（电力电子与电力传动专业论文）机车运用状态在线实时监测系统的研究.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 a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so f t h er e a l t i m er u n n i n gs t a t em o n i t o rs y s t e m f o rl o c o m o t i v em a i n t e n a n c eo f s u n i n gb e l o n g i n g t h e r a i l w a y o f s h u o h u a n g ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ew h o l ef u n c t i o no f t h em o n i t o r s y s t e m ，r e a l i z e s t h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no fc o l l e c t i n g & s t o r i n gd a t ao nc a nf i e l db u s t h r o u g hl u c u b r a t i n gt h ec a np r o t o c o l ，e s t a b l i s h st h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l o fc a na i m i n gt h em o n i t o rs y s t e m a n dt h ep a p e ra n a l y s e st h e p r i n c i p l ea n d t h e f u n c t i o no f s u b m o d u l e ，a c c o m p l i s h e st h ee x a m i n a t i o n o f t h ef u n c t i o ns u b m o d e l a t f i r s t ，t h e t h e s i so u t l i n e st h e m e a n i n g t o a c c o m p l i s h t h em o n i t o r s y s t e m d i s c u s e st h eh i s t o r y & t h ea c t u a l i t y o ft h er e a l t i m er u n n i n gs t a t e m o n i t o r i n gs y s t e m t h ec h a p t e r2p e n e t r a t e s i n t o c o l l e c t i v i t y s t r u c t u r eo ft h e s y s t e m ，e x p a t i a t e s t h e p r o j e c t o f c o l l e c t i n g a n d t r a n s m i t t i n g d a t a ，t h e p e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i co f t h ec a n b u s b r i n gf o r w o r d t h es t r u c t u r eo ft h e w h o l ef u n c t i o na n di n t r o d u c e st h ec o r ec h i 卜p 8 7 c 5 9 1 & t h eo t h e rm a i n l yc h i p u s i n gi nt h es y s t e m i nc h a p t e r3 ，a n a l y s i sa l lo f t h ei n f on e e d e dt oc o l l e c to nt h e s s 4 ba n dt h em e a n i n gt oa c q u i r et h e m s ol a l e saf o u n d a t i o nf o rt h es y s t e m t h e c h a p t e r4i n t r o d u c e st h ef u n c t i o na n dt h ep r i n c i p l eo ft h es y s t e mc i r c u i t ，t h e n d i s c u s e st h em o d e lo fd a t a s t o r i n g t h ec h a p t e r 5 d e s i g n s t h e s y s t e m s o f t w a r e ，f r a m e st h ec a nl a yaf o u n d a t i o np r o t o c o l ，a c c o m p l i s h e st h ed e s i g no f a l l f u n c t i o n l ys u b p r o g r a mo ft h es y s t e