（电力系统及其自动化专业论文）接触网参数小型检测系统的设计与开发.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 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cr a i l w a y , t h en e e d so fc a t e n a r y sp a r a m e t e r s i n s p e c t i o ns y s t e ma r e v a r i o u sa n dp o p u l a r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e d s y s t e ma n dt h ee t h e r n e tt e c h n o l o g y , h o w t oa p p l yt h o s eu p - - t o - - d a t et e c h n o l o g i e st o t h ec a t e n a r y sp a r a m e t e r si n s p e c t i o ns y s t e m ，f o ri m p r o v i n gi t sp e r f o r m a n c ea n d a d a p t a b i l i t y , n o wh a s b e c o m ean e wh o tf o c u s o nt h eb a s i so fc o n v e m i o n a lc a t e n a r y s p a r a m e t e r si n s p e c t i o ns y s t e m ，t h e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs m a - 1 1c a t e n a r y sp a r a m e t e r si n s p e c t i o ns y s t e m ，b yt h e a n a l y s i so fc a t e n a r y sp a r a m e t e r sa n dn e e d so fc u s t o m s ，a r eg i v e ni nt h er e s e a r c h p a p e r i td o e s n to c c u p yt r a i nr u n n i n gt i m ea n dr e a l i z e sw i d eu s a g eo fi n s p e c t i o n s y s t e mb ya p p l y i n go nc a t e n a r ys u s t a i a m e n tv e h i c l e i nt h ei n s p e c t i o ns y s t e m ，s o m en e wt e c h n o l o g i e sh a v eb e e na p p l i e d ，s u c ha s p h o t o e l e c t r i c a n df i b e r o p t i c s e n s o r s c a nb u sa n df i b e r o p t i c ，e n s u r i n g d a t a t r a n s m i s s i o nv e l o c i t ya n da v a i l a b l es t r u c t u r e ，a r et h eb u sp r o t o c o la n dt r a n s m i t t i n g m e d i u mo fd a t at r a n s m i t t i n gb e t w e e nt h es a m p l i n gu n i ta n d t o p c o m p u t e ru n i t v ，f t r a n s f o r m ，s a m p l i n g t h e a n a l o g s ，i m p r o v e s t h e r e l i a b i l i t y a n d a n t i - j a m m i n go f s y s t e m t h ea p p l i a n c eo fa r m m i c r o c o n t r o l l e ra n de t h e r u e te n h a n c eh i g h l yt h e p e r f o r m a n c eo f t h e s m a l lc a t e n a r y sp a r a m e t e r si n s p e c t i o ns y s t e m a f t e rn m n i n go nt h es i t e ，t h e s y s t e mi sp r o v e dt o b er e l i a b l e 、p r a c t i c a la n d c o n v e n i e n t at h em i n i a t u r i z a t i o n ，it h i n k ，i st h et