（电力电子与电力传动专业论文）机车重联无线控制装置的在线诊断系统.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 o v e r l o a d i n gi s t h e d i r e c t i o no ft h e d e v e l o p m e n to fr a i l w a yt r a n s p o r t , b u t b e c a u s eo f1 i m i t e ds i n g l em a c h i n et r a c t i o n , i no r d e rt om e e tt h en e e d so fh e a v yh a u l t e c h n o l o g y ，i sb o u n d t ot h e d e v e l o p m e n to fm u l t i - t r a c t i o nt e c h n o l o g y , a n d l o c o m o t i v ec o u p l i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e d i n c r e a s i n g l y i n t h i sf i e l d t h i s a r t i c l e st a 玛e t s _ 一l o c o m o t i v er e c o n n e c t i o no fw i r e l e s sc o n t r o l d e v i c e ，u s i n g a m i c r o c o m p u t e ri n t e l l i g e n tc o n t r o l ，d e t e c t i o nt e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kt e c h n o l o g y t h er e a l i z a t i o no ft w oo rm o r et r a i n sb e t w e e nt h et r a c t i o n s y n c h r o n o u so ra s y n c h r o n o u s o p e r a t i o n , t oi m p r o v et h e e n t i r e t r a i n t r a n s p o r t c a p a c i t y i no r d e rt oo n l i n e m o n i t o r i n g t h el o c o m o t i v e c o u p l i n g w i r e l e s sc o n t r o l e q u i p m e n t ，w en e e d t oe s t a b l i s ha no n l i n er e a l t i m ed i a g n o s i sa b o u tt h eo b j e c ti nt h i s a f t i c l e l o c o m o t i v er e c o n n e c t i o no fw i r e l e s sc o n t r o ld e v i c e t h eo n l i n ed i a g n o s i s s y s t e mo fl o c o m o t i v ec o u p l i n gw i r e l e s sc o n t r o le q u i p m e n th a sb e e nd e s i g n e d o n l i n ed i a g n o s t i cs y s t e mc a p a b l eo fw i r e l e s sc o n t r o ll o c o m o t i v er e c o r m e c t i o nb o o t d e v i c ed e t e c t i o n ，a n dr e c o n n e c t i o ni nt h e1 0 c o m o t i v er u n n i n gt h ew i r e l e s sc o n t r o l d e v i c ew h e nt h er e a l t i m e m o n i t o r i n go fv a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e so p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，v a r i o u sf a u l t sd i a g n o s i sm o d u l e ，w h e nt h ef a u l t so c c u r s ，b ya d d r e s s i n g e l e m e n ta n a l y s i so ff a u l t sl o c a t i o na n df a u l t si n f o r m a t i o ns e n tt ot h ed r i v e r sc a bo