第七章-电力机车电气部分及其在线故障诊断技术.doc

第七章 电力机车电气部分及其在线故障诊断技术 71 电力机车电气部分简介 电力机车是一种十分复杂的大型机电设备，不仅设备本身复杂，而且具有许多其它设备或场合所不具备的特点【13】：电力机车是一种集机械、电力、电子、微机控制、气动装置等许多部件于一体的机电设备，本身处于运动状态、振动冲击大，作为一个系统来研究十分复杂；机车上的部件大都是高电压、大电流、大功率，电力电子变流装置与单相不对称牵引供电形成强大的电磁干扰；运行中灰尘多、温度变化大、工作环境恶劣。由于上述原因以及基础研究工作的不足，对电力机车进行故障诊断技术及故障诊断装置的研究，实际上是一个十分庞大复杂的科研项目。电力机车电气部分的诊断内容是由电力机车电气部分的组成形式决定的。电力机车的电气部分即电力机车的各种电气线路，按其作用的不同，通常分为主电路、辅助电路和控制电路。 1主电路 主电路即电力机车上的高电压、大电流的大功率回路，其任务是从电网上获取电能，通过变压器降压、变流装置变流后，驱动牵引电机工作，它是电力机车上最重要的组成部分，决定性地影响电力机车的性能及经济技术指标。现代电力机车要求主电路能够方便地实现机车启动、调速、制动，并且要求能方便地对牵引电机的转矩和转速进行调节。主电路的主要电气设备包括受电弓、主断路器、主变压器、主变流器、平波电抗器、牵引电机、制动电阻等。所以，开展电力机车电气线路的故障诊断研究，重点在主电路上。主电路的电压、电流，包括各个主要电气设备的电压、电流等参数，在传统的电力机车控制系统中都已经有专用的传感器进行了检测。所以通常无须另外增加电压、电流传感器。故障诊断系统可以直接利用原来所获取的参数。 2辅助电路 辅助电路是指机车上的辅助电源与各种辅助电气设备一起构成的电路系统。辅助电路主要是为机车上的某些设备的正常工作提供必要的条件，为乘务人员的生活提供方便，改善乘务人员的工作环境和旅客的旅行环境。辅助电气设备主要包括：压缩机、通风机、辅助电源、空调器、电热器等。新设计生产的电力机车如SS9、SS7D、SS7E等，已经在控制电路中采用了无触点化的专用可编程控制器机车逻辑控制单元，辅助电器的一些接触器的开闭情况已经反馈回机车逻辑控制单元和微机控制系统，可以为机车电气部分故障诊断提供相应的状态信号。 3控制电路 控制电路是完成机车控制任务的各种电路的总和。控制电路的作用是根据司机的意愿以及铁路运行的要求，完成对机车的控制作用。现代电力机车的控制系统通常可以分为有触点控制电路、电子控制电路和机车微机控制系统3部分。有触点控制电路主要是机车的司机控制器(主令电器)、继电器、接触器等所组成。特点是控制电压高(DC110V)，负载电流比较大，对于接触器、电空阀等电感性负载，动作瞬间可能产生很强的电磁干扰。电子控制电路是利用电子线路完成各种控制、检测、监控任务的电路。机车电子控制系统通常将各种功能的电子电路制成印制电路板，采用电子柜的形式。电力机车电子系统既有DC ll0V电路，也有48V，24V，15V等电路和各种传感器来的信号，不仅电路本身复杂，也是机车故障集中多发的地方。机车微机控制系统一般为用于完成机车的各种工况控制、故障诊断等的专用微机控制系统。随着微电子技术和计算机控制技术的不断发展，机车微机控制系统的发展非常迅速，并且在朝着分布式、网络化的方向发展。 72 电力机车电气部分故障诊断方法 结合我国铁路的实际情况，l2节介绍了网络化列车监控系统基本技术方案，并在此基础上提出基于列车通信网络的电力机车故障诊断系统。本章介绍TCN电力机车电气部分主要部件的故障诊断方法。 要准确、可靠地诊断出电力机车电气系统的故障，除了要硬件系统提供充分的诊断信息来源外，还必须根据电力机车电气系统的故障信息特征，研究相应的故障诊断方法。故障诊断有多种实现方法，传统的故障诊断与控制完全糅合在一起的，推理判断与数据也是搀杂在一起的，这种方式使得故障模式的修改和诊断方案的移植受到极大的限制，不具有通用性。本系统结合电力机车电气系统的故障特点，采用故障诊断专家系统思想，很好地解决了这问题。专家系统指的是一个智能的计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识和经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题。也就是说专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某个领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，解决那些需要人类专家才能处理好的复杂问题。一般应用程序把问题求解的知识隐含地编入程序，而专家系统则把其应用领域问题的求解知识单独组成一个实体，即为知识库。知识库的处理是通过与知识库分开的控制策略进行的，将知识组织成三级：数据、知识库和控制。由于专家系统中的知识库和推理机是相对独立的，知识库内的知识的表示是明显的，因此专家系统的知识库的修正和扩充比较灵活、方便。