mi n c l u d i n gi n t e r r u p t i o n 、i n i t i a l i z a t i o n 、 s e n d i n ga n dr e c e i v e i n g d e s i g n st h eo p e r a t i n gp r o g r a m o f t h es t o r i n gm o d u l e t h e c h a p t e r 6r e s e a r c ht h ef l m c t i o no ft h em o n i t o r s y s t e mt h r o u g hd o i n g t e s t ，a c c o m p l i s h e s t h ep o i n t - t o p o i n tc o m m u n i c a t i o n 、i n t e r c o m m u n i c a t i o na n d t h ec o n v e r s i o no fa dt h e nt ot r a n s f e ra n ds t o r e t h ep a p e rs u m su pt h ep r o d u c t i o nd u r i n gd o i n gas e r i e so ft e s t i n ga b o u tt h e m o n i t o rs y s t e m ，a n dp o i n t so u tt h es h o r t a g ea tt h es a m et i m e ，a tl a s tt h ec h a p t e r g i v e ss o m ea d v i c e sa n d v i e w st h ef o r e g r o u n do f t h es y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t n e ，r e a l t i m e s y s t e m ，m o n i t o r ，c a n b u s c o n d i t i o n b a s e dr e p a i r ，p r o t o c o lo f a p p l i c a t i o nl a y e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章首先介绍在我国铁路实现连年大提速的背景下，电力机车在运行 过程中机车运用状态实现在线实时监测的意义：然后说明了对机车状态进 行监测的任务和目的：并介绍国内外在这方面的研究现状和发展动态；最 后介绍了本论文研究的主要内容以及要完成的工作。 1 1 机车状态实现在线实时监测的意义 长期以来，我国电力机车一直处于一种运营速度不高的状况。但是近 年来，在国内交通运输市场日趋激烈的竞争的推动下，我国铁路明显加快 了以高速、重载、安全为主题的发展步伐，大批快速运营线路相继开通， 各种新型的提速车辆、快速车辆、快速动车组、重载货车不断地设计制造 出厂并投入运营，我国铁路呈现出一个前所未有的发展势态。随着新的形 势的发展，对电力机车的设计、制造、维修、运营管理提出了一系列新的 问题。 首先是安全，随着列车编组中的车辆新车型、新技术、新材料的大量 应用，机车的载重及列车时速的显著提高，给机车运行的可靠性、安全性 提出了更高的要求；其次要求对机车的运营管理更加经济、高效，技术状 态的维护和决策更加科学。在这种情况下，传统的定期检修制度已明显感 到不适应“3 。为此，国内外推出了一种经济高效、先进合理的维修制度 状态修。状态修就是把目前的定期、定型和分解型的维修方式，改变为实 时、在线的状态监测，通过对机车的技术诊断，随时掌握设备出现的故障 及运转工况，有效地确立以功能为中心和非分解型的设备维修方法。1 。状态 修是一种预维修制，它能科学地分析并测试设备初始状态好坏和运行条件 的差别，通过采用新的检测设备和高新诊断技术，监测设备状态，以充分 发挥设备的优势。与定期检修相比，机车状态修是现代科学技术诸如数学、 物理、力学、化学、电子技术、计算机技术、信息技术、人工智能等多种 学科在机车的运行维护和运营管理上的综合应用，状态修更能保证机车运 行的可靠性、安全性，维修决策的科学性，运营管理的高效性、经济性， 是我国铁路机车的运营管理现代化的发展方向。而状态修制度的基础是对 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 机车进行状态监测。因此，机车的状态监测技术是状态修的关键技术、基 础技术，发展机车的状态监测与故障诊断技术是机车更加安全可靠运行的 关键。 再者，为适应在高速、重载情况下更加严峻的工作条件和更加苛刻的 性能要求，对高速重载机车的设计制造要求也越来越高。这种情况下，电 力机车的设计制造厂商有必要进一步研究机车在长期高速、重载的运行中 各部件所表现出来的动态特性，分析实际运营中的机车在长期运行中的变 化情况，从而提高设计制造的可靠性、安全性“。这一问题的提出也需要对 机车运行进行状态监测。 综合上述可见，我国铁路的现代化建设、机车的高速、重载的运行和 管理都需要机车的状态监测技术给予支持，进行机车状态监测的理论、方 法和应用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 对机车进行状态监测的任务和目的 对机车进行状态监测的基本任务是研究运行中的机车系统表现出来的 动态特性，并对系统的动态特性做出决策。 