（电力电子与电力传动专业论文）机车在线监测数据存储传输系统的研究.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 t h el o c o m o f i v er u n n i n gs t z i t eh a sad i r e c tc o n n e c t i o nt ot h es a f e t yo f r a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n t h u sm o n i t o r i n gt h er u n n i n gs l a t eo fl o c o m o t i v ea n dm a i n t a i n i n g l o c o m o t i v ei st h es 仃o n gg u a r a n t e et ok e e pt h el o c o m o t i v ei ng o o dc o n d i t i o n w i t h t h ei n c r e a s i n go ft h es p e e do fr a i l w a yt r a n s p o r ta n dt h ee n h a n c e m e n to fw a u s p o r t d c u s i t y , t h ei n s u 伍c i e n e yo fi o c o m o t i v eo v e r h a u la n dt h el a g g a r do v e r h a n lm e t h o d h a sb e e na l lo b s t a c l et ot h es a f e t yo fr a i l w a ys y s t e ma n dr u n n i n ge f f i c i e n c y t o 8 0 l v et h i sp r o b l e m , 也ei n t e r n a t i o n a lc o l n l i l o nv i e w p o i n ti s o v e r h a u l i n gt h e l o c o m o t i v ei nt h ei t sr u n n i n gc o n d i t i o n t oa c h i e v es t a t er e p a i ro f1 0 c o m o t i v e v e h i c l e s t h ef i r s tt a s ki st om o n i t o rt h e i rr u n n i n gc o n d i t i o ni nr e a lt i m e 玎，r d e v e r yp a r a m e t e ro fi t sn m n i n gs t a t ea tt h es 锄et i m e , a n a l y z ea n dp r o c e s s s c i e n t i f i c a l l y t h i sp a r a m e t e r s ow ec a ni i l & k e r i g h td i a g n o s i sa n do f f e rt h e c o r r e s p o n d i n gs t r a t e g yt ow o r kc o n d i t i o na n dr u n n i n gc u r r e n t t h u st h es t o r a g ea n d a n a l y s i so ft h el o c o m o t i v er u n n i n gd a t ah a sas t r o n gp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d d e m a n d t h ed a t as t o r a g ea n d 仃a n s m i s s i o ns y s t e mf o rt h eo i l 1 i n em o n i t o r i n go f l o c o m o t i v ei sm a d et oc h e c kr o u n d l ya l lk i n d s o fs t a t ep a r a m e t e rd u r i n gt h e i o c o m o t i v en a m i n gp r o c o s s ，t os t o r et h ed a t ao fd e t e c t i o na n dt r a n s m i tt h i sd a t at o t h eg r o u n d , p r o v i d i n gt h eh i s t o r i c a ld a t af o rl o c o m o t i v es t a t er e p a i r t h i sp a p r e rf o c u s e so nr e s e a r c ho ft h ed a t as t o r a g ea n dt a a d _ s m i s s i o i ls y s t e m f o ro n l i n em o n i t o r i n go fl o c o m o t i v e t h es y s t e r nu s e sc a nb u st oc o m m u n i c a t e w i 也e v e r ye x a m i n i n gm o d u l e 。