721电力机车电气部分故障在线诊断系统结构及特点 电力机车电气部分适合并应该开展故障诊断的设备包括受电弓(弓网关系)、主变压器、牵引变流器、牵引电机、辅助电机系统、电气控制系统、微机及电子控制系统、控制电源和辅助电源等8大部分。根据图1-ll基于TCN的电力机车故障诊断系统的结构，如果将上述各部分分别研究构成各自的故障诊断子系统，再通过二级MVB或其它类型的现场总线将各子系统与电气故障诊断系统的主机构成基于TCN的电力机车电气故障诊断系统，网络结构如图51所示【3】。 电气故障诊断系统作为TCN的一个子系统，既可以通过网关与WTB网络连接，构成列车故障诊断监控系统，也可以通过机车内部的MVB与电力机车其它部分的故障诊断系统连接，构成基于MVB的电力机车故障诊断系统。系统采用分级结构，由两级或三级构成，如系统级诊断、部件级诊断，部件级还可以有下一级子系统。各子系统能够完成的诊断在子系统内部完成，并存储诊断数据，最后将诊断结果向上一级通报。子系统不能够完成的诊断，送上一级系统完成。这样简化了系统的结构并减少了实时数据的传送量，同时适应不同的子系统对处理速度的不同要求。记录的故障数据通过转储接口转储到地面计算机用于地面分析、统计等。 图51所示的基于TCN的电力机车电气故障在线诊断系统，其结构与第6章介绍的机车走行部故障在线诊断系统基本相同，由车载的机车电气部分故障诊断装置和地面分析处理计算机两部分组成。地面分析处理是在地面计算机上通过转储的记录数据再现故障工况，分析查找故障原因和形成各种管理数据库和统计报表，主要面向维修人员和管理部门；车载的机车电气部分故障诊断装置由机车静止时的自检、实时故障诊断、故障记录和信号监控以及显示和记录数据转储等几个部分组成： (1)机车静止时的自检。可用于机车出勤前的例行检查，检查内容包括各子系统内部工作状态自检、机车给定和特性计算检查、主电路回路构成检查、辅助回路状态检查、传感器通道检查以及整流柜各桥臂触发检查等。 (2)实时故障诊断。在线实时诊断各种传感器通道、各子系统、系统级间通信等故障，机车各种保护动作。如：电枢过流、过压、励磁过流、网压欠压、过压、小齿轮弛缓、变压器次边短路及电机电流失控等保护，对系统不能感知的故障，可以通过操作人员请求进入诊断方式，发生故障时提供故障信息，诊断结果为简明、实用的故障处理建议。 (3)故障记录和信号监控。发生故障时，记录故障发生前及故障发生后一定时间范围内的相关数字及模拟量信号，为再现故障工况、分析查找故障原因提供依据。有选择性地设置监控信号，确定当发生哪些故障时需要记录相关信号。 (4)显示。利用现有的TFT彩色液晶显示器，以汉字图形清晰、直观的方式显示，诊断显示和正常工况显示复用。即故障时给出故障信息，司机通过按键可调出故障处理提示。停车时可以查阅故障档案和记录参数或曲线。 (5)转储。将记录数据转储到地面计算机，可以采用项目组已有的IC卡技术、USB技术或是利用GPS技术、无线列调进行的数话同传技术。722电力机车电气部分故障的诊断方式 为使系统实现完善的、准确的自诊断能力，必须有充分的信息来源，而在机车控制诊断系统中控制应该是最主要的功能，诊断只是更好地使用机车的辅助手段。为了诊断功能的需要而增加大量传感器或辅助接点，使系统复杂化的做法是不可取的。为解决这一矛盾，将机车故障检测和诊断系统的诊断方案定位在自动诊断和人机交互式诊断相结合的方式，并以交互式诊断方式为主。其主要作用在于指导操作人员及时快速地处理机车运行过程中出现的问题，为分析和处理故障提供正确的思路，从而提高诊断系统的实用性【109-111】。 1自动诊断方式 对有足够的信息量，系统能够作出准确判断的故障，采用自动诊断。对于这一类故障，司机认为有必要直接给出故障信息，并通过按键查阅故障说明及处理提示。 如机车的轮轴速度信号，由于控制系统采集了4个轮对的速度信号，因而可以通过软件处理准确地判断出1个速度信号故障的情况，作出自动诊断。当然，由于没有更多的信息量，不能确定故障的具体部位是在传感器本身、布线还是速度信号调整电路上等。尽管如此，这种诊断还是非常有效和必要的：首先，如果不能及时发现存在问题，故障的积累往往会造成严重的后果；其次，尽管一个速度信号故障不会影响机车的主要性能，但机车的转性能就会降低，司机必须给予特别的关注，对应每一种故障司机应该关注的事项在故障处理提示中都应给出。 2交互式诊断方式 交互式诊断中包含两种方式：一种是系统发现了故障，但由于信息量不够充分，从而诊断系统请求进入交互式诊断方式，对此操作人员可以选择“进入”或“忽略”；另一种是操作人员发现有故障而诊断系统却不知道有故障存在时，操作人员可以主动进入交互式诊断方式。如机车的“无压无流”是造成晚点或“机破”的主要原因之一。“无压无流”是指机车完全给不出牵引力或制动力的状态，在这种情况下，司机认为应该有动力但实际上没有。原因有很多：可能是设备故障，也可能是司机操作不当引起的。此时，进入交互式诊断，诊断系统就能够给出原因，可能是一种，也可能有多种，以提示司机进行相应的处理。 此外，在交互式诊断方式中，本系统还设置有机车故障树的遍历方式，即在屏幕按键的控制下，可以查询故障树的每个节点。