（交通信息工程及控制专业论文）微机监测系统道岔采集机及通用轨道信号发码器的研究.pdf

中文摘要 摘要：本论文是基于铁路信号微机监测系统的研究而展开的。全文主要对道岔信 号监测和部分轨道电路信号生成两部分进行研究与设计。 论文首先对微机监测系统的发展历史及现状进行综述；并对道岔信号的采集 电路及采集机进行介绍。论文详细介绍了基于道岔采集机c p u 板l p c 2 2 9 2 嵌入式 微处理器上完成的道岔监测软件整体全新开发和现场调试过程；着重研究并设计 了通用轨道信号发码器的硬件电路和软件编程。 论文中通用轨道信号发码器的硬件设计以嵌入式处理器l p c 2 1 3 8 为主要控制 芯片，在最小系统基础上外扩了数码管显示、键盘扫描和滤波电路等。通过对比 研究三种发码方案，根据产生信号的频率等因素选出了实现轨道信号发码功能的 最优方案。本文正弦波和c p f s k 信号的产生都是以方波展开成傅立叶级数，低通 滤波为理论依据，采用不同方案实现的。通过对所选方案进行研究与分析，最终 采用正弦波p w m 调制后通过r c 低通滤波电路实现d a 转换的方案完成了2 5 h z 相敏轨道信号的发码；采用p w m 通过低通滤波电路实现方波转换j 下弦波的方案完 成了z p 8 9 、z p w - 2 0 0 0 a 信号产生的功能，并与监测机进行了联调。 论文中的道岔软件部分实现了道俞的实时监测功能，并通过c a n 总线与站机 进行通信。经过现场反复调试，道岔监测部分已成功应用到交大微联科技有限公 司的实际产品中。 论文最后总结了论文的主要成果，并提出了论文的改进方向。 关键词：道岔监测；轨道信号；l p c 2 1 3 8 ；嵌入式 分类号：u 2 8 3 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h i sp a p e ri sa b o u tt h er a i l w a ys i g n a lm o n i t o r i n gs y s t e m t h e t h e s i sc a l l b ed i d e di n t 0t w op a r t s ，w h i c ha r ct h es w i t c hs i g n a l sa c q u i s i t i o na n dt r a c ks i g n a l g e n e r a t o r , a n ds p r e a d r e s e a r c ha n dd e s i g no nt h e m a tt h eb e g i n n i n g , t h ep a p e rd e s c r i b e st h eh i s t o r ya n dr e c e n ts i t u a t i o no ft h e c o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n di n t r o d u c e ss w i t c hs i g n a ls a m p l i n gc i r c u i t t h e n b a s e d o nt t l es w i t c ha c q u i s i t i o nw i t hl p c 2 2 9 2e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r , t h ep a p e rm a i n l y i i i 臼r o i i u c e sm es o r w 锄er e d e v e l o p i n ga n dd e b u g g i n gi nt h es w i t c ha c q u i s i t i o n t h e p a p e rd e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n d t h ec o d e so ft r a c ks i g n a lg e n e r a t o r i i lt l l ep a p e r ，t h et r a c ks i g n a lg e n e r a t o ru s e sl p c 2 1 3 8c h i p sa st h ep r o c e s s o r , a n d e x t e i l d sl e d d i s p l a y 、k e ys c a n 、f i l t e rc i r c u i t so n t h el e a s ts y s t e m b a s e do nc o m p a n s o n o ft 1 1 r e em e m o d sa n dt h ef f e q u e n c yo fg e n e r a t e ds i g n a l s ，t h ep a p e rc h o o s e st h eb e s t m