r e n do ft h ec a t e n a r y sp a r a m e t e r s i n s p e c t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：c a t e n a r y ；t h es m a l li n s p e c t i o ns y s t e m ；c a nb u s ；a r m 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1 课题的提出及其意义 铁路是我国国民经济发展的基础，随着国民经济的快速发展，对铁路运输 的要求也日益增长，铁路现有的运输能力已经很难满足需要，从1 9 9 7 年开始进 行了5 次大规模提速。电气化铁路具有高效、重载和对环境污染小等优点，是 高速铁路发展的重要途径之一，也是目前铁路旧线路改造和新线路建设的首选。 从1 9 6 1 年8 月首次建成第一条电气化铁路宝风段并投入运行到现在，已经 有4 0 多年的历史【1 。随着铁路电气化程度的不断加深，提高铁路供电系统的质 量、效率和可靠性，对铁路向高速重载方向发展具有重要的现实意义。 接触网是电气化铁路的主要供电装置之，受电弓与接触网的滑动接触将 电能传给电力机车。接触线和受电弓之间接触良好与否，是保证电力机车取流 质量好坏的关键。目前的接触网结构主要是架空式接触网。接触网沿铁路线路 架设，是户外供电装置，工作环境恶劣，经常受到冰、风等恶劣气象条件的影 响，在高速运行的情况下，弓网系统出现任何偏差，都有可能引发弓网故障【2 。 而接触网投资大，无备用，一旦发生故障，将中断行车，影响运输生产。因此， 为保证电气化铁路的安全运行，保证可靠供电，在电气化铁路的施工和日常运 营中，必须加强对接触网各项机械电气参数的检测，以便防患于未然，保证接 触网处于良好的工作状态i ”。 随着我国铁路的数次大提速和电气化铁路的迅猛发展，对接触网检测技术 提出了新的要求： ( 1 ) 列车运行速度不断提高。1 9 9 8 年建成的广深电气化铁路设计时速已 达2 0 0 k m h ，2 0 0 3 年投入运营的秦沈准高速铁路设计时速也已达到2 0 0 k m h 训。 为保证高速运行情况下接触网检测装置能准确记录弓网关系各项参数，要求单 位距离内采集更多的数据，数据量的加大以及为保证其实时性，采用传统的串 口或并口方式已不适应检测数据的传输要求。因此，改进传统接触网参数检测 系统已势在必行。 ( 2 ) 目前我国的电气化铁路，既有低于l o o k m h 的常速线路，又有接近 2 0 0 k m h 的高速线路：既有采用柔性悬挂的普通接触网，又有刚性悬挂的地铁 接触网。对于不同的线路，所关注的检测项目也不同。例如常速铁路一般测量 接触网的几何参数如拉出值、接触线高度等即可满足实际需要，而对于运行速 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 度接近2 0 0 k d n h 的高速线路，则更注重对弓网接触压力等反映弓网运行状况的 参数的检测p j 。 ( 3 ) 对检测设备的需求普及化。随着各供电段接触网检修由“周期修”过 渡到“状态修”、作业“天窗”的减少以及地铁、轻轨的大力发展，不同的部门 需要接触网检测设备能更密切地联系实际生产运营的需要，利用检测结果对接 触网的施工、运营质量进行评判，并为接触网的维护调整提供依据i 6 j 。因此施 工运营部门需要一种普及的小型化的接触网参数检测系统。 ( 4 ) 对便携式检测系统的需求。随着计算机技术和互联网络的飞速发展， 对便携式设备接入检测系统以及检测系统便携化也提出了要求，而传统的接触 网参数检测系统对设备要求较高，不能适应这一变化。 传统的接触网参数检测系统是以接触网检测车的方式构建的，接触网检测 车是大型专用车，在对接触网进行检测时需要占用正常运行区间和运行时间， 在既有线路运力不足的情况下，检测的时间及次数会受到限制。 本文在传统接触网参数检测系统的基础上，结合秦沈客运专线小型接触网 参数检测车项目实践，提出了一种接触网参数小型检测系统的设计与实现方法。 这种小型检测系统不需要专用的接触网检测车，只需装在接触网工区的接触网 检修作业车上，适应各供电段接触网检修由“周期修”过渡到“状态修”的要 求，可以在接触网的日常检修作业过程中进行接触网参数检测。 接触网参数小型检测系统具有良好的适应性、开放性和可扩展性，具有利 于检测、利于灵活控制、利于功能扩展、利于节约成本和利于设备便携化等优 点，有着相当重要的实用价值。 1 2 接触网参数检测系统的现状 接触网参数检测技术是随着铁道电气化的发展而产生的，发展接触网参数 检测系统较早的是前联邦德国，早在1 9 5 1 年就在线路上进行了包括空气动力、 受电弓特性、质量，接触悬挂的振动及受流在内的试验。其后，法国也进行了 实际线路的受流试验。日本和奥地利等国家对接触网参数检测技术也做了大量 的研究和试验，并取得了一定进展1 2 j 。国外对接触网参数的检测一般都是根据 本国实际情况，选择合适的侧重点进行的。例如德国把弓网间的接触压力作为 检测重点，而日本则突出检测弓网离线和接触网磨耗。 我国的接触网参数检测系统研究起步于上世纪6 0 年代【7 1 。接触网检测车是 用来对接触网相关参数进行检测的专用车辆。