（交通运输工程专业论文）lkj2000型列车运行监控记录装置的研究.pdf

摘要 保证列车安全运行是铁路的首要任务，列车运行监控记录装置是我国 铁路经2 0 多年研究而不断完善的安全保障设备。对防止列车“二冒一超”， 减少列车运行事故的发生，改善旅客乘车环境，促进机务管理，减少机务 行车责任事故等方面有显著的效果。 l k j 2 0 0 0 列车运行监控记录装置是我国自行研制的新一代监控装置， 代表了我国在该领域最先进的研究技术水平，本人有幸参加了该项目监控 记录插件、模拟量输入输出插件、数字量输入插件、数字量输入输出插 件的研发设计和分板调试、系统调试试验工作，独立承担了电源插件的研 发设计和调试试验工作，参加了现场的技术服务、培训工作，参加了 l k j 2 0 0 0 列车运行监控记录装置检修指南、l k j 2 0 0 0 列车运行监控记 录装置等书的编写工作。学位论文就是在此基础上，经理论提升和整理 撰写而成。本文结合l k j 2 0 0 0 型列车运行监控记录装置的具体设计，在详 细分析列车速度监控原理的基础上，全面介绍该装置的特点、功能和主要 技术参数，系统地阐述了其硬件和软件设计原理，各插件的设计原理和方 法，分析了该装置的可靠性、安全性并完成了冗余性设计，采用数学计算 方法，对冗余结构进行了对比分析；研究了电磁兼容技术与故障检测技术 对提高可靠性的作用及具体措施。阐明了故障安全的意义、原则及装置故 障安全设计方法。 该装置己在全路推广使用，在保障铁路安全、防止和减少列车运行事 故的发生等方面取得了显著的效果，具有巨大的社会效益和经济效益。 关键字：列车运行监控装置，速度监控，装置设计，可靠性，冗余 a b s t r a c t 耽e 研1 1 l a 拶t a s ko fr a i l w a y0 p e m 石o ni st 0e 1 1 鲫陀m es a f e 够o f 蛔i l i n m m n g 。t h e 佩nn l i l l l i r i gm o l l i t o r & r e c o r dd e 、，i c ei sas a f c g l l a r du n d e r c o n t i n u o u si n l p r o v e m e n t i tp l a y sav e 哆i i n p o r t a i l tr 0 1 ei l l p r e v e n t i o no f m a l 一s i 印a l i n ga n do v * s p e e d ，a l l dc o u l dr c d u c e 仃a i n 枷n ga c c i d e i l t s ， i n l p r o v ep a s s e n g e rc i l v i r o 姗肌ta n dl o c o m o t i v em a i l a g e m e m l 娶j 2 0 0 0 妊a i nn m n 血gm o n i t o f & r e c 甜da l e v i c ei san e w 窘e i l e r a t i o no f i i l o n i t o rd e v i c ed e v e l o p e di i lc 址m ，w m c hr e p r c s e n t i l l gt t l es t a t e o f 二m e - a r t d o m e s t i ct e c h m c a l1 e v e li nt h ef i e l d t h ea u t h o rw a si 1 1 v 0 1 v e di i lm e d e v e l o p m t ，d e s i 盟，d e b u ga i l df i e l dc o 舢 1 1 i s s i o m n go f t l l em o n i t o r & r e c o r d b o a r d s ，孤a l o gi n p u 怕u q m tb o a r d s d i g i t a li n p u tb o a r da l o n gw i t hd i g i t a l i n p u 怕u 印u tb o a r d s h ew a sr e s p o n s i b l ef o rm ed e v e l o p m m ta l l dd e s i 印o f 1 e p o w e rs u p p l yb o 棚s ，a n di st a l d n gp a r ti l lm e 丘e l dt c c 蜥c a ls e n ，i c ea l l d 缸呖n i n g b e s i d e s ，h ew a sp a n i c i p a 石n gm ee d i t i o no f “s e r v i c em a i l u a lf o r l k j 2 0 0 0 仃面n 九m m n gm o n i t o r & r e c o r dd e v i c e ”a n d “l k j 2 0 0 0 仃a