这种方式可以用于乘务员或维修人员的故障分析培训。723电力机车电气部分故障的专家诊断系统模型 机车检修工程师在检修机车故障的时候，总是根据故障现象和他所掌握的知识，逐步缩小查找的范围，直到找到故障部位【32-34】。因此，故障诊断过程实际上就是根据故障表象，确定故障范围的过程，范围从大到小，逐步定位到真正的故障点。从这个过程可以看出诊断过程可以归结为模式识别过程，而分类过程则是典型的模式识别过程。分类任务的数据抽象过程对应着诊断任务的征兆提取过程，而模式匹配过程对应着状态识别过程，分类任务的最终模式对应着诊断任务的最终状态，分类对象对应着诊断对象，因此诊断问题可以通过分类方法来解决【110-116】。 1诊断模型的层次分类法 层次分类法的基本思想是将分类的对象由高层次的普遍模式向低层次的具体专门模式逐层分类。层次越高的模式概念越抽象、越普遍，层次越低的模式概念越具体、越专一，高层次模式是低层次模式的进一步抽象。层次分类方法示意如图52所示。具体来说，越高其覆盖故障的范围越广，层次越低越具有针对性。分类步骤如下：根据给定的事例，首先将其同第一层的模式相匹配，假设找到这一事例所属的模式为，则分类继续在，内进行，而不再考虑其它模式；如果在，内可将分类事例继续分类到，则这一事例的所属的模式就是；如果还有子模式，则可在内继续分类下去。考虑到软件实时性和硬件容量的因素，根据车载在线诊断系统必须简便实用的特点，机车故障分类层次规定最多为4层，第一层为故障大类，如无流无压、电流不平衡、窜车等。图53、图54、图55分别是SS7D电力机车无压无流、电流不平衡、窜车故障层次分类树的示例。 2分类数据的抽象 数据的抽象是实现分类任务的第一步，原始数据的抽象过程是一个从原始数据中提取证据的过程，它完成数值信息向符号信息的转化，为分类过程提供初始证据。对原始数据进行数据抽象，有以下3种基本方法： (1)定性抽象。将原始数据由定量描述抽象为定性描述。如根据轴温的温度数值，给出轴温接近限度、轴温超出限度等有关轴温的定性描述。 (2)定义性抽象。对原始数据的定义性说明。如机车预备不良、压缩机不能工作等。 (3)归纳性抽象。对原始数据进行归纳整理后，形成初始证据。如采集到网压25kV，主短路器已闭合，而次边绕组无电压，则归纳为主变压器故障。 3专家诊断系统知识的组织与表达 根据机车以往出现故障的情况，将引起故障的原因、表现症状等，按分类数据的抽象的方法形成知识库和推理机。知识库按层次分类树的方式组织，推理机按顺序方式组织。如“无压无流”故障的知识库和编码表的组织见表51。 4专家诊断系统的推理策略 专家诊断系统的推理策略为：向后推理、广度优先，属于算法推理和确定型推理。以“无压无流”故障为例，“无压无流”作为节点，按照故障树自上而下搜索即向后推理。从父节点开始，先搜索一级子节点，再搜索二级子节点，然后是三级子节点，即广度优先。由于经过有限次、确定的搜索步骤，一定能够找到故障部位，推理的过程是收敛的，所以搜索过具有完备性，属于算法推理。 专家系统对机车的故障诊断的结果有两种：无故障或者有故障。有故障时指出故障部位和给出相应的故障处理提示或建议，其结论是明确的，所以是确定型推理。图56是本系统的故障诊断专家系统的推理方法，采用正向推理与反向推理相结合的方法，其中主要用于自动诊断，反向推理主要用于交互式诊断。73基于机车逻辑控制单元的故障诊断731机车逻辑控制单元(LCU)简介 铁道部科研计划项目机车逻辑控制单元(项目编号95J13)立项时，该装置称为电力机车逻辑控制单元(Logieal Control Unit，LCU)。样机研制成功后，进行了包括在铁道部牵引电气设备实验站(株洲电力机车研究所实验中心)的型式实验在内的多项实验，1998年6月控制系统LCU改造后的SS8001#机车在京广线许昌一漯河问进行正线提速实验并创造了240kmh的当时中国铁路最高时速。l998年l2月LCU开始应用到SS9型电力机车，随后相继在SS7D、SS7E、SS3B重联、DDJl等电力机车和动车组装车运用。2000年通过铁道部科技成果鉴定，总体技术属于国际先进水平，2001年获湖南省科技进步一等奖。到2004年6月，LCU已经累计生产装车超过800台。2004年开始对原机车LCU(以下简称l型LCU)进行改进，在1型LCU成功经验的基础上，增强主CPU的处理能力，用数字信号处理器(DSP)代替原系统的单片机，增加了大量的故障信息输入输出接口，研制新一代LCU(型LCU)【117，118】。 机车LCU的主要作用是取代传统的继电器有触点控制电路。因为随着机车运行速度的不断提高，机车振动加剧，在高速实验中多次出现因振动造成继电器触头跳动而引起有触点电器误动作的故障，为了保证列车的安全运行，经过反复论证，决定采用无触点的机车逻辑控制单元取代机车继电器控制电路。但是，电力机车上的继电器控制电路具有许多特殊性：控制电压为直流110V，负载电流大，工作环境条件恶劣，一般PLC无法直接在电力机车上应用。采用LCU就是用现代电力电子和微电子技术构成的LCU取代传统的继电器布线逻辑控制电路，用微机发出的指令直接控制接触器等外部负载，避免有触点电器多级驱动。 