（机械电子工程专业论文）微机控制单板测试系统的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 随着铁路事业的高速发展，机车的自动化水平越来越高。机车控制系统做为 机车的重要组成部分，其是否能正常工作直接影响着机车的运行状况。针对机车 控制系统已经有一套完备的检测系统，但是工作人员并不能通过这套系统准确找 到控制系统的故障所在。微机控制单板测试系统就是在已经完成的整机测试系统 的基础上进一步研制和开发的。它能够辅助整机测试系统对机车控制系统的电子 线路板卡进行测试，解决测试过程中的故障定位问题，提高对机车控制系统检测 的精确性和自动化水平。 本文在机车控制系统整机检测系统的基础上，采用自动检测技术，矛用工控 机与各种功能板卡相结合，构建基于工控机的机车控制系统电子线路板的自动检 测系统。该系统利用工控机和各种功能板卡模拟机车运行时产生的信号，并判断 被测电子线路板对相关信号的响应，以此来检测被测电子线路板。 本文提出对机车控制系统的1 0 块电子线路板的实现方法，并针对各种难点 ( s 1 d 总线协议的解析，与辅助c p u 板的通讯等) 给出相应的解决方案。硬件部 分设计了相应电子线路板的检测电路，并研制了为解决通讯和信号转换等问题的 接口电路板。软件设计方面，基于v c “6 0 平台开发相应的控制软件和系统界面， 实现了、矾n d o w s 环境下对硬件部分的实时控制；设计系统精确定时程序，解决了 软件模拟频率信号的难题。并且设计了系统自检程序。 本文详细介绍该测试系统的工作原理及构成，针对每一类电予线路板卡的测 试过程进行详细的论述。经实验测试，证明该系统可以检测机车控制系统的各类 板卡。 关键词：机车控制系统自动检测技术故障检测s t d 总线 1 i l 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t f l o w i n gt h er 印i dd e v e l o p m e l l to ft f a i l l s i nc h i n a ， t h ea u t o m a t i o nl e v e io f l o c o m o t i v ei sl l i g h e a sa ni m p o n 柚tp a r to fl o c o m o t i v c ，w h e t h c rl o c o m o t i v ec o n t r o l s y s t e mi sw o r 妊n gd i r c c t i ya 珏e c tt h em n l l i n gs t a t eo fl o c o m o t i v e ac o m p l e t ed c t e c t i o n s y s t 锄f o rl o c o m o t i v ec o n n d ls y s t e i i lh a sb e e l 】a c h i e v e d h o w e v t h ep r o f e s s i o n a l c a t l te x a c t l yj u d g et 1 1 et r d u b l e sb yt l l i sd e t e c t i o ns y s t 啪m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l e d b o a r dt e s t i n gs y s t 锄sr e s e a r c ha l l dd e v e l o p m e 芏l ta r eb a s e do nt h ei n t e g r a t e dt e s 缅g s y s t e m i tc a nh e i pt h ei n t e g r a t c dt e s t i n gs y s t e mt o t e s te l e c t r o n i cc i r c u i tb o a r d so f i o c o m o t i v ec o n t r d ls y s t e f na n ds o l v et h ep r o b i e mo ff a u l ti o c a t i o n i tc a ni m p r o v e a c c u 豫c ya i l da u t o m 撕o ni e v e lf o rt e s t i n gi o c o m o t i v ec o n 昀ls y s t e i l l b a s e do nt l ei m e 掣a t e dt e s t i n gs ”t e mo fl o c o m o t i v cc o n 仃o ls y s t e m ，t l l i sp a p e r d e v e l o p e da u t o m a t i cm e a s u 煳c n ts y s t 蹦lb a s e do ni n d l l s t r i a lc o m r o lc o m p u t e rf o r t e s t i n ge l e c t r o i l i cc i r c u i tb o a r d so f