监测与诊断的目的是： 保证机车无故障，安全可靠地运行： 保证机车发挥最大设计能力，物尽其用； 及时对各种异常或故障做出诊断，并作必要的干预措施，如控制、 调整、维修、治理以及继续监测等进行指导； 通过性能评价，为优化设计与正确制造提供信息和依据。 1 3 国内外对此课题的研究现状和发展 在国外一些铁路发达国家，随着本国铁路的高速化、现代化，为了保 证列车的安全可靠，大都进行了机车车辆状态监测和控制技术的研究和发 展”3 。目前机车车辆状态监测技术的研究已经非常普遍。 地面监测装置发展较早，主要是对车轮裂纹、轴箱温度、踏面形状等 故障的监测或检测”1 。而车载检测、监测装置发展较晚。但是随着近年来计 算机技术、网络通讯技术，尤其是嵌入式系统的飞速发展，为车载监测系 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 统的研制开发提供了广阔的空间，人们开始越来越重视车载监测系统的研 制和开发。最早使用的监测设备是在车辆上的轴温监测和报警系统。该装 置通过对轴温的监测以避免车轴热切事故的发生。随着速度的提高，为防 止制动时车轮打滑擦伤车轮出现了电子防滑器。该装置不仅对车轮的滚动 状态进行监测，而且根据需要对制动缸的压力进行控制以防止打滑现象的 出现、避免车轮擦伤”。 在我国，目前机车在运行过程中产生的各类数据信息的记录，是通过 列车运行装置的记录来实现。监控装置将运行过程的数据实时可靠地记录 在存储器中，机车返回段后通过i c 卡把记录的数据转录下来，经过地面处 理软件处理后，就能得到机车在运行过程中的各种动态信息，通过安全信 息评分系统对这些信息的综合分析，就可以得到机车乘务人员的操作评分、 机车质量信息、机车信号的工作状态及其他相应的数据，这些数据的获取 为制定可行的安全、质量控制方案提供了可靠的理论依据”1 ，实践证明，这 套装置的使用己为铁路的安全畅通做出了巨大的贡献。但随着铁路的提速， 机车运行区间越来越长，以前的数据模式已不能适应铁路的需要，为保证 数据能为安全运输生产服务，必须要建立实时传输。 而这一学科领域在我国国内尚属起步阶段。 1 4 本论文研究的主要内容与目标 本系统的任务是针对s s 4 b 型电力机车，构建一个在线实时监测系统， 从而能够在机车运行过程中实时地脏测到影响机车安全运行的各部件的电 气及机械特性，以便及时了解机车的运用状态是否良好，实现机车各部件 的状态修。具体如下四点： 1 针对机车运用状态在线实时监测系统的实际要求，制定整体设计方 案。其中包括：系统的整体规划、系统传输控制协议应用层研究、系统硬 件总体及各功能模块的研究、系统软件的编制； 2 利用德国k e i i 公司的c 5 1 编译器独立开发c a n 总线的低层网络数 据通信的收发、初始化子程序，以及各功能单元模块的控制子程序，搭建 网络、连接从而完成系统的初步调试； 3 对机车上各种需要采集的信息进行分类，针对不同采集类别的数据 信息分别制定不同的前置采集电路； 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 4 分析说明机车各种信息的采集方法； 本论文研究的主要内容为整个机车运用状态实时监测系统构成研究和 基于c a n 总线的数据采集存贮模块部分。 本论文的目标是：了解和研究s s 4 b 型电力机车需实时监测的信号，完 成基于c a n 总线的实时监测系统的硬件组建，针对本系统编制c a n 总线 应用层协议，实现机车状态量的信号采集、调理、存贮和各模块间的c a n 总线信息正确通讯的任务，并最终透过软硬件的联调验证系统中主要功能 的可行性：为这个重大课题将来的扩展和完善作一些有益的基础工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章监测系统总体结构的研究 由于课题的来源性质，决定了本机车运用状态在线实时监测系统是针 对s s 4 8 型电力机车来研究设计的。 2 1 对机车运用状态实时监测系统的要求 本系统在进行整体设计时，遵循了以下的实际需求来进行的： 1 ) 可以对s s 4 b 型电力机车上l k j 一9 3 运行监控记录装置所记录的信息 进行在线实时传输、发送到地面的故障诊断与分析专家系统： 2 ) 系统可以对影响机车安全运行的其它信息进行实时采集传输( 现己 装备的l k j 一9 3 型运行监控记录装置没有采集记录的一些重要信息) ，如机 车司机控制器操纵信息、机车主电路参数信息、辅助电路参数信息、控制 电路参数信息等； 3 ) 本系统在遇到信息发送故障时要能够把采集到的信息量存贮下来， 待故障解决后，可以继续发送存贮的信息或者等机车入库后再把这些信息 转移到地面上的故障诊断与分析专家系统，从而重现机车上各部件在机车 运行过程中的各种状态信息： 4 ) 本系统的最终安装使用是在不影响现在电力机车安全运行的前提 下进行的，包括本系统正常运行时和本系统出现故障时； 5 ) 本系统要具有优良的可扩展性，便于机车实现状态修所需的不断扩 大的机车部件的信息量能够在后续的系统维护中方便扩容； 6 ) 系统的软件要对机车上不同部件的资料信息具有选择性，即系统要 对采集到的各种信息进行判断，如果是在正常范围内的信号就不必把采集 的所有数据连续不断地传输，而只定时传输一次即可，只有当数据的变化 比较大或是机车上有部件发生故障时才会把采集到的大部分数据源源不断 地传输发送。 