机车LCU，符合TBTl394(机车动车电子装置的要求。I型LCU内部核心采用51系列单片机。主要由主机板、电源、输入板、输出板等所组成。根据系统所需完成的功能及电力机车特殊的工作环境，LCU在硬件结构上采用模块化设计，可根据不同型号的机车的需要扩展输入输出点，利用软件进行不同的逻辑组合来满足要求，软件编写时采用软件容错和冗余设计。LCU的硬件结构主要包括机箱、电源、主机板、输入板、输出板等，由于标准6U机箱本身并不具备防尘功能，所以在机箱外面，还有外机箱，用于防尘、安装外接插头和安装冷却风扇、风道。主机板具有RS485串行通信接口，用于与电力机车微控制系统进行信息交换，通过机车微机控制系统显示屏进行简单的故障诊断、显示等。 型LCU为与原LCU兼容，维持工型LCU的结构不变。在充分保证利用机车微机控制系统既有检测数据和显示功能的基础上，对主机板、输入板、输出板等进行如下改进：主机板。用DSP代替原系统的单片机，使系统对故障信息的处理能力大大增加，针对DSP口线操作能力较弱的缺点，采用复杂逻辑可编程器件(CPLD)完成系统的单片机进行逻辑处理功能，这样，使系统结构简化、集成度提高、可靠性增加。输入板。输入单元电路在保持原有ll0V指令电器、信号输人的基础上，增加了不同电平的开关量输入电路和适应多种电压等级的模拟信号输入处理电路，并增强了系统的抗干扰能力。输出板。输出单元电路保持原系统的接触器、主断路器等负载的输出电路，并增加了不同电平的开关量输出电路和模拟信号输出处理电路，以适应因检测内容增加，控制范围扩大的要求。通信接口。为保持与原LCU兼容，维持原系统的RS485串行通信接口及通信协议不变，同时增加车辆通信总线MVB接口，使系统具有更强数据通信能力，以适应TNC组网的要求。732基于l型LCU的机车电气故障诊断 传统的电力机车控制电路由主令电器、各种功能的继电器、接触器、转换开关、保护电器以及电源等主要部件组成，其中继电器就有中间继电器、时间继电器、电压继电器、电流继电器、油流继电器、压力继电器等。继电器控制电路原理和结构都比较简单、应用成熟，但继电器控制方式的可靠性比较差、控制功能少、不能随意变更控制功能，且布线工作量很大，接线十分复杂，当需要变更控制功能时，需重新布线。更为严重的是当机车速度达到120 kmh以上时，由于机车振动加剧，继电器触点的振动也随之增大，使得控制电路误动作而造成机破。 机车继电器控制电路的故障检查，一直是一项复杂费时的工作。利用微机的计算和数据处理功能，在型LCU设计时已经考虑了简单的故障诊断功能。首先按照机车控制电路的数学模型，即LCU输入输出逻辑关系，建立相关电路系统的数学模型，作为故障检测和诊断的依据。然后建立模型参数和控制过程之间的函数关系，通过计算，确定故障是否发生。而电路系统的故障检测，是通过对I型LCU的输出信号在负载端(如接触器、主断路器的辅助触头)直接取反馈信号，利用微机查表直接推断系统是否发生故障，并指出故障位置和故障类型。当确定系统发生故障后，再判定故障可能出现的后果并采取相应的措施。这里，大部分的工作是依靠电力机车微机控制系统和故障诊断显示屏来完成的。用中文菜单直接给出故障原因，通过故障处理程序指出对故障的处理意见，大大简化了司机或工程技术人员查找电路故障的过程。实现对电力机车控制系统故障的简单诊断功能，所以很受机务运用部门的欢迎。故障诊断系统原理如图57所示【3】。 1基于I型LCU的机车电气部件诊断 机车电气部件诊断通过LCU中设置的推理机制实时判断出故障可能发生的部件或器件位置，在机车的微机显示屏上显示出来，向司机和检修工程技术人员提供初步的诊断结论。 首先用电力机车LCU取代原电力机车的绝大多数中间继电器和全部时间继电器，即完成从机车电气部件取信号输入到LCU，再由LCU输出控制指令到机车的执行电气部件的过程。 在机车电气部件的输入过程中，LCU获得了电力机车的运行状态，运行工况等信息。通过LCU的逻辑运算和推理，得到电气部件是否存在故障的信息，若某电气部件存在故障，则进一步确定故障部件位置或故障器件。这些故障诊断结果分两个渠道传输给司机或检修人员：故障诊断结果通过司机室副司机台上的故障指示器显示出来，给司机或检修工程技术人员提供参考(主要是司机)；通过串行通信接口将故障诊断结果送给电力机车微机系统，而电力机车微机系统通过显示屏将故障部件位置或故障器件显示出来，给司机或检修工程技术人员提供参考。 2基于I型LCU的机车电器专家系统诊断 机车电器专家系统诊断是在部件诊断的基础上，通过微机系统接收下LCU监测到的各种参数，输入到一个基于神经网络的具有自学习功能的专家系统，从而诊断出故障器件及故障位置。 通过上述部件级故障诊断，电力机车微机系统获得了LCU的故障信息，与电力机车微机系统自身检测的一些信息一起作为专家系统输入，同时专家系统还保存了这辆机车以前的检修纪录和同类型机车的性能指标。专家系统的知识库、推理机制根据行业专家的知识和经验建立，其中包含有基于神经网络的故障诊断机理。 机车电器故障诊断专家系统基于上述的输入信息，经故障诊断推理得出诊断结果，包括结果的置信水平，一并显示出来或提供给检修技术人员。