l o c o m o t i v ec o n 扛d ls y s t e m t m ss y s t e mc a ns i m u l a t e s i 辨a l sc a u s e db yl o c o m o t i v ea n dj u d g cm er e s p o n d st os i 印a l so f b o a r d s b yt h j sw a y ， m es y s t 1t e s t sv a r i e t i e so f b o a r d s t h ep a p e rp r e s t si m p l 锄e 1 1 tm e t i l o d sf o rt e s t i n g1 0b o a r d so f l o c o m o t i v cc o n t r o i s y s t e m s o m es 0 1 u t i o n so f h a r dq u c s t i o n sa r ca l s od e s 喇b e dh e r e ，s u c ha st h ea 1 1 a l y s i so f s t db u s ，c o m m u l l i c a t i o nt oc p ub o a r da i l ds oo n c i r c u i t sf o rt c s t i n g b o a r d sa r c d c s i g n 。dj nh a 国嘲r es y s t e 】：1 1 a ni n t e r 向c ec i r c u i tb o a r d 岛rc o m m 唧i c a t i o na n ds i g n a l c o n v e r s i o ni sa l s od e v e l o p e dh e r e s o f h a r ed e s i 印i n gc o n t a i l l sd e v e l o p i n gc o n t r o l p m 盟l i i la 1 1 ds y s t e m si n t c r f a c eb a s e do ns o r w a r ed e v d o p m e n tp l a t f b 姗o fv c + + 6 o ， w i t hw h i c hu s e r sc a i lc o n 们lh a r d w a r es y s t e mi nr e a l t i m el i i l d c rw i n d d w s ，i ta l s o d e v e i o p e da c c u r a c yt i m e rf o rs i m u i a t i n gf e q u e n c ys i 龋a ia n ds e i f c h e c k i n g 内n c t i o n t h ep a p e ri n t m d u c e st e s t i n gs y s t e m so p e m t i o n a lp r i n c i p l ea 1 1 ds t m c t u r ei nd e t a i l i ta l s od i s c u s s e s t e s t i n gp r o c e s s o fe v e 哆 t y p e o fe l e c t m n i cc i r c u i tb o a r d s e x p 舐m c n t a t i o ni n d i c a t e sf h a tl h i ss y s t 咖c a nt e s tc i r c 试tb o 丑f d so f 】o c o m o l i v ec o n f r o 】 s y s t e m 1 ( e yw o r d s ：l o c o m o t i v ec o n t r o ls y s t 咖 a u t o m a t i cm e a s u r 雠e i l tf a u l td e t e c t i o n s t d b u s 北京交通大学硕士学位论文致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师龚卓蓉教授的悉心指导下完成的，毙卓蓉教授严谨的治学态 度和科学的：c 作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年朱龚卓蓉老师对我的关心 和指导。 毙卓蓉教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大 的关心和帮助，在此向龚卓蓉老师表示衷心的谢意。 冀卓蓉教授对于我的科研： 作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘鹏飞、涂晓强等同学对我论文中的软件开发方面的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 绪论 随着电子技术和微型计算机的高速发展，促进了微型计算机控制和测量技术 的迅速发展和广泛应用。