i nm n n i n g l o n i t o r & r e c o r dd c v i c e ，hm em c s i s ，i nm e1 i g mo f l ed e t a i l e dd e s i 趴o f m ed e v i c e ，t h ec h 啪c t e r i s t i c s ，f h n c 石0 n sa n dm a i np a r 籼t e r sa r ci i l 订o d u c e d b a s e do nm e a i l a l y s i so f m ev c l o c 时m o n i t o rp r i n c i p l e h a r d w a r ca i l ds o 触a r e d e s i g np r i n c i p l ea r ep r c s e n t e da sw e l la sm ed e s i g np 血c i p l e 锄dn l e m o do f m e b o a r d s t h er e l i a b i l 埘a n ds a 诧wo fm ed c v i c ei sa i l a l y z e da i l dr e d u n d a n c y d e s i 盟i sf ，m i s h e d c o 瑚i p a r i s o na n da n a l y s i s i sd o n et om er e d u n d a n c y s t m c 眦i naw a yo fn l a t l l e m a t i c a lc a l c u i a t i o n t 1 1 ce f r c c ta n dp r a c t i c a l m e a s u r e sa r cs t u d i e do fm ee m c t e c t h l o l o g ya 1 1 df a i l u r ed e t e c t i 傩t e c h n o l o g ) ， o ni m p r o v e m e n to fr e l i a b i l i 够t h ei i n p o r t a n c e ，p r i n c i p l e sa n dd e s i g nn l e m o d 0 ff a i l u r es a 氯却缸ee l a b o r a t c d t h ed e v i c eh a sb e e i lw i d e l ya p p l i e dmc h i n e s er a i l w a y sa i l di sq u i t c e 腑c t i v ei np r o t c c t i o no fr a i l w a ys a f b 坝p r c v 印t i o na n dr e d u c t i o no f 仃a i n m n n i n ga c c i d e n t s i tf e a t u r e sd r a i i l a t i cs o c i a la n de c o n o l l l i cb e ：n e 矗t s k 叼唧o r d s ：t h i l lr 唧础n gm o n i t o rd e 、r i c e ，v e l o c i t ym o n i t o r ，d e 、，i c e d e s i 印，r e l i a b i l i 劬r c d u l l d a n c y ， 原创性声明 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及取得的 研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学 位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 作者签名：聋幺曲： 日期：2 芝篁年兰月里- 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文 储勰华簿新签袒呈塑：凼兰月罩日 掰 硕士学位论文第一章概述 第一章概述 铁路运输安全一直是人们十分关注的问题，速度监控已成为铁路运行安全设 备中不可缺少的组成部分。自1 9 9 5 年以来，铁道部在全路所有的内燃、电力机 车上都安装了自主研制的j i ( 一2 h 和l k j - 9 3 型列车运行监控记录装置，在保障铁 路运输安全方面发挥了重要的作用。与国外装置相比，我国的监控装置具有设备 简单、功能复杂、投资少、记录和分析能力强等优点，但在多机冗余配置方面较 弱。但随着我国铁路不断的发展l k 卜9 3 型和j k 一2 h 型已不适应现行铁路的安全、 可靠、高速需求，这样就产生了新一代的列车运行监控记录装鼍一l k j 2 0 0 0 型监 控装置。l k j 2 0 0 0 型监控装置吸取了j l ( 一2 h 型和l k j - 9 3 型监控装置的成熟技术 经验，在技术等级、功能、性能和可靠性等方面都有了较大程度的提高，并且在 功能扩展性和与各项发展中的技术设备的接口配合方面作了适应设计，是监控装 置的新一代设备。 