利用接触网检测车对接触网的检 测实际上是在列车运行中检测接触网自身结构及受流系统的各项机械和电气参 函南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 数，借以评价接触悬挂和受电弓的性能，检查接触网工程质量和运营质量。 由于当时列车运行速度较低，所以更多的是关心接触网本身的几何参数， 如拉出值、线岔、接触线高度等，因为这些参数关系到接触网运营的安全问题， 接触网的好坏也是以不出现弓网事故作为主要的标准，对弓网之间的受流质量 往往不够重视：而在高速情况下，因在接触网设计时已经选择了较大的安全系 数，所以不容易出现弓网事故，弓网之间的受流质量却成为限制列车运行速度 的关键因素，因此高速情况下，更多关注的应该是接触网的运营质量问题，而 反映接触网运营质量的参数主要是接触压力、导线高度、硬点等【8 j 。 现有接触网参数检测系统，主要配备给铁路局、供电段等单位，安装于专 用接触网检测车上。随着电气化铁路运输的发展和现场作业自动化水平的提高， 研制安装在接触网检修作业车上，配备给接触网工区，便于作业人员在f 1 常检 修过程中进行检测的接触网参数小型检测系统，成为接触网检测技术发展的新 高度。 1 3 论文的主要工作 本论文根据接触网参数检测技术的现状和发展趋势，提出了一种接触网参 数小型检测系统的设计与开发，侧重于接触网参数小型检测系统的硬件及其底 层软件的设计与实现，内容包括接触网参数小型检测系统硬件方案的设计，原 始信号的采集与转换，采用c a n 总线方式的高低压侧数据的传输，基于a r m 微处理器的前置单元电路的设计，基于以太网方式的数据传输协议等内容。涉 及到v f 转换、c a n 总线、光纤通信、a r m 微控制器、嵌入式系统、以太网 等技术。 本论文在分析当前接触网参数检测技术和检测系统所存在的问题的基础 上，提出了一种适应实际需求发展的小型检测系统方案。主要进行了以下工作： ( 1 ) 阐述并分析了检测系统技术构成。对系统涉及到的检测项目和检测方 法进行了分析，并针对实际需求和小型检测系统特点选择了相关方法和技术； ( 2 ) 构建接触网参数小型检测系统硬件整体结构。根据检测特点把系统分 为采集调理单元、前置单元和主机单元三个部分，并分别进行了详细的硬件设 计。在此基础上选择并设计了单元间数据传输方式。在检测数据类型、传输方 式以及系统整体已经确定的情况下设计了采集调理单元和前置单元的软件； ( 3 ) 由于系统处于复杂的电气环境之中，为保证f 常运行，全面地提出了 系统抗干扰措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 第二章接触网参数小型检测系统的技术基础 2 1主要接触网参数检测项目介绍 接触网参数检测是在列车运行过程中对接触网的结构参数、受流系统的各 项机械和电气参数进行动态测量，并以此来评价接触悬挂性能、接触网工程质 量、运营质量1 9 1 。接触网参数检测系统的主要检测项目包括： 1 、接触线拉出值 在电气化线路上，为延长受电弓寿命，使滑板磨耗均匀，需要把接触线在 线路的直线区段布置成之字形，在曲线区段布置成折线的形式。而且此折线一 般与受电弓中心的行迹相隔或相切。这种折线在定位点接触线距受电弓中心线 行迹的距离成为拉出值 2 1 。 如果拉出值设置得太小，则达不到均匀滑板磨耗，延长受电弓寿命的目的； 如果设黄得太大，在户外的复杂环境下，如遇到大风，接触线容易因偏移出受 电弓的有效工作长度而导致刮弓或钻弓事故，因此要经常检测拉出值的大小及 其变化。 2 、接触线高度 接触线高度是指接触线到轨面中心的垂直距离。在静止状态下测量接触线 高度，其最高位置不能超过6 4 5 0 m m ，最低位嚣不能低于5 3 7 0 m m l 3 1 ，静态测量 是为工程和维修单位提供参考数据。在运行状态下测量接触线高度，即测量受 电弓沿接触线的运行轨迹，是为研究接触悬挂的评价和受电弓的性能提供分析 资料。 3 、接触线硬点 接触悬挂的重要指标之一就是9 弹性均匀，当接触悬挂的某些部分，如跨 距两端的定位点处有附加重量，或接触线出现吊弦脱落、分相绝缘器安装不当 等情况，在列车高速运行情况下，这些部位就会出现不正常抬高，形成这种客 观现象的本质状态，称为硬点【2 j 。硬点会导致接触线和受电弓滑板的异常磨耗 和撞击性损害，同时破坏弓网蒯的正常接触和受流，常在这些部位造成火花或 拉弧，影响弓网受流和弓网寿命，情况比较严重的硬点还会危及行车安全。 4 、弓网接触压力 弓网接触压力指的是受电弓与接触线之间的接触压力，压力过小会导致产 生电弧和离线，压力过大则会使接触线抬升过大，容易引起接触线疲劳损伤， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 加大接触线和受电弓的磨损，并有可能导致弓网事故。随着列车速度的提高， 弓网压力成了研究的重点问题【2 j 【9 j 。 5 、补偿 接触网检测车在动态检测过程中会产生各种形式的振动，这种振动会使车 体产生相对于线路中心线的水平位移和相对于轨面的垂直位移。为准确检测拉 出值和接触线高度等信号，就必须修正因列车振动产生的误差，称为补偿 2 1 。 住列车引起的振动中，对拉出值影响最大的是由于车辆的侧滚振动和横摆振动。 通过在车厢下部安装光电距离传感器对车体振动进行检测，然后结合一定 的算法对因这些运动造成的拉出值测量误差进行修正。 