可以说，微机测控技术的应用已经渗透到国民经济的各 个部门，从国防、航空、航天到日常生活中的各种家用电器等，而铁路作为国民 经济的重要部门，在微机测控技术的使用上也已经有了很大发展。又由于铁路行 业的特殊性，使得它在测控技术的使用上，尤其是在控制系统的测控方面，显得 尤为重要。 1 1 本课题的研究背景和意义 近年来，随着我国机车制造水平的不断提高和引进国外先进机车，机车的电 子控制电路也越来越复杂，高效而准确地检测各个电子控制电路成为保障机车运 行安全，提高机车生产效率的重要途径。为了保证板卡的质量，在生产过程中需 要对板卡进行质量检测，及时发现板卡上的错误，根据有关的检测理论，及早发 现错误，采取有效措施，从而降低生产成本。采用以微处理器为核心的智能检测 技术能可靠完成现场所需的高效、准确测试，因此在国内外得到广泛使用。在我 国仿照飞机“黑盒子”的功能，在铁道机车上安装了实时监测系统“列车运行监 控记录装置【ij ，、“机车随机故障监测记录系统”等设备。国外abb 公司、西门子 公司生产的新型机车上也均装有先进的检测系统，在一些现代化水平较高的机车 上还装备有专家诊断系统，可对机车上主要电子设备进行检测。 为保障机车运行的安全，保证控制系统的正常运转，该项目的合作方已经开 发了对于其调车机车控制系统的整机检测设备，不过这只能检测出控制系统在整 体运行时出现问题，但不能确定究竟是哪块电路板出现问题。为解决这一问题， 即实现对内部各予系统电路板的单板故障定位，就需要设计一种具备自动检测多 块电路板功能的单板测试系统。 众所周知，微机( 包括微处理器、单片机、个人计算机) 的突出特点之一是 高速度，可以节省大量人力。然而，微机检测的意义还不限于此。微机检测系统 依靠具有计算、处理能力的控制器，适时的数据采集，可以用简单的测试设备测 出各种基本信息，并由微机分析出被测系统的性能，从而可使自动检测系统在硬 件尽可能简单的情况下达到多功能的测试效果。检测结果还可以多种方式输出， 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 如显示数字、图、文、打印报表、文件。在检测过程中还能做出各秭定的分析、 统计、判断、处理。 该单板测试系统可以利用微机检测技术对板卡进行故障检测。微机自动检测 具有极高的检测效率。一般情况下，微机在程序的支持下进行板卡性能检测的速 度是非常高的，只需数秒的时间，极大地提高了工作效率。 微机自动检测还可以降低对检测人员的要求。借助于自动化检测系统，仅需 一位高水平设计人员编制出技术规格书，根据此规格书即可在应用软件中插入相 应的故障提示文本，检修人员只需要按提示文本提示的故障处及故障概率大小， 顺序更换相应零件即可解决检修问题，于是众多的中等水平的检修工就可以完成 高级技工或技师的工作。 该单板测试系统可以方便地定位板卡问题，大大简化整机联调过程中的故障 定位，缩短了单板测试时间，将极大地方便调试人员和维修人员正确、有效开展 工作。该检测系统最终将应用于各个机务段，直接在现场对单板进行测试。 1 2 本课题相关技术的发展及国内外研究现状 课题主要是对自动测试系统的开发，必然涉及到自动化测试技术的应用。在 硬件选择上，我们选择了工业控制计算机作为系统的硬件开发平台，触摸屏作为 人机联系的主要部件。下面分别介绍这些相关技术。 1 2 ，1 自动化测试技术凹简介 测试是人类认识和改造客观世界一种必不可少的重要手段，对它人们也有着 不同的理解。目前测试常常泛指生产和科学实验过程中进行的测验和测量的全过 程，既包括定量的，也包括定性的测量和试验。习惯上，将为完成某项测试任务 而按某种规则有机构造的互相连接起来的套测试仪器( 设备) 称为测试系统。 这是狭义的测试系统，广义的测试系统还应包括测量者( 人员) 、测试对象和测试 环境。一个测试系统，出人工操作完成特定测试任务，称为手动测试系统。适用 具有一定自动化能力的测试系统进行的测量和实验称为自动测试( a u t o m a t i c m e a s u r e m e n ta n dt e s t ) 。 随着电子技术的发展，现代工业上的电子系统无论是军用的，或是民用的， 都变得越来越复杂。如果仍用传统的手工测试装置，无论对产品生产时测试还是 设备维护时测试，都将变得越来越困难，同时还需要测试技术熟练的工程技术人 2 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 员进行操作，所以，自动测试装置已逐步取代了传统的手工测试装置。各种自动 检测系统的组成越来越复杂，对许多参数的检测精度要求越来越高，既要求检测 系统具有更高的速度和自动化水平，又要求检测系统具有更大的灵活性、适应性 和可靠性，并向多功能发展。 微机自动测试系统为满足上述要求仓4 造了条件，测试系统的许多硬件功能可 以由软件来实现，这样可简化系统设计、降低成本、减小体积和重量及提高系统 的可靠性；由于软件编制工作有很大的灵活性，因此使系统的功能大大加强，并 且有很好的可扩展性和可移植性。还可以通过软件编程将各种数字处理技术应用 于测试系统中，使测试系统更准确可靠。通过软件控制相应的硬件设备，能完成 输入输出信号切换，从而使系统有更好的可扩展性和可移植性。除此之外，系统 还有故障诊断、记录显示和结果判断等功能。“微机控制单板测试系统”即是自动 测试技术在机车检测领域的一个应用。 ( 1 ) 自动测试系统的发展概况强钉 通常把在最少的人工参与下，利用计算机执行程序，控制测试过程并进行数 据处理直至以适当方式给出测试结果的测试系统称为自动测试系统( a t s ， a u t o m a t e dt e s t s y s t e m ) 或自动测试设备( a t e ，a u t o m a t e d t c s t e q u i p m e m ) 。它自 从上世纪六十年代产生以来，大体上分为三个发展阶段。 i ) 第一代自动测试系统 即早期的自动测试系统，是针对具体测试任务而设计的专用系统，主要用于 要求大量重复测试，要求可靠性高的场合，或为提高测试速度以及工作于测试人 员难以停留的场合。第一代测试系统具有较高的测试效率，至今仍有广泛应用。 但是第一代自动测试系统设计组建困难且不通用，系统设计者需自行解决仪器与 仪器、仪器与计算机之问的接口问题。当这种系统比较复杂，需要程控的设备较 多时，研制工作量很大，所用费用亦较昂贵。不仅如此，这种系统适应性也不强， 改变测试内容一般需要重新设计接口电路。 2 ) 第二代自动测试系统 上世纪七十年代，自动测试系统解决了标准化通用接口问题，进入到目前应 用最广泛的第二代。在这种自动测试系统中，各设备都用标准化的接口和母线按 积木块形式连接起来。组建者无需自己设计接口电路，更改、添加测试内容也很 灵活。 目前普遍使用的接口标准是美国惠普公司首先提出的可程控仪器通用接口标 准g p i b ，也称为i e e e o 一4 8 8 或i e c 一6 2 5 ，它主要用于受干扰较小的试验室及生 产测试条件下的台式自动测试系统。它可以把世界上不同国家、不同厂家生产的 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 仪器设备用通用标准接口和母线联接起来，避免了以往每次组建系统时都要设计 一套专用接口的重复劳动。 除g p i b 接口标准外，还有c a m a c ( 计算机辅助测量与控制) 接口标准和串 行r s 一2 3 2 c 接口标准，自口者主要用于核物理的电子测量，后者在现场测试和维修 时较为方便。 3 ) 第三代自动测试系统 第二代自动测试系统本质上依然是对人工测试的模仿，虽大大提高了测试速 度，但电子计算机的高速数据处理能力并没有充分发挥。第三代自动测试系统用 计算机软件代替传统仪器的某些硬件功能，其基本思想是：在计算机控制下对基 本被测量进行采样，然后由采样值计算出所需测量参数。计算机不仅完成系统控 制功能，还要产生各种激励信号，同时各种测量的最终结果也要用一定的算法程 序求出。 第三代自动测试系统由三部分组成： 微型计算机 为系统核心。 通用硬件 用来完成各种测试功能。通常包括s h ，a d ，d a 变换器及可程控测试接口。 应用软件 它同计算机相结合，是第三代自动控制系统的灵魂。 第三代自动测试系统的基本功能结构和处理软件功能分别如图1 一l 、图l 一2 所示。 图l l 第三代自动测试系统功能结构 4 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 计 算 机 软 件 处 王晕 图l 一2 第三代自动测试系统软件处理功能 第三代自动控制系统目前还处于发展阶段，其虽有功能强、硬件少、性能价 格比高等优点，但属间接测量、工作频率还不够高，使用受到很大限制。 ( 2 ) 自动测试系统的构成汹“1 现代自动测试系统是计算机技术、数字信号处理技术、自动控制技术同测量 技术相结合的结果，具有极其广泛的含义。计算机技术和测量技术结合形式不同， 可以构造出不同结构的现代化测试系统，但其构成是可以模块化的。从系统构成 上看，自动测试系统在结构组成方面主要包括硬件和软件两大部分，其硬件结构 如图1 3 所示。 图卜一3 测试系统硬件结构图 硬件部分主要出主机电路，模拟量输入输出电路、人机联系部件及其接口电 路、标准通信接口等组成。其中微机作为整个测试系统的核心，有着如下作用： 1 控制测试过程； 2 激励信号： 3 数据处理，对响应进行处理，作出判决； 4 输出测试结果； 5 七京交通大学硕士学位论文第一章绪论 5 ，管理测试系统； 6 监测报警。 它输出的数字量经过d a 转换和信号处理后经可控开关阵列送入被测系统， 送出的开关量同样经过必要处理送入被测试系统，使被测系统工作于某一状态， 系统的响应信号经过可控开关阵列后，经过必要的处理送入微机，微机再对这些 数据进行处理，对被测系统的运行状态进行故障诊断和评估。 微机测试系统的另一个重要组成部分是系统软件，它主要由监控程序、接口 管理程序和数据处理程序三大部分组成。通过对软件系统的设计，使计算机本身 成为测试系统的一个重要部分，大大降低对测试硬件的要求，很多硬件功能可由 软件来实现，如非线性补偿、自动调零、量程调整等。而数字滤波技术的应用也 使系统更简单。友善的人机界面可方便测试人员进行测试工作，大大提高测试准 确性和灵活性。 自动测试系统的软件对于故障诊断有四项主要功能： 1 确定测试信号 决定能够诊断被测对象故障的所有激励源，其执行的结果是同时产生激励信 号表、所检测的故障及其故障特征表。 2 从测量数据决定故障特征 从实际的故障特征不能直接由测量设备供给时，需有软件对测量结果进行处 理，得到实际的故障特征。 3 故障特征分析 在故障特征得到后，将它和被测电路在正常工作情况下的特征进行核对，以 检测是否有某些故障存在。 