l k j 2 0 0 0 型列车运行监控记录装置是1 9 9 8 年铁道部重点项目( 项目编号： 9 8 j 0 8 ) ，经过多年的研究和不断完善，l k j 2 0 0 0 型列车运行监控记录装置曾荣获 “铁道部科技进步一等奖”，荣获“湖南省科技进步一等奖”，并成为铁道部主导 型行车安全装备。 铁路行车安全设备作为铁路运输安全保障体系的重要组成部分，对以保障运 行安全为目的，以监测运行速度为手段对列车进行控制的系统称为列车自动防护 系统a t p ( a u t 伽n t i ct r a i np r o t e c t i o n ) 。通常，a t p 系统由运行指令信息传递、 运行所处线路参数信息传递、列车自身运行状况信息采集等信息获取环节和对信 息进行处理并做出控制的主机组成。监控装置以在中国铁路已普遍使用的轨道电 路及机车信号设备作为列车运行指令信息源，以线路数据预置于主机的独特方式 获取运行线路参数信息，采用计算机智能处理对列车运行速度进行安全监控，实 现a t p 功能。 以保障列车运行安全为主要目的的列车速度控制装置。该装置在实现安全速 度控制的同时，采集记录与列车安全运行有关的各种机车运行状态信息，促进了 机车运行管理的自动化。并且，随着运输需求的发展，监控装置逐渐成为了列车 车载运行信息中心，为多种安全监测、运行信息传输提供基础。 1 1l k j 2 0 0 0 型监控装置的特点 l - 车载存储线路参数。l k j 2 0 0 0 型监控装置继承了各型监控装置获取线路 参数的成熟技术，将列车运行全部线路设施资料预先存储于主机中，不用在地面 硕士学位论文 第一章概述 增设附加设备。既节省设备投资，又节省维护管理费用。大量线路资料载于车上， 不需要复杂的地面至车上的传输环节，稳定可靠。对于地点特征、特殊要求信息， l k j 2 0 0 0 型监控装置设计了接受地面传输信息的接口。 2 采用连续平滑速度模式曲线控制。与各型监控装置相同，将线路设施固 定限速、闭塞指令限速等各种控制要求的控制值沿运行里程形成连续平滑速度模 式曲线，最大限度她适应司机正常人工操纵和运行效率的提高，提高了控制精度。 连续平滑曲线控制模式符合当今国际a r p 控制方式发展方向。 3 实时计算取得速度控制值。l k j 2 0 0 0 型监控装置继承了l k j - 9 3 型和j i ( 一2 h 型等前代监控装置的成熟经验，对每一速度控制值均针对限速目标按验证成熟的 数学模型进行计算取得。l k j 2 0 0 0 型监控装置采用了先进的3 2 位c p u 作为系统 主机，比前代装置具有更高的运行速度、控制精度和更强的数据处理能力。实时 计算中考虑了本列车设备类别和状况、本地线路参数、本地特殊控制要求等随机 变化因素，最大限度地便控制符合运行实际。 4 装置主要控制过程全部采用计算机实现。做到了全国铁路采用统一的硬 件和统一的基本控制软件，对各运行区域的不同线路条件和不同行车要求，通过 写入不同的线路资料和控制条件予以适应，因此，适应性强，便于规范管理。 5 提高可靠性设计。l k j 2 0 0 0 型监控装置系统采用模块级主从机热各冗余。 当工作机发生故障，便自动切换到热各机工作；当任何一个单元或通道出现故障， 便自动启动备用单元和备用通道。采用控制器局域网( c a n ) 作系统内部通信方 式进行数据交换，具有高强的检错与纠错能力，传输可靠性大为提高。系统设计 作满足机车振动、温度等环境的国家标准要求外，其电磁兼容性满足i e c 6 1 0 0 0 标准的三级要求。 6 提高安全性设计。l k j 2 0 0 0 型监控装置的故障安全措施较前代做了很大 加强。在双机数据处理方面，在速度信号故障、轨道绝缘节识别故障、通信故障 等的检测、判断和处理方面均进行了专门设计。 7 采用了图形化屏幕显示器。l k j 2 0 0 0 型监控装置采用1 0 英寸t f t 高亮度 彩色液晶显示器，以动态图形方式预示运行前方线路的弯道、坡道、桥梁、隧道、 道岔以及信号机布置情况，随列车运行滚动显示监控装置控制模式限速曲线。图 形化屏幕显示器显示直观，认读性好，司机操作的交互性好。 1 2 l k j 2 0 0 0 型监控装置的功能和主要技术参数 1 2 1 功能 ( 一) 监控功能 1 防止列车越过关闭的信号机； 2 硕士学位论文第一章概述 2 防止列车超过线路( 或道岔) 允许速度以及列车、车辆的构造速度； 3 防止机车高于规定的限制速度调车作业： 4 在列车停车情况下，防止列车溜逸； 5 可按临时增加的运行要求控制列车不超过临时限速； 6 在自动闭塞区段，列车在显示停车的通过信号机前停车2m i n 后又继续 向此关闭信号机防护的分区运行时，保证在该信号机防护的分区内运行速度不超 过规定的限制速度： 7 列车通过显示黄色、双黄色、双黄闪的进站信号机进入站内无码的股道 时，装置按前方信号机关闭进行控制。经正、副司机同时确认操作后，装置允许 列车以低于规定的限制速度通过该信号机。 ( 二) 记录功能 1 一次性记录项目 ( 1 ) 开机记录：日期、时间、机型、机车号、装置编号、机车轮径； ( 2 ) 输入参数记录：车次、司机号、副司机号、区段代号、车站代号、客 货车别、本务补机别、牵引总重、载重、计长、辆数、支线号、侧线股道号、出 入段时间。 1 2 2 主要技术参数 1 适应环境条件 装置满足铁道机车车辆电子装置( t b t3 0 2 卜2 0 0 1 ) 要求，在下列条件 下正常工作： ( 1 ) 海拔高度：不超过2 5 0 0m 。 ( 2 ) 环境温度：机车内部空气温度为一2 5 到4 5 ，但是，直接临近电子 元件处的空气温度可在一2 5 到7 0 之间变化。屏幕显示器应在o 到5 5 范围 启机工作。装置允许在不低于一4 0 环境温度下存放。 ( 3 ) 相对湿度：最湿月月平均最大相对湿度不大于9 0 ( 该月月平均最低 温度为2 5 ) 。 ( 4 ) 装置适合各种电力机车、内燃机车动车组；适用自动及半自动闭塞方 式；并适应各种机车信号制式，包括移频、交流计数、极频和u m _ 7 l 等。 2 系统设备配置 每台机车上装设1 个主机和2 个显示器，允许1 个主机与1 个显示器配置使 用。显示器有数码型和屏幕型两种，可以选择其一与主机配置使用。 4 电气参数 ( 1 ) 系统电源 输入电压：7 7 1 3 7 5v 。 3 硕士学位论文 第一章概述 功耗：2 0 0w 。 对内部供电 & + 5v ( 1 2 ) b + 1 2v ( 1 5 ) c 一1 2v ( 1 5 ) d + 2 4v ( 1 2 ) e + 1 5v ( 1 5 ) f + 1 5v ( 1 5 ) 保护 a 输入欠压保护 b 输入过压保护 ( 2 ) c p u 和时钟基准 3a ： 1a ： la ： o 4a ： 0 6 5a ( 供速度传感器) ； 0 6 5a ( 供压力传感器) 。 7 5v ( 1 6 ) ，可自恢复。 1 4 0v ( 1 2 ) ，可自恢复。 监控记录插件：m c 6 8 3 3 2f o 。为1 6 姗z 。 通信插件：d s 8 0 c 3 2 0 m c l 为1 1 0 5 9 2 懈z 。 地面信息处理插件：t m s 3 2 0 f 2 0 6 ( d p s ) f o 。为2 0 删z 。 ( 3 ) 存储器配置 监控记录插件 a 程序用e p r 叫1 船； b 数据用e p r o m 1m b ( 可扩充至2m b ) ； c 记录数据r a m2 惦。 通信插件 & 程序用e p r o m3 2k b ； b 数据缓冲r a m 3 2l ( b 。 地面信息处理插件 程序用( d s p ) 3 2k b 。 ( 4 ) 内、外部通信 数字量光电隔离式输入通道 a 机车信号输入通道( 5 0v ) ：通道数= 1 6 ； b 机车工况信号输入通道( 1 1 0v ) ：通道数= 8 。 数字量输出通道( 制动控制输出) 通道数：7 ； 输出方式：继电器触点输出； 输出隔离电压：a c 1 0 0 0v ； 触点输出容量：d c1 1 0v 、3 0 0m a 。 4 堡主兰垡堡苎 苎二兰塑苎 _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - 一一一一 频率量输入接口( 速度信号输入) 通道数：4 ； 信号幅值范围：o 4 0v ( 峰一峰值) ： 信号频率范围：1 6k h z ( 脉冲方波或正弦交流信号) 。 模拟量输入通道 通道数：7 ； 信号幅值范围：o 5v 。 模拟量输出通道 a 速度表指针驱动 通道数：2 ： 信号幅值范围：o 2 0n i a ： 输出精度：额定值的1 。 b 里程计驱动 通道数；1 ： 信号幅值：d c2 4v ： 脉冲宽度：2 0 0m s 。 通信接口 a 与转储器接口：符合r s 一2 3 2 规范； b 与显示器接口：双路c a n 通道； c 与i c 卡接口：符合r s 一4 8 5 规范： d 与事故状态记录器接口：双路c a n 通信。 c a n 通信速率 5 0 0k b s 。 同步通信速率 lm b s 。 ( 5 ) 系统日历时钟误差 每月不大于6 0s ： ( 6 ) 系统测速误差 不大于lk m h ( v 2 5 0l 【l n h ) ： 5 硕士学位论文第二章l l ( j 2 0 0 0 犁监控装置技术基础 第二章l k j 2 0 0 0 型监控装置技术基础 2 1m c 6 8 3 3 2 微处理器 2 1 1 概述嘲瑚 凇6 8 3 3 2 是m o t o r o l a 公司于1 9 8 9 年推出的3 2 位集成化微控制器m c u ( 即单 片机) ，它具有优异的数据处理能力和功能强大的外围子系统，并采用全静态、 高速互补h c o s 技术。m c 6 8 3 3 2 由标准的内部功能模块构成，这些模块包括：3 2 位中央处理器单元c p u 3 2 、定时处理器单元t p u 、队列串行模块q s 玳q u e u e ds e r i a l m o d u l e ) 、系统控制模块s i m 和内部静态数据存储器r a m 等，模块之间通过内部 公共总线连接。