2 2 实时监测系统总体方案 机车状态在线实时监测系统包括三大模块：基于c a n 总线的数据采集 存贮模块，无线发送模块和故障诊断与专家分析系统，如图2 - 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 图2 - 1 机车状态在线实时龉测系统功能框图 在此系统中基于c a n 总线的数据采集存贮模块是整个系统的数据来源， 这个模块是整个系统的一个关键予系统，它肩负着从最初的信号源处提取 信号，信号的调理、信号的采集转换、信号通过c a n 总线的传输和存贮等 一系列环节；数据发送和接收模块则主要完成信息从车上到地面的传输任 务；地面子系统则是完成信息的分析和故障诊断的功能。 2 3 信息采集与传输方案的选择 2 3 1 信号集中采集处理模式 为了最大限度的利用设备资源，可以将所有信号都用信号线连接到数 据采集设备上，每路信号经过蕤形放大等前置电路后接到多路开关上，再 ， 由数据采集模块选择一路信号进行采样，并对采集得到的信号进行定标、 预处理，然后再通过通讯接口发送到资料存储及发送模块。这种模式的示 意框图如图2 2 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 信号l 卜叫前置电路lk j o 多 k 盥 i 信号2l _ 一前置电路2 卜 路d 片 通 。 + 机 l _ 卜 讯 i 信号n - 1h 前置电路n 一1 卜 开转接 关换 系 统 口 【信号nh 前置电路n 卜 图2 2 集中式数据采集处理模块结构 从上图可以看出按这种方式设计的数据采集模块的特点是所有信号共 享一个a d 转换芯片和同一个单片机处理系统，设备成本低，设计简单。 适合用于信号接线比较集中且与采集系统的距离很近的场合，同时要求现 场的干扰不能太大，否则需要对信号线进行屏蔽以免造成采集结果不准确。 由于这种方式是对所有信号进行轮流采样，当被采集信号差异较大时前置 电路设计复杂，由于信号总数很多时需要花费较长的时间才能完成所有信 号的一次采样，同时可靠性也不高。再加上单片机系统需要对所有信号进 行处理，对单片机的性能要求较高，这些都限制了整个数据采集模块的采 集速度。此外这种方式的灵活性很差，如果有新的信号需要采集就要对模 块的硬件软件都要进行更改才能完成。由于机车上信号较多，同时分布不 集中且对实时性要求很高，所以采用信号集中处理方式的数据采集模块不 能满足本系统的要求。 2 3 2 分布式数据采集处理模式 分布式数据采集处理模式是指一路或几路信号对应一个数据采集模 块，每个数据采集模块都包括a d 转换和单片机系统，完成对一路或几路 信号的采集和处理。模块闻通过总线相连。其示意框图如图2 - 3 所示： 从图中可以看出，每个数据采集模块只负责一路信号或较少的几路的 信号，信号模块之间通过总线进行通讯。由于一个数据采集模块只负责一 路或较少的几路信号，对单片机的性能要求不高，而且数据采集的速度很 高，现在主流的a d 芯片的转换时间大多为几个微秒，所以采用这种方式 的数据采集速度可以很轻松地达到实时要求。同时这种方式体现了模块化 的设计思想，可以将几个相同类型的信号共享一个数据采集模块，对于 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 3 分布式数据采集处理模块结构 不同类型的信号只需要更改前置电路就可以了。这样就大大降低了设计难 度，同时也便于系统的扩展，当有新的信号需要采集时只需要添加个数 据采集模块并连接到总线上就可以了。根本就不需要改动以前的硬件和软 件。考虑到机车上信号接线和机车部件关系比较密切，所以本系统采用分 布式数据采集处理模块来完成对机车上的信号的采样。根据机车上信号类 型的不同和信号分布的不同可以划分出不同的数据采集模块。从而使本系 统具有可扩展性，为系统的完善打好了基础，有效地延长了系统的生命力。 2 4c a n 总线 c a n 是控制局域网络( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的简称，最早由德国 b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之闾的数据通信。它广泛应 用在离散控制领域。c a n 也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型 ( o s i ) 基础上的，不过，其模型结构只有三层，即只取o s i 底层的物理层、 数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可 达1 m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远可达l o k m 5 k b p s 。可挂接设各数最多可 达1 1 0 个。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 介，因而传输 时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以 切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有 较强的抗干扰能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 24 1 c a n 总线与其它总线性能比较 自8 0 年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特 定的应用领域显示了自己的优势，它们分别是基金会现场总线、l o n w o r k s 总线、p r o f i b u s 总线、c a n 总线和h a r t 总线，现就c a n 总线与其它几种总 线的性能进行一下综合的比较“。 