道光电隔离数字输出 板，通过8 2 5 5 a 与8 0 3 1 相连。 ? i i 。f 一 一f 厂_ u i 计鼽f _ l f _ l hd 去j 翮 巾一l o b “ l 一 ；壬二i j 、 i 3 2 路输出通道由4 片7 4 l s 3 7 7 构成4 个8 位带锁存功能的数据输出端 口，每个通道都有光电隔离装置。7 4 l s 3 7 7 的g 口与片选信号相接，当 8 0 3 1 向某个外设写信息时，w r 有效，a 3 、a 4 、a 5 三根地址线选择至某 一片7 4 l s 3 7 7 ，然后a o 、a 1 、a 2 在决定从该片子的某一引脚输出，驱 动外设。 8 2 s 5 1 2 北京交通大学硕士研究生学位论文 _ ) 百 7 & l 3 7 7 l ko i 7 几7 6 7 l s 3 7 7 1 k0 1 t j l 1 6 7 l s3 7 7 l k0 ，卜设il ，暾l| 外设 输设备与8 2 5 5 a 曲连接 - 2 7 一 汕 百 7 4 l s f 1 k go ， 如屿 0 s 0 0 m m 呲m 川川呲一忡 北京交通大学硕士研究生学位论文 第4 章重联控制计算机系统软件设计 仅有硬件的计算机称为裸机，单纯的裸机是不能工作的， 裸机必须配上软件才能工作。软件是单片机应用系统中的一个 重要部分。一般计算机应用系统的软件包括系统软件和用户软 件，而单片机应用系统中的软件只有用户