f t h es c r e e n ，i n d i c a t i n gt h ed r i v e rt ot h en e x ts t e p i nt h i sa r t i c l e ，f i r s ti n t r o d u c e dt h el o c o m o t i v er e c o n n e c t i o no fw i r e l e s sc o n t r o l d e v i c e ，a sw e l la st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ec o m p o s i t i o no fm o d u l e s ，a n dt h e n i n t r o d u c e dt h eo n l i n ed i a g n o s t i cs y s t e md e s i g np r o g r a m s a n df o rs i g n a la c q u i s i t i o n , a n a l y s i so ft h er e l e v a n tc o n t r o ls i g n a l sa n ds t a t es i g n a l s ，t h e s es i g n a l st h r o u g ht h e o p t i m i z a t i o no fc h o i c ed o e sn o ta f f e c tt h en o r m a lo p e r a t i o no fd e v i c e s ，t h ed e s i g no f t h e s i g n a la c q u i s i t i o np r o g r a m s i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e md e s i g n e dh a r d w a r e c i r c u i t r ya n ds o f t w a r ew o r k f l o w , a n da n a l y s i so ft h es y s t e mb u s ，g i v e nt h es y s t e m i n t e r f a c ec i r c u i tr e l a t e d f i n a l l y , d i das i m u l a t i o ne x p e r i m e n to np cm a c h i n e sw i t h i ，a bw i n d o w s c s o f t w a r e k e y w o r d s ：l o c o m o t i v ec o u p l i n g ；f a u l tm o n i t o r i n g ；o n l i n ed i a g n o s i s ；l a b 铀d o w s c v i 西南交通大学学位论文创新性声明 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 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 通过对机车重联无线控制装置设计原理的学习，确定了完成在线诊断系 统需要采集的信息，对无线控制装置在线诊断系统的硬件和软件部分进行了设 计。 2 在不改变装置原有结构和不影响装置原有功能的基础上，设计了信息采 集模块，其中包括开关量信息采集部分和模拟量信息采集部分。 3 利用l a bw i n d o w s c v i 软件建立仿真实验平台，并在实验室进行了仿真 实验，对本系统的设计进行了验证并得到了结论。 学位论文作者签名： 压x 日期：、彳年6 月罗日 西南交通大学曲南爻迥大罕 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 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：7 ； 厍记 磊轹7 别 棚 师乒柳移 导期匕日丌1指日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章介绍了对机车重联无线控制装置实施在线监测与故障诊断重要性，制 定了对机车重联无线控制装置进行在线检测与故障诊断的任务及本论文研究的 主要内容和要完成的工作。 1 1 课题背景及研究的意义 随着社会经济的飞速发展，对铁路运输能力要求越来越高，尤其是对列车 的车载运输能力的要求越来越高。重载运输在于列车重量加大，列车编组加长， 实现全程直达运输，使一条铁路尽可能多地输送车流，充分发挥铁路集中、大 宗、长距离、全天候的运输优势，达到提高铁路运输能力和效率，多运快运， 降低成本的目的i 。 重载是铁路运输发展的方向，但由于单机牵引力有限，因此为了满足重载 技术的需要，必然要发展多机牵引同步控制技术【2 】，多机牵引技术国内目前主 要停留在两台机车的有线电缆重联控制阶段，这种有线电缆重联控制存在以下 几个缺点： ( 1 ) 主控机车必须与从控机车在列车首部直接进行有线连接，这样就使得 整列车的动力得不到合理分配； ( 2 ) 主控机车与从控机车采用有线连接，使得列车编组和解挂都很不灵活， 而且一旦发生线路开路( 如：重联线被外物挂断或列车震动使得重联电缆松动) 等故障，轻则使列车运行失常，重则酿成事故； 本论文研究的对象机车重联无线控制装置【3 】，采用的微机智能控制、 检测技术、无线通信网络技术，能很好地解决上述问题。 