4 故障诊断策略 在故障检测出来后，根据对被测电路故障诊断的要求。或者停机，或者进一 步进行故障诊断定位和识别。当进行故障定位和识别时，需要规定策略，以选择 输入激励源和选择被测量。 作为自动测试系统，最终的设计目标：可以不依靠任何有关的技术资料( 或 用尽量少的技术资料) ，由非技术人员上机进行几乎全自动的操作。 由于本课题所开发的测试系统的测试对象是电子线路板卡，信号处理起来可 能更简单，因为板卡发出的信号基本上是标准信号，在信号处理方面的工作相对 比较简单。 6 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 工控机的发展现状 工业控制计算机也称工业个人计算机i p c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t c r j p c ) ，它是根据工业生产的特点和要求设计的，以实现各种生产过程、调度管理 自动化，以达到优质、高效、低耗、安全、可靠、减轻劳动强度和环境污染为目 的的电予计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。 自上世纪9 0 年代以来，随着计算机技术的发展，控制系统的核心硬件计 算机的发展也日新月异，计算机数控技术已进入了其发展的第三代基于p c 平台( 即p c b a s e d ) 。i p c 具有普通p c 所具有的优点，诸如：元器件的集 程度高、可靠性好、性能高：技术进步快，升级换代容易；提供了开放式的基础， 可供利用的软、硬件资源极为丰富，使数控功能相应得到扩展。此外，许多在p c 机上可以运行的软件及操作系统，都可在i p c 上运行，凡是在p c 机上可插入的 硬件模块和可接上的外部设备，如：网卡、图形加速卡、声卡、打印机和摄象机， 在i p c 上均可插入和接上。由于所有的设备和备件都可以轻易地在市场上买到， 价格也便宜，也使得维修非常容易。 而工控机本身又有它自身的一些特点： ( 1 ) 可靠性高。平均无故障工作时间达到几万小时。 ( 2 ) 实时性好。当过程参数出现偏差或故障时，工控机能及时响应，并能实 时地进行报警和处理。 ( 3 ) 环境适应性强。能适应温度，湿度变化范围，有防尘、防腐蚀、防振动 冲击的能力，有较好的电磁兼容性和高抗干扰能力以及高共模抑制的能力。 ( 4 ) 程输入和输出配套较好。丰富的多功能过程输入和输出配套模扳，多类 型的信号调理功能。 ( 5 ) 系统扩充性和开放性好。 ( 6 ) 系统通信功能强。具有串行通信、网络通信功能。 ( 7 ) 后备措施齐全。包括供电后备，存储器信息保护，手动自动操作后备， 紧急事故切换装置。 ( 8 ) 具有冗余性。 目前国内市场上的i p c 主要品种及其评价如下： 台湾研华的i p c 6 l o 系列机型 世界三大工控机厂商之一，在中国大陆及台湾市场均有较高的市场占有率， 同时也是p c b a s e d 控制器的全球领袖厂商，产品品种广泛，市场定价适合中国 国情。 7 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 其他台湾工控机厂商 主要有凌华、威达、艾讯、磐仪、大众、博文等，产品富有特色，市场定位 也较研华低。 国内老牌工控机厂商 主要有康拓、华控、同维、华远等，机型及性能略显落后，市场定位低。 国内新兴工控厂商 主要有深圳研祥、艾雷斯、北京华北等，是主流机型的市场追随厂商，发展 较迅速，产品市场定位低。 其他国外品牌 主要有美国i c s 、德国西门予、日本康泰克等，产品可靠性好，市场定位高。 其中研华功能扳卡和研华工控机作为新一代的工业控制装置，在越来越多的 工业控制中得到了广泛的应用。研华功能板卡具有性能稳定、精度高以及编程简 单等特点，使其特别适用于信号的检测。因此我们采用研华i p c 及其功能板卡做 为系统的硬件平台。 1 2 3 触摸屏技术的发展现状 随着生活中类似于p d a 的手持设备的越来越多，彩色l c d 触摸屏也变的 越来越普及，并逐渐成为当今的主流配置。触摸屏是一种信息定位设备，通过一 定的物理手段，操作者可以通过与屏幕的直接接触向计算机或信息处理系统输人 坐标位置，所挨到的位置( 以坐标的形式) 被触摸屏控制器检测到，并通过接口 ( 如r s 一2 3 2 串行口或总线) 传输到主机的c p u ，从而确定操作者所输入的信息。 触摸屏是多媒体信息输入的一种新型设备，提高了人机交互功能，各国都在 积极地进行触摸屏的研制开发。触摸屏从低档到高档，从红外线式、电阻式走到 电容感应式，现在又发展到表面声波触摸屏，更先进的体波声波触摸屏正在研制 之中。触摸屏性能越来越高，技术也越来越先进。由于触摸屏的特点，对其有以 下要求：透明度高、定位精确、长时间保持准确、工作稳定可靠、不影响美观和 不易被破坏等等。 现有的触摸屏按工作原理划分为5 类：电阻压力式、电容式、红外线式、表 面声波式、遥控力感式。这5 类触摸屏技术中，遥控力感式技术较新，但价格贵； 电容式、红外线式、表面声波式均受环境因素如温度、湿度、振动、高压、电流、 静电等影响。而且电容式、表面声波式还需要使用导电物质或裸指接触。