6 、定位 定位是指确定各种接触网参数在线路上的具体坐标位置。接触网是沿线路 架设的，所要的测量的各种技术参数，无论是正常或非正常的状态，都要给出 检测项目的坐标位置，如果坐标位置检测不准或误差太大，即使其他参数检测 结果很准确，也没有任何意义【2 1 。这个坐标位置一般选择支柱点，每一个支柱 点在其所属线路区段上编号唯一。 利用检测到的支柱编号，配合检测车走行距离和预存线路资料等，就可以 比较准确地进行定位。 7 、弓网离线 弓网离线是电气化铁道电力机车受电中一种十分有害的现象，指电力机车 在运行中受电弓与接触线的机械脱开。受电弓和接触悬挂都具有一定的弹性， 受电弓随着机车的高速运行而在接触线上高速滑行，由于接触悬挂弹性周期性 波动及接触线硬点、受电弓自身重量等因素的影响，会使受电弓在沿接触线滑 动过程中产生垂直方向的加速度，引起接触悬挂的振动，剧烈的振动会使受电 弓与接触线的良好接触状态受到破坏，造成弓网脱离。 离线是- - i e e 不正常的现象，是判断接触网受流质量的重要指标。体现这一 特征的的指标是离线率，可表示为 y z ， c = 刍 1 0 0 ( 2 - 1 ) 式中，c 。离线率： 丁在测量区间内受电弓通过的时间； 芝：五一一在测量时间t 内，滑板从接触线上脱开的时间总和。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 8 、环境温度 当环境温度发生变化时，由于热胀冷缩，接触网的线索就会出一种状态变 为另一种状态，从而造成接触线的拉出值、高度等参数也相应的发生变化，因 此在给出检测结果的同时，也给出检测过程中的环境温度，检测结果才更有意 义。 9 、定位器坡度 定位器是支持和确定接触线相对于线路中心横向位置的装置，接触线拉出 值的大小就是靠定位器来决定的。连接定位器的定位管通常安装为1 ：1 0 l ：6 的坡度。坡度过小，电力机车通过定位点时容易因抬高过大造成受电弓滑板撞 击定位器，坡度过大则影响悬挂点的弹性。 1 0 、线岔始触点 在两条电气化铁路交叉的上空，由两组汇交的接触线用限制管连接并固定 的装置称为线岔。线岔的作用是保证受电弓安全平滑地从一条接触线过渡到另 一条接触线，达到转换线路的目的。 当受电弓通过线岔时，在运行到两导线交叉点处前，如果已经接触到另一 根导线，则该接触点就叫“始触点”。如果在始触点处两导线的高度差过大，就 会因为受电弓的抬升力作用而使得高度差增大而容易发生弓网事故。为避免在 始触点发生弓网事故，通常要检测始触点的位置，并检查在始触点附近有无设 备进入始触区。 1 1 、接触网电压 电力机车牵引供电对接触网电压有一定的要求，如果接触网电压过低，就 会影响机车征常运行，一般要求接触网电压不得低于1 9 k v 。 2 2 接触网参数小型检测系统检测项目及其检测方法 接触网参数小型检测系统安装在接触网作业车上，只检测与弓网运行状态 联系较密切的参数，包括接触线拉出值、接触线高度、弓网接触压力和硬点等， 测量这些参数，可以基本满足接触网工区需要，而成本较低，使用灵活方便。 下面介绍本系统检测项目及其检测方法。 2 2 1 接触线拉出值 拉出值的检测分为接触法和非接触法两种方式。 非接触测量法主要包括激光扫描法和c c d 成像法【1 0 l ，这些方法因不与受 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 电弓直接连接，因而检测结果更接近实际情况，但是对设备的加工和安装精度 要求很高，软件的算法也较复杂，目前应用不多。 在接触法测量中使用的传感器有电磁式接近丌关、光纤传感器等。通过在 受电弓滑板上等距离安装多组传感器来确定接触线的具体位置，从而得出拉出 值。传统的接触网检测车普遍使用的是电磁式接近开关，当在某一个电磁式接 近开关上方有接触线经过时，接近开关便产生一+ 个电压输出信号，通过采集这 种电压信号，采用一定的算法可以算出拉出值。但使用这种传感器会大幅增加 受电弓弓头质量，对受电弓的动态特性影响很大，已越来越不适应高速情况下 的检测，因此，今后将逐渐被光纤传感器所替代。图2 1 是光纤传感器的检测 示意图： 接触线断面 光纤管 t 、 肇 图2 - i 光纤传感器检测小 ：j = 图 光纤传感器由两根光纤管和一个光纤放大器组成，每组光纤管按固定距离 安装在受电弓上，光纤放大器安装在车顶检测设备中。当有接触线经过某光纤 管卜方时，从导线表面的反射回来的光信号通过与其配对的光纤管传送回光纤 放大器中，放大器就产生一个逻辑电平为“1 ”的输出信号；而。卜方没有导线经 过时，放大器收不到反射回来的光信号，其输出就是“o ”。根据放大器输出的 信号，可以得出接触线的位置，从而计算出当前的拉出值。 采用光纤传感器的有很多优点： 光纤传感器质量轻，比采用一般的电磁式接近开关在重量上可以减少 8 0 左右，不会大幅度增加受电弓弓头质量，影响受电弓的动态特性， 这对高速下的检测结果有非常大的改善； 光纤管头很小，受电弓滑板上采用一般电磁式接近开关最多只能安装 堕塑奎望查堂堕主塑窒竺兰垡笙皇 兰! 戛 6 0 路左右，而采用光纤传感器可以安装8 0 路以上的传感器，从而提高 拉出值的检测精度。 光纤传感器采用绝缘光纤媒介，检测时不会受到接触网电磁场的干扰， 并可以实现检测设备与受电弓电气隔离，保障检测设备的安全，提高 检测设备的抗干扰能力。 22 2 定位 定位是个综合过程，不但要采集定位点( 一般选择支柱) 信息，而且需要 走行距离等信息的配合。