在技术人员有必要的情况下，可以查看专家系统的诊断过程，用以判断专家系统是否误诊；也能将机车的各种运行参数直接显示出来，便于技术人员人工诊断。在这个人机交互的诊断过程中，包括专家系统向技术人员的提问，技术人员的回答或确认，以及技术人员的主动提供的一些信息。专家系统通过得到技术人员的确认信息，不断对自身的知识库、推理机制进行修正和增减，以便更好地进行故障诊断，特别是对以后本机车和同类别机车的故降诊断具有很高的实用价值。机车电器故障诊断专家系统的核心是知识库、推理机制，人机接口是必不可少的部分。知识库必须建立一致性维护机制，设法维护规则的一致性，当新规则加入后，判断是否能与老规则合并，或进行化简，甚至修改语义网络。在这个过程中应避免规则之问的矛盾，即一致性维护机制。作为一个完整的具有自学习功能的专家系统，还应该有日志记录和一致性维护机制。知识库、推理机制中存放关于故障诊断的各种结构比的知识，这些知识主要包括判断故障的规则、故障的分类和故障之间的联系，以及如何使用这些知识。推理机制采用正向推理，搜索知识库中的规则、事实和知识，进行推理判断，从而得到机车可能发生的各种故障以及故障发生的置信可信度值，并将故障结果存放在日志中。专家系统的自学习功能通过人机接口得以实现，是人工辅助的自学习过程，类似于人类神经系统的记忆和经验处理。机车电器故障诊断专家系统有两种学习方式：用归纳器通过对记录在日志中发生的故障类型、故障次数、故障的发生时间、持续时间、频率等的统计分析，不断调整各种故障的置信水平，同时对知识库中的规则也有一个置信水平的运用和调整过程，当某条规则的置信水平降为0时，则屏蔽掉该条规则，使诊断结果接近机车的实际情况，这是一种记忆学习方式。通过提问、应答以及技术人员的直接输入，调整规则和语义网络，这是一种经验处理学习方式。利用LCU完善电力机车电路系统的故障诊断功能，是研制LCU的另一目的。但是受I型LCU硬件配置和对机车故障诊断研究水平的限制，原来l型LCU故障诊断系统没能发挥应有的作用。为了提高机车LCU的整体技术水平，以适应机车控制和故障监控、诊断的需要，从2003年开始了新一代机车逻辑控制单元的研制。基本思路是在硬件上提高技术含量，用DSP作为控制核心取代原来的51系列单片机，提高系统的计算和数据处理能力，适应机车故障诊断系统的需要；在通信功能上，既保留了原来的RS485通信接口，适应大量具有RS485通信接口的底层设备对通信的需要；同时着手研制满足MVB要求的单元电路，适应新的具有通信网络的新型列车的控制和故障诊断系统的要求，改进了输入输出电路，加强了LCU本身的保护功能。733基于DSP的型机车LCU设计基于DSP的型机车为保持与原LCU兼容，维持工型LCU的结构不变。在保证充分利用机车微机控制系统既有检测数据和显示功能的基础上，用DSP代替原系统的单片机，使系统对故障信息的处理能力大大增加。针对DSP口线操作能力较弱的缺点，采用复杂逻辑可编程器件(CPLD)完成系统的单片机进行逻辑处理功能，这样，使系统结构简化、集成度提高、可靠性增加。输入单元电路在保持原有110V指令电器、信号输入的基础上，增加了不同电平的开关量输入电路和适应多种电压等级的模拟信号输入处理电路，并增强了系统的抗干扰能力。输出单元电路保持原系统的接触器、主断路器等负载的输出电路，并增加了不同电平的开关量输出电路和模拟信号输出处理电路，以适应检测内容增加，控制范围扩大的要求。维持原系统的RS485串行通信接口及通信协议不变，同时增加车辆通信总线MVB接口，使系统具有更强数据通信能力，以适应列车通信网络组网的要求；还增加了模拟信号输人输出接口、AD转换和DA转换等电路，便于扩展系统的故障诊断功能和控制功能。 1基于DSP的型LCU的CPU选择针对铁路机车的结构特点，在型机车LCU的设计中，改变了原来用单片机的实现 方法，采用数字信号处理器DSP作为型机车的主CPU进行设计。TM$320C31是TI公司TMS320系列数字信号处理器中的第三代产品，它在保证 TMS320C30基本性能不降低的基础上做了一些简化及扩充，价格却比TMS320C30低很多，因而在实时数字信号处理系统中得到广泛应用。TMS320C31的特点与TMS320C30i基本相同，它利用了TMS320C30的标准外围和存储器接口系统，它含有 TMS320C30CPU核心，它的目标码与TMS320C30兼容，具有灵活的程序加载、能进行8位16位32位程序引导功能，串行接口支持8位16位32位传输，可产生边沿中断和电平中断，可由用户编程设定中断向量表的地址，具有空等待和低功耗两种电源管理方式。程序存储器可以是l6位或32位字宽，而数据存储器可以是8位、16位或32位字宽，具有一个双通道DMA。总之，由于TMS320C31具有功能强大的CPU，大规模的存储器，以及有足够的总线支持其速度，完全满足DSP型机车功能扩展的要求。2基于DSP的型LCU总体方案设计 基于DSP的型机车框图如图58所示，该电路本着降低功耗、提高可靠性及稳定性、增强抗干扰能力的原则设计。