1 ) c a n 总线和l o n w o r k s 总线的比较 l o n 总线是主流现场总线中唯一全部支持i s o o s i 七层参考模型的总 线，相对c a n 来说，协议比较复杂，实现难度大；而且其开发需要的专门 工具比较多，包括节点开发工具n o d e b u i l d e r ( 包括编译器、在线仿真器和 路由器) 、节点和网络安装工具l o n b u i i d e r 、网络管理工具l o n m a n a g e r ( 主 要是一系列的软件开发包和接口卡) 以及客户服务器网络架构l n s 技 术，神经元芯片价格高，从而使得整个系统的开发费用很高。 l o n w o r k s 技术中采用的介质访问技术预测的p 一坚持算法的c s m a ， 采用了时间片的令牌技术。在节点的优先级方面是通过为需要设置优先级 的节点分配特定优先级时间片的方法来实现的。优先级时间片可设置为o 1 2 7 ，0 不需要等待立即发送，l 是等待一个时间片，2 是等待两个时间片， 这些时间片都是加在p 一概率时间片之前，非优先级的节点必须等待优先级 节点发送完后，再等待p 一概率时间片后发送；这点和c a n 总线采用的方法 不同。l o n 网络的结构比较复杂，一般具有三层结构：域、子网和节点。不 同域中的通信彼此独立，域下包含子网，每个域最多2 5 5 个子网，子网下 包含节点，每个子网最多1 2 7 个节点，因此在可按的节点数和数据传输速 率方面l o n 总线优于c a n 总线。 t 2 )c a n 总线和r s 一4 8 5 、p r o f ib u s 总线的比较 目前我国流行的测控总线是r s - 4 8 5 总线，其中现场总线中的p r o f i b u s 也采用了r s 一4 8 5 总线为媒体，相对于其它总线形式，r s 一4 8 5 总线的差分数 据传输的电气规范特点，使得它具有较高的噪声抑制能力，它的数据传输 速率( 最大为l o m b p s ) 、通信距离( 在1 0 0 k 的情况下，传输距离可为1 2 0 0 米) 等方面是其它标准无法比拟的。但传统的r s 一4 8 5 总线只能构成主从的 结构方式，通讯以主机轮询方式进行，实时性、可靠性差。其主节点任务 繁忙，一旦主节点出现故障就可能引起系统瘫痪；数据通信方式为命令响 应式，数据传输效率降低，同时当下端出现异常时，数据不能立即上传， 灵活性极差，不适于实时性要求较高的场合。r s 一4 8 5 与c a n b u s 总线的特 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 性比较如表2 一l 所示。 因此与c a n 总线相比，p r o f i b u s 总线有以下一些缺点：纠错能力差，无 法识别干扰源，没有c a n 总线的故障诊断及节点出现严重错误时自关断能 力；主站通过令牌轮转的方式来获得总线的控制权，对有优先级要求的数 据报文存在实时性差的问题；采用主从式的结构，虽然p r o f i b u s 总线允许构 成多主结构，不过对主站节点的要求相对要高得多：对于r s 一4 8 5 总线，只 能有一个主站节点，很容易形成整个系统的瓶颈：总的来说，p r o f i b u s 总线 开发难度较大，同时西门子公司不提倡用户开发主站节点，一般是让用户 开发自己的子站节点，主站节点则需购买西门子公司的产品( 主站节点比 较贵) ，这对p r o f i b u s 的应用，也产生了一定的限制。 表2 1r s 一4 8 5 c a n b u s 特性比较 t特性 r s - 4 8 5c a n b u s j 成本低廉稍高，多2 0 3 0 元节点 2 总线利用率低高 网络特性单主节点多主节点 数据传输率低局 容错机制无可靠错误处理和检错机制 通讯失败率晶极低 节点错误的影响导致整个网络的瘫痪无任何影响 通讯距离小于1 5 k m可达l o k m 5网络调试困难容易 l开发难度简单需要一定的技术基础 i 后期维护成本很高低 3 ) c a n 总线和h a r t 总线的比较 h a r t 总线属于模拟向数字过渡时期的采用的种总线标准。本身还不 算现场总线，是一种过渡性协议，发展前景比其他总线的都差；它的通信 速率很低，总线可连接的节点数少( 最多可连接的现场仪表数为1 5 个) 。 智能设备要检测出h a r t 通信的信号，要求它有0 2 5 v ( 峰一峰值) 以上的电 平，因而二线制智能设备与电源之间至少要有2 5 0q 以上的电阻，以免被电 源的低内阻所短路，因此，在通信介质上一般需要采用带屏蔽的直径大于 0 5 l m m 的电缆。 4 )c a n 总线和其它总线的比较 最常用的总线还有一种i2 c 的总线，它具有与c a n 总线i n c a 的性能，可 以形成多主机系统，但i2 c 只是芯片间的互连总线，其传输距离短，传输速 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 率也较低( 高速时为4 0 0 k b i t s ) 。 