在此只对定位点信号进行采集，下文中出现的定位信 号如无特别说明就是指检测到的支柱信息。定位信号是由光电传感器采集的， 光电传感器安装在受电弓弓头两端拉出值最大值以外的地方，当受电弓上方有 定位器时，光电传感器接收到反射光后输出一个丌关信号，从而检测出定位。 由于电气化铁道线路上双腕臂、软横跨目标较多，尤其是线岔，当通过这 些目标时，会造成光电传感器的误动作，可以采取软件措施来进行屏蔽这样的 错误信号。 2 2 3 接触线高度 采用角度测量法测量接触线高度，测量受电弓主轴转角的绝对编码器安装 在车顶，通过绝缘联动装置与受电弓的主轴相连，如图2 2 所示。受电弓滑板 上沿与接触线等高，高度和受电弓主轴转过的角度呈线性关系。在计算机内建 立一个角度高度对应表，在检测过程中，对测量出来的角度通过一定的查表算 法，就可以把接触线高度计算出来。角度编码器输出采用1 3 位格雷码，可以有 效减少误码率。通过联动机构使传感器和受电弓隔离，采用多：电缆将格雷码 信号直接输入前置单元，达到简化车顶检测设备的目的。 圈2 - 2 接触线高度测量方法h ；意幽 西壹奎望查兰塑主堡室圭兰堡堡皇 塑! 里 h _ 一 22 4弓网压力和弓网冲击 目前弓网接触压力的检测主要采用称重法，通过在受电弓及其支撑装置之 间安装垂直压力传感器，测量受电弓滑板对支撑装置的压力，进而可以得出弓 网间的接触压力。 接触压力的检测如图2 3 所示。 图2 3弓网接触压力计算小意图 图中f 为要测量的接触压力，f l 、f 2 用压力传感器的测量出来，a 为滑板 的加速度，所有物理量以向下为正。设滑板当量质量为i d - ，根据牛顿第二定律 有渭板垂直方向的力平衡方程： f e e m d = 0 ( 2 2 ) 式中，a 可以通过弓网冲击测量中使用的加速度传感器测量出来，于是得： f = 鼻+ e - 4 - m 口 ( 2 3 ) 目前对弓网冲击的检测是在受电弓水平和垂直方向安装加速度传感器，当 受电弓受到冲击时，瞬间的加速度变得很大，其大小与加速度传感器输出信号 幅值成正比。根据加速度值的变化即可检测出受电弓所受冲击大小。 2 3 数据传输技术 接触网参数检测系统是分布式系统，涉及到传感器、出微处理器组成的各 种检测模块、计算机等，检测设备分布在车顶、车内和车下，距离远，布线困 难，所以在各设备、各单元间的信息交换需要选择合适的通信方式来进行，传 统的通信方式有并行方式和串行方式。 并行通信方式是将数据各位同时进行发送或接收，它传输速度快，但传输 距离短，并且由于每一位均需一根传输线，对于检测车几米甚至十几米的传输 距离和有限的物理通路而言，显然不太适用。传统串行通信方式则是将数据一 位一位地传送，它只需要一根数据线，硬件成本低，布线也简单，适于远距离 通信【8 j 。缺点是传输速度较低，不太适用于传输速度要求很高的场合。 f 面对各种常用的数据传输方式分别介绍，然后根据本系统的特点选用合 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l o 页 适的传输方式： 23 1r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 r s 2 3 2 c 是美国电子工业会( e i a ) 公布的，是目前用的最多的一种串 行通信标准，主要用于数据终端设备( d t e ) 和数据通信设备( d c e ) 之间的 通信j 。 在电气性能方面，r s 2 3 2 c 使用负逻辑。逻辑“1 ”电平是在一5 v + 1 5 v 范围内，逻辑“0 ”电平是+ 5 v + 1 5 v 范围内。输入门限电压值为+ 3 v 和一 3 v ，即有2 v 的噪声容限。r s 一2 3 2 c 信号传输最大电缆长度为1 5 m ，最大传输 速率2 0 k b p s 。 由于r s 2 3 2 c 的逻辑电平与t t l 电平不兼容，因此要与t t l 器件连接， 必须进行电平转换，电平转换的电路可以由专用转换芯片实现，如m a x 2 3 2 、 m c l 4 8 8 等，也可以由分立元件构成。 r s 4 2 2 是由r s 2 3 2 c 发展来的，由于采用抗噪声能力强的差分电压输入， 因此具有较长的传输距离，最远可达1 2 k m ，r s 一4 2 2 的发送端采用平衡驱动器， 可以将传输速率提高到1 0 m b p s 。由于r s 一4 2 2 是单点单向传输，为提高传输能 力，在r s 4 2 2 基础上制定r s 4 8 5 标准，实现了多点双向传输，同时加强了发 送器的驱动能力和冲突保护能力。 2 3 2c a n 总线 现场总线( f i e l d b u s ) 是应用在生产现场的，在测量控制设备之问实现双向、 串行及多点通信的数字通信系统。现场总线采用双绞线、同轴电缆或光纤等介 质做总线，按照公开、规范的协议，在现场设备之问或现场设备与控制系统之 间实现数据交换，形成适应各种实际需要的控制通信网络。 现场总线有很多种，其中较有影响的是：基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 、h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 、c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o n ) 等。