由于车载系统的工作环境复杂、恶劣，在装置运行过程中，将会受到机车 的震动、高温、车载高压元器件的电磁辐射等影响，在这种情况下工作的机车 重联无线控制装置，故障率很高。机车重联无线控制装置控制着整个机车中各 个动力牵引机车的运行和配合，若在运行中出现的故障得不到及时诊断和处理， 将会造成严重的行车事故。 在这种情况下，机车重联无线控制装置的高效维修是个急需解决的问题， 机车重联无线控制装置在线状态监测与故障诊断不仅会帮助提高装置的维修效 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 率，也对安全行车有很大的帮助。随着现代科技技术的发展，人工智能的成熟， 解决上述问题的已经成为可能，进行机车重联无线控制装置在线监测与故障诊 断理论、方法和应用的研究具有重大的理论意义、现实意义和广阔的市场前景。 1 2 故障诊断技术的发展及现状 设备运行状态监测与故障诊断的基本思想源于生物医学诊断，它是以机械 电子学、信息论为基础，多学科交叉，多学科融合的工程技术。它是伴随着电 子技术、计算机技术、传感器技术、现代控制理论、现代信号处理技术、人工 智能技术、网络通信技术、现代设计与测试理论发展而发展的【4 - 5 1 。 设备在运行过程中，由于种种原因，其运行状态会不断变化。设备状态监 测与诊断就是通过获取设备过去和现在运行过程中的状态量，判明其质量优劣、 是否安全，异常和故障的原因及预测对将来的影响等。 状态监测与诊断以设备和由设备组成的群体以及相应的功能过程作为研究 对象，包括三个层次的任务：一是设备运行的状态监测；二是设备异常时的故 障诊断；三是设备故障的早期诊断与早期预报。 设备监测与诊断技术最早源于美国。1 9 6 1 年美国开始执行阿波罗登月计划 时曾出现过一系列严重的设备故障，这导致1 9 6 7 年在美国宇航局的倡导下，由 美海军研究室主持监测与诊断技术的研究与开发工作。6 0 年代末，英国、日本、 德国等发达国家亦相继开始从事这方面的研究，到7 0 年代中期，该技术开始在 钢铁、化工、铁路、船舶、动力等领域产生巨大的效益和应用潜力。如今，监 测与诊断技术已在全世界范围内得到蓬勃发展。 监测与诊断最重要的意义在于改革设备维修制度。由于监测与诊断技术能 诊断和预报设备故障，所以可将传统的定期维修制度改变为实时、在线的状态 修。 自从6 0 年代美国开始系统地开展故障诊断技术的研究以来，这一技术在世 界各国正越来越受到重视。故障诊断技术己在电子设备、机械设备及机电一体 化设备上得到成功的应用。随着系统可靠性、维修性理论和技术的发展，故障 诊断己发展成为一门边缘学科，它涉及系统论、控制论、信息论、检测与估计 理论、计算机科学等多方面的内容瞄】。 随着计算机技术的发展，故障检沏4 及故障定位的技术得到了极大的发展， 已逐渐由功能模块的检测向具体集成电路( 芯片) 发展，同时在故障隔离和减少 虚警率等方面也取得了很大进展。某些飞机及机载航空电子设备的研究已把故 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 障检测作为一项设计要求写入研制任务书，并开展了故障检测设计。 故障诊断通常使用两种诊断方法：内部诊断和外部诊断。内部诊断使用固 定安装的装置，并在功能一旦受到影响时，可以做出反映当时情况的说明恤。 外部诊断使用修理厂的装置，仅在需要时与被检测对象连接，该装置可以是标 准装备的一部分，或者是专门研制并一起提供的装置。现有多机牵引无线同步 操控装置的故障诊断设备大部分都是使用外部诊断方法，作者也曾参与过多机 牵引无线同步操控装置外部诊断设备的研制，这些外部诊断设备将多机牵引无 线同步操控装置从机车上卸到地面上进行离线检测，可以逐个插件检测，也可 以整机检测。 机车重联无线控制装置在线监测诊断系统采用外部诊断方式。在设计本装 置的时候，考虑到了保障装置安全性能的需要，设置了部分检测功能，如部分 部件的开机自检等。自检部分主要用于开机的时候检测和记录机车重联无线控 制装置开机的时候部分部件的状况，这样的检测虽然对检修工作带来了一定的 帮助，但是不能够实时进行故障诊断，发生故障时，不能够实时的显示出故障 位置，实时性不强。因此，需要设计一种能够在线的诊断系统。 1 3 本论文的主要工作 本论文的研究课题基于成都铁路局项目：“机车无线重联同步操纵系统”， 主要研究如何建立开发机车重联无线控制装置的在线诊断系统，从而实现装置 的在线状态监测和故障诊断。 对机车重联无线控制装置在线状态监测与故障诊断的基本任务是分析装置 的原理，获取其工作的状态信号，由微处理单元实时的对这些信号做分析处理， 对机车重联无线控制装置进行状态监测，在发生异常时，进行故障诊断和故障 定位，从而得出结论。 在线监测与故障诊断系统的目的是：实时监测装置的运行状态，当发生故 障时，利用采集到的状态信号，依据故障诊断相关方法进行故障定位；对一些 异常信息数据进行在线分析，把原始状态数据和初步诊断结果保存，为装置的 检修提供有价值的数据。 