具体的这几种总线的性能比较见表2 2 所示“” 表2 - 2 几种总线性能的比较 c a nf fp r o f i b u sl o n w o r k sh a r t l 应用对象离散控制所有方面过程控制所有方面过程控靠矿一 o s i 层次l 、2 、7 1 、2 、7l 、2 、71 71 、2 、7 | 系统类型总线总线总线网络总线 介质访问c s 【a c d主从、令牌主从、令牌c s 姒c d主从、令牌 错误校正 c r cc r cc r cc r c c r c 双绞线、光 双绞线、光双绞线、光光纤、电力线 双绞线、光 通信介质纤、同轴电缆纤、同轴电缆 竺 纤、红外等 缂 等 单点、多点、单点、多点、单点、多 寻址方式广播广播 广播广播点、广播 3 1 2 5 k b p s 9 6 k b p s 3 0 0 b p s 传输速率5 k b p s l m b p s2 5 m b p s 2 5 m b d s1 2 m b d s 1 5 m b p s 传输距离 l o k m5 0 0 m 1 9 k mo o m l o k m2 7 k m3 k m 网络供电不是不是是是是 优先级支持支持支持支持支持 系统控制命令状态命令、状态命令、状态命令、状态 2 4 2 本系统中采用c a n 的优点 c a n 总线是种用于工业自动化领域的网络，它的物理特性及网络协议 更强调工业自动化的底层监控，其特点是可靠性极高，该产品己被广泛用 于汽车电子控制系统中，由于在汽车发动机中由火花塞产生的高频干扰和 机械振动都非常强，而c a n 能在这种环境中可靠工作，说明其具有很强的 抗干扰能力。另外，c a n 的通信速率相当高，当网络线的长度不超过4 0 m 时， 其通信速率可达1 m b p s ，性能远高于r s 4 8 5 、b i t b u s 等。由于c a n 的媒体访 问机制是带有优先级的c s m a c d ( 带有冲突检测机能的载体侦听多重访问协 议) 方式，而且其占线侦测是非破坏性的，因此可以将c a n 理解为一种优先 级抢占方式的实时网络。另外，由于c a n 所采用的信息格式为短帧结构， 所以对于最高优先级的通信请求来说，在1 m b p s 的通信速率时，最长的等 待时间仅为o 1 5 m s ，完全可以满足现场控制级的实时性要求。 c a n 只采用了i s o o s i 模型全部七层中的两层，物理层和数据链路层。 物理层又分为物理信令( p l s ，p h y s i c a ls i g n a l l i n g ) 、物理媒体附件( p m a ， p h y s i c a l m e d i u ma t t a c h m e n t ) 与媒体接口( m d i ，m e d i u md e p e n d e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 i n t e r f a c e ) 三部分，完成电气连接、实现驱动器接收器特性、定时、同 步、位编码解码。数据链路层分为逻辑链路控制( l l c ) 与媒体访问控制( m a c ) 两部分。l l c 子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务，确 认由l l c 子层接收的报文实际己接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。 m a c 子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、 出错标定和故障界定。m a c 子层也要确定，为开始一次新的发送，总线是否 开放或者是否马上开始接收。位定时特性也是m a c 子层的一部分。m a c 子层 特性不存在修改的灵活性。 m a c 子层是c a n 协议的核心，它描述由l l c 子层接收到的报文和对l l c 子层发送的认可报文。m a c 子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测和标 定。m a c 子层由称为故障界定的一个管理实体监控，它具有识别永久故障或 短暂扰动的自检机制。l l c 子层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管 理。 也就是说，如果用以c a n 现场总线作为分布式监测系统的通信网络的 话，与其他现场总线比较有以下的优点：系统构造方便简单、性能价格比 高、传输速度快、可靠性高、扩展性强，总而言之是兼备了c a n 现场总线 和分布式控制系统的优点的一种强强组合，具有强劲的市场竞争力；同时 在国外和我国c a n 总线在工业现场的测控系统方面的应用己十分成熟，因 此本论文选用c a n 总线这成熟的技术作为电力机车分布式监测系统的通 信方式。 2 5 监测系统总体功能结构 图2 4 所示为本监测系统的总体功能结构图。”“1 ，此结构图从整体上 反映了本监测系统的的各功能模块组成。其中包括l kt 一9 3 运行记录装置与 本监测系统的接口模块、多路a d 数据采集模块、开关量与总线的接口模 块、数据存贮模块以及本监测子系统与无线传输的接口模块等。 