（安全技术及工程专业论文）地铁列车故障诊断系统中央控制单元设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ei n e r e a s e m e n to ft h es u b w a yt r a i ns p e e d ，t h et r a i n sr e l i a b i l i t y a n ds e c u r i t yb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h es u b w a yt r a i nf a u l td i a g n o s i ss y s t e m i so n eo f i n t e l l i g e n ts y s t e m s w h e ns u b w a yt r a i ni si nt r o u b l ed u r i n gm o v e m e n t ，p e o p l e c a na c h i e v ee f f e c t i v ed i a g n o s i st h r o u g ht h em a n m a c h i n ed i r e c td i a l o g u ei ns h o r tt i m e t h es u b w a yt r a i n f a u l td i a g n o s i ss y s t e mh a sb e c o m ea ne s s e n t i a lp a r to ft h em o d e m s u b w a y t h ep r e s e n tp a p e rt a k e s “g u a n g z h o us u b w a yn o 1l i n eh o m e m a d er e f o r m a st h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d t h ed e s i g no fc e n t r a lc o n t r o lu n i ti sr e a l i z e di nt h i sp a p e r t h e c e n t r a lc o n t r o lu n i th a st h r e ep a r t s o n ei st h ec p ub o a r dw i t h3 2 - b i tm i c r o p r o c e s s o r a n dv m eb u sc o n t r o l l e r t h eo t h e ri st h eh d l cc o r r e s p o n d e n c eb o a r dw i t hi - i d l c c o r r e s p o n d e n c ec o n t r o l l e r t h el a s to n ei st h ec a nb u sc o r r e s p o n d e n c eb o a r dw i t h c a nb u sc o n t r o l l e r t h ed e t a i l e dr e s e a r c hi nt h eh a r d w a r ea n dt h es o r w a r eo ft h e s e t h r e ep a r t sa r ec o n d u c t e dw h i c ha i ma tt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h es u b w a yt r a i n f i r s t , t h ee x p e r ts y s t e mi sa d o p t e dw h i c hi s s u i t a b l et ot h es u b w a yt r a i nf a u l t d i a g n o s e t h e nt h em a l f u n c t i o nd a t ac o l l e c ti n t e r f a c eu n i ti sd e s i g n e dw h i c hh a s3 2 一b i t m i c r o p r o c e s s o ra n dv m eb u sc o n t r o l l e rb a s e do nt h ee x p e r ts y s t e m a n dt h e n , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f i n t e l l i g e n tt e r m i n a li n t e r f a c eu n i t ，t h em a l f u n c t i o nd a t a c o l l e c ti n t e r f a c eu n i ti sd e s i g n e dw h i c hh a sc a nb