这一部分是整个LCU的核心部分，它不但要完成故障信号从采样到诊断结果输出的全过程，而且还负责系统其它功能的管理与协调；同时，还要兼容原LCU的所有功能。因此这一部分的设计是否合理，性能是否可靠，直接影响整个LCU的稳定性。图58基于DSP的型LCU结构示意图图58所示的型机车，电路中的CPLD负责原LCU的功能实现、速度信号检测、地址分配等工作，它通过数据总线与DSP总线连接。DSP运行程序通过单片EEPROM加载，运行内存为单片SBSRAM。采样数据读取、诊断结果输出均由总线经16C552及通信接口传送到机车微机系统，由机车微机系统进行诊断结果显示和数据转储，也可通过该通信接口从机车微机控制系统读取既有检测数据。电路中的模拟信号输入输出接口、AD转换和DA转换电路，用于故障诊断所需的振动、冲击、温度、模拟控制等信号采集；同时，还可输出模拟控制信号，用于需要模拟信号调节的控制单元；从而，使LCU的故障诊断功能和控制功能得到扩展。734基于DSP型LCTJ的MVB总线控制器开发 MVB总线控制器是实现MVB总线网络功能的关键器件，负责访问MVB总线，并提供与微处理器的通信接口，实现数据传输。由于机车上与MVB连接的其它设备都需要MVB总线控制器与列车通信网络进行连接，所以，自主研制MVB总线控制器不仅对设备本身具有重要意义，而且对保证在实现列车网络化控制后，既有设备经过网络化改造后继续应用到机车上具有决定性意义3|。现有的MVB总线控制器的ASIC主要是MVBC01，它只支持一类设备协议，不支持消息传送，只支持32个主帧的发送，也不附带通信存储器。这样不利于远程数据通信，使故障诊断、设备监视难度增大；同时，必需另外配置通信存储器及其相应访问控制接口，增加了电路的复杂性。所以，以下讨论MVB总线控制器的开发，将严格遵循MVB总线标准，利用FPGA芯片和硬件描述语言，开发新一代的MVB总线控制器。主要改进的性能指标：支持消息数据传送，实现两类设备协议；集成通信存储器包括256个设备过程数据端口，6个监视端口，2个消息队列；内部集成通信存储器的访问逻辑，不需另外设计接口芯片；提供微处理器的访问接口。 根据标准，MVB总线控制器要负责完成总线数据通信功能，我们开发的MVB总线控制器结构如图59所示。该总线控制器由以下组成：编码器，解码器，发送缓冲区，接收缓冲区，主控制单元，并集成通信存储和访问接口。图59 MVB总线控制器的结构根据设计，控制器的功能实现如下：芯片上电，复位，正确配置设备地址，模式和其它服务项后，进人工作状态。发送数据时，主控制单元将相应数据从通信存储器读出，写入发送缓冲区，然后，主控制单元向编码器发出发送数据的命令。编码器将数据编码后，经使能驱动器的发送允许，将数据发往MVB总线。接收数据时，曼彻斯特解码器从总线接收信号，经解码、校验，将数据存入接收缓冲区，并通知主控制单元，主控制单元将数据从接收缓冲区读出，写入通信存储器相应的区域。MVB总线控制器和微处理器通过通信存储器进行通信，通信存储器采用双口RAM，为防止访问冲突和保证数据的坚固性(防止同一设备的各数据在读出期间被改变)，加入了通信存储器访问控制逻辑。1MVB总线控制器的编码器设计编码器将数据按规定编码，发往总线。M VB数据链路层采用曼彻斯特编码，CRC加奇偶校验，TCN标准规定，MVB总线数据传输速率为15Mb。，编码器结构的设计如图510所不。MVB总线控制器的系统时钟clkl6x为24MHz，在进行数据编码时，每位数据由0.5BT(BT=6667ns)的高电平和05BT的低电平组成，每半位的时间由系统时钟进行8分频确定，所以，编码信号产生频率为24(82)：15MHz。图510 编码器结构编码器工作过程如下：MVB总线控制器的组控制模块将数据写入发送缓冲区后，向编码器发出发送命令，发送命令检测模块用来检测主控制单元的发送命令，上升沿有效，发送启动模块接收到发送命令后，使能分频器要求数据读取控制模块从发送缓冲区读出数据。数据读取控制模块产生时序正确的地址信号、读信号、使能信号等控制信号。读出的数据被保存在临时寄存器，校验运算模块从临时寄存器读出数据，按顺序进行CRC运算，偶奇偶校验运算，取反，形成校验序列。输出控制模块在发送时钟CLK的作用下，向MVB总线驱动器发出输出允许信号，同时按顺序发送编码后的帧，包括帧起始分界符，数据，终止分界符。中间每64位数据后面要求插入8位校验序列。编码器主要模块设计如下。1)校验运算模块根据TCN标准，校验运算模块包括如下功能：CRC运算，余数偶校验扩展，发送序列取反。其中，CRC校验运算使用的多项式为G(戈)=石7+舅6+戈5+戈2+1，CRC校验算法的电路实现如图511所示。得到的结果用偶校验扩展，成为8位的序列，然后，将这8位序列取反，得到最后得校鉴序列，交给输出控制模块，和其他数据一起，组成数据帧，发往MVB总线。图511 CRC校验算法2)输出控制模块 输出控制模块用来控制编码器的编码进程，采用有限状态机设计，数据发送流程如图5-l2所示。