e t h o dt oa c h i e v et r a c ks i g n a lg e n e r a t o r t h eg e n e r a t o ro fs i n ea n dc p f s k s i g n a l s b a s e do nt h e 蚴r i e so ff o u r i e rt r a n s f o r ma n dl o wp a s sf i l t e rc o m e st r u e t h e nt h e p a p e rr e s e a r c h e sa n da n a l y s e st h ec h o s e nm e t h o d s f i n a l l yb yt h em e t h o d ，t h a ts i n e p w ms i 趴a li sf i l t e r e db yr ct or e a l i z ed ac o n v e r s i o n ，t h es y s t e mg e n e r a t e sz 5 h z 仃a c ks i g n a l ；b yt h em e t h o d ，t h a tp w ms i g n a l i sf i l t e r e db yl o w 。p a s st o r e a l l z e s q u a r e s i n ec o n v e r s i o n ，t h es y s t e mg e n e r a t e s z p 一8 9 、z p w 一2 0 0 0 as h i f tf r e q u e n c y s i g n a l s t h eg e n e r a t e ds i g n a l s c a nb et e s t e db yt h em o n i t o r i n gs y s t e m i i lm ep a p t h es o f t w a r eo fs w i t c hm o n i t o r i n gm o d u l ea c h i e v e st h er e a l 。t i m e m o n i t o r 氨l n c t i o n s ，a n dc o m m u n i c a t e sw i t hp cb yc a n b u s a f t e rr e p e a t e dt e s t sa tt h e s p o t s w i t c hm o n i t o r i n gm o d u l ea sap a r to f t h er a i l w a ys i g n a lm o n i t o r i n gs y s t 锄n a s b e e l ls u c c e s s f u l l ya p p l i e dt os o m er a i l w a ys t a t i o n sb ym i c r ou n i o n c o l t d f i n a l l y ，t h ep a p e rc o n c l u d e dt h em a j o ra c h i e v e m e n t so ft h er e s e a r c h a n dp u t s f o r w a r dt h ei m p r o v e m e n t k e y w o r d s ： s w i t c hm o n i t o r ；t r a c ks i g n a l ；l p c 2 13 8 ；e m b e d d e d c i 。a s s n o ：u 2 8 3 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 为历哳 导蛹虢现以 签字日期：砌召年多月f 日 签字日期：玖多车莎月e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字同期：年月日 7 5 致谢 两年的研究生学习生涯就要画上圆满的句号。此刻我要感谢我的导师戴胜华 副教授对本论文的悉心关怀和精心指导。两年来，在戴老师的指导下，我在专业 上获得很大的进步。戴老师知识渊博，治学严谨，对学生传授知识毫无保留，给 我留下深刻印象。戴老师不仅在学习上给我极大的支持和关心，而且在为人处事 方面也给予谆谆教导，所有这些，都将对我今后的学习和工作产生影响。 在实验室工作及撰写论文期间，蔡弘、戴亮、翟登、韩鹏飞、马晓姣、马骁 等同学对我论文中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。 我也要特别感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授。 1 1微机监测系统研究背景 1 引言 作为科技进步与数字化时代的产物，微机监测系统已开始在铁路各大干线安 装使用，正逐步成为保障行车安全、监督信号设备运行状态，向运输部门提供更 优质行车指挥系统的一项重要行车设备。 