u sc o n t r o l l e rb a s e do nt h er e s e a r c ho f t h ed a t af o r mt h a tt h ei n t e l l i g e n tt e n n i n a li n t e r f a c eu n i td i s p a t c h e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt o t h ea t o sc h a r a c t e r i s t i c ，t h em a l f u n c t i o nd a t ad i s p l a yi n t e r f a c eu n i ti sd e s i g n e dw h i c h h a sh d l cc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r t h ep a p e rc a nf u l l yc o n 行f mt h a tt h ep r o j e c ti s c o r r e c tb yt h et e s ta b o u tc o r r e s p o n d e n c eb o a r dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：f a u l t d i a g n o s i s ；e x p e r ts y s t e m ；m c 6 8 3 3 2 ；v v i eb u s ；c a nb u s ； h d l c c l a s s n o ： 致谢 本学位论文是在导师谭南林教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。谭老师严 谨求实的科研态度、执著追求的敬业精神、敏锐的洞察力以及平易近人的工作作 风，无不使我深受启迪，我将永远铭记在心。几年来，谭老师不仅一直对我的课 题研究和学位论文进行了精心指导，而且对我的学习生活都给予无微不至的关心。 值此论文脱稿之际，谨向谭老师表示衷心的感谢和深深的敬意。 焦风川老师、苏树强老师、张乐乐副教授、吴斌副教授、张冬泉副教授在平 时的科研工作中给了我许多具体指导和帮助，积极为我创造实验条件，在此向他 们表示衷心的感谢。 张乐乐副教授对我的科研工作和论文撰写都提出了许多宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在攻读硕士的两年半里，实验室的各位同学也在日常工作和学习中给了我极 大的鼓励和帮助，他们是于宁、刘建伟、杨亮、申建德、周长涛等，我在此一并 表示谢意。 另外，父母在漫长的求学历程中给予了我最大的理解和支持，以及无限的关 怀和奉献，值此学业完成之际，特向远方的父母表示深深的谢意和衷心的祝福。 最后，向所有关心和帮助过我的朋友表示衷心的感谢! j e 塞銮适 盔堂亟堂僮途塞 l壹 1 引言 i 1 地铁列车故障诊断系统概述 1 1 i 故障诊断系统总体构架 随着地铁列车运行速度的提高、列车结构越来越复杂，对列车可靠、安全及 高效运行提出了更高的要求。因此故障检测、诊断与数据记录系统已成为现代地 铁列车必不可少的重要组成部分。地铁列车故障诊断系统是一种地铁列车在运行 中出现故障时，通过人机直接对话形式达到在较短的时间内有效的诊断列车故障 的智能系统。下面以西门子公司提供的故障诊断系统为例对它进行简要说明。它 的典型结构如图所示【l 】： 图1 - 1 故障诊断系统结构图 f i g 1 - if a u rd l a g n o s es y s t e mf r a m e 对于一个6 节车编组的地铁列车，每3 节车组成1 个单元车级的诊断系统， 1 列车由两个单元车级诊断系统组成，它们是通过列车总线连接的。 智能终端接口单元利用现有的传感器等检测设备采集车辆的故障信息，这些 故障信息来自牵引控制单元、电子制动控制单元、空调控制单元、辅助系统单元 韭塞銮运太 堂亟 翌僮 i 金 塞i 直 等。智能终端把这些故障信息通过控制总线发送给中央控制单元。 中央控制单元接收这些故障信息，利用一套独立于控制功能的诊断软件，完 成对机车关键部件和控制系统进行的故障记录并做出故障裁决。通过h d l c 模块 总线传送到司机室内的彩色液晶显示诊断装置。 显示装置用来显示故障信息和相关的补救措施，是重要的人机对话装置，司 机通过显示装置获取故障诊断系统的信息。 a t p 是列车超速防护系统嘲，它根据地面信息计算出列车运行的允许安全速 度，实现超速防护。a t o 是列车自动驾驶系统，它在a t p 正常工作的基础上，实 现最优驾驶，提高舒适度，降低能耗。这两部分并不是故障诊断系统的组成部分， 但是a t o 运行过程中需要采集故障数据，所以在设计故障诊断系统时必须考虑a t o 、 a t p 与中央控制单元的通信问题。 1 1 2 故障诊断及其显示 故障诊断系统对以下各系统进行诊断：牵引控制单元d c u ，气制动电子控制 单元e c u ，空调控制单元，辅助系统( 包括d c a c 逆变器和d c d c 变换器) 车门， 空压机，诊断系统本身和1 1 0 v d c 控制电路。 