图2 一l 是m c 6 8 3 3 2 单片机主要结构框图。 图2 1m c 6 8 3 3 2 单片机结构图 m c 6 8 3 3 2 微处理器，其内部数据处理能力达3 2 位( 外部数据总线宽度为1 6 位) ，具有1 6 m 字节的寻址空间，无需扩充地址总线即可满足寻址空间要求。最 高可达2 5 m 的工作频率加上其流水线工作方式使得其处理速度远远高于普通的 微处理器。它的内置异步和同步通信接口、内部r a l i 以及内部片选逻辑功能大大 简化了外围电路的设计特别是它的定时处理器单元( t p u ) 可脱离c p u 独立工 作，以相当高的分辨率专门处理1 6 路输入输出通道，一方面大大减轻了c p u 负 担。另一方面也提高了系统运行的速度。m c 6 8 3 3 2 微处理器完善的内部故障检测 及故障处理功能在相当程度上提高了其工作的可靠性和安全性。此外，其独特的 背景模式( b d m ) 接口也为软、硬件调试提供了简单、灵活而又低成本的调试手 段。 6 硕士学位论文 第二章l 2 0 0 0 型监控装置技术基础 m c 6 8 3 3 2 的主要特性： 1 ) 低功耗操作：最大0 6 w 。 2 ) 工作频率：最大工作频率可达2 5 删z 。 3 ) 工艺：高密度互补m o s ( h c m o s ) ，静态设计。 4 ) 封装：1 3 2 脚方形扁平塑料封装( p q f p ) 。 5 ) c p u ：3 2 位，与m c 6 8 0 0 0 系列c p u 兼容。 6 ) 智能化1 6 位定时器： 1 6 个独立的、可控通道和引脚。 任一通道可执行输入捕捉、输出比较、脉冲宽度调制等功能。 两个1 6 位定时计数寄存器，各具有2 位可程控的预分频器。 可由程序选择通道的优先级。 7 ) 两个串行i o 子系统： 增强型的串行通讯接口( s c i ) ，具有通用的异步接收器和发送器( u a r t ) 和奇偶校验功能。 增强型的串行外围接口( q s p i ) ，具有i o 队列功能。 8 ) 片内存贮器：2 k 字节静态高速r a m 。 9 ) 片内可程控片选逻辑：有1 2 个片选输出端，可提供访问外部存贮器和外 围i o 芯片的选择信号。 1 0 ) 系统失效保护： 计算机工作正常监视定时器( w a t c h d o g ) 。 周期中断定时器。 m 6 8 0 0 0 系列伪中断、眦l t 和总线监视器。 1 1 ) 多至3 2 个独立的i 0 引脚。 2 1 2中央处理器单元( c p u 3 2 ) ( 1 ) c p u 3 2 主要特点 c p u 3 2 具有较强的计算和数据处理能力，其内部数据处理能力达3 2 位。c p u 3 2 具有丰富的指令系统，并具有强有力的寻址方式，与m c 6 8 0 0 0 系列微处理器软件 程序兼容，支持高级语言，并可增加高级语言编译器的效率。增加有查表、插值 和低功耗指令，以适应单片机应用的特殊需要。c p u 3 2 的主要特点如下： 3 2 位内部数据处理能力 快速乘、除和移位指令。 具有快速总线接口，并且可动态改变总线接口宽度。 先进的异常( 包括中断) 处理功能。 具有丰富的指令系统及寻址方式。 7 硕士学位论文 ；| ：一一j 第二章l i ( j 2 0 0 0 犁监控装置技术基础 可跟踪程序流的变化。 具有查表与插值指令。 硬件断点信号，背景模式。 全静态应用。 ( 2 ) c p u 3 2 内部结构及指令系统 c p u 3 2 的内部数据处理能力为3 2 位，内部地址总线为3 2 位，外部地址线为 2 4 位，外部数据线为1 6 位，可完成位、字节、字、双字( 3 2 位) 和4 字( 6 4 位) 数据传输。c p u 3 2 内部有8 个多功能的3 2 位通用数据寄存器，7 个3 2 位通 用地址寄存器。8 个通用数据寄存器均可作为累加器使用，7 个地址寄存器均可 作为变址寄存器，有分开的用户和监控堆栈指针和地址空间，并将程序空间和地 址空间分开使用。为了提高对c p u 3 2 的内部资源的使用效率和降低指令的执行时 间，c p u 3 2 采用流水线工作方式，取指令和执行指令可同时进行，即在执行当前 指令的同时可预取及译码下面的指令，这样执行每条指令的时问大大缩短。由于 采用了h c m o s 技术，c p u 3 2 在正常工作时具有较低的消耗功率。在执行s t o p 指 令后，功耗可降低到最低程度。 c p u 3 2 指令系统是在m c 6 8 0 0 0 指令系统基础上发展起来的，用户程序完全兼 容m c 6 8 0 0 0 系列微处理器。c p u 3 2 具有以下几类指令： 1 ) 数据传送指令：可完成字节、字和双字数据从存贮器传送到存贮器或寄 存器，或从寄存器传送到存贮器或寄存器的操作。 2 ) 整数算术运算指令：包括加、减、乘、除、算术比较、清零和取负等， 具有有符号和无符号数乘法和除法指令，并增加有查表和插值指令。 3 ) 逻辑运算指令；可完成与、或、异或和取反操作。 4 ) 移位和循环指令：可完成8 、1 6 和3 2 位算术、逻辑或循环移位。 