微机监测系统【l 】是铁路装备现代化的重要组成部分。它把现代最新技术如传感 器、现场总线、计算机网络通信、数据库及软件工程等技术融为一体，监测并记 录信号设备的主要运行状态，为电务部门掌握设备的运用质量和故障分析提供科 学依据。同时，系统还具有数据逻辑判断功能，当信号设备的工作情况偏离预定 界限或出现异常时及时报警，避免因设备故障或违章操作影响列车的安全、正点 运行。 微机监测系统是由铁道部、铁路局、铁路分局上层检测设备和电务段、车间、 车站基层监测设备组成的，监测本单位管辖内各车站信号设备运行状态的网络系 统。微机监测系统应用计算机和信息采集机实时监测各种信号设备。根据用户的 要求，需要新增一些功能，如2 5 h z 相敏轨道电压、相位角，外电网与半自动闭塞 的监测等，故研究新型微机监测系统是必要的。 道岔的监测是微机监测系统中最重要的部分之一。在信号故障中道岔转换设 备故障约占4 0 以上，故使道岔及转换设备始终处于良好工作状态，是保证正常 行车秩序的重要条件。 1 2微机监测系统的发展和现状 微机监测系统是随着计算机技术的发展而发展的。1 9 8 5 年，部分铁路局开始 研制微机监测系统，到1 9 9 6 年已有1 0 0 多个车站配备了初期的微机监测系统。 由于初期的微机监测系统受技术条件、经济等方面的限制，技术陈旧，精度 不高，可靠性差；而且信号微机监测技术不断发展，于是得到了铁道部领导的高 度重视。1 9 9 7 年，铁道部组织有关专家研制开发了第一代t j w x 型微机监测系统。 虽然对第一代t j w x 型微机监测系统进行了不同程度的完善，但是由于标准不统 一，造成了微机监测系统制式不一、标准各异，分散使用、不能联网的局面，使 得微机监测系统的作用大大降低。其次，“4 2 9 ”、“7 2 9 、“1 0 2 9 事故给全路带 来重大损失和惨痛教训的同时，也给信号微机监测系统提出了新的课题。如何准 确判断违章操作带来的事故隐患，防患于未然，是第一代产品未能解决的问题， 也是新一代微机监测系统必须具备的功能。 2 0 0 0 年，铁道部在第一代t j w x 型微机监测系统的基础上，开发了t j w x 一2 0 0 0 型微机监测系统。t j w x - 2 0 0 0 型微机监测系统以新的技术条件为依据，功能完善， 界面友好，操作简单，采用统一标准，统一制式，具备全路联网功能，能够准确 判断设备故障和违章操作带来的事故隐患，防患于未然。随着高速铁路的迅速发 展，原系统采用的8 0 1 9 6 单片机c p u ，有一定的局限性，正期待着新一代微机监 测系统的诞生。 国外铁路信号微机监测系统【2 】的发展也很迅速。欧洲是世界上铁路最发达的地 区之一。欧洲国家多，国土面积小，各国内部的铁路网很密集。近几年来，欧洲 铁路公司和信号公司在对各自的既有信号系统进行升级或者技术改造的同时，在 欧盟( e u ) 委员会和国际铁路联盟( u i c ) 的推动下，欧洲7 大铁路信号公司，如法国 的a l s t o m ( 1 珂尔斯通) 公司、瑞典的a d t r a n z 公司、德国的s i e m e n s ( 西门子) 公司、法 国的a l c a t e i ( 阿尔卡特) 公司、意大利的a n s a l d o ( 安萨尔多) 公司、英国w e s t i n g h o u s e ( 西屋) 公司，以及i n v e n s y s 公司，联合起来为信号系统的互联和兼容问题制定信号 标准，并制造了相关的产品，其中就包括监测这一项。 在高速铁路道俞的监测系统方面，由于高速铁路的发展和列车密度的不断增 加，采用以往的道岔养护方法，安排维修天窗和施工人员安全等方面的问题日益 突出。为此，奥地利v o e s t a l p i n e 铁路系统公司研制了一种监测系统，即 v a r o a d m a s t e r 2 0 0 0 道岔诊断系统。该系统可由监测中心连续监测道岔状态，通过 传感器采集与运营有关的数据，并随时向有关工务和电务部门提供信息，以便及 时进行维修。该系统为模块式结构，可对道贫传动机构、道岔转辙器、心轨和道 岔融雪器等进行监测。 虽然国外的技术比较先进，监测的对象比较多，但由于我国铁路的架构不同， 我们只能根据我国现有情况研制微机监测系统，对需求的对象进行监测。 1 3微机监测系统结构 铁路信号微机监测系统由车站系统、车间机、电务段管理系统、上层网络终 端( 包括分局、路段、铁道部监测终端) ，以及广域网数据传输系统组成。 本文主要关注车站系统。车站系统是信号微机监测系统最基本的单元，负责 数据的采集、分类和处理，实现信号设备的实时监测和人机对话。它包括站机、 采集机、隔离采集模块等。其结构图如下： 2 图1 1 微机监测系统结构 f i g l 1c o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e ms t r u c t u r e 其中站机完成实时监测和人机对话，收集数据、处理数据、存储数据、查看 数据等功能。 