a n ds t o r et h es t a t ed a t at ot h el i l a s sm d i l o r yc fc a r d w i t ht h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o i lo ft h ed a t as t o r a g em o d ew eh a v e ，t h es y s t e m t r a n s m i tt h es t a t ed a t at ot h eg r o u n dv i au s bf l a s hd i s ko rw i r e l e s st r a n s m i s s i o n u s bf l a s hd i s kh a sa l la d v a n t a g eo fc o n v e n i e n c e ，h u g ec a p a b i h t y , c r e d i b i l i t ya n d l o wp r i c e s oi ti st h eu n i q u ec h o i c eo f p o r t a b l ed a t as t o r a g e b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fl o c o m o t i v er u n n i n gc o n d i t i o no f0 1 1 1 c o u n t r y a n ds t a t u so fl o c o m o t i v e so n - l i n em o n i t o r i n g ，t h i sp a p e ru s e st h ea d v a n t a g em a t u r e t e c h n i q u e s ，e m p h a s i z e st h ek e yp o i n to ft h ed e s i g no fc a nb u sn e ta n du s b s y s t e m , a n da n a l y z et h ef a tf i l es y s t e m i nt h ee n do ft h ep a p e r , i tp r o v i d e st h e s o r w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no f t h ed a t as t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o ns y s t e r n k e y w o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e ；d a t as t o r a g e ：c a nb u s ；u s b ；f a tf i l es y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究的背景 第1 章绪论 随着我国经济的快速发展，我国铁路事业也正在进行着日新月异的变化。 近几年来，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。在快速发展的同时，如何保证机车在高速和越来越来复杂的路况中安全的 运行己经成为目前铁路部门的工作重点。由于电力机车整个系统庞大复杂，各 电器的逻辑顺序更是错综复杂，电器系统长期工作在高温震动的不利环境下， 故障出现的几率较大，尤其是关系到机车正常运行的电器一旦发生故障，如果 不及时排除，将直接威胁到行车安全，甚至造成机破事故发生，这将是不可估 量的损失。所以对机车进行全面实时监测和诊断是一个迫切需要解决的问题。 另一方面，车辆质量及列车时速的显著提高，以及铁路现代化建设的快速 发展，传统的定期检修制度己明显感到不适应。机车检修能力的不足和检修机 制的落后等问题日趋突出，已经成为制约铁路高效安全运行的关键因素之一。 为此，国内外正在推行一种经济高效、先进合理的维修制度状态修，它集 机械、电子及计算机信息处理等新技术于一体，已显示出广阔的应用前景，并 给传统的维修制度带来一场新的变革【l 】。状态修的实质是将目前的定期、定型 和分解型的维修方式改变为实时、在线式的状态监测，通过对车辆的技术诊断， 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 设备维修方式。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 的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。状态修制度的基础是对车辆进行状态监测，因此， 车辆的状态监测技术是状态修的关键技术、基础技术，发展车辆的状态监测技 术是保证铁道车辆安全的关键。 1 2 机车监测诊断技术的发展状况 利用现代技术手段开展设备的状态监测和故障诊断，始于2 0 世纪6 0 年代， 最早开展诊断技术研究的是美国，英国和日本紧随其后嗍。由于经济和社会效 益好，发展前景广阔，迅速波及到世界许多国家和地区，状态监测和故障诊断 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的方法、手段和内容不断丰富。