司机台上的显示器是故障诊断系统的人机界面，它以图形或文字信息的方式 将列车运行状态和故障信息提供给司机。故障显示时还伴有报警声。显示页面分 成2 个等级，一个是司机模式，另一个是检修模式，用密码加以限制。司机模式下 屏幕显示内容主要是列车当前的状态和当前的故障信息，这个屏幕下，每个页面 有固定的按键用来更改页面，还有用于控制报站或输入相关参数的按键。检修模 式下的显示内容主要是列车发生的故障或信息的记录，包括故障或信息的发生和 消失以及发生故障时一些相关的参数即背景参数。 1 1 3 故障等级 一个故障发生时，诊断系统输出到显示器上的除故障内容外，还故障的等级。 故障等级分为子部件故障等级和列车故障等级，它是根据故障对系统功能或列车 的运行安全的影响程度来定义的。列车故障等级还作为司机处理故障列车的指导。 子部件的故障等级分为3 种： 轻微故障：不影响子系统功能的故障； 中等故障：限制子系统功能的故障； 严重故障：严重影响子系统功能的故障或子系统故障。 2 韭塞銮通塞堂亟堂僮j 金塞i 【直 并非所有的子系统都3 个故障等级，它取决于各个系统的故障类型。如d c u ， e c u 有3 个故障等级，即轻微故障( 包括速度传感器等检测设备的故障) 、中等故 障( 包括牵引参考值和负载信号丢失等故障) 、严重故障( 严重影响逆变器或气 制动单元的故障，如短路或过流等) ，d c u 或e c u 会自动封锁并定时自动检测， 如故障原因消除，有时系统功能可自动恢复。d c a c 、d c d c 只有严重故障和中 等故障两个故障等级，中等故障是逆变器，变换器温度过高的故障，严重故障是部 件故障，逆变器变换器自动封锁。这些故障等级都是由子系统本身定义和分类的。 子部件故障是由中央控制单元中的软件实现的，它的分类标准完全是根据人 的经验，人为规定的。以广州地铁为例，举例说明这三个子部件故障等级。 轻微故障如：电风扇故障、车门故障、显示器自动关闭故障； 中等故障如：速度测量故障、牵引微分电流故障、中央控制单元电池故障； 严重故障如：d c u 闸故障、空气压缩故障、a t p 没有信号。 列车级的故障等级分为3 级： 故障等级l ：对于列车功能没有任何影响的故障，列车可以按原计划正常运行， 回库后检修； 故障等级2 ：发生的故障限制列车功能的发挥，列车将在下一次到达车辆段时 退出服务，列车最多可运行一个来回； 故障等级3 ：发生的故障严重影响列车的功能，列车必须在下一站退出运营。 部件故障到列车故障等级的评估升级由显示器中的软件实现。评估升级的规 则是以子部件故障的等级和发生的故障数量及其在列车中所占的比例来综合考 虑，另外对于供电单元还考虑其所接的负载情况。 1 2 地铁列车故障诊断系统的发展现状 故障诊断系统是地铁列车的重要组成部分，它的重要性显而易见，但是，目 前我国还没有自主研发的故障诊断系统，我国国内所有地铁列车的故障诊断系统 全部依靠进口【3 】【4 】【5 】。以广州地铁为例，它的故障诊断系统全部由德国西门子公司 提供。这套系统的设计标准几乎全部是西门子公司的内部企业标准，该公司还对 我国进行技术封锁，所以我国只知道如何使用它，而对它的硬件结构和软件工作 流程几乎一无所知。目前，这套系统已经运行多年，有些器件已经老化失效，对 系统的维修也要依靠国外公司，维修价格昂贵，这严重制约了我国地铁列车的发 展。自主研制地铁列车故障诊断系统已变得势在必行。 1 3 本论文的研究内容和意义 韭墓窑垣盔堂硒堂焦诠窒i直 本论文以“广州地铁一号线国产化改造”为背景，实现故障诊断系统中央控 制单元的国产化改造。 首先分析地铁列车故障诊断系统的结构和工作原理，明确中央控制单元的功 能，并以此为基础对中央控制单元进行总体设计。然后通过对地铁列车的常见故 障机理的深入研究，采用适合地铁列车的专家系统诊断，主要论述该理论的可行 性与实现方法。此外还对该部分的硬件结构和软件程序进行详细的设计，实现故 障诊断功能。针对智能终端接口单元的特点，对智能终端发送的数据的内容和格 式进行分析，选用适合该数据通信的总线，设计基于c a n 总线协议的故障数据采 集接口单元，实现故障数据的采集。针对a t o 通信的特点，对h d l c 通信规程进行 研究分析，重点分析该协议的数据格式和基于串行通信控制器的实现方法，设计 基于h d l c 串行通信控制器的故障显示接口单元，实现a t o 、显示屏、中央控制单 元之间的数据通信。最后，把这三部分组合起来，进行现场调试，代替原来的中 央控制单元，实现故障诊断功能。 中央控制单元的国产化改造是地铁列车故障诊断系统国产化改造的第一步， 也是最关键的一步，它的研制成功必将打破国外垄断，推动我国地铁列车事业的 发展。 4 j e 塞銮垣太堂亟堂焦监塞主塞蕉劐望磊簋佳亟盐 2 中央控制单元总体设计 2 1 地铁列车故障诊断系统中央控制单元的设计要求 2 1 1 地铁列车故障诊断系统的功能 地铁列车故障诊断系统是一种地铁列车在运行中出现故障时，通过人机直接 对话形式达到在较短的时间内有效的诊断列车故障的智能系统。