5 ) 位操作指令：具有位测试、位测试和置位、位测试和清零指令。 6 ) 程序控制指令：包括条件转移、无条件转移、予程序调用与返回指令。 7 ) 系统控制指令：包括特权指令、陷阱指令，低功耗暂停指令，修改或使 用条件码寄存器的指令啪嘲。 2 l 3定时处理器单元( t p u ) 定时处理器单元( t p u ) 是智能化的微控制器，专门用于定时控制。t p u 可 脱离c p u 独立执行有关时间的操作，完成各种要求的定时任务。定时处理器单元 有输入捕捉及输出比较两种基本操作。 t p u 控制1 6 个独立的通道，每个通道对应于一根i o 引脚，可执行任何定 时功能。每个通道有独立的多功能事件寄存器，可用于输出比较和输入捕捉等功 能。在输入引脚上检测到一个指定的跳变时，产生一个输入捕捉；在识别出一个 8 硕士学位论文第二章l k j 2 0 0 0 犁监控装置技术基础 输出比较事件时，输出一个指定的电平。t p u 可完成如下定时控制功能： 离散输入输出。 脉冲宽度调制( p 嘲) 输出。 输入捕捉输入跳变计数。 具有额外跳变检测的周期测量。 具有缺少跳变检测的周期测量。 相位同步的脉冲发生器。 步进电机控制。 输出比较符合。 周期脉冲宽度累加器。 每个通道可与预分频器中的两个1 6 位自由运行计数器中的任何一个同步。 其中一个计数器基于系统时钟，具有5 0 0 n s 的分辨率；另一个计数器以外部时钟 为基准，分辨率为2 5 0 n s 。这些通道也可以连在一起，以一个通道的操作作为另 一个通道操作的基准，从而可进行相互控制”。 2 1 4队列串行模块( q s m ) ( 1 ) 队列串行外部接口( o s p i ) 队列串行外部接口( q s p i ) 是c p u 与外部设备进行同步通信的全双工串行接 口，它提供了外部扩展功能及同步通信功能。 ( 2 ) 串行通讯接口( s c i ) 串行通讯接口( s c i ) 是全双工通用异步接收发送串行接口，用于c p u 与外 部设备进行异步通信。s c i 提供标准的不归零( n r z ) 数据格式，具有强有力的 出错检测电路，可检测到持续时间为1 1 6 位时间的的干扰噪声信号。为适应多 机系统的通讯要求，提供有两种唤醒功能：一种是在c p u 检测到空闲线时才响应 中断：另一种是在c p u 检测到新的地址字节时才响应中断。 2 1 5 系统集成模块( s i m ) m c 6 8 3 3 2 的系统集成模块包含有各种外部接口、时钟和能减少配接的外部电 路的功能块。它包含有外部总线接口( e b i ) 、片选输出控制、系统保护、测试和 时钟子模块。 ( 1 ) 外部总线接口 外部总线有2 4 根地址线和1 6 根数据线。数据总线允许8 位或1 6 位访问方 式，并允许动态改变总线宽度。具有三线应答接口以处理外部总线冲突。 ( 2 ) 片选控制 具有1 2 根独立的可程控的片选信号输出，可提供快速的双周期外部存贮器 或外部设备访问。每个片选块的大小可由程序控制，最小2 k 字节，最大为l m 字 9 硕士学位论文 第二章l ( j 2 0 0 0 型监控装置技术基础 节。可预先选择为8 位或1 6 位传送方式，访问期间可插入等待周期。片选控制 逻辑可自动处理所有总线接口信号 ( 3 ) 系统保护子模块 m c 6 8 3 3 2 可以通过各种监视器和定时器，包括总线监视器、姒l t 监视器、伪 中断监视器、w a t c h d o g 监视定时器和周期中断定时器等，来实现系统保护。这 些功能都集成在单片机上以减小印制板尺寸和外接元件费用，以降低成本。 “) 测试子模块 测试子模块主要用于产品测试，该模块把单片机的测试逻辑集成为单独的模 块，以方便生产测试、用户自检和系统诊断。6 8 3 3 2 内部的逻辑电路对扫描的 信号进行分析、检测；自检逻辑可以对外部自检程序作出好不好的回答。 ( 5 ) 系统时钟 m c 6 8 3 3 2 的系统时钟可由内部时钟合成器生成或由外部时钟信号直接提供。 时钟子模块与外部连接的引脚有6 个。其中，基准频率可以是一个外部晶体，也 可以是一个外部振荡器。它们直接连接在e x t a l 和x t a l 引脚之间。由于m c 6 8 3 3 2 采用全静态跚0 s 技术，可使用低功耗停机指令完全停止系统时钟，而同时保存 所有寄存器和片内r a m 的内容脚m 。 2 1 6 引脚特性 m c 6 8 3 3 2 为1 3 2 脚p q f p 封装，引脚如图2 _ 2 所示 图2 - 2m c 6 8 3 3 2 引脚图 啪一m肥舶m”舳m懈艚枷川舭懈肌小州懈卅肿一弧一一一一 硕士学位论文 第二章l l ( j 2 0 0 0 型监控装置技术基础 2 2d s p 数字信号处理技术 2 2 1 概述嘲嗍 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o e e s s i n g ，简称d s p ) 是一门新兴的涉 及许多学科而又广泛应用于许多领域的技术，它是利用计算机或专用处理设备， 对信号以数字的形式并运用特定的方法进行采集、变换、滤波、估值、增强、压 缩、识别等处理，从而得到符合人们需要的信号形式。 