在此主 要介绍在本系统中应用的c a n 总线。 c a n 总线是现场总线的一种，它是一种架构开放、广播式的新一代网络通 信协议，称为控制器局域网现场总线，它分物理层、数据链路层和应用层，其 中物理层和数据链路层协议已经集成在芯片里，可通过硬件自动完成数据的成 帧与接收和发送，从而大大减少软件的工作量，因此c a n 总线可广泛应用于 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 离散控制领域中的过程监测和控制，特别适用于工业自动化领域，能够以较低 成本、较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下可靠地工作。c a n 总线具有以 下特点【1 2 1 1 3 】1 1 4 】1 1 5 ： ( 1 ) 通过报文标识符可将c a n 网络上的节点分为不同的优先级，以满足不 同的实时要求； ( 2 ) c a n 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个( c a n 技术规范 2 0 a ) ，数据传输延迟时间短，受干扰的概率低，重新发送的时问短； ( 3 ) c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，无特殊要求，接口 简单，设置灵活，容易构成用户系统。采用双绞线通信时，速率最高可达1 m b p s ， 结点数可达n 0 个； ( 4 ) 能够以多主节点方式工作，网络上任一节点均可设成主节点向其它节 点主动发送信息； ( 5 ) 在c a n 网络里靠多点传送和错误处理功能实现系统内数据的一致性； ( 6 ) 总线空闲时，任何单元都可以开始传送报文。具有较高优先权报文的 单元可以获得总线访问权： ( 7 ) 为了获得最安全的数据发送，c a n 的每一个节点均采用了强有力的 措施来进行错误检测和错误标定； ( 8 ) 任何检测到错误的节点会标志出损坏的报文。只要总线空闲，就会自 动将此报文重新传送； ( 9 ) c a n 节点能够把永久性错误和短暂的干扰区分开。在错误严重的情 况下，具有自动关闭功能，不会影响总线上其它节点操作。 c a n 的通信介质访问采用多主竞争方式：网络上任意节点均可可以在任意 时刻主动向网络上其它节点发送信息，而不分主从，即当发现总线空闲时，各 个节点都有权使用网络。在发生冲突时，采用非破坏性总线优先仲裁技术：当 几个节点同时向网络发送消息时，运用逐位仲裁原则，借助帧中开始部分的表 示符，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继 续发送信息，从而有效避免了总线冲突，使信息和时间均无损失。例如，规定 “0 ”的优先级高，在节点发送信息时，c a n 总线作“与”运算。每个节点都 是边发送信息边检测网络状态，当某节点发送“1 ”而检测到“0 ”时，此节点 知道有更高优先级的信息在发送，即停止发送信息，直到再一次检测到网络空 闲f 。 c a n 的传输信号采用短帧结构( 有效数据最多为8 个字节) ，和带优先级 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 的c s m a c a 通信介质访问控制方式，对高优先级的通信请求来说，在1 m b p s 通信速率时，最长的等待时间为o 1 5 m s ，完全可以满足现场控制的实时性要求。 c a n 具有突出的差错检验机理，如5 种错误检测、出错标定和故障界定；c a n 传输信号为短帧结构，因而传输时间短，受干扰概率低。另外，c a n 节点在严 重错误的情况。f ，具有自动关闭输出的功能，以使总线上其它节点的操作不受 其影响。因此，c a n 具有高可靠性。 c a n 的通信协议主要由c a n 总线控制器完成。c a n 控制器主要由实现 c a n 总线协议部分和微控制器接口部分电路组成。通过简单的连接即可完成 c a n 协议的物理层和数据链路层的所有功能，应用层功能由微控制器完成。 c a n 总线上的节点既可以是基于微控制器的智能节点，也可以是具有c a n 接 口的i o 器件。 采用c a n 总线方式的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。c a n 作为现场设备级的通信总线，和其他总线相比，具有很高的可靠性和性能价格 比，目前，c a n 接口芯片的生产厂家众多，协议开放，价格低廉，且使用简单， 广泛应用于工业测量和控制领域【1 7 。 2 3 3 以太网 以太网是数字设备公司( d i g i t a le q u i p m e n tc o r p ) 、英特尔公司( i n t e lc o r p ) 和施乐公司( x e r o xc o r p ) 在一九八二年联合公布的一种标准【5 。它采用 c s m a c d ( c a r r i e r s e n s e ，m u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ，带冲突检测 的载波侦听多路访问) 的通信介质访问方法。它在定义时的速率为1 0 m b s ，现 在已经发展到百兆甚至千兆的速度，将来可能会发展到更快的速度。