各采集机采集数据，并进行预处理。 隔离转换单元用于采集模拟量或开关量数据。 c a n 现场总线负责站机与各采集机之间的通信。 本文主要关注道岔采集机。 1 4 论文的主要工作 原有t j w x - 2 0 0 0 型信号微机监测系统的c p u 为单片机8 0 c 1 9 6 ，它虽然成本 低但是性能简单。随着铁路技术的飞速发展，需要监测的信息量越来越大，原有 c p u 难以满足需求，时常出现监测不准确或漏测的现象：现有的采集机软件部分 由汇编语言编写，技术文档不全，若要针对不同的车站作一些改动的话，比较困 难，而不同的站场需要不同的采集机，有很大的改动需求；根据铁道部的指示， 需要新添加一些监测对象，如：2 5 h z 相敏轨道电路信号和z p w - 2 0 0 0 a 频率等。 由于微机联锁的迅速发展，微机监测系统道岔采集机的部分功能( 如d b 、f b 、 2 d q j 、s j 等) 已由微机联锁取代，为了整合资源，提高系统的利用率，适应铁路 的发展要求，故对道岔采集机进行了改进。 本次毕业设计的目的就是对其中的c p u 板更新换代，使其处理数据的速度更 快、性能更可靠、更便于升级，同时也要保证能兼容已有的道俞采集机。将监测 道岔个数由原来的4 8 路道岔增加到现在的9 6 路道岔。除此之外，设计了通用轨 道信号发码器的硬件电路及软件编程，实现了2 5 h z 相敏轨道电路信号和z p 8 9 、 z p w - 2 0 0 0 a 的频率信号发送的功能，以方便新添监测对象的调试。 道岔采集机需要实现的功能如下： l 、重启时自主发送采集机状态数据； 2 、在收到主机取采集机状态命令后，执行命令发送采集机状态数据； 3 、在收到主机要启动电流数据命令后，发送启动电流数据。 道岔采集机主要是对道岔信号的监测和处理，道岔采集机监测对象为道俞 1 d q j 和道岔( 普通提速) 动作电流曲线。 本次毕业设计道俞监测模块在硬件上以l p c 2 2 9 2 嵌入式微控制器为核心器 件，完成数据的采集处理和c a n 总线通信。a d 和2 路c a n 都集成在l p c 2 2 9 2 中，使系统的抗干扰能力大大加强，提高了稳定性。用c 语言编写程序，方便根 据不同站场做出相应的更改。由于采集的道岔路数比较多且实时性要求比较高， 故处理起来的要慎重考虑实时性是否满足要求，如前后台系统不满足要求，可考 虑引入操作系统。通用轨道信号发码器在硬件设计上以嵌入式微处理器l p c 2 1 3 8 作为主控制芯片，c 语言编写程序，使开发过程简洁明了。通用轨道信号发码器的 研究为2 5 h z 相敏轨道信号和z p 8 9 、z p w - 2 0 0 0 a 的频率信号监测模块的调试提供 了方便。 由于现实生活中有许多的情况需要监测，监测的信息量也越来越多，所以本论 文的研究使用新技术进行监测很有必要。在电子领域，采集、处理和通信随处可 见，本论文稍作修改可用于多种监测场合，如停车场监测，粮食的温湿度监测等 等。 4 2 嵌入式系统概述 什么是嵌入式系统? 随着嵌入式系统在人们实际生活中的应用越来越广泛， 这个基本问题的确切定义引发了许多争论。 目前国内普遍认为嵌入式系统【4 】是以应用为中心、以计算机技术为基础、软 硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。事 实上，嵌入式计算机在数量上远远超过了各种通用计算机，嵌入式系统更是无处 不在。人们很少会意识到他们往往随身携带了好几个嵌入式系统m p 3 、手机 或者智能卡，而且他们在与汽车、电梯、厨房设备、电视、录像机以及娱乐系统 的嵌入式系统交互时也往往对此毫无察觉。嵌入式系统早期主要应用于军事和航 空、航天等领域，以后逐步广泛地应用于工业控制、仪器仪表、汽车电子、通信 和家用消费类等领域。 本章将介绍嵌入式系统的特点及a r m 与单片机的关系。 2 1嵌入式系统特点 与通用型计算机系统相比，嵌入式计算机系统具有以下特点： 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不同之处 就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、 体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片 内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的耦 合也越来越紧密。 2 嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应 用相结合后的产物，是一门综合技术学科。由于空间和各种资源相对不足，嵌入 式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的 硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争 力。 