比较之 下，我们认为电阻压力式触摸屏技术可行，它的主要技术指标是：透光性好、分 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 辨率高，对接触物质不受限制，仅需2 诒压力即可感应，寿命5 0 0 万次点；在 机械特性上它可任意弯曲适应各种显示器，防划、防晒、防摔，能承受多种环境 因素的干扰，抗静电、无漂移现象，温度适应范围是+ 6 5 一1 5 ，适合于机 务段的工作环境。 1 3 本文主要内容和研究重点 本文首先介绍了系统总体设计方案，其中包括系统要实现的目标和系统研发 主要难点。主要介绍了微机测控系统的硬件构成和工作原理，以及软件部分要实 现的功能和要求。 从第三章开始，就进入了对测试系统的详细讨论。本系统以电子线路板卡为 检测对象，利用微机、数据采集卡，并结合计算机应用软件的设计，开发一套实 用的板卡故障检测系统，所以会针对不同的板卡进行介绍，包括对每种板卡测试 方法的研究以及软硬件上的实现方法。并且针对系统开发的难点问题，给出行之 有效的解决方法。并且会对整个系统的运行过程进行比较详细的阐述，分析整个 系统在调试运行中出现的一些问题和解决方法。阐述系统界面设计的目标以及实 现方法。最后对该系统的前景进行展望，也提出一些需要改进的地方。 1 4 本章小结 本章介绍了“微机控制单板测试系统”的开发背景，机车控制系统测试装置 的现状和需要解决的单板故障定位问题，还介绍了与该系统开发有关的技术在国 内外的发展状况，最后给出本论文的主要工作。 北京交通大学硕士学位论文第二章系统总体设计方案 2 系统总体设计方案 本课题由于是直接面向用户，所以研究成果将作为产品直接应用于各个机务 段，结合以前所开发的整机测试系统，以解决现场控制系统的检测问题。 2 1 系统实现目标 系统要检测各种板卡的情况，必须模拟机车上各种开关信号和模拟信号，以 此来检测被测板卡对相关信号的晌应，并在人机对话的触摸屏界面上显示出相应 的参数或者波形，为检测板卡好坏以及故障定位问题提供有利的支持。以下就是 本系统要实现的目标。 ( 1 ) 模拟真实现场环境，单板逐一检测l 号至1 0 号板的工作状态。 ( 2 ) 根据检测的结果，给出相应的检测报告，并且支持打印功能。 ( 3 ) 检测过程中，给出必要的实时数据显示。 ( 4 ) 实时数据显示方式将以图形化和数字化两种方式显示，界面更加人性化。 ( 5 ) 既允许用户一次性检查全部板卡，也允许用户选择单独检测某块板卡， 单独使用系统的某一项或者几项功能。 ( 6 ) 检测结果可以方便地打印成表格形式，也可以导出成常用数据文件形式 如：e x c e l 格式，a c c e s s 格式，或者纯文本格式，便于将数据导入其他检测结果分 析软件处理。 ( 7 ) 简单的操作模式，所有的检测操作只需要用鼠标即可完成，不需要任何 其他附加操作。 ( 8 ) 系统采用目前市面上流行的硬件设备研华公司生产的功能板卡，便 于维护和更新设备。 由于该系统开发的是直接面向客户的产品，在系统开发的过程中要注意该系 统在实际运行过程中的自检、抗干扰、寿命以及界面的友好等问题，使用户能够 在经过简单培训的基础上很快的掌握操作方法，系统本身也能长时问保持在一个 较稳定的状态中。若系统出现问题，用户也可以通过自检功能方便的找到系统的 故障所在。 0 北京交通大学硕士学位论文第二章系统总体设计方案 2 2 系统功能及整体设计思路 2 2 1 系统功能 本系统要通过s t d 总线和串口与被测板卡进行通讯，要模拟多路开关信号和 模拟信号并通过接口电路板发送给相应板卡，同时还要通过接口电路板接收扳卡 发过来的开关信号和模拟信号，其中还有些开关信号是1 1 0 v 的大电压信号。 一些开关信号的模拟工控机可以通过数字量i o 卡直接产生，但大电压信号 必须通过外接电路才能产生，而且要避免这些信号对电路产生干扰。除了要产生 被测板卡需要的开关信号和对数字量的采集泡录之外，某些通道还要精确地测量 延时、频率等时问参数。模拟信号则主要通过模拟量i ，o 卡产生，其中大部分都 是电压信号地发送，只有一路是被测板卡发出的p w m 信号。除了要测量这路信 号的电压值外，还要精确钡4 量其占空比的大小。 2 2 2 整体设计思路 由于整机测试系统现已开发完成，所以本系统是专门为实现机车控制系统内 部各子系统电路板的单板检测而设计，可以单板检测多达1 0 块不同输入输出形式 的板卡。系统采用工控机做为主要的检测设备，采取全闭环的检测模式，可以最 大限度保证每条线路都可以检测到。该套系统的主要设计思想是利用工控机 发出各种检测命令，模拟板卡在真实环境下的各种输入，并且通过s t d 总线读取 板卡处理后的结果，将该结果与工控机模拟出来的真实数据进行比较，如果结果 在一定误差范围内，则可以认为板卡工作正常，如果超出规定的范围，则可以知 道板卡出现问题，需要及时到厂家检修。 为能够设计板卡的测试方法，设计人员必须清楚的了解每块板卡的技术指标 和基本功能，包括工作模式以及输入输出量的方式等等。只有在此基础上，设计 人员才能根据工控机以及它携带的功能板卡真实模拟被测试板卡现场的工作环 境，以达到测试其好坏的目的。 整个测试系统硬件由工控机及其功能板卡、接口电路板、触摸屏、模拟数字面 扳等组成。操作人员通过触摸屏给工控机发送命令，其中控制信号由工控枧发送 给相应的功能板卡，模拟现场的数字或模拟信号就由它们产生，其中数字量控制 信号通过s t d 总线发送给待测试板卡，模拟信号则经过接口电路板输入给待测试 北京交通大学硕士学位论文第二章系统总体设计方案 板卡。