以太网中 使用的c s m a c d 访问协议及其帧的一般格式和绝大多数特性均被i e e e 沿用 于其i e e e 8 0 2 3 标准以开发一系列“以太网类型”的网络【1 8 ：】。 计算机网络一般采用分层的体系结构，国际标准化组织开发了o s i ( o p e n s y s t e m si n t e r c o r m e c t i o n ) 开放系统互联参考模型，定义了通信和网络系统的描 述与连接的框架【l 9 】，描述了具有七个层次的系统。按照o s i 参考模型的分层结 构，以太网规范只包含物理层和数据链路层。 工业以太网是普通以太网在控制网络中的延伸，不但要考虑与计算机网络 连接的一致性，还要提高对其通信性能。工业以太网和o s i 互联参考模型对照 关系如图2 - 4 所示i l 驯： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用协议 t c p u d p i p 以太网m a c 以太网物理层 图2 4q - 业以太网和o s i 互连誉_ 芍模型对照幽 ： 业以太网的物理层和数据链路层采用i e e e 8 0 2 3 规范；网络层负责处理 分组在网络中的传输，例如分组的选路。网络层协议包括i p 协议( 网际协议) 、 i c m p 协议( i n t e m e t 互联网控制报文协议) 和i g m p 协议( i n t e r n e t 组管理协 议) ，一般是指i p 协议；传输层主要为两台主机上的应用程序提供端对端的通 信。t c p 可以为两台主机提供高可靠性的数据通信，其主要作用是将应用层传 输的数据分成合适的小块儿交给网络层；应用层包括一些服务，不但沿用互联 网应用协议，而且要添加与控制系统相关的应用协议。 2 3 4 数据传输方式的选择 随着列车运行速度的提高，对系统检测速度的要求也越来越高，接触网参 数小型检测系统必须能够适应这种变化，才能体现其多适应性，由于接触网参 数小型检测系统经常运行在接触网带电状念，数据通道受到的电磁干扰非常严 重，所以数据传输通道要具有较强的抗干扰能力。系统的数据传输通道示意图 如图2 5 所示： 受电弓 车顶 车内 采集调理单元 一一一一i 一 _ 一一一一一一 前置单元 f 主机单元 车下 图2 - 5系统的数据传输通道1 意图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 2 3 4 ，1采集调理单元与前置单元的通信方式选择 在采集调理单元与前置单元的通信中，由于这两个单元距离较远，经常达 到十几米，不能采用并行方式，而串行方式有多种，具体采用哪种串口通信协 议，需要综合考虑多方面因素，例如数据传输速率、设计开发难度等【4 l ”。采用 传输距离短、速度低的r s 2 3 2 方式显然不合适，而r s 4 2 2 4 8 5 标准只对接口 的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，用户需要在此基础上建 立自己的高层通信协议。因此在本系统中采用c a n 总线作为采集调理单元与 前置单元的通信方式。采用c a n 总线方式传输速率高，能够满足检测系统在 高速运行情况下对数据传输的要求，具有良好的抗干扰性能，最主要的是它能 挂接很多节点，利于增减检测项目，并且对传输介质要求不高，可以采用光纤 进行传输1 2 。这对于要求良好丌放性和适应性的接触网参数小型检测系统来说 是非常合适的。 2 3 4 ，2 前置单元与主机单元的通信方式选择 ( 1 ) 传统系统通信方式与以太网方式的比较 在传统的接触网参数检测系统中，前置单元与主机单元的通信一般是采用 两种方式：并行传输方式或c a n 总线传输方式。并行方式由于其传输距离近， 不利于系统扩展等原因，现在基本上已经不再采用，下面主要对c a n 总线方 式与以太网传输方式进行比较。 c a n 总线以其开放性、分散性、和可互操作性等技术特点，正成为未来新 型工业控制系统的发展方向【2 “。但是就其目前情况和在本系统中的应用来看仍 存在一些问题： 当前的现场总线产品包括c a n 总线产品主要是低速的，应用于运行速 度较低的领域，现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力都很弱， 主要用于简单的数据采集和控制信号的输出，而复杂的控制功能如预 测控制、系统优化等仍需集中在p c 机上或工作站上实现，没有实现真 丁f 的全分散m 1 1 23 1 。 c a n 总线产品支持的接口方式有限，比如笔记本计算机外接网络接口 都是p c m c i a 类型的，但一般都没有支持这种接口的c a n 卡，对c a n 总线方式在便携式网络化设备中的应用构成了障碍。 以太网是当前计算机领域应用最广泛的网络技术，以其价廉、高速等特点 著称，以太网技术成熟、标准统一、程序丌发简单，具有良好的丌放性和兼容 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 兰至 性，其产品又有丰富的实际应用经验，因此本系统采用以太网方式作为系统前 置单元与主机单元之间的通信方式。 ( 2 ) 以太网的非确定性问题分析 以太网遵从i e e e 8 0 2 3 标准，属于多路访问网络，网络中的节点共享同一 通信介质，采用带冲突检测的载波监听方式。