在此监测系统中的大部分模拟量都可以从s s 4 b 型电力机车的端子柜中 引出，而对于一些端子柜中不能引出或没有的模拟量，如主变压器油温等 就需要采用特殊的方法来进行信号采集、转换和处理，详细的原理和方法 会在第3 章中阐述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 真 有 效 值 变 换 雏 合适的模拟量 数字量及开关量 l k j 一9 3 多路a d 转换扳 g p r s 通用分 组无线业务 r x dr x d c p 8 5 9 l 1 ) ( dt ) c 习竺翌l r x d c a n l p 8 2 c 2 5 0 t x dc a n h t x oht x dc a n l p 8 2 c 1 5 0 l | p 8 2 c 2 5 0 - r x oi - 4r 如c a n i t r x d c a n l p 8 2 c 2 5 0 t 如c a n h 图2 4 监测系统总体功能结构图 2 6 核心控制芯片的选择及其性能 c a n 总线 本系统是根据各控制模块要完成的具体功能要求来选择核心控制电路 的。目前c a n 总线接口电路的设计方法有如下两种：一种是微控制器与独立 的c a n 控制器，另一种是带片内c a n 控制器的微控制器。微控制器与独立 的c a n 控制器的设计方案比较灵活，但电路实现较复杂，常用的微控制器 基本上都能满足c a n 控制器接口的需要。独立的c a n 控制器与微控制器的 选择相比选择范围狭窄，目前只有i n t e l 公司的8 2 5 2 6 、8 2 5 2 7 ，p h i l i p s 公司的s j a l 0 0 0 、p c a 8 2 c 2 0 0 ，s i m e n s 公司的8 1 c 9 0 9 1 几种产品；带片内 c a n 控制器的微控制器实施方案与第一种设计方案相比，设计的灵活性降 低，但同时外部电路的复杂性也降低了，增强了整个系统的工作可靠性和 健壮性。这种微控制器在片内将c a n 总线控制器作为内部的一个寄存器模 块与微控制器集成在一起，并且在c a n 接口协议规范上与独立的c a n 控制 器完全相同。目前带片内c a n 控制器的微控制器有i n t e l 公司的 8 0 c 1 9 6 c a c b ，p h i l i p s 公司的p 8 x c 5 9 2 、p 8 7 c 5 9 1 ，m o t o r o l a 公司的6 8 h c 0 5 x 4 以及s i m e n s 公司的c 1 6 7 c ；第二种设计方案与第一种方案相比硬件成本要 眦娶 芸磊一 鬯譬揣 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 高一些，但是这些带片内c a n 控制器的微控制器本身就是相对较高档的微 控制器。它带有许多其它的扩展功能，而且系统运行的稳定性高于分立芯 片；针对本监测系统的现实要求，c a n 站点控制电路必须在提供c a n 总线接 口的同时提供大量的i o 口”“，所以与其选择第一种设计方法再扩展i o 口不如从第二种设计方法中直接选择一种能满足全部要求的片内集成了 c a n 的微控制器。因此本系统采用了第二种控制方案，经过对多种带片内 c a n 控制器的微控制器的研究和对比选用了p h i l i p s 公司的p 8 7 c 5 9 1 芯片作 为核心控制芯片。 p 8 7 0 5 9 1 芯片性能简介 p 8 7 c 5 9 1 是一个单片8 位高性能微控制器，具有片内c a n 控制器，从 8 0 c 5 1 微控制器家族派生而来。它采用了强大的8 0 c 5 1 指令集并成功地包含 了p h i l i p s 半导体s j m 0 0 0c a n 控制器强大的p e l i c a n 功能。 p 8 7 c 5 9 1 全静态内核设计提供了扩展的节电方式，振荡器可停止和恢复 而不会丢失资料。改进的l ：l 内部时钟预分频器在1 2 m h z 外部时钟速率时 实现5 0 0 n s 指令周期。 p 8 7 c 5 9 1 组合了p 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 功能，并具有下面的增强特性： 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”； p 8 7 c 5 9 1 和p 8 7 c 5 5 4 之间的主要区别在于： 片内c a n 控制器； 6 输入a d c ； 低电平复位； p 8 7 c 5 9 1 芯片具有的主要特性有： 1 6 k 字节内部程序内存，5 1 2 字节片内资料r a m ； 3 个1 6 位定时计数器：t o 、t l 和t 2 ( 捕获比较) ，1 个片内看门狗定 时器t 3 ； 带6 路模拟输入的1 0 位a d c ，可选择快速8 位a d c ： 2 个8 位分辨率的脉宽调制输出( p w m ) ： 具有3 2 个可编程i 0 口( 准双向、推挽、高阻和开漏) ： 带硬件i2 c 总线接口，双d p t r ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 全双工增强型u a r t ，带有可编程波特率发生器 可禁止a l e 实现低e m i ； 低电平复位信号； 增强型p e l i c a n 内核； 增强的温度范围：一4 0 + 8 5 ： 提供p l c c 4 4 、q f p 4 4 封装。 