它通过智能终端 接口单元采集牵引控制单元d c u ，气制动电子控制单元e c u ，空调控制单元，辅 助系统( 包括d c a c 逆变器和d c d c 变换器) 车门，空压机，诊断系统本身和 1 1 0 v d c 控制电路的故障信息，中央控制单元根据这些数据，按照某种诊断理论进 行诊断，如果有故障，确定其故障等级，然后通过显示屏及时通知维修人员。另 外，故障诊断系统还是列车自动驾驶系统的基础，该系统必须在故障诊断系统正 常运行的基础上，根据故障信息完成自动驾驶功能。 2 1 2 中央控制单元在故障诊断系统中的作用 通过以上分析，可以得出中央控制单元的作用有以下几点；能够与智能终端 接口单元数据通信，采集故障数据；根据这些数据，能够按照某种诊断理论进行 故障诊断，得出是否有故障，如有故障，判断故障等级，找出故障原因，存储故 障数据；能够与显示屏数据通信，完成故障信息的显示；能够与a t o 通信，为自 动驾驶提供故障数据。 2 2 专家系统诊断基本原理 2 2 1 专家系统的定义及特点 人工智能产生于2 0 世纪5 0 年代，是- - n 研究如何使计算机具有认识问题与解 决问题能力的科学，专家系统是人工智能的一个重要分支f 6 】。专家系统目前尚无一 个标准的定义，这是因为各应用领域的特点不同，人们研究的出发点也不同，看 问题和追求的目标也不同。尽管如此，专家系统还是有一个比较一致的定义：一个 具有大量专门知识的计算机智能信息系统。它利用知识和推理技术来求解和模拟 通常要由人类专家才能解决的各种复杂、具体问题。专家系统可以使专家的专长 5 j e 塞窑适态堂亟堂焦j 盆塞生塞撞剑垫丞簋堡途让 不受时空限制，能被普通人员所使用，以发挥专家更大的作用。专家系统强调系 统所拥有的知识对系统的性能水平有重要的影响。专门知识是专家系统的焦点， 由专门知识的特点可以归纳出专家系统的三个主要特点是：启发性、透明性和灵活 性。 2 2 2 专家系统的结构 专家系统的基本结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。不同 应用领域和不同类型的专家系统，其体系结构和功能也都不尽相同。通常，一个 基本的专家系统应由知识库、数据库、推理机、解释机构、知识获取机构5 个部分 所组成。 知识库是专家系统的知识存储器，用来存放求解问题的领域知识。对领域问 题的专家知识，首先需要用相应的知识表示方法将其表示出来，然后再进行形式 化，并经编码放入知识库中。通常，知识库中的知识分为两大类型：一类是领域中 的事实，称为事实性知识：另一类是启发性知识，它是领域专家在长期工作实践中 积累起来的经验总结。 数据库用来存储有关领域问题的事实、数据、初始状态和推理过程中得到的 各种中间状态及目标等。实际上，它相当于专家系统的工作存储器，用来存放用 户回答的事实、已知事实和由推理得到的事实。数据库的规模和结构可根据系统 目的的不同来确定而且，随着问题的不同，数据库的内容也可以是动态变化的 推理机是一组用来控制、协调整个专家系统的程序。它根据数据库当前输入 的数据，利用知识库中的知识，按一定的推理策略，去求解当前的问题，解释外 部输入的事实和数据，推导出结论并向用户提示等。由于专家系统是模拟人类专 家进行工作，因此设计推理机时，应使它的推理过程和专家的推理过程尽量相似， 并最好完全一致。推理机所采用的推理方法可以是正向推理、逆向推理或正逆向 相结合的双向推理，并且，在这三种推理方式中，都包括有精确推理和非精确推 理。 专家系统应该能够以用户便于接受的方式解释自己的推理过程。通过解释， 既可以使专家系统更取信于用户，又可以帮助系统建造者发现知识库及推理机中 的错误。解释结构实际上也是组程序，它包括系统提示、人机对话、能书写规 则的语言以及解释部分程序，其主要功能是解释系统本身的推理结果，回答用户 的提问，使用户能够了解推理的过程及所运用的知识和数据。 知识获取是专家系统的一项重要功能，它可为修改知识库中的原有知识和扩 充新知识提供相应手段。其基本任务是把知识加入到知识库中，并负责维护知识 6 j e 塞銮道太堂速堂鱼迨塞虫塞撞劐望丞簋住丝盐 的一致性和完整性，建立起性能良好的知识库。知识获取是目前专家系统研制中 的一个重要问题。 2 2 3 专家系统诊断的设计内容 根据专家系统诊断的结构，并结合地铁列车故障诊断系统的要求，专家诊断 系统需设计以下内容：知识的获取；知识的表示；推理机制设计。这些内容将在 下一章软件设计部分逐一解决。 2 3 地铁列车故障诊断系统中央控制单元总体设计方案 根据中央控制单元在地铁列车故障诊断系统的作用，中央控制单元可分为三部 分，故障数据采集接口单元、故障数据处理单元、故障数据显示接口单元。对中央控 制单元总体设计如图： 中央控制单元 l。t nl 显示装置 i l 乡 l “h r s 4 8 5 通信板 ( n r ： c p u 板 f 册 i h 控制总线通信扳f v r ： f z ： 控制总线 j 智能终端 if 智能终端 fl 智能终端 图2 - 1 中央控制单元总体设计图 f i g 2 - 1c e n t e rc o n t r o lu n i tb l u e p r i n t 7 j s 塞銮逗太堂亟堂僮途塞生塞蕉剑璺霾盟住超生 c p u 板是整个系统的核心，它是故障数据处理单元。