当网络中的多个节点同时发送数 据时，就会发生信道争用，所以节点在要求数据发送时，要先监听信道是否空 闲，如果空闲就发送，如果忙就继续监听。即便如此，还是会出现几个节点同 时发送而发生冲突的可能性，因而以太网技术难以满足控制系统的实时性要求， 被称为非确定性( n o n d e t e r m i n i s t i c ) 。 对于工业以太网，通信的非确定性是必须解决的问题。可以采用以下措施： 提高通信速率。在相同通信量的条件下，提高通信速率可以减少通信 信号占用传输介质的时问，从一个方面减少了信号的冲突机会。目前 以太网的通信速率一再提高，相对于控制网络传统的几百k b p s ，1 m b p s 而占，通信速率的提高是明显的。 控制网络负荷。减少数据流量，也可以减少信号的冲突机会，提高通 信网络的确定性。一般来说，在网络负荷低于满负荷的3 0 时，基本 可以满足对确定性的要求l i 引。本系统数据流量相对于以太网来说，基 本在这个范围之内。 采用全双工交换方式，可以有效避免冲突。 选用适合工业环境的以太网器件。 采用上述措施可以有效缓解以太网的非确定性，提高实时性。 ( 3 ) 通信实时性分析 数据传输的实时性指的是信号的输入、运算和输出都要在极短时问内完成， 并能根据数据传输的实际情况的变化及时进行处理。因为所要采集的数据必须 是接触网同一断面的信息，如果不同步，采集到的数据将没有任何意义，所以 这里所指的是硬实时性的要求。实时性要求系统对输入信息在约定时问内作出 响应，也就是说，系统的正确性不仅是指数据处理结果的正确，还与系统得到 结果的时间相关，如果超出约定时间，仍然认为是错误的。 对检测系统来说，首先要保证的是对前置单元送出的数据接收的实时性。 在设计时，各路信号的接收由多任务的实时操作系统来保证。其次，前置单元 与主机单元的通信也要求实时性。影响二者之间通信实时性的因素主要有： 通信介质、网络接口的传输速率等。通信介质的传输速率越高，接口 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 的传输速率越快，实时性越高。 通信协议。包括介质访问控制方式、网络通信协议的结构等。一般来 说，通信协议越简单，实时性越商，但是实时性是和可靠性相互矛盾 的，无应答通信方式实时性要高于有应答的实时性，但可靠性就较低。 传输网络信息量。信息量越少，实时性越高。 在本系统中由于采用高性能的a r m 处理器和1 0 0 m 以太网，并且在软件设 计上采用多线程技术和u d p 协议，从目前检测数据量来看，能满足系统的实时 性要求。 2 4 嵌入式技术 2 4 ，1a r m 微处理器的特点 a r m 是由专门从事r i s c 处理器设计的a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司开发的。a r m 公司本身并不从事芯片生产，只提供芯片技术授权1 4 l 】。目 前很多大的半导体公司都使用a r m 公司的授权，根据不同的应用设计自己的 a r m 微处理器芯片。采用a r m 技术的微处理器遍及汽车、电子、网络、工业 控制等各类应用领域，不但占据了高端微控制器的很大一部分市场份额，而且 f 在以其低功耗、高性价比等优点向低端微控制器应用领域发展，向传统的8 1 6 位微控制器提出了挑战。 2 ，4 1 1r i s c 体系结构 a r m 微处理器的设计属于r i s c 体系结构。r i s c 结构是美国加州大学伯 克利分校的一个研究组于1 9 7 9 年针对传统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o n s e t c o m p u t e r ) 结构的缺点提出来的。在c i s c 指令集中，有大约2 0 的指令是常 用指令，占整个程序代码的8 0 ，而其余8 0 的指令在程序设计中只占2 0 ， 显然是不合理的【2 4 l 【2 5 1 。而r i s c 结构则采取优先选用频率最高的简单指令，将 指令长度固定，减小指令格式和寻址方式种类等措施来更加简化处理器的设计， 提高处理器的性能。 此外a r m 体系结构还采用了一些其他的技术： 所有的指令都可以根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指 令的执行效率； 使用加载存储( l o a d s t o r e ) 指令批量传输数据，提高数据传输效率； 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 垦 在循环处理中使用地址的自动增减，提高运行效率。 所以这些处理器体系结构上的特点，保证了处理器在保持高性能的同时， 电路相对c i s c 结构的芯片比较简单，这样芯片面积比较小，功耗低，特别适 合于嵌入式应用。 2 4 1 2a r m 微处理器的t h u m b 指令集 r i s c 处理器的指令功能比较简单，相对c i s c 芯片，为了完成同样的功能， 需要的指令的数量更多，而且其指令长度固定，这样程序编译产生的代码相对 c i s c 芯片的大。而嵌入式应用场合，存储器容量有限，对程序占用的存储器容 量比较敏感。 a r m 微处理器最初设计时完全遵循r 1 s c 体系