近2 0 年来，数字信号处理技术在通信、语音、图像、雷达、生物医学、工 业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。 2 2 2d s p 系统 图2 3 所示为一个典型的d s p 系统。图中的输入信号可以有各种各样的形式。 例如，它可以是麦克风输出的语音信号或是电话线来的已调数据信号，可以是编 码后在数字链路上传输或存储在计算机里的摄像机图像信号等。 忙旧一日乎 图2 3 典型的d s p 系统 输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行a d ( a n a l o gt od i g i t a l ) 变换将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息不丢失，抽 样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2 倍。 d s p 芯片的输入是a d 变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，d s p 芯片 对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作( m a c ) 。数 字处理是d s p 的关键，这与其他系统( 如电话交换系统) 有很大的不同，在交换 系统中，处理器的作用是进行路由选择，它并不对输入数掘进行修改。因此虽然 两者都是实时系统，但两者的实时约束条件却有很大的不同。最后，经过处理后 的数字样值再经d a ( d i g i t a lt oa n a l o g ) 变换转换为模拟样值，之后再进行 内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。 必须指出的是，上面给出的d s p 系统模型是个典型模型，但并不是所有的 d s p 系统都必须具有模型中的所有部件。在l k j 2 0 0 0 型地面信号处理的应用中， 只需对输入的信号进行模数转换后，由d s p 芯片处理得到所需的机车过绝缘节信 息即可，并不需要对信号进行数模转换与输出。 2 2 3d s p 芯片 在d s p 系统中，实现其信号处理的功能核心部分是d s p 芯片数字信号处 硕七学位论文 第二章u u 2 0 0 0 磴监控装置技术基础 理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时 快速地实现各种数字信号处理算法“”根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般 具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 当然，与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱些。 2 2 4 数字滤波 在数字信号处理中，信号的滤波占重要地位。数字信号处理技术在l k j 2 0 0 0 型监控装置上的应用主要也就是使用的数字滤波完全取代原来的l k j _ 9 3 型监控 装置中的模拟滤波技术，以实现相应功能。 所谓数字滤波就是将输入的数字信号，按规定的算法运算后，输出所希望得 到的数字信号的系统。有时候可将数字滤波器理解为一个程序与算法。其实现过 程是：由模数转换器按一定的采样频率对需要滤波的实际信号进行采样，然后 由数字信号处理器按特定的算法运算后提取出所需的信号，从而实现了对信号的 滤波功能。 在离散时间域中数字滤波器的输入序列x ( n ) 与输出序列y ( n ) 的关系用线性 差分方程表示为： 村 灭以) = 口( 七沙一d + 6 ( d x 一七) ( 2 一1 ) i t i j ；o 其在z 域中的传输函数可表示为； “ y 6 龙4 日( z ) = j 一 ( 2 2 ) 1 一y 掘4 钉 在数字滤波器的设计中使用最广泛的是有限冲激响应( f i r ) 滤波器和无限 冲激响应( i i r ) 滤波器。若式( 2 - 1 ) 中的系数a ( k ) 全为o ，则输入与输出的关 系变为： 硕士学位论文 第二章l k j 2 0 0 0 犁监控装置技术基础 灭力= 6 ( | 】 ) x ( 挖一七) ( 2 3 ) 西 输出y ( n ) 只取决于现在的输入和有限个过去的输入x ( n ) ，x ( n - 1 ) ， x ( n - 2 ) ，x ( n m ) ，它的脉冲响应h ( n ) 为b 0 ，b 1 ，b m ，它的脉冲响 应是有限的，这就是有限冲激响应( f i r ) 滤波器；若式( 2 1 ) 中的系数a ( k ) 不全为o ，那么输出y ( n ) 不仅取决于过去与现在的输入，而且取决于过去的输出， 即滤波器存在输出的反馈，它的脉冲相应是无限延续的，这就是无限冲激响应 ( i i r ) 滤波器。 