本系统选用p l c c 4 4 型封装的p 8 7 c 5 9 1 芯片。其内部结构方框图如图 3 1 2 所示。”： 。 c 1 图3 1 2p 8 7 c 5 9 1 内部结构方框图 其各引脚功能图如图3 1 3 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 _ 一 e 一m 一 稍一 * 毪s p 8 7 c 5 9 l - - - - - - - - - - - - - - ，- - - - - - - - - - - 一 釜麓 i + + # 瓣l 一m = 忽 矗嚣嚣疑 篡怒l j h 7j ：鬣 c w i + 一h 啪。+ _ o i 僻i 蹦2 m ”t = 篙銎：瓣黑 i 一 m m = 擐：封鼢 图3 1 3p 8 7 c 5 9 1 芯片引脚功能图 2 7 其它主要芯片性能 在本系统硬件设计中用到的芯片除了核心控制芯片p 8 7 c 5 9 1 外，相关 的芯片主要有p 8 2 c 2 5 0 和p 8 2 c 1 5 0 。下面分别简单介绍一下它们的主要性能： 1 ) p 8 2 c 2 5 0 芯片性能 p c a 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。 p 8 2 c 2 5 0 芯片的主要特性如下“： 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 ) ； 具有抗汽车环境中的瞬间干扰，保护总线能力； 斜率控制以降低射频干扰( r f i ) ； 差分接收器，抗宽范围的共模干扰，强的抗电磁干扰( e m i ) 的能力； 对电源和地的短路保护； 低电流待机模式； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 一个未供电的节点不会干扰总线； 可连接1 1 0 个节点。 本文的前面章节曾提到，c a n 总线可防止总线短路现象。这是由于c a n 收发器带有限流电路。一个限流电路可防止发送输出级对电源电压的正端 和负端短路。虽然在这种故障条件出现时，功耗将增加，但这种特性可以 阻止发送器输出级的破坏。在节点温度大约超过1 6 04 c 时，两个发送器输出 端的极限电流将减少。由于发送器是功耗的主要部分，因此芯片温度会迅 速降低。i c 的其他部分将继续工作。当总线短路时，热保护十分重要。c a n h 、 c a n l 两条线也防止在机车环境下可能发生的电气瞬变现象。 p c a 8 2 c 2 5 0 的管脚8 ( r s ) 允许选择三种不同的工作模式：高速、待机、 斜率控制。 在高速工作模式下，发送器输出级晶体管将以尽可能快的速度打开、 关闭。在这种模式下，不采取任何措施用于限制上升斜率和下降斜率，所 以应尽量使用屏蔽电缆以避免射频于扰r f i 问题。通过把管脚8 接地可选 择高速模式。 对于较低速度或较短总线长度，可使用非屏蔽双绞线或平行线作为总 线。为降低射频干扰r f i ，应限制上升斜率和下降斜率。上升斜率和下降斜 率可通过一接地电阻进行控制，此电阻接至管脚8 和地之间。斜率正比于 管脚8 的电流输出，本文中的节点设计采用这种模式。 如果高电平被接至管脚8 ，则电路进入低电流待机模式。在这种模式下， 发送器被关闭，而接收器转至低电流。若在总线上检测到显性位( 差动总 线电压) o 9 v ) ，r x d 将变为低电平。微控制器应将收发器转回至正常工作 状态( 通过管脚8 ) ，以对此信号作出响应“”。 2 ) p 8 2 0 1 5 0 芯片性能简介 p 8 2 c 1 5 0 是带有位速率自动检测和校正的包括控制器局域网( c a n ) 协 议控制器的单片1 6 位i 0 器件。它的1 6 条i o 口线的方向、数字和模拟 均可编程选择。 p 8 2 c 1 5 0 提供可组态的事件捕获功能。支持由端口输入管脚上变化引起 的自动发送。时钟振荡器不要求外部组件，因而可大大降低c a n 链路的成 本。p 8 2 c 1 5 0 是提高微控制器i o 能力和降低线路数量和复杂性的一种廉价、 高效的方法。c a n 协议提供了先进的安全性。 p 8 2 c 1 5 0 主要特性有“2 。”1 ： 带有c a n 控制器的单片i o 器件： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 符合具有严格位定时的c a n 技术规范版本2 0 a 和2 0 b ； 全集成时钟振荡器( 不要求晶振) ； 1 6 条可配置的数字或模拟i o 管脚： 每一条i o 管脚均可通过c a n 总线单独配置，包括i o 方向，口模 式和对输入事件的捕获功能( 事件驱动或轮询) ； 1 6 个数字输入端：由输入端变化引起的c a n 报文的自动发送，可分 别进行选择，1 6 个共3 种状态输出； 2 个精度为l o 位的准模拟量输出： 具有6 个多路模拟输入通道的1 0 位模数变换器； 两个通用比较器，位速率自动检测和校正； 使用内部振荡器时，位速率为2 0 k b p s 1 2 5 k b p s ( 使用外部时钟尚可 扩展) ； 一个c a n 总线系统最多可连接1 6 个p 8 2 c 1 5 0 节点； 四个标识符位可编程： 支持总线故障自动恢复； 串行链接i o 功能由一个智能节点( “主站”) 控制； 具有通过c a n 总线唤醒