具体工作过程：发送开始时，根据主控制单元送来的数据，确定要发送的证的类型(从帧还是主帧)，所有主帧的数据确定为1字(16位)，从帧的大小根据主帧的要求，数据大小分别为1字(16位)，2字(32位)，4字(64位)，8字(128位)，16字(256位)。发送的数据帧分为从帧和主帧，分别采用如下步骤：(1)发送主帧时 第一步：发送主帧起始分界符，包括起始位，若以8个系统时钟周期(05BT)为时间单位，l表示高电平，0表示低电平，则发送到总线上的信号为101 10001 1 100010101。 第二步：将1个字的主帧数据从缓冲取读人移位寄存器，每发送一个数据，次移1位，直到寄存器为空，发送数据时，由于采用曼彻斯特编码，每位数据由05BT的高电平和05BT的低电平组成，故一位数据要分两次发送： 1：前05BT为高，后05BT为低(取反) 0：前05BT为低，后05BT为高(取反) 第三步：检测l字(16位)的数据是否发送完毕，若发送完毕，则将校验序列数据读入输出移位寄存器，紧接着发送校验序列。 第四步：发送帧中止符，考虑到EMD段采用变压器耦合，为消除直流分量，发往总线上的信号为0011(以05BT为时间单位，0表示低电平，l表示高电平)。 编码器利用modelsim进行仿真，主帧编码仿真时序如图5-l3所示。 (2)发送从帧时 第一步：发送从帧起始分界符，包括起始位，若以8个系统时钟周期(05BT)为时间单位，1表示高电平，0表示低电平。则发送到总线上的信号为101010100011100011。 第二步：将1个字的从帧数据从缓冲取读入移位寄存器，每发送一个数据移1位，直到寄存器为空，每一位数据的发送方法与主帧数据发送方法相同。图512数据发送流程图513主帧编码时序 第三步：检测l字(16位)的数据是否发送完毕，如果未完，则继续发送。若l字发送完毕，检测是否全部数据发送完毕，或者是否已经发送了64位数据，若是，则将校验序列数据读人输出移位寄存器，紧接着发送校验序列；否则，将一个数据字读入输出移位寄存器，继续往总线发送数据。 第四步：校验序列发送完毕后，检测是否所有数据发送完毕，如果没有发送完毕，则转入第二步；若所有数据发送完毕，则发送帧中止符。 2MVB总线控制器的解码器设计解码器从总线接收正确的MVB帧，解析其它设备传来的数据，解码器以和编码器相同的速率接收数据，解码过程包括同步、校验、检错、冲突检测、提取数据等步骤。在没有出错的情况下，正确的数据被存入接收缓冲区，解码器通知主控制单元，将数据取走。设计的解码器结构图514所示。根据设计，解码器的工作过程如下：复位后，起始检测同步电路监视总线情况，一旦检测到总线上有帧起始位，就通知16分频电路，产生接收时钟和采样脉冲。采样电路在采样脉冲的作用下，从总线读取串行数据，并将数据送往校验电路和接收控制模块。接收控制模块从送来的信号中判断帧类型，取出应用数据，存入接收图514解码器结构缓冲区。当一帧所有数据接收完毕，接收控制模块发出接收完毕、帧类型等信号给主控制单元，同时送往主控制单元的还有冲突，出错等信号，以便主控制单元做出相应处理。接收控制模块在接收一个完整的帧后，检测总线状态，检测到总线空闲后，开始下一帧的接收。空闲检测模块和冲突检测模块一直对总线进行监视，空闲检测模块用来监视帧间间歇，以便开始接收新的一帧。 主要模块的功能和结构设计如下： 1)帧的起始检测和同步 编码器在发送一帧数据时，最先会发送逻辑1，即先发送8个时钟的高电平，然后发送8个时钟的低电平，作为一个帧的开始。接收时，解码器依此确定帧的开始，并且启动分频电路，同步数据接收。起始检测模块为一个有限状态机实现的序列检测电路，具体实现为：起始检测模块用系统时钟频率(24MHz)采样总线，理论上对于一次成功的启动信号检测。其过程为：在检测到一个下降沿前，已经检测到至少8个高电平，紧接着，检测到8个低电平后，检测到一个上升沿，表明一帧开始。在实际应用中，考虑到信号在总线上传输可能产生的变形，确定高电平至少6个，低电平为6个。l0个，以提高容错能力。 2)采样模块 采样模块从总线上获取数据，为保证采样所得数据的正确性，必须有适当的采样脉冲，也就是说，在什么时候采样，才能得到所需的数据。采样脉冲由l6分频电路提供，由起始检测模块提供同步，由于采用曼彻斯特编码，每个逻辑数据位占16个时钟，8个时钟的低电平组成，8个时钟的高电低，理想情况下，最好在每种电平的正中间时刻采样，以保证数据被正确采样。所以，每个逻辑数据采样两次，对应前后两种电平，采样脉冲的时间分别为相对于每个逻辑数据的clk3和clk11。这时，对应在两种电平的中间，逻辑数据“1”的正确采样如图515所示，在clk3采样到高电平，在clk1l采样到低电平。图515采样脉冲3)数据检错数据检错模块在解码器检测到新的一帧数据开始后，监视总线上的数据电平宽度是否在允许范围内，若发现异常，便报告错误，交由解码器作进一步处理。 4)冲突检测冲突检测用于在事件查询期间，有多个从帧同时响应主帧，从而产生帧冲突的情况，TCN标准规定，解码器必须能够检测到冲突，并能区分干扰和冲突。正常情况下：数据传送时，因为每位数据由8个时钟的高电平和8个时钟的低电平组成，理论上，连续的高电平或低电平的宽度最少为8个时钟，最多为16个时钟；发送起始分界符和终止分界符，分析可知连续高电平或低电平宽度最少为8个时钟，最多为24个时钟。