具体主要工作如下： 1 、深入分析研究对象一d d w k 1 型机车重联无线控制装置( 下文中如 无特殊声明，则用装置来代替) 对研究对象的深入了解是建立一个故障诊断系统的第一步。本文对机车重 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 联无线控制装置进行了分析，分别介绍了机车重联无线控制装置整体结构以及 主要功能单元在无线控制装置中的作用及工作原理。此外，作者还简单阐述了 机车重联无线控制装置在线诊断的可行性。 2 、确定整个车载在线诊断系统的总体结构 在深入分析研究对象的基础上，分析了如何选择出能够实现对整个系统诊 断的状态量，并利用最少的状态量来实现对机车重联无线控制装置运行状态的 检测。同时，本文还研究了怎样在不影响机车重联无线控制装置正常运行的情 况下进行这些状态量信号采集的问题。 3 、确定整个诊断系统总体结构，设计可行的数据采集与隔离方案，选择满 足要求的微处理单元，完成硬件电路的设计。建立机车重联无线控制装置在线 诊断系统的软件平台。并通过p c 机进行仿真实验，验证系统的设计功能是否 满足设计要求。 本论文的目标是：系统学习机车重联无线控制装置的组成结构和工作原理， 分析和研究从机车重联无线控制装置能够采集到的状态信息，利用这些信息对 机车重联无线控制装置进行在线监测与故障诊断。设计符合实际情况的信息采 集方案和整个系统的软、硬件，最后通过调试实验验证设计的可行性和可靠性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章机车重联无线控制装置及其可诊断陛 设计机车重联无线控制装置的在线诊断系统，首先要学习机车重联无线控 制装置的相关知识。本章首先介绍机车重联无线控制装置整体结构以及主要功 能单元在无线控制装置中的作用，然后介绍机车重联无线控制装置的工作原理， 最后，简单阐述了机车重联无线控制装置在线诊断系统的可行性。 2 1 装置整体结构及各模块设计 整个装置采用模块化的设计方法，分为信号采集模块、输出控制模块、无 线收发模块、主机四大部分，而且为了保证系统的通用性，主控机车设备与从 控机车设备完全一样，具有这样的系统结构可以使得任何一台装有该装置的机 车均可以成为主控机车，也可以作为从控机车使用，这样就比较符合现有铁路 的运输情况。为了提高装置的可靠性，设计了热冗余的备份组，组成双机双工 系统瞵圳。装置构成原理如图2 1 所示，以下分别为各个模块功能概述。 2 1 1 主机 图2 1 装置构成原理图 主机是整个装置的核心部分，它一方面接收和处理来自本务机车的信息， 另一方面还要接收和显示从控端发送来的信息，便于司机可以更全面的掌握整 个列车的运行状况。除此之外主机还要负责系统控制模式的转变、司机指令输 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 入、总线管理、故障报警等功能。 实现以上功能主要是利用现有的成熟开发经验，采用单片机加外围电路的 处理方案来实现机车无线重联操纵功能，这样不仅可以节省开发成本，降低软 硬件的开发难度，缩短开发时间，而且还可以保证系统具有较高的可靠性1 1 4 j 。 主机采用p 8 7 c 5 9 1 单片机为处理核心，加外围功能电路构成。模块构成原 理如图2 - 2 所示。 2 1 2 信号采集模块 图2 - 2 主机构成原理图 本模块的主要任务是实时的采集机车的运行信号，其中所采集的信号分为 控制信号和状态信号两大类。 控制信号主要有司机控制器给出的起动、调速、制动信号和换向信号、司 机按键台开关箱给出的整备控制信号。如：升弓信号、主断分合信号、劈相机 起动信号、空气压缩机，通风机起动信号等。 状态信号包括：牵引电机电压，电流、各种辅机的工作状态、各种保护的 动作故障信号。状态信号反映了在司机当前操作下，机车内部的电气设备及主 辅电路的工作状态。 控制信号的采集是整个系统的关键，对控制信号的采集要求具有很高的实 时性和精确性，所以对信号的采集和发送单独作为一个模块来处理。该模块由 两块独立的采集板构成，分别对控制信号和状态监测信号采集。采集的数据通 过信号处理电路送入单片机内部进行处理，然后直接通过c a n 总线发送。这 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 种前端信号处理的方式大大缩短了控制信号处理的时间，提高了系统的实时性。 模块框图如图2 3 所示。 网 l 控制器n 辆司机 控制器 重联柜 龆h 鼍蠢h 毳凳霎h 嚣笑h 簇 开关量 控制信号 光电 隔离 磊哮扣 磊勰集部分 嚣箸蠢h 器h 鼍嘉h 毳霁羹h 蓑笑h 篾 信号控 制电路 开关量 状态信号 光电 隔离 图2 3 信号采集模块构成原理图 2 1 3 机车控制执行模块 z p 8 7 c 5 9 1 组合了8 7 c 5 5 4 ( 微控制器) 和s j a l 0 0 0 ( 独立的c a n 控制器) 的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 功能，增强的c a n 接收中断，扩展的验收滤波器，验收滤波器可“在 运行中改变”；用于从c a n 总线获取信息。 1 6 k 字节内部程序内存，自带5 1 2 字节片内数据r a m ；通过软件配置 可以使用其内部的2 5 6 字节的x r a m ，已满足系统需求，可以简化外 围存储器电路。 