3 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品 同步进行的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。 4 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。 5 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能 对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 5 2 2嵌入式系统分类 根据不同的分类标准，嵌入式系统有不同的分类方法。这里根据嵌入式系统 的复杂程度，可以将嵌入式系统分为以下4 类。 1 、单个微处理器 这类系统一般由单片嵌入式处理器组成，嵌入式处理器上集成了存储器i o 设 备、接口设备( 如a d 转换器) 等，嵌入式处理器加上简单的元件如电源、时钟 元件等就可以工作。单个微处理器这类系统可以在小型设备中( 如温度传感器、 烟雾和气体探测器及断路器) 找到。这类设备是供应商根据设备的用途来设计的。 常用的嵌入式处理器如p h i l i p s 公司的8 9 l p c x x x 公司系列，m o t o r o l a 公司的 m c 6 8 h c 0 5 、0 8 系列等。 2 、嵌入式处理器可扩展的系统 这类嵌入式系统使用的处理器根据需要，可以扩展存储器，也可以使用片上 的存储器，处理器一般容量在6 4 k b 左右，字长为8 位或1 6 位。在处理器上扩充 少量的存储器和外部接口，以构成嵌入式系统。这类系统可在过程控制、信号放 大器、位置传感器及阀门传动器等中找到。 3 、复杂的嵌入式系统 组成这样的嵌入式系统的嵌入式处理器一般是1 6 位、3 2 位等，用于大规模的 应用，由于软件量大，因此需要扩展存储器。扩展存储器一般在1 m b 以上，外部 设备接口一般仍然集成在处理器上，常用的嵌入式处理器有a r m 系列、m o t o r o l a 公司的p o w e r p c 系列、c o l d f i r e 系列等。 这类系统可见于开关装置、控制器、电话交换机、电梯、数据采集系统、医 药监视系统、诊断及实时控制系统等。它们是一个大系统的局部组件，由它们的 传感器收集数据并传递给该系统。这种组件可同计算机一起操作，并可包括某种 数据库。 4 、在制造或过程控制中使用的计算机系统 对于这类系统，计算机与仪器、机械及设备相连来控制这些装置的工作。这 类系统包括自动仓储系统和自动发货系统。在这些系统中，计算机用于总体控制 和监视，而不是对单个设备直接控制。过程控制系统可与业务系统连接，如根据 销售额和库存量来决定订单或产品量。在许多种情况下，两个功能独立的子系统 可在一个主系统操作下一同运行。如控制系统和安全系统：控制子系统控制处理 过程，以使系统中的不同设备能j 下确地操作和相互作用于生产产品；而安全子系 统则用来降低那些会影响人身安全或危害环境的误操作风险。 6 2 3a r m 与单片机的关系 a r m 和单片机都属于嵌入式系统。单片机是典型的、独立发展起来的嵌入式 系统，a r m 是复杂的嵌入式系统。考虑到原来单片机的电子系统底层应用特点， 可以把嵌入式系统应用分为高端和低端，单片机应用可理解成嵌入式的低端应用， a r m 应用可理解成嵌入式的高端应用。下面就从软件和硬件两方面来介绍下a r m 与单片机的区别。 1 、软件方面 基于a r m 的嵌入式系统引入了操作系统是与单片机系统的最大的区别。 1 ) 方便。主要体现在后期的开发，即在操作系统上直接开发应用程序。不像 单片机一样一切都要重新写。前期的操作系统移植工作，还是要专业人士来做。 2 ) 安全。这是l i n u x 的一个特点。l i n u x 的内核与用户空间的内存管理分 开，不会因为用户的单个程序错误而引起系统死掉。这在单片机的软件开发中没 见到过。 3 ) 高效。引入进程的管理调度系统，使系统运行更加高效。在传统的单片机 开发中大多是基于中断的前后台技术，对多任务的管理有局限性。 2 、硬件方面 现在的8 位单片机技术硬件发展的也非常得快，也出现了许多功能非常强大 的单片机。但是与3 2 a r m 相比还是有些差距吧。 a r m 芯片大多把s d r a m ，l c d 等控制器集成到片子当中。在8 位机，大多要 进行外扩。引入嵌入式操作系统之后，可以实现许多单片机系统不能完成的功能。 比如：嵌入式w e b 服务器，j a v a 虚拟机等。也就是说，有很多免费的资源可以利 用，上述两种服务就是例子。如果在单片机上开发这些功能可以想象其中的难度。 为了以后扩展功能更加方便，因此将微机监测系统由单片机升级成a r m 。 2 4 嵌入式系统组成 在2 2 节中介绍过，嵌入式系统是面向特定应用的。实际应用中，绝大多数嵌 入式系统是用户针对特定任务定制的，但就其组成而言，它们一般都是由嵌入式 系统的硬件、嵌入式系统的软件，开发工具和开发系统这3 部分组成的。 