它在硬件上包括底板和单 片机系统两部分。底板上留有按照某种总线标准的接口，各个通信板通过此接1 3 与 c p u 数据通信。c p u 板在软件上，除了能完成诊断功能外，还应能够与各个通信板 进行数据通信，通过某种机制及时地采集和显示故障信息。 控制总线通信板是故障采集接口单元，它主要负责与智能终端接口单元的通信， 控制总线通信板通过某种机制及时地把智能终端接口单元的数据传送给中央控制单 元。 h d l c 模块通信板是故障数据显示接口单元，它负责中央控制单元与a t o 、显 示屏通信，它通过某种机制及时把故障信息发送到显示屏上显示。 综上所述，中央控制单元通过各个模块的配合，能够完成诊断和通信功能，下面 将在以下几章中对各个模块进行详细的分析设计。 8 j e 毫窑垣友堂亟堂焦监塞越瞳处理墼西超盐 3 故障处理单元设计 3 1c p u 板的功能及设计要求 中央控制单元是整个故障诊断系统的核心，而c p u 板是中央控制单元的核心。 控制总线通信板采集故障信息，通过内部总线与c p u 板进行数据通信，c p u 根据 这些数据，利用专家系统理论进行故障分析。经过运算处理后，通过i - i d l c 模块 通信板发送到显示屏上进行显示。此外，c p u 还必须把这些故障数据存储在存储 器内，作为故障记录。 综上所述，c p u 板的设计内容如下：内部总线的选择，c p u 能够通过该总线 与通信板进行数据交换；确定c p u 的选择，c p u 的特性必须满足该系统的设计要 求；存储器的选择，存储器的容量和存储时问满足设计要求；c p u 板硬件设计； 基于专家诊断系统的软件流程图。 3 2c p u 板硬件设计 3 2 1 底板总线设计 目前微机总线种类繁多，每种总线都有其自身的特点，本系统选用v m e 总线， 这是由v m e 总线自身特点决定的f r s l 。 e ( v e r s a m o d u l ee u r oc a r d ) 总线是在1 9 8 1 年由m o t o r o l a , m u s k e t ，t h o m s o n 等 几个大公司在v e r s a 总线和欧洲板( e u r o c a r d 或e u r o b o a r d ) 结构基础上提出的。是国 际上最早的开放式3 2 位标准总线。自1 9 8 1 年起，v m e 总线影响不断扩大，功能不断 完善，现己成为性能最好、应用最广的国际总线标准之一1 9 8 6 年，w t e 总线被 i e c ( 国际电子组织) 接受为i e c 8 2 1 总线规范，1 9 8 7 年被i e e e 接受为i e e e l 0 1 4 规范， 1 9 9 1 年i e e e $ l j 定了6 4 位的v m e 总线标v m e 6 4 ( i e e e1 0 1 4r e v d ) 。 v m e 总线是专为基于3 2 位芯片的应用而提出的，其主要特点为：高性能，它采 用了3 2 位地址及3 2 位数据的非复用结构，使总线宽度达到t 4 0 m b y t e s 。并行性， v i d e 总线支持面向多主设备( 即多c p u 板，智能板) 的并行处理，建立了一套完善的 总线仲裁机制，很好的解决了总线资源的合理分配。实时性，v i v l e 总线具有优异的 中断处理机制。具备高速的实时p l a t 应能力。可靠性，板的结构具有良好的抗震 动，抗冲击能力，目前这种结构已成为工业界的标准。 1 ，m e 总线由数据传输总线( d t b ) 、仲裁总线、中断总线以及公用总线组成。 数据传输总线是v m e 总线系统信息交换的主要介质。例如主模块利用d t b 与从 9 韭塞銮适太堂亟堂焦途塞煎瞳丝堡垒五递盐 模块的存储器进行数据传输，中断请求器用d t b 获取中断控制器发送的状态识别 字。v m e 总线主控模块使用地址a l a 3 1 来寻址( v m e 总线没有a o ) ，同时使用地址修 正字a m o a m 5 来指明地址宽度、总线传输类型等，此外还用信号线a 0 1 ，a 0 2 ，d s o * ， d s i * 和l w o r d * 来实现非对齐数据传输，并用l a c k * 来指明当前是否是中断响应周 期。如果是中断响应周期，从模块可以不对地址修正字埘0 一删5 译码。数据传输 总线共有5 种周期，常用的有普通读写周期，块传送周期，读一修改一写周期和中断 响应周期。普通读写周期用于一般的单次数据传送：块传送周期一次最多可传送 2 5 6 个字节，大大提供数据传输速度：读一修改一写周期在多处理机系统中特别有用， 它使得处理器可以用一条指令访问系统中表示资源是否可用的标志，避免了多个 处理机争用一个资源：中断响应周期提供中断向量。 v m e 总线允许存在多个总线主控模块，如果多个主控模块同时要求访问系统的 共享资源，则会出现冲突，严重时候会导致系统死锁。e 总线为此提供了硬件仲 裁总线模块。仲裁的原则是：不允许两个或更多总线主控同时控制总线，按优先级 分配总线。 当某个总线主控请求控制总线时，必须通过板上的总线请求器使总线请求信 号b r o * 一b r 3 * 中的某一个有效。