2 个8 位分辨率的脉宽调制输出( p w m ) ；全双工增强型u a r t ，带有可 编程波特率发生器；具有3 2 个可编程i o 口；带硬件1 2 c 总线接口， 双d p t r 。 3 个1 6 位定时计数器：t o ，t 1 和t 2 ( 捕获& 比较) ，1 个片内看门狗定 时器t 3 ，可以支持四路脉冲自动捕获，捕获中断优先级可以软件设置。 带6 路模拟输入的1 0 位a d c ，可选择快速8 位a d c ( 本系统采用了 p 8 7 c 5 9 1 自带的l o 位模数转换器) 。 增强的温度范围：- 4 0 + 8 5o c ，适合在高温环境的机车上使用。 二、a d 转换芯片的选择 我们知道，单片机只能对数字信号进行采集和处理，要对模拟信号进行采 集处理就必须先将模拟信号转变为相应的数字信号，这就需要用到a d 转换器 件。a d 转换器件是模拟量采集电路的核心器件之一，器件选择的好坏将直接 影响到信号采集的精度、速度等。 本文选择了p 8 7 c 5 9 1 自带的1 0 逐次逼近式位a d 转换接口。模拟量输入 口的输入电压范围为0 - - 5 v ，这需要对输入的模拟量进行信号的调理。一次转 换的转换时间为2 5 膨，满足系统的设计要求。而且a d c 可选择在空闲模式中 关闭以降低功耗或在空闲模式中保持有效以降低转换时的内部噪声。该选项可 通过a u x r l 中的a i d l 位进行选择。当a i d l 置位时，a d c 在空闲模式中有 效，a i d l 清零时，a d c 在空闲模式中关闭。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 图4 1 模拟输入电路的功能框图 如图4 1 所示为逐次逼近式( s a ) a d c 的部件。a d c 包含一个d a c 将逐次 逼近寄存器值转换成电压v d a c 与模拟输入电压v 协比较。比较器输出输入到逐 次逼近控制逻辑对逐次逼近寄存器进行控制。通过置位a d c o n 中的a d c s 位 对转换进行初始化。a d c s 只能由软件置位。 当控制位a d c o n 5 ( a d e x ) = 0 时，选择软件启动模式。通过置位控制位 a d c o n 3 ( a d c s ) 启动转换。当转换初始化完成时，转换在置位a d c s 指令的 下个机器周期启动。a d c s 实际上是作为两个触发器：一个受置位操作影响命 令触发器和由读操作进行访问的状态标志。接下来的两个机器周期用于初始化 转换器。在第个周期的结束，a d c s 状态标志置位，如果在转换过程中读取 a d c s 将返回l 。在第二个周期的结束开始对模拟输入进行采样。 在接下来的8 个周期中，对选择的p 1 管脚的电压进行采样，输入电压应当 保持稳定以获得有用的采样。在任何情况下，输入电压的变化率必须小于 1 0 v m s 以防止出现一个不确定的值。 三、其他芯片的选择 本系统在进行c a n 总线通讯模块硬件电路设计时选用了p 8 2 c 2 5 0 芯片作 为c a n 总线收发器。p 8 2 c 2 5 0 是c a n 协议控制器和物理总线之间的接口，该 元器件对总线提供差动发送能力并对c a n 控制器提供差动接收能力【3 2 3 3 】。此 外，利用p 8 2 c 2 5 0 可方便地在收发器与控制器之间建立光电隔离，以实现总线 上各节点间的电气隔离。其主要特性如下：和“i s 0 1 1 8 9 8 ”标准完全兼容；高速 率( 最高可达1 m b p s ) ；具有环境中的瞬间干扰，保护总线能力；斜率控制以降 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 低射频干扰( r f i ) ；差分接收器，抵抗宽范围的共模干扰，强抵抗e m i 的能力； 对电源和地的短路保护等。 本文选用了1 6 路多路转换开关a d g 5 0 6 a 将模拟量信号分送到a d 转换 器进行转换。a d g 5 0 6 a 是一款高性能的多路转换开关，它的最高开关频率可 以达到l 一1 0 m h z ，开关时间约为0 1 - - 2 u s ，而其功耗却只有微瓦级，其实时性 等足以满足系统要求。待测的模拟量信号通过i n a l - - i n a l 6 引入多路转换开关 a d g 5 0 6 a ，多路转换开关的a 0 a 3 脚为通道选择控制端，分别和单片机的相 应的地址线相连，这样通过改变a 0 - - a 3 的值就可以选通相应的输入端，被选 通的信号通过芯片的o u t 脚输出。芯片的e n a b l e 脚为使能端子，为高电平时 芯片工作。 除了以上介绍的芯片外，硬件设计中还用到了高速光电耦合器6 n 1 3 7 等。 4 2 系统的硬件电路组成 4 2 1c a n 总线通讯模块电路 机车重联无线控制装置上不同功能模块之间要通过c a n 总线来交换信息。 装置自带的数据采集模块和本文设计的故障诊断模块均采用p 8 7 c 5 9 1 微控器， p 8 7 c 5 9 1 采用标准m c s 5 l 内核，并且内部集成了c a n 总线控制器功能模块， 简化了总线硬件接口【2 引。 