被测扳卡在收到信号后对其进行处理，并输出相应的信号，回送给工控机， 使得整个测试系统形成全闭环的测试模式。系统的整体框图如图2 一l 所示。 图2 一l 单板检测系统整体框图 2 3 系统组成和系统主要难点 2 3 1 系统硬件部分组成 对于一套微机测控系统来说，硬件是主体，是其一切技术指标得以实现的根 本前提，没有必要的硬件资源基础，一切技术指标都难以得到保证。所以必须选 择合适的硬件资源搭建起相应的硬件平台，才能顺利地开展下面的工作。 本系统硬件主要由以下几个部分组成：工控机及其功能板卡、接口电路板、 触摸屏。 工业控制计算机是该平台乃至整个系统的核心，它是整个平台的指挥中枢。 也只能以其为核心，才能将整个检测系统的人机界面、信息采集、数据的输入输 出、a d 等功能单元有机的集成为一个整体，构成一套完整的集自动化测量、数 据采集与分析、自动控制、数据管理为一体的高度现代化自动测控系统。不过光 有工控机是不够的，必须给工控机配上相应的功能板卡，拥有了这些板卡，工控 机才能提供给系统合适的开关量和模拟量信号。至于如何实现，将在后面具体的 章节中详细介绍。 接口电路板是为实现工控机和被测板卡直接的通讯以及信号转换所设计的。 2 北京交通大学硕士学位论文 第二章系统总体设计方案 它拥有与工控机和被测板卡连接的接线端子。除此之外，还有一些信号转换电路。 通过这些电路，工控机可以控制一些它本身不能产生的开关和模拟信号，而一些 被测板卡返回的信号工控机不能识别，经过这些信号转换电路之后，工控机就可 以读取这些信号。 触摸屏是人机交互的设备，操作人员通过触摸屏就可以对整个系统进行操作， 还可以看到检测的结果，而过程只是用手指点击触摸屏上相应的区域即可，可以 省去相对复杂的键盘操作，操作人员学习起来也更加容易。 2 3 2 系统软件部分组成 ( 1 ) 闪屏界面 显示欢迎窗口。 ( 2 ) 主系统界面 图形显示整个测试过程，可以选择任一功能卡测试界面以及整机系统的数据 显示。 ( 3 ) 单个功能卡测试界面 可以开始测试，显示测试过程数据，显示测试结果报告，打印和数据导出， 返回主系统，以及开始新的单个功能测试。 ( 4 ) 显示并记录测试结果 2 3 3 系统主要难点 ( i ) 频率输出采用d a 模拟正弦波和方波触发的形式 利用离散的数据模拟连续的波形。在这一过程中，一般只要模拟输出的速度 是采样速度的l o 倍应该可以满足要求。 ( 2 ) 三相电压的相位问题【5 】 可以采用专门的转换模块完成，如果该模块有问题，将考虑选用饲服电机加 光电码盘的方式判断电机转向问题。 ( 3 ) s t d 总纠6 】的协议解析问题 由于该机车控制系统采用s t d 总线做为主要通讯方式，但s t d 总线已经是第 一代工业总线，日自订市面上成熟的s t d 总线通讯卡和支持s t d 总线的工控机已经 非常少见，因此需要借助于数字i o 卡，直接开发s t d 总线通讯协议。 北京交通大学硕士学位论文第二章系统总体设计方案 ( 4 ) c p u 板的检测问题 由于对c p u 不能直接进行读写，而且考虑到c p u 本身的时序问题，所以要借 助于其他媒介或存储设备来实现两者的通讯。 2 4 本章小结 本章主要根据系统要实现的目标和功能，提出了整体设计方案，从硬件到软 件都提出了相应的组成部分，并指出在系统开发阶段可能会出现的一些难点问题， 为后面具体工作的开展做好了充分准备。 1 4 北京交通大学硕士学位论文第三章检测系统硬什设计 3 检测系统硬件设计 3 1 系统硬件总体结构设计 本检测系统就是要通过工控机模拟各种板卡在真实环境下的各种输入信号以 及发出各种检测命令，并且通过s t d 总线读取板卡处理后的结果，将该结果与工 控机模拟出来的真实数据进行比较，来判断板卡工作是否正常。因此它主要包括 信号的模拟和采集两部分，它们主要是通过工业控制计算机及其内部附加的功能 板卡来实现，具备模拟和采集各种数字和模拟信号，并对系统进行控制等功能的 完整测试系统。检测系统整体硬件结构如图3 1 所示： 圣乒 兰竺坐ip c i f 业控制计算机 、总线i 采集f 数字 量输出 接口电路 板和电源 采集譬模拟 量输入 采集卡数字 量输入 i 串行通讯 lr s 2 3 2 囊糯s 1 d 总线r _ 1 扳和电源 图3 一i 检测系统整体硬件结构图 检测系统的核心为工业控制计算机和基于p c i 总线的数据采集卡，通过软件 编程实现各秭信号的模拟和采集、数据处理、数据串行通讯的接收和发送等功能。 由于待测板卡有多种类型，为实现对每种板卡的检测功能，该系统必须既能够接 收和发送数字信号，还可以接收和发送模拟信号。此外，有些机车上的大电压和 大电流信号工控机不能模拟，必须通过外接一些接口电路，使得工控机能够控制 这些信号提供给相应的板卡。这就需要再设计一块接口电路板以及相应的电源， 为扳卡提供准确的信号。与此同时，待测板卡输出的信号也要通过这块接口电路 板返回给工控机，以便对其进行数据的处理，判断板卡的工作状态。对于c p u 板， 可以通过工控机的串口直接与其进行数据的传输。 除c p u 板以外，其余板卡都是通过s t d 总线啊进行数据传输。