位于第0 槽的总线仲裁器从当前所有的总线请求中， 选择一个优先级最高的b r x * ，然后驱动相应的总线授予信号b g o u t x 爿c 有效。离第0 槽最近的模块收到有效的b g o u t x 后，判断自己是否使用b r x * 发出过总线请求。如 果是，则获得总线控制权：否则将b g o u t x * 沿着总线允许菊花链结构传给下一个模 块。此外，使用同一级总线请求信号的总线主控，由于菊花链结构，优先级也不 同。显然距离总线仲裁器近的总线主控优先级高于距离总线仲裁器远的总线主控。 v m e 总线有i r q i * 一i r q 7 * 共7 级带优先级的中断请求信号，i r q 7 * 的优先级最 高。当v m e 总线上的中断控制器监测到某个中断请求信号i r q x 有效而且可以被响 应时，就向总线仲裁器发出总线请求。当中断控制器得到总线控制权后，驱动中 断响应信号l a c k * 有效，并将中断级别x 放在a o 卜- a 0 3 上。同时启动中断响应菊花 链，将i a c k i n * 置为有效。之后，菊花链上的第一个模块开始比较是否是自己请求 了x 级中断如果不是，就通过菊花链将i a c k i n * 信号传递给下一个模块。如果是， 则把相应的状态识别字放在数据传送总线上，并驱动d t a c k 水有效。中断控制器收 到状态识别字后。就启动相应的中断服务程序。 公共总线包括系统时钟( s y s c l k ) 线，串行时钟线( s e r c l k ) ，串行数据线 ( s e r d a t 的，交流故障线( a c f a i l ) ，系统复位线( s y s r e s e t ) 和系统故障线 ( s y s f a i l ) 。交流故障线和系统复位线主要用于上屯和掉电顺序监测，串行时钟和 数据线用于总线间的串行通讯。系统故障线在v m e 6 4 里面可以用来实现v m e 板卡的 自动i d 分配。 1 0 韭塞奎适太堂亟主堂僮迨室垫瞳丝垄皇丞选盐 3 2 2c p u 的选择 理论上，适合本系统的c p u 很多，如m o t o r o l a6 8 3 x xf a m i l y ，s i e m e n sc 1 6 6 一 f a m i l y ，i n t e lx 8 6 系列及a r m 7 系列等。考虑到地铁列车与铁路列车的相似性， 本系统选用m o t o r o l a 公司的m c 6 8 3 3 2 这个3 2 位集成微处理器。 m c 6 8 3 3 2 是m o t o r o l a 公司m 6 8 k 系列的3 2 位高性能m c u ，它具有较高的执行速度、 完善的系统保护功能强大的i 0 s 自能和数据处理能力。现在已经被应用于许多高技 术领域，如首先被应用到汽车仪表和自动控制、数据采集和控制系统、现代测试 分析设备、计算机和外部设备控制器、高级通讯设备，航空航天、机器人等领域， 并且其应用范围还在不断的扩大。在许多方面，代表了今后k l c u 发展的一个方向【9 1 。 c p u 3 2 是m c 6 8 3 3 2 的中央处理器，具有卓越的计算和数据处理能力。c p u 3 2 还支 持循环方式操作、先行指令栈和3 2 位算术运算，具有强有力的寻址方式，支持高 级语言，并可增加高级语言编译器的效率。指令功能丰富，并增加了查表、插值 和低功耗指令。为提高内部资源的使用效率和降低指令的执行时间，c p u 3 2 采用了 重叠指令执行方式，取指和执行可同时进行，这样单指令的执行时间大大降低。 c p u 3 2 的内部数据通道和运算硬件为3 2 位，内部地址总线为3 2 位，外部地址总线为 2 4 位，数据线为1 6 位，可完成位、字节、字、双字和4 字数据传输。c p u 3 2 内部有8 个3 2 位通用数据寄存器，7 个3 2 通用地址寄存器，它们均可作为变址寄存器，8 个 通用数据寄存器均可作为累加器使用。 3 2 3 存储器的选择 目前存储器按接口形式可分为并行接口和串行接口。并行接口存储器存储速 度快，但是容量有限。串行接口存储器有1 2 c 接口的，有s p i 接口的。本系统考 虑到m c 6 8 3 3 2 的特性，选用s p 接口的f l a s h 。m 2 5 p 6 4 是s p i 接口的8 m 8 位 f l a s h 。它包括1 2 8 块，每块有2 5 6 页，每页有2 5 6 个字节。写入时，2 5 6 个字节 同时写入，删除时一次删除1 块，6 4 k 字节。 3 2 4 接口电路设计 3 2 - 4 1f 1 0 6 8 3 3 2 的最小系统设计 m c 6 8 3 3 2 的最小系统由r 删、f l a s h 、复位电路、晶体振荡电路、和b d m 下载调 试电路组成“”叭1 2 1 “。 ( 1 ) 晶振电路 韭塞窑逼太堂亟堂焦论塞篮睦缝堡垒丞遮让 m c 6 8 3 3 2 内部有一个时钟合成器，能够把外部晶振倍频，本系统选用3 2 ，7 6 8 k h z 的晶振，经倍频后变为1 6 7 7 7 咀1 z ，为单片机提供时钟。 