1 、嵌入式系统的硬件 嵌入式系统的硬件主要包括以下几个模块，如图2 1 所示。 嵌入式核心芯片，嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式数字信号处 理器、嵌入式片上系统。 7 用以保存固件的r o m ( 非挥发性只读存储器) 。 用以保存程序数据的r a m ( 挥发性的随机访问存储器) 。 连接微控制器和开关、按钮、传感器、模数转化器、控制器、l e d ( 发 光二极管) 和显示器的f o 端口。 7 r 田吧j 时 电源模块 f l a s h 微处理器 时钟r a m m p u 复位 r o m 弋夕 外设 u s b l c d k e y b o a r d o t h e r 图2 一l 嵌入式系统的硬件组成 f i 9 2 - le m b e d d e ds y s t e m sh a r d w a r ec o m p o s i t i o n 2 、嵌入式系统的软件 嵌入式系统软件由嵌入式操作系统和相应的各种应用程序构成。有时设计人 员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控 制着应用程序编程与硬件的交互作用。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系 统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备 驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统具有通用操 作系统的基本特点，如能够有效地管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟 化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、 驱动程序、工具集以及应用程序。此外，与通用操作系统相比较，嵌入式操作系 统还具有以下特点。 编码体积小：适合在嵌入式系统的有限存储空间中运行。 面向应用，可裁剪和移植：系统功能可根据需求裁剪、调整和生成，以满 足最终产品的设计需求，可进一步缩小编码体积，有效地运行。 实时性强：软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量、高可 靠性和实时性。 可靠性高：嵌入式系统可无须人工干预独立运行，并处理各类事件和故障。 专用性强，嵌入式操作系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行 系统的移植。 3 、嵌入式系统的开发工具和开发系统 嵌入式系统的硬件和软件位于嵌入式系统产品本身，开发工具则独立于嵌入 式系统产品之外。开发工具一般用于开发主机，包括语言编译器、连接定位器、 调试器等，这些工具一起构成了嵌入式系统的开发系统和开发工具。 2 5嵌入式系统开发流程 随着嵌入式系统应用的广泛，所实现的功能越来越复杂，嵌入式系统的开发 重心也越来越集中于软件的开发。典型的嵌入式系统其软件部分实现的功能与开 发费用往往占到整个系统的8 0 - - - 9 0 。 一般把嵌入式项目开发分成五个阶段来进行，即：系统需求分析、系统架构 设计、硬件与软件设计、系统集成设计与调试、系统测试。如下图所示： 医亟 医匦 宣壶应 臣蠡l 碧堡堕燮j 厂j 一一_ 1 l 系统测试i 图2 - 2 嵌入式系统开发流程 f i 9 2 2e m b e d d e ds y s t e m sd e v e l o p i n gp r o c e s s 嵌入式系统在硬件选型和p c b 硬件平台设计完成之后，就可以根据硬件和应 用的需要，开始软件系统的功能和结构设计了。一般而言，嵌入式系统的软件可 以采用两种，一种是缺少操作系统的嵌入式控制系统软件，另一种是在具备嵌入 式操作系统情况下的嵌入式软件。 例如，有些系统的a r m 芯片上运行l i n u x 等操作系统；而另外一些a r m 芯 片上使用的却是不带操作系统的软件。不过嵌入式操作系统在嵌入式系统中的作 用日显重要，它可以为嵌入式系统开发人员提供一个基本的软件和运行的支持平 9 1 0 篡 q 8 程试 澎曲 开 唧 彻j l i铡渤 费 嘟腻泄 龇 咿 3 狙 郾拟 3 道岔采集机硬件分析 3 1道岔采集机概述 道岔是信号三大件之一，也是电务维护人员日常维护，日常测试的重点工作。 t j w x - 2 0 0 0 型信号微机监测系统也把道分的监测作为重点课题之一。道岔采集机 的监测在保证行车安全上有重要作用，道俞采集机的设计采用组匣式、总线板结 构。每个采集机占用一个组匣，可插入8 块采集板。最左边的电源板给c p u 板和 采集板提供各种工作电源。 