由于单片机内嵌的c a n 控制器s j a l 0 0 0 的信号输出口驱动能力较低，因 此系统中加入了c a n 总线接口驱动芯片p 8 2 c 2 5 0 ，该器件最初主要是为高速 通讯应用而设计的，它对总线提供差动发送能力，对c a n 控制器提供差动接 收能力。另外，为了增加通信距离，保护总线、降低干扰，提高系统的瞬间抗 干扰能力，防止使输入信号与单片机信号相互干扰，在p 8 7 c 5 9 1 和c a n 驱动 器p 8 2 c 2 5 0 之间还加入了由高速光耦6 n 1 3 7 构成的隔离电路。 总线的两端连接1 2 0 q 的电阻，对匹配总线阻抗起着重要的作用。如果忽 略掉它们，会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低，甚至无法通信。 在电路中p 8 2 c 2 5 0 的管脚8 ( r s ) 有三种工作模式，通过不同的连接方式将 p 8 2 c 2 5 0 的第8 管脚r s 接地或接高电平，可使p 8 2 c 2 5 0 在高速、待机、斜率 控制三种模式中的一种下工作。根据实际的需要选择了将管脚8 接到高速模式 的工作模式下，这种模式的总线输出信号用尽可能快的速度切换，因此一般使 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 用屏蔽的总线电缆来防止可能的扰动。 单片机p 8 7 c 5 9 1 通过t x d c ，r x d c 端口可与外部c a n 节点交换数据。 图4 - 2 为系统c a n 总线接口原理图。 v c c 图4 2c a n 总线接口原理图 在此电路中特别要注意的是高速光电隔离器件6 n 1 3 7 的电源供给问题，即 6 n 1 3 7 的输入端与输出端的电源要分别供给，否则起不到隔离的作用。图中在 6 n 1 3 7 与p 8 7 c 5 9 1 连接的一端所用的电源与p 8 7 c 5 9 1 所用的电源相同，同为 v c c ，而在其与p 8 2 c 2 5 0 相连的一端则使用与p 8 2 c 2 5 0 芯片同样的c 舢w c c 的电源。 4 2 2 模拟量诊断信息的采集电路 需要采集的模拟量包括司机调速手柄级位和牵引电机的电压、电流和励磁 电流，都有相应的电压传感器和电流传感器对牵引电机的电枢电压、电枢电流 和励磁电流信号进行提取。这些模拟量都为直流，只要其量值在a d 转换器的 输入量程范围之内，那么就可以直接将直流信号送往a d 转换器进行模数转换。 信号输入前利用添加的两个单向导通的二极管，来保护装置本身所采集的 信号不受添加的自检电路的影响。a t v l 5 为自检电路部分信号输入端。电容c 和4 7 k 电阻组合成是一个低通的滤波电路，滤除所采信号的高频干扰成份。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 删d 图4 3 模拟量输入部分信号输入电路 下面图中所示的调理电路是的输入端接的是多路选择开关a d g 5 0 6 a 的输 出端a o u t l 。信号经过第一片运放l m l 2 4 后，将采集到的信号变为原来的1 4 ， 经过电压跟随器后，输入到单片机的模数转换接口。采集端采集到的模拟量最 大值为1 5 v ，经过降压以后，电压变为3 7 5 v ，单片机的模数转换接口的最大 输入电压是5 v ，可以满足输入要求。 图4 _ 4a d 输入前的信号调理电路 4 2 3 故障诊断电路部分 故障诊断部分主要包括单片机p 8 7 c 5 9 1 ，地址锁存器7 4 l s 3 7 3 ，程序存储 器2 ；c 1 2 8 ，晶振和复位电路。其电路原理图见图4 5 所示。 考虑到1 6 k 字节内部程序内存不够用，我们用外部程序存储器2 7 c 1 2 8 进 行扩展，7 4 l s 3 7 3 作为地址锁存器，锁存同时作为数据线和地址线的p o 端口。 a d 转换接口p 1 6 接收来自多路选择开关的模拟量状态量信息。开关量状态信 息利用c a n 总线接口从信息采集部分获取。 复位电路是使用精密复位控制器c a t l 0 2 6 。复位控制器可确保掉电和电源上 下电时系统的正确操作。c a t l 0 2 6 监控s d a 和s c l 的状态变化，一旦起始条件 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 出现，它们将会立即响应，使得r e s e t 管脚有效。- - 旦r e s e t 管脚有效，2 0 0 m s 的定时器将开始计时复位时间。如果外部复位信号的时间小于2 0 0 m s ，复位输出 将在至少2 0 0 m s 内保持有效。 图4 5 故障处理部分电路原理图 4 2 4 开机自检电路部分 开机自检电路包括模拟量采集通道部分，1 1 0 v 开关量采集部分和i5 v 开 关量采集部分。其原理图如下所示： 图4 - 6 开机自检电路原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 其工作原理是：当系统上电准备运行时，单片机通过自检控制端t e s t 给出 自检命令，该信号经过8 n p n 达林顿管u l n 2 8 0 3 对继电器进行驱动，使得相应 的自检继电器吸合，同时相应的自检指示灯点亮。