图3 - 1 晶振电路 f i g 3 - 1c r y s t a lc i r c u i t ( 2 ) 复位电路 m a x 6 3 1 4 是i l a x 公司生产的复位芯片，它具有低压保护功能，当电压低于4 3 v 时，2 角输出低电平，单片机复位。3 角是手动复位角，若3 接低电平，系统复位， 本系统不需要手动复位，所以3 角接高电平。 r e s e t2 一 3 力强s e 万，m rv p 一 1 g n dv c c 4 v - j 7 m a x 6 3 1 4 图3 - 2 复位电路 f i g 3 - 2r e s e tc i r c u i t v c c j e 塞窑望左堂亟堂焦迨窒堑瞳熊垄垒丞遮过 ( 3 ) 程序存储器电路 图3 3 程序存储嚣电路 f i g 3 - 3p r o g r a mm e m o r yc i r c u i t 由于m c 6 8 3 3 2 内部不含有程序存储器，所以必须外接一块f l a s h 来存储程序。 本系统采用a t 2 9 c 0 4 0 ，它为5 1 2 1 ( ，8 位f l a s h ，它具有1 9 根地址线，分别接m c 6 8 3 3 2 所对应的地址线，它具有8 根数据线，接m c 6 8 3 3 2 的高8 位数据线，这是由m c 6 8 3 3 2 中的管脚分配寄存器决定的。片选信号采用c s b o o t ，这样，单片机器启动时会自 动调用f l a s h 中的程序。 m c 6 8 3 3 2 具有在线调试功能，计算机能够通过b d m 接1 3 把程序下载到r a m 中进行 在线仿真。由于b d m 的某些特性，它不能下载至u f l a s h 中，所以必须外接一块r a m ， 一共在线调试使用。本系统采用h m 6 2 8 5 1 2 ，它为5 1 2 k 8 位r a 5 l ，它的接法与f l a s h 相 似，片选信号也采用c s b o o t ，只不过它只在调试时使用，所以在设计时，应考虑 r a m 与f l a s h 管脚顺序的不同，用跳线实现在同一位置上既可以用r a m ，也可以用 f l a s h 。 ( 4 ) 数据存储器电路 韭塞銮道盔堂亟堂焦途塞垫睦缝堡垒丞丝盐 01 2 do譬器爿 11 l ld 1 ，1 ，5 ： 纠 21 0 ，d 2 曩；矽1 习 39 “8 d 57 5d j “6 “p6 7j d7 2 埘拍c s 0 a 1 0 ，cs 2 i 竞w 儿】j ，0 e f j - w 1 2 1 1m 1 3 抽 “ l i ； bw c 嚣 l 帝c l j3 l “d 3 咀 p u 1 6 ，i a l 8 、 1 6 1 8 1 图3 - 4 数据存储器电路 f i 9 3 - 4d a bm e m o r yc i 托u i t 由于m c 6 8 3 3 2 内部r a m 只有2 k ，而且在某些情况下，c p u 还不能访问内部r a m 。 另外，由于本系统采用的f l a s h 不能按字节写入，只能一次写入2 5 6 个字节，所以 必须外扩一块r a m ，来存储临时数据。本系统采用h m 6 2 8 5 1 2 ，它与上面介绍的接法 相同，只不过片选信号用c s 0 。 ( 5 ) b d m 调试电路 m c 6 8 3 3 2 支持在线调试功能，它通过计算机的并口，由专门的下载线通过单片 机的上述管脚通过s i n g l es t e p 软件把程序下载到r a m 中实现在线调试。下载线为 1 0 根，其中3 根电源线，7 根信号线，接法固定，如图所示。 乳“ 圈3 - 5 肋m 调试电路 f i 9 3 - 5b d md e b u gc j m u n 4 毡赢室遒鑫堂亟圭堂焦逾塞垫堕丝堡皇丞超生 3 2 4 2 总线控制芯片电路 由于v m e 总线支持1 6 位、2 4 位、3 2 位寻址及8 位、1 6 位、2 4 位、3 2 位数据传输， 在本系统中，选用2 4 位寻址及1 6 位数据传输。核心数据处理模块的e 总线接口逻 辑由l 片v i c 6 4 、2 y ；c y 7 c 9 6 4 及模块上的v m e 控制逻辑组成。 v i c 6 4 是美国c ，r e s s 公司设计生产的高性能州e 总线产品，它实现的v m e 总线 系统功能模块包括v m e 系统控制器、中断处理器、总线请求器、中断请求器、块传 输支持逻辑和d 6 4 传输逻辑等。此外，它还提供了不少扩展功能，如写悬挂、处理 器间通讯寄存器等“u 。 c y 7 c 9 6 4 是v i c 5 4 的配套芯片，它完成字节宽度的数据和地址收发、锁存、地 址递增计数、多路复用和地址比较等功能。地址递增计数用于块传输操作：地址数 据多路复用逻辑用于6 4 位传输：地址比较则用于实现v m e 总线地址监视器的功能。 v i c 6 4 负责核心数据处理模块与v 旺总线系统的i ) t b 总线( 除数据线d 8 一d 1 6 和 地址线a s - 2 3 ) b ) ，工具总线、d t b 仲裁总线和优先数中断总线的连接。作为主协 议芯片，v i c 6 4 完成了v b t e 总线规范所定义的底板访问层和数据传输层的绝大部分 协议。 