道岔采集机硬件配置如图3 - 1 所示，d 8 为c p u 板，d o 、d 2 、d 4 、d 6 为道 岔启动电流( 模拟量) 采集板，d l 、d 3 、d 5 、d 7 为道岔1 d q j ( 开关量) 采集板， m r b 与k r b 一一对应，若为直流电动转辙机则每路接线端子对应一个道岔转辙 机，若为交流电动转辙机则每三路接线端子对应一个道岔转辙机。 d y m r bk r bm r bk r bm r bk r bm r bk r b 道岔 c p u d l x ti d q jd l x t1 d q jd l x ti d q jd l x t1 d q j 采集机 4 8 路4 8 路4 8 路4 8 路4 8 路4 8 路4 8 路4 8 路 d s d o d l d 2 d 3d 4 u 5 d 6 d 7 图3 - 1 道岔采集机硬件配置图 f i 9 3 1s w i t c ha c q u i s i t i o nh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n c p u 板是各采集机的核心，对模拟量与开关量进行综合处理，并通过c a n 总 线与站机通信。开关量输入板将道龠1 d q j 状态转换为c p u 能接受的开关量。模 拟量输入板将从采样转换单元出来的电压信号送给c p u 进行a d 转换。 每个道岔采集机容量最多为1 9 2 路，但一般情况下为9 6 路。若道岔较多，可 相应增加道岔采集机。道岔所使用的转辙机为直流电动转辙机或交流电动转辙机。 每组道岔采集机有4 个道岔电流模拟量板，4 个1 d q j 开关量板。按数据库格 式要求，每组道岔的输入位置是一一对应的，配线时，d o 板的端子1 对应d 1 的 1 ，同理d 2 与d 3 对应，d 4 与d 5 对应，d 6 与d 7 对应。 采集机采用机笼式设计，前插拔结构，采集机后面安装5 2 个( 包括3 1 6 路 信息采集端子) 接线端子，用于连接外部引线，道岔采集机机柜后接线端子的定 义如图3 2 所示。 同t j w x 2 0 0 0 型监测方案相比，t j w x 2 0 0 6 型监测方案只是电流采集传感器 实现了采集与调理的综合化。原道岔采集机的c p u 板进行了更新，硬件上扩展了 内存，可同时测试3 6 路电流。道岔监测程序也进行了改进，去除了s j 封连报警 及2 d q j 的采集，增加了一个采集机的采样路数为9 6 路，同时每路电流的采样从 原来的2 0 s 延长到4 0 s ，采集点数从5 0 0 点增加到1 0 0 0 点。 第 2 5 4 8 路模 拟基 输入 d o 模拟量输入板 第 1 2 4 路模 拟量 输入 第 四 组 8 个 位 灯 d l 开关蟹输入板 图3 - 2 机柜后接线端子定义 f i 够- 2c a b i n e tc o n n e c t i o np o i n td e f i n i t i o n 3 2道岔信号采集电路 道岔采集的信号为道岔i d q j 和道岔启动电流，下面介绍这些信号是如何送给 c p u 进行处理的。 3 2 1道岔采集机外部连接电路1 】 1 、1 d q j 接点的监测 道岔转换时才会有动作电流，要监测道岔电流就必须监测道岔转换的起止时 1 2 第一组3个位灯 第二组0个位灯 第三组0个位灯 第五组0个位灯 第六组0个位灯 间。道岔采集机是通过采集1 d q j 的落下接点状态来监测道岔转换起止时间的。 l d q j 的接点是开关量，并且1 d q j 没有空闲的接点，因此只能用开关量采集 器在半组空接点上采集开关量。开关量采集器隔离性能好，和信号设备只有一点 接触，不并接也不串接在设备中，因此不取设备的任何电流和电压，对设备无任 何影响。开关量采集器就近安装在道岔组合1 d q j 继电器后边，使配线尽可能短， 以减少混线的可能。原理图如图3 3 所示。 k f ：z d j 图3 - 31 d q j 接点的监测原理图 f i 9 3 - 31 d q jm o n i t o r i n gs c h e m a t i c 2 、道分启动电流的监测 监测道岔电流实际就是监测道岔转换的起止时间，采集机通过采集1 d q j 的落 下接点状态来监测道岔转换起止时间，从而达到监测道岔电流的目的。 直流转辙机在分线盘或组合选取动作电流回线，三相交流电动转辙机在组合 后面选取a 、b 、c 三相动作线。对道岔启动电流的测试，采用穿心感应式电流传 感器，可监测1 0 a 以内的交、直流电流。这种传感器采用了线性双补偿霍尔原理， 隔离彻底、响应快、耐冲击，0 , - 一2 0 m a 电流源通过采样电阻输出0 - - 5 v 标准电压。 运用中常有几组道岔同时动作，为区分每个转辙机的工作状态和动作电流，保证 实时监测，采集系统要求在每组道岔的动作回路中串入该传感器。传感器采用固 态模块，采样信号整理放大电路集成在模块里。 1 ) 直流采样模块 1 3 直流采样模块主要用于z d 6 型电动转辙机动作电流隔离采样。模块为开口模 块，中间为穿线孔，外型俯视图如图3 - 4 所示。穿线有方向性，穿3 圈。 