a t v l 5 、v t e s t 和z t g n d 输入端分别接通1 0 v 、11 0 v 和1 5 v 的自检电压信号，该信号经开关量和模拟 量采集部分采集后送到单片机进行处理，将所得的结果和预想值比较( 若采集 到的开关量数据均为0 x f f ，则该组采集模块功能正常，否则为故障。) ，从而判 断各个采集通道是否故障。 4 2 5 显示及数据存储电路部分 一、显示部分 显示部分电路主要由单片机电路、r s 2 3 2 通讯模块、液晶显示器、键盘等 组成，通过c a n 总线接收开机的自检信息和在线运行时的故障诊断信息，并 在显示屏实时显示。硬件组成框图如图4 7 所示： 愕茭据嗲 c a n 总线 串口 _ _ 剖r s 2 3 2 模块输入r t t l 电平 单片机电路 ( p 8 7 c 5 9 1 ) 7 l 键盘冷 接口芯片 液晶显示器 图4 7 显示电路硬件组成框图 系统上电后先初始化显示界面，当从c a n 总线收到数据时，判断数据类 型，若是自检信息，则显示到自检信息栏内；若是在线诊断时的故障信息，则 显示到在线诊断故障信息栏以提示司机进行下一步的操作。 二、故障数据存储部分 故障数据存储部分通过c a n 总线接收自检信息和在线运行时的故障诊断 信息，并储存到c f 卡里。通过以往的应用经验表明，c f 卡数据存储准确，抗 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 干扰能力强。可通过转存到地面的数据系统，判断机车的运行状态和诊断结果， 提高了系统设计的效率。 c f 卡采用5 0 针的接口。内部设计采用了模拟硬盘方式，所以c f 卡采用 的接口和i d e 接口是兼容的，在存储芯片和接口间不需要特殊的信号转换芯片， 这也是c f 卡能够实现高速的原因。 本系统采用m e m o r y 模式，要进入m e m o r y 模式，需要在上电时保证o e 为高电平。由于采用c f 卡上电后自动进入的m e m o r y 模式，而且不存在对特 性寄存器的读写，故可将r e g 接高电平。数据传输模式选择d 0 - - d 7 低8 位传 输，因此，将c e 2 接v c c ，c e l 接地。 c f 卡与p 8 7 c 5 9 1 的接口电路框图如下： a 0 a 3a 0 a 3 d 0 d 7 d 0 d 7 r do e a 4 a 1 0 w rw e r s t 广一r e g p 8 7 c 5 9 1 i - - -c e 2 c e l l _ _ -v c cg n d i 图4 8c f 卡与p 8 7 c 5 9 1 的接口电路框图 4 3 硬件抗干扰性 系统稳定工作的两个必备条件：尽量减小干扰信号窜入系统；即使干扰信 号窜入系统，应能将其影响降到最小。 一、系统干扰的形成分析 在线诊断系统工作环境恶劣，电磁干扰( e m i ) 严重，主要的干扰分为两类： 1 内部噪声源：电路板中有许多电阻、集成电路、电容组成，由于内部电 路的原因，产生的噪声不可避免，如芯片内部的开关噪声等；还有系统在一些 接触地方的噪声，如信号引入的插头与捅座之间的噪声等； 2 外部噪声源：主要通过空间传播的噪声，如紧靠设备的劈相机电源会产 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 生交变的强电磁场通过耦合而产生干扰。另外电力机车在运行过程中受电弓时 有离线现象而产生火花，通过火花放电对系统造成放电噪声干扰。 噪声干扰是通过耦合通道对系统产生电磁干扰的，其传递几乎都是通过导 线，或者通过空间和大地传递的。 在硬件电路的可靠性设计中，隔离设计、接地设计、屏蔽措施、印刷电路 板的设计都是针对以上分析的噪声干扰而在系统设计中所考虑和采取的措施。 二、硬件电路的可靠性设计 外部空间干扰在强度上远小于内部干扰，外部干扰可用良好的屏蔽方法、 正确的接地措施以及高频滤波方法加以解决。系统采取措施主要针对内部噪声 源，论文考虑了以下几个方面： 1 电源及信号隔离 隔离可以直接切断传导干扰。机车重联无线控制装置的信号引到在线诊断 系统后要加以隔离，以切断来自现场的传导干扰，也要防止在线诊断系统产生 的噪声影响原有设备的运行。对模块中信号采用了光耦隔离，光耦的特性也使 得一些脉冲干扰信号不足导通光耦，对高频率信号起到了过滤的作用。 2 屏蔽措施 降低空间传播噪声的方法是屏蔽。为了实行有效的屏蔽，就需要考虑与噪 声源的距离、噪声的频率及空间阻抗，再按照静电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽三 种方法的实施。 机车重联无线控制装置其本身就是屏蔽柜，很大程度的减少了来自外部的 整流桥、电网等引起的噪声。本系统直接嵌入到机车重联无线控制装置中，主 要使用电磁屏蔽。 3 地线设计 接地是电路和设备最基本的要求，是保证设备安全可靠工作的必要条件， 接地不当，可以通过地线产生寄生电压和电流耦合进电路，从而使系统的功能 受到影响。在信号采集电路板上，高频部分如微控制器p 8 7 c 5 9 1 工作频率为 1 2 m h z ，而低频信号如电压、电流传感器信号大约5 0 k h z ，所以对接地也就不 能一概而论。低频中避免接地环路，当环路中有信号电流时，接地线路的阻抗 就会使地基准的电位发生变化：而在高频中要防止天线效应，采用多点接点， 不可避免形成环路，但在高频中是允许的。数据处理模块的地线设计成闭环回 路增强其抗干扰性能。