2 片四7 c 9 6 4 用于核心数据处理模块与v m e 总线上的数据线d 8 一d 1 6 和地址线 h 8 - a 2 3 的连接。 v i c 6 4 的逻辑信号与m c 6 8 3 3 2 相应的数据总线、地址总线和总线控制信号连 接，完成c p u 与v i c 6 4 的通信，使协议芯片v i c 6 4 自动完成了v m e 总线规范所定义 的底板访问层和数据传输层的绝大部分协议6 7 8 1 。由于v i c 6 4 只含有8 位数据 和8 位地址，所以必须通过2 片c y 7 c 9 6 4 实现地址和数据位数的扩展。m c 6 8 3 3 2 的 d 8 d 1 6 、a 8 - a 2 3 分别与c y 7 c 9 6 4 上相应的管脚相连，v i c 6 4 上的缓冲控制信号与 c y 7 c 9 6 4 上相应的管脚相连，便可以实现地址和数据位数的扩展。把v l c 6 4 和 c y 7 c 9 6 4 上v m e 信号的管脚，按照v m e 总线的规范接到端子上，便完成了v m e 总 线接口设计。 3 2 4 ，3f l s h 电路 m c 6 8 3 3 2 与f i ，a s h 的硬件连接如图所示： m 2 5 p 6 4 是8 m 字节的s p i 接口的8 位f l a s h 。本系统采用3 块m 2 5 p “， 它们的片选信号分别接p c s l - p c s 3 。这些信号是m c 6 8 3 3 2 s p i 模块的片选信号。 s 0 、s i 、s c k 分别接s p i 接口的输入、输出和时钟线。h o l d 为暂停信号线，若 为低，暂停一切操作，所以本系统接高电平。w p 是写保护信号线，若为低，则禁 止写操作。本系统要进行写操作，所以接高。 韭塞銮亟去堂亟堂焦监塞垫瞳缝堡皇丞途让 m 2 卯 5 习登巨 1 2 姗o m o s i l ；芰y e s l1 瞄8 v c 型 s c x 2 p c s l j p c 5 2 j y j 6 s w ， ；萋麟 图3 - 6 f l a s h 电路 f i g 3 - 6f l a s h c i r c u i t 3 3 c p u 板软件设计 3 3 1 专家系统的构建 专家诊断系统就是在现有专家知识的基础上，采用适合这种专家知识的算法， 用一组有效的计算机程序，实现故障诊断。 目前地铁列车故障诊断机理多以逻辑功能图的形式给出。在逻辑功能图中， 位于终端的是信号诊断模块，经过处理的输入信号输入到诊断模块里，由诊断模 块决定是否在电脑终端提示系统出现错误，并提供故障代码。 在逻辑图的始端，是从地铁机车运行中检测到的状态数据，这就是输入到故 障处理模块的初始数据。这些状态数据来自智能终端接口单元，该单元通过传感 器采集状态数据，这些数据有模拟量也有数字量。智能终端接口单元把这些数据 全部变成数字量，然后以某种约定好的格式通过控制总线传输到中央控制单元。 这些输入到故障处理模块的初始数据经过一个个数据处理模块的处理和传 输，最终会传输到信号诊断模块。初始数据的错误，经过层层传递，最终决定了 系统自动检测模块决定提示状态出错。而初始信号的错误数值来自于与之一一对 应联系的传感器。而传感器传输数据故障则意味着与之联系的硬件故障。这就是 我们最终希望找到的故障原因。 韭塞銮煎盔堂亟堂僮论塞垫瞳丝堡望亘递盐 驱动电机1 速度超出正常范围，是牵引制动单元的一个严重故障，它的诊断 1 7 j e 塞銮望态堂亟圭堂焦论毫垫瞳丝堡望丞遮盐 ( c ) 阡 弭革 珏 二i ! 二阵蒜玉：。i l ：! ：瑶：j 丑r ：脚t j：= 1 1臼： ：n 离h j - 气t 茸 i l 5 纠o + 姓m b l f叫tr 蛐w m) h t o k l l ；1i _ b l 跚r= ：=；tb l b d h r 一d n lm i 。l 互 雾j 嚣癸半p 广 娩sbl1 d；io _ i h 2 l wi l i ；li ；l i 4 【、l 二| ： _ + ；lj ；l 一 lf ，l l 癌s g 辅时l 书 t fl l ： l i f l 口 ，1 l 53 l l ri ：剪r 4 缸0 2 l ni ；l 目g 佣 守墨墨艮，每 p 1 鲤! 器艮。辞一 1 呼十 ：一l 一 ；i l 广 ft! 1 11 | j ；l ； 一l | n ”d g 】乱】b 3 岳 0 廊- f ll 瑚嚣1 露瑙醢t 一千峄 血z p蚕巢辅 h e e h 一“rl j 卜i ； 一 il l 、 _ r h 4 二_ 0 士+ l + 4l 。4 4 0 毒0 0 。0 0 卜i 上 ( d ) 图3 - 7 诊断机理逻辑图 f i g 3 - 7d i a g n o s ep r i n c i p l el o g i cd i a g r a m 整张逻辑功能图由信号和对信号的处理两部分组成，其中信号分为原始信号、 中间信号和最终信号。原始信号与硬件直接联系是不可再分割和细化的，原始信 号的错误会导致中间信号的错误，逐层传递，导致最终信号错误。错误的最终信 号传入诊断模块，输出故障代码