图3 - 4 直流采样模块 f i 9 3 - 4d cs a m p l i n gm o d u l e 直流采样模块可用环氧树脂全封闭封装后，分散直接安装在道岔组合后面； 亦可以集中放置在道岔传感器箱内，每箱容纳1 6 组道岔传感器模块。传感器箱安 装在分线盘附近的墙上。 2 ) 三相交流采样模块 三相交流采样模块主要用于提速道岔三相交流电动转辙机动作电流隔离采 样，模块外型俯 图3 5 三相交流采样模块 f i 9 3 5t h r e e - - p h a s ea cs a m p l i n gm o d u l e 三相交流采样模块为分散安装，将模块用树脂全封闭就近安装在提速组合里， 断相保护器d b q 后面。a 、b 、c 三相动作线分别对应穿入3 个孔。 通过对道岔启动电流的实时监测，可分析判断道岔转辙机的电气特性、时间 特性和机械特性。对道俞电流的测试是由道岔采集机来完成的。直流电动转辙机 动作电流监测原理框图如图3 - 6 所示。将道岔启动电流回线穿入电流采样模块圆 孔，隔离采集道岔启动电流。再将采样信号运算放大、精密整流、再运算放大， 整理转换成o 5 v 的标准电压，送入道岔采集机模拟量输入板，经选通送至c p u 1 4 飘嘲蕤蒸餮蘖蕊 一 2 一 2 进行a d 转换。再将转换后的数字信号( 即电流曲线的数据) 暂存在道岔采集机 存储器里，当站机发出命令索要数据时将一条完整的道俞电流曲线数据送往站机 处理。 图3 - 6 直流电动转辙机动作电流监测原理框图 f i 9 3 6d c s w i t c hc u r r e n tm o n i t o r i n gs c h e m a t i c 同样，三相交流采样模块采集到三相电动转辙机动作电流后，每相采集电流 都经过放大、整流和再放大，转换成三路a 、b 、c 动作电流的o , - - 一5 v 直流标准电 压，送入道岔采集机模拟量输入板，分别经过选通送至c p u 进行a d 转换。再将 辫辫隧隰翳霾影爨疆谶甏 黪翦蟪氯耘蕾殿黧翟蘑 邈冒辫 一一麓懑蓊嬲蕾懑赫 麓留曩霍 。黧 转换后的数字量暂存采集机，当站机索要数据时将完整的动作电流曲线数据送往 站机。 3 2 2开关量输入板 开关量输入板的作用是将道岔i d q j 状态转换为c p u 能接受的开关量。开关 量输入板的原理图如图3 7 所不o c o m i4 孟1 2 v n 6 8 k 2丫乒(1 5 ，a 3 乏id 2 _ 5 r 2 5 1 1 40 2 c o m l 4 击。 1 2 f 6 8 k 4丫多( 1 3 n 1a 3 乏-d 2 _ 6 r 2 6 1 20 3 c o m i4 而。1 2 f 6 8 k 6丫多(i l n da 3 二ld 2 7 r 2 7 1 1 00 4 c o m i4 击。1 2 v i q l 6 8 k 8丫夕(9 一一 68kcom34 0 0 41 2 v2丫夕(1 5 i n 4 6a 3 d 2 山 r 2 1 31 40 4 6u 厂i v 门68kcolvl34 0 0 41 2 v4丫乒(1 34 m 7a 3 ud 2 r 2 2 51 20 4 7 6v r 68kcom34 0 0 41 2 v6丫乒(l i m 。a 3 王id 2 3 r 2 3 1 1 00 4 8 c o 怕4 击。1 2 f 6 8 k 8丫夕(9 t j 1 2 i q il al cn 姻 州2l bo 甲o 州42 a2 cn 噜6 小j 52 b o 9o q 73 a3 cn 帕 83 b ooo q 1 04 a4cq12 n l l 4 b o 9o 小35 a5cq15 i n l 45 bo 甲o 小“66 a6cqi毫 d q l76 b o 9o q 1 97 a7 c聃2 t 州2 07 bo 宁o n 2 28 a8 c眦4 q 2 38 b o ? o n q 2 59 a9 cn 屹7 刊2 69 bo 宁o q 2 81 0 a10c皿q30 n q 2 9l o 9o q 3 il l a ilc皿q33 v 3 2l l bo ? o b q 3 41 2 a12cq36 n q 3 5l2 bo 甲o 叫3 7i3 a13cq39 州3 8l3 b ooo i n 4 01 4 a1 4 c 2 烈4 i1 4 b o 宁o 仆 4 315 a1 5 c斟4 5 i n 4 415 b o 9 o 、 4 61 6 a16cq48 n 4 7 1 6 bo ? o c o m l1 7 a1 7 cc o l y e c o 犯l7 b o o0 1 8 ai 8 c l8 b，扣 1 9 a1 9 c 1 9 b，扣 2 0 a2 0 c 2 0 b! j o - 2 i a2 i c 2 l bj 一 a g n d2 2 a2 2 ca g n d 2 2 b j c s2 3 a2 3 c 2 3 b i 。 b d 02 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