原因是：受到线条粗细限制，地线将沿着布线方向产生 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 电势差，造成电路板上元件，尤其耗电量较大元器件抗噪性能劣化；将地线连 成环路，可以缩小电势差值从而达到提高设备抗噪能力； 4 印刷电路板制作与抗干扰措施 印刷电路板是整个系统稳定运行最直接的问题，其设计的好坏对系统的稳 定性、抗干扰能力影响很大，布线、布局都应充分考虑，符合抗干扰的原则， 主要考虑的因素和采取的措施有： ( 1 ) 系统采用了两层印刷电路板，首先在“地”的分割上，独立的地自成系 统；模拟数字地采取地连桥接。 ( 2 ) 电路两层的信号走线尽量垂直，避免平行走线以减少层间的窜扰。 ( 3 ) 在布线允许的情况下，尽量拉大传输线间的距离，尽可能的减少相临 传输线间的平行距离。 ( 4 ) 采用大量的旁路电容、去耦电容，并且正确的放置。 5 自动复位电路 硬件防干扰措施不能完全解决问题。恶劣工作条件下，程序受干扰陷入死 循环是经常发生的现象，引导跑飞的程序恢复到正常轨道是硬件系统的重点之 一，论文采用w l a t c h d o g ( 看门狗) 技术【5 0 】解决异常程序自动复位。w a t c h d o g 工 作原理：规定时间内调用看门狗程序( 定时喂狗) ，超过设定时间未喂狗时，监 视器认为系统陷入死循环，向单片机r s t 端输出复位脉冲，系统程序重新从第 一行执行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 第5 章在线诊断系统软件设计及验证 本章主要设计了系统在运行时所需的软件程序并针对软硬件在p c 机上进 行了仿真实验。软件设计部分包括c a n 总线通讯模块、信息采集模块、故障 处理模块和数据存储模块的软件程序。仿真实验的软件平台是用l a b w i n d o w s c v i 建立的，并通过显示面板显示了仿真结果。 5 1 系统的软件部分 软件设计与硬件设计同等重要，甚至有时其重要性比硬件还要高，因为硬 件一但选定以后就不能更改，除非重新设计整个系统，而软件则可以随着程序 的深入而逐渐完善，直到尽善尽美，而且有时硬件设计上有了缺陷，还可以通 过软件编程来弥补。硬件的功能能否得到充分的发挥，与软件也有很大关系。 一般情况下，在速度要求不是很严格的地方，能够用软件实现的功能，就尽量 的用软件来实现。这样不仅节约系统成本，而且更好的实现系统的通用性。 5 1 1 系统总体软件 系统中各个模块之间传输的信号种类较多，实现的功能比较复杂，特别是 在保证较高的可靠性前提下，要实现总线上各个功能模块之间能够协调工作， 使信号的采集、c a n 总线的数据传输以及故障显示模块具有较高的可靠性和实 时性，达到机车控制的要求，系统的总体软件的设计就显得的十分重要了。主 机工作流程描述如下： ， ( 1 ) 系统开机后，首先初始化各个功能模块，如显示电路、数据采集电路、 数据存储电路、c a n 接口控制器等。然后主机通过c a n 总线向各个模块发送 自检命令，各个模块首先上电自检并将自检结果通过c a n 总线发送到故障显 示单元，当总线上各个功能模块自检完成后回复主机自检指令，通知主机系统 准备就绪。 ( 2 ) 系统准备就绪后，开机运行。此时启动在线诊断功能，采集开关量和 模拟量信息并对这些数据进行故障诊断。有故障产生时，c p u 判断出故障所在 位置，并将结果通过c a n 总线发送给故障显示单元。司机根据显示的结果， 进行进步的操作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 系统的总体软件流程图见下面图5 1 所示。 图5 1 系统的总体流程图 为了减少数据量，采用一个数据位对应一个输入通道的方法来表示自检结 果是否有故障，这里定义：当对应通道自检结果故障时对应位置1 ，无故障时 对应位置0 。 由于一个字节数据只能表示8 个输入通道，所以为了表示所有通道，这里 利用字节顺序号加以识别，即：第一个字节表示第1 0 路输入通道，第二个字 节表示第9 1 6 路输入通道，第三个字节表示第1 7 _ 4 路输入通道依次类 推。 这里举例阐述一下上述的编码方法： 例如：系统对本务机车2 4 路1 i o v 开关控制量采集板自检后发现，第1 、5 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 1 2 、1 5 、2 4 路通道有故障，则系统通过c a n 总线向显示模块发送的自检信号 为：0 x 8 30 x 0 20 x 0 30 x d 8 0 x 0 0 0 x 1 10 “8 0 x 8 0 ( 前面五组数字为帧 信息和标识码，后面三组数字为自检结果) 。 为了便于c p u 诊断核输出诊断的结果，在本文中作了如下约定：如果将得 到的两组数据进行逐位比较时某些位的数据值不一致，则通知故障标志位置二 进制编码l ，如果将得到的两组数据进行逐位比较时某些位的数据值一致，则 故障标志位置二进制编码0 。通过这样的方法，就可以用故障标志位判断出故 障，并给出故障的定位。例如，某8 路开关量采集中，若仅有其中的第3 个采 集通道存在故障，则故障诊断的输出结果为0 0 0 0 0 10 0 。 5 1 2c a n 总线软件部分 c a n 总线模块软件是系统控