图517冲突检测干扰会引起数据电平宽度不规则，在这里，把一个不规则的窄电平看成一次干扰。一般情况下，干扰是随机的，干扰引起的不规则电平不会连续大量产生，在一定时间内干扰的数量是有限的。但是，若两个发送器同时向总线发送数据，这时，由于冲突会产生大量的不规则信号。冲突检测模块便利用连续一段时间内不规则电平的个数或时间来确定总线上是否存在冲突。冲突检测过程：上电复位后，冲突检测模块开始工作，将冲突位复位，其它的寄存器，计数器清零；然后，计数器开始工作，并检测是否有干扰信号(不规则电平)；如果检测到不规则电平，则将干扰位置位，当时间计数器为0时，计算最近16BT内的不规则电平数；当数目大于一定值(本项目设定为6个)，则认为是存在冲突，冲突位置位，通知主控制单元，总线上存在冲突；如果检测到空闲，说明帧冲突结束，则复位所有寄存器，准备下一次的冲突检测。冲突检测的工作过程如图5-17所示。 本设计的冲突检测器的检测时间为16BT，用来检测连续16BT的时间内不规则电平的个数。由于时间计数采用3位计数器，故冲突检测的分辨率只有8个时钟脉冲，即在连续的8个时钟脉冲里，只能辨认一个不规则电平。32位的移位寄存器用来保存16BT时间内，每个8时钟脉冲内不规则电平的情况，可以通过减少时间计数器的位数来提高检测精度。但是，如果要检测相同的时间，就要增加移位寄存器的个数。 例如：将时间计数器设置为2，位意味着能辨认4个时钟脉冲里的不规测电平，移位寄存器的每位保存4个时钟脉冲的不规则电平情况。这时，如果还要检测16BT，就要使用的移位寄存器位数为l6164=64位。 不规则电平的计数如图5-l8所示。干扰计数器保存最近l6BT的干扰数目，每当时间计数器为0时，计算不规则电平的数目。方法如下： 不规则电平数目=上次不规则电平数目+当前干扰位-移出干扰位 例如：上次保存的干扰数为3，移出位为1，移入位为o(没检测到干扰)，则干扰数为3-l+0=2个。图518不规则电平的计数 5)接收控制模块 接收控制模块的解码器的控制中心，主要完成数据的接收，帧类型判断，串并转换，常规错误检测等功能，接收模块的工作流程如图519所示。具体过程如下： 系统复位后，启动检测模块检测新的一帧的起始位，检测到起始位后，16分频计数器计数开始，产生接收工作时钟和采样脉冲，接收控制模块开始工作。图519接收模块的工作流程 第一步：接收帧头，将数据存入移位寄存器，进行串并转换，并判断是主帧还是从帧，同时检测帧类型错误： 1 10001 1 100010101 主帧 101010001 1 10001 1 从帧 其它 帧类型错误 第二步：在检测到正确的帧类型后，进行相应的设置，如寄存器复位，应该接收的数据字数。 第三步：按约定，从总线获取1字(16位)的数据，将信号转换为并行数据。获取数据是每位数据由第一次采样来确定：高电平为逻辑1，低电平数据为逻辑0，同时，监视第二次采样的结果；第二次采样的结果应当与第一次相反；否则，数据接收出错。 第四步：l字的数据接收完毕，并确定无误，接收控制器通知缓冲区写控制模块读取数据，缓冲区写控制模块产生正确的地址、写选通等必要的信号，将数据写入接收缓冲区。 第五步：数据完毕，或者已经接收了一个64位，检测此时校验是否正常，校验检查运算已由别的模块完成。在此，只需要检查校验运算模块送来的结果；否则，继续接收数据。 第六步：检测数据是否完毕，若未完，则继续接收数据。 第七步：接收帧终止符，并检查正确性。 第八步：接收完毕，设置信号量，通知主控制单元，将数据写入通信存储器，同时准备接收新的一帧。 用modelsim仿真，16字从帧接收解码时序波形如图520所示，主帧解码时序波形如图521所示。图520从帧接收解码时序 3MVB总线控制器的主控制单元设计 主控制单元模块是MVB总线控制器的核心，负责指挥MVB总线控制器各个部分协调工作。主要任务是确定主帧和从帧的对应关系，以判断通信是否出错，产生各个存储器的访问控制信号和地址信号，协调缓冲区与通信存储器之间地数据交换。主控制单元由主帧监测、从帧监测、主帧接收分析、发送接收定时器、消息数据接收、接收缓冲区访问控制、发送缓冲区访问控制、通信存储器访问控制信号发生器以及一些寄存器组成。主控制模块的结构如图522所示，主要组成部分的功能和结构设计如下。1）主帧检测主帧检测模块主要用来检测解码器是否已经收到一个完整的主帧，已通知相关模块，准备接收主帧。 2)主帧接收分析 从解码器接收主帧数据，并对其进行分析，得到功能代码和寻址的目标设备地址。对功能代码的分析可以知道从帧的类型、数据长度。 3)从帧检测 从帧检测模块主要用来检测是否已经接收到一个完整的从帧，一通知相关模块，准备接收从帧。 4)消息数据检测模块 由于进行消息通信时，消息数据的目标地址保存在数据的第一个字里，所以，在接收消息从帧时，控制模块必须接收消息数据地第一个字，从中解析出目标地址，以确定消息帧是否属于本设备。 5)定时计数器 由于MVB总线的数据通信采用主从式，总线管理器