在设计数字滤波器时，首先要确认滤波器要达到的滤波性能指标，除追求较 高滤波性能外，在实际应用中还必须考虑选用数字信号处理器的性能；其次要选 择适当的滤波器类型，通常若对滤波器的幅频响应指标要求较高，如窄带、锐截 止滤波器，但不考虑相位特性时一般选用i i r 滤波器，对相位要求相对较严格， 或幅频特性较特殊时选用f i r 滤波器。另外，i i r 滤波器存在参数稳定性问题， 即它可能产生振荡，f i r 滤波器虽不存在这个问题，但其截止特性弱，延迟较大， 这些在实际应用中都必须综合考虑；最后计算出滤波器的每个系数，编制相应程 序，并根据调试结果对系数作适当的调整”1 。 l k j 2 0 0 0 型监控装置中数字信号处理技术的应用，将带来如下优点： ( 1 ) 可靠性好。对应不同的信号制式，只需设计一个硬件通道，通过软件完 成对各种信号滤波，大大减少模拟电路，提高系统可靠性； ( 2 ) 稳定性好。没有模拟元件的漂移等问题，不需要精密元件，调试简单； ( 3 ) 灵活性好。对所有信号的处理均可由软件实现，修改容易，适应能力强。 2 3c a n 通信总线技术 c a n 全名为控制器局域网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，是一种现场总线， 主要用于工业环境监视控制系统通信。c a n 总线具有较强的实时性、很高的可靠 性、很好的防护能力，适合工业环境监视控制系统通信，是一种很有前途的现场 总线。 ( 一) c a n 总线主要特性： 1 串行总线。仅有两根通信线。 2 短报文。数据以称为报文的数据帧为单位收发，报文有效数据可为o 至 8 字节。短报文减少了错误后重发的时间，可提高通信的实时性。 3 多主通信。不必专设主机轮询，可提高通信效率。 4 非破坏的基于优先级的仲裁。当发生总线争用时，高优先级报文正常发 硕士学位论文第二章l i ( j 2 0 0 0 犁监控装置技术基础 送：低优先级报文自动退出争用，等待总线空闲后重发。 5 仲裁退出和通信错误报文可由硬件控制自动重发，可提高工作效率。 6 多种检错纠错方式，很高的数据可靠性。 7 暂时错误、故障状态自动判别，故障节点由硬件控制自动脱离总线。可 提高系统工作的可靠性“州。 ( 二) c a n 总线通信速度与传输距离对应表( 见表2 一1 ) ( 三) c a n 叫线数据位传输特性 c a n 总线通信线有两根，通常 分别称之为c a n h 、c a n l 。当c a n 1 与c a n l 电平差高于一定幅值，称总 线状态为显性( d o m i n a n t ) ，表示为 逻辑“0 ”；否则称为隐性 ( r e c e s s i v e ) ，表示为逻辑“1 ”。 当总线上多个节点分别同时发 送显性数据位与隐性数据位时，总 线总是呈现显性状态。 可理解为多个节点的发送数据 位通过总线进行逻辑与运算，只要 有任一节点发送逻辑0 ，则总线状 态为逻辑o 。 ( 四) 总线仲裁原理说明 表2 1c a n 总线通信速度与传输距离对应表 通信速度传输距离 lm b s4 0 m 5 0 0k b ，s 1 3 0 m 2 5 0 k b ，s 2 7 0 m 1 2 5k b ，s 5 3 0 m 1 0 0 鼬妇6 2 0 m 5 0 k b ，sl3 0 0 m 2 0 k b ，s3 3 0 0 m 1 0 l ( b ，s6 7 0 0 m 5 k b ，s1 0 蛔 总线仲裁是通过这样的机制实现的： 每个发送器在发送自身数据帧标志符时，若自身发送的当前数据位是l ，而 检测到当前总线状态为o ，则立即停止本帧发送。当自身发送的当前数据位是l ， 而检测到当前总线状态为1 ，则本帧发送继续进行。这样，标志符数值较小的标 志符能够正常发送，而数值较大的自动退出。其中有两点需要注意： 标志符相同的数据帧不会自动退出，所以，系统设计应保证系统中任一报 文的标识符是惟一的。 若自身发送的当前数据位是。而检测到当前总线状态为l ，则硬件会认为 发生错误。 ( 五) c a n 总线的检错及纠错“” c a n 总线有多种错误类型，这里概括介绍以下5 种。 1 位错误 发送器在发送数据位的同时要检测总线，当检测到的状态与当前数据位不同 1 4 硕士学位论文 第二章l 日2 0 0 0 型监控装置技术基础 时，则在该位检测到一个位错误。当然，在需要进行总线逻辑与运算的场合，不 在此之列。如总线仲裁期间。 2 填充错误 当前述进行位填充过的报文出现6 个连续的相同数据位，则为填充错误。 3 c r c 错误 接收器收到的c r c 与自身验算的不符。剩余错误概率可低于3 l 旷。 4 形式错误 固定为0 或1 的数据位出现非法值。 5 应答错误 a c k 间隙发送器未检测到o 。 ( 六) c a n 控制器接口芯片p c a 8 2 c 2 5 0 1 引脚图及引脚定义 引脚图见图2 4 ，引脚定义见表2 2 ： t x d g n d v c c r x d 图2 4 引脚图 l l s c n h c n l 盯 袁2 2 名称管脚功能 t x d l 发送 g n d 2 地 v c c3电源 r x d 4 接收 v r e f5 参考电压 c a