s t d 总线是国 际上流行的一种用于工业控制的标准微机总线，于1 9 8 7 年被批准为i e e e 一9 6 l 标 北京交通大学硕士学位论文 第三章检测系统硬件设计 准。s t d 总线采用公共母板结构，即其总线布置在一块母板( 底板) 上，板上安 装若干个插座，插座对应引脚都是连到同一根总线信号线上。我们在上述的接口 电路板上安装了对应于测试板卡的插座，便于它们通过s t d 总线进行数据传输。 s t d 总线包括5 6 根信号线，按其功能可分为4 类：电源线、数据总线、地址总线 和控制总线。根据要测试的板卡的需要，我们用工控机通过数字量i o 卡模拟其中 的8 根数据总线、8 根地址总线和部分控制总线，包括读写状态控制、时钟、中断 等控制线。保证工控机能够和被测板卡之问进行数据传输。 下面将对各个部分的硬件电路设计方法进行详细的介绍。 3 2 检测系统自检电路的设计 作为自动检测系统，在接通系统电源之后，应该对整个系统的运行状况进行 一次全面的检测。只有在确保检测系统本身运行正常的情况下，才能保证检测的 准确性。下面将介绍本系统的自检功能是如何实现的。 3 2 1 系统自检过程涉及的硬件设备 对系统进行自检的过程主要是检查系统输入和输出信号是否正确，即工控机 配备的功能板卡工作是否正常。在检测系统中涉及的功能板卡有p c i 1 7 5 1 、p c i 1 7 2 3 、p c i 1 7 1 0 、p c i 1 7 5 0 【8 1 。 p c i 1 7 5 l 【9 】是研华公司生产的一款基于p c i 总线的数字量i ，o 卡。其4 8 位被 分为6 个8 位的i o 端口。在本系统中，它主要的功能就是发送和接收数字量。 p c i 1 7 2 3 【l o 】是研华公司生产的一款非隔离的多通道p c i 模拟量输出卡，每个 模拟量输出通道都带有一个1 6 位的双缓冲d a c ，每块p c i 1 7 2 3 有8 路模拟量输 出通道，在本系统中一共涉及1 6 路的模拟量输出，所以采用了两块p c i 1 7 2 3 。 p c i 1 7 l o i l l 】是研华公司生产的一款p c i 总线的多功能数据采集卡。每块p c i 1 7 1 0 带有1 6 路的模拟量输入通道和两路模拟输出通道，1 6 路数字量输入通道 和1 6 路数字量输出通道，其中每个模拟量输入通道都带有一个1 2 位的a d 转换 器。在本系统中主要用到了它的模拟量输入通道，用于检测模拟量的输出大小， 其他数字量输入输出口作为系统的扩展。 p c i 1 7 5 0 【1 2 l 是研华公司生产的一款3 2 路隔离数字量l 及计数卡。它提供 了1 6 个隔离数字量输出通道，1 6 路隔离数字量输入通道及一个p c i 总线的隔离计 1 6 北京交通大学硕士学位论文第三章检测系统硬件设计 数器定时器。经过外加电路调整，每个隔离数字量输出通道的直流电压输出范围 可达到5 4 0 v ，每个隔离量数字量输入通道的直流电压输入范围可达到5 5 0 v 。 本系统主要利用p c i 一1 7 5 0 的非隔离数字量输出，用于控制继电器。 3 2 2 自检电路的设计 自检电路的主要目的是检测系统本身足否有问题，因此必须对整个系统信号 输入输出的状态进行全面检测，其中包括对数字量和模拟量的检测。 对数字量的检测比较简单，只要将数字量i ，o 口互相连接，一半作为数字量输 出口，另一半作为数字量输入口，通过对比数字量输入口检测到的数据和数字量 输出口输出的数据，就可以判断各阅i 口输入和输出的状态是否正常。检测完一遍 之后再改变它们的工作方式，将原来的输入口改为输出口，输出口改为输入口， 用同样的方法再检测一遍，这就可以检测到每个数字量i o 口的输入输出状态。如 果经过这两次检测，输入和输出的数字量始终能对应上，则说明数字量通道是没 问题的。在数字量检测中，比较特殊的是p c 卜1 7 5 0 ，它要通过外接电路才能确定 它输出的开关量的大小，因此只能用p c i 1 7 5 0 本身的数字量口来进行检测， 即它的数字量输出口给数字量输入口提供检测信号。其他的数字量o 口都是标准 的5 v 开关信号。 对模拟量的检测也是一样的，需要把模拟量输出口和模拟量输入口连接起来， 通过对比模拟量输入口检测到的数据和模拟量输出口输出的数据，就可以判断各 i ，o 口输入和输出的状态是否正常。不过因为模拟量的检测一般具有一定的范围， 所以检测一次足不够的。我们要检测的模拟量的范围是0 l o v ，因此这里把o v 、 2 v 、4 v 、6 v 、8 v 、1 0 v 这几个点作为检测点，防止出现检测错误。经过几次循环 检测，如果输入和输出的模拟量始终能对应上，则说明模拟量通道是没问题的。 3 3 单板测试方法的实现和结构设计“6 1 3 3 1 主c p u 板检测 主c p u 板是整个机车控制系统的核心，它主要的功能是就是运行主控程序。 在该板的e p r o m 里的程序即控制主程序。实现机车牵引、恒速、逻辑控制、保 护等功能都由该板的程序控制。可以通过检测主c p u 板发出的控制信号是否正确 1 7 北京交通大学硕士学位论文第三章检测系统硬件设计 来判断其是否正常。 主c p u 板是机车控制系统和上位机通讯的基础，它既拥有串行通讯的接口， 还准备了与其他控制功能板卡通讯的s t d 总线接口。它负责把上位机传