上世纪8 0 年代以来，随着现代测试技术、计 算机技术和信号处理技术的迅速发展，机车车辆监测和诊断技术也得到了很大 的发展，各国铁路都在积极地开展工作，状态监测故障诊断技术在铁道机车车 辆中的应用越来越广泛。至2 0 世纪9 0 年代初形成了高潮，成为多种学科的重 要应用领域，正在发展成为一门新的综合性交叉学科。 在国外一些铁路部门已研制了众多有效的在线检测或在线监测方法，能及 时、准确地发现车辆的故障与缺陷【4 叼。例如，法国t g v 高速列车成功地采用 了光纤通信技术，将列车重要零部件、牵引电动机、齿轮变速系统等设备的状 态信息、运行工况以在线方式及时传输到司机操纵室，司机可以随时了解整个 列车关键设备的状态，有助于发现设备故障，及时维修处理，防止各类事故。 日本新干线高速列车也采用了设备监测与诊断技术，以及现代化的列车控制信 息装备，司机室设有速度控制屏、运行监控屏、设备故障自动诊断装置等，能 随时对车辆设备进行动态监测，自动显示出故障准确部位，司机还可监控a t c 系统状态。德国i c e 高速列车自检系统可在列车运行过程中不断检测列车的 运行状态及机车车辆、电器和机械方面的故障，记录发生的不正常现象，其数 据可存储也可用文字或图形显示，一旦发生故障，不仅能够报警，还可以通过 i c e 的无线通信系统将所需的重要诊断数据传送给有关的检修段，使其做好快 速修复准备。 我国铁路自2 0 世纪8 0 年代起，积极开展了监测与诊断技术在机车车辆上 的应用工作，在铁道部运输局装备部的宏观指导与积极推动下，铁道科学研究 院、一些铁路局科研所、铁路外科研机构以及一些高等院校等在铁路局、机务 段和车辆段的配合下，进行了内容广泛的监测与诊断技术研究、开发和应用， 技术上取得了很大进展，并获得了明显的经济效益【4 1 【酊。所采用的故障诊断方 法主要有温度探测、光铁谱分析、电气参数检测、动态压力检测及振动诊断等。 新的理论、方法和技术的探索与应用包括模式识别、灰色系统、模糊数学、专 家系统、小波变换、神经网络、遗传算法等。2 0 世纪9 0 年代中后期以来，我 国开发的新一代准高速、高速机车和动车大都安装了具有控制和故障诊断功能 的车载计算机，株洲电力机车研究所等开发了列车运行监控记录装置及机车安 全信息综合监测装置，可随车监测和记录列车的运行信息及弓网状态等信息。 铁道科学研究院等开展了旅客列车安全监测技术的研究，开发了相应的监测装 置，可对车辆动力学性能等进行实时监测，进一步提高列车的安全性。国内近 年来在列车安全监控技术领域的研究已有了较大的进步，缩短了与国外先进水 平的差距。但严格地讲，这方面的研究在理论上和系统结构上并没有实质性的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 重大突破，主要反映在系统采用的信息量不够全面，尚未形成比较完整的列车 安全监控的理论体系，没有充分应用人工智能的理论和方法来辅助司机操纵机 车。因此，我国要实现铁路安全监控信息化、智能化还有很长的路要走。 随着机车车辆制造和检修技术的进步，监测诊断技术的应用将进一步深 入，车载监测诊断装置的功能将进一步扩展，逐步实车上所有重要部件或予系 统的随车监测，而监测装置将逐步集成化和小型化，从而为铁路运输带来更高 的安全性和实际效益。智能化、网络化和信息化将是各国铁路安全技术装备未 来的发展方向。 1 3 研究目的和意义 推行状态修必须引入检测与智能诊断技术，以先进的诊断监测仪器为手 段，采集、检测到准确可靠的设备信息数据，并对这些数据进行科学的分析、 处理，从而对设备的工况和运行趋势作正确诊断并提供相应决策。要实现车辆 的状态修，首要任务就是对车辆的运行状态进行实时的监测，并能将检测到的 机车运行参数实时传回地面进行保存。本论文对机车在线监测数据存储传输系 统的研究就是为了全面地检测机车运行过程中的各种状态参数，对检测到的数 据进行保存，并能将检测到的数据传送到地面，为实现机车的状态修提供必要 的实际数据。 对车辆运行状态进行实时监测对提高行车安全、提高机车运用质量和实现 机车车辆的状态修都十分必要。大力发展列车运行安全监控系统，实现对机车 车辆动态监控；大力发展地面监测系统，实现对机车车辆运行品质和运行指标 的检测；发展监测、控制和管理决策于一体的安全监控网络体系等，是我国铁 路“十五”发展的重要目标之一。机车运行状态直接关系到铁路运行的安全， 而机车运行状态的监铡与机车维修是机车保持良好状态的有力保障。因此，机 车监测诊断技术的研究与应用已成为我国铁路运输安全监控领域内亟待解决 的问题。在我国铁路实施大面积提速的今天，对机车实施在线监测与故障诊断 具有重要的理论和现实意义【9 】。研制电力机车安全监测系统，符合以设备保安 全的思路，符合铁道部关于机务信息化的规划，对机车检修体制的发展具有重 要的指导和促进作用。 1 4 论文主要工作与章节安排 本论文文的主要任务是完成机车在线监测数据存储佬输系统的设计，实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 状态数据的实时传输、记录和转储功能。首先在第二章介绍了系统的总体结构 及关键技术的分析：第三章对c a n 总线协议进行了分析并完成了c a n 网络 参数的配置，包括信息标示符的分配和报文验收滤波器的设置；第四章分 析了u s b 闪存盘相关的传输协议和f a t 文件系统，并对u s b 主控芯片c h 3 7 5 作了简单介绍；第五章和第六章分别介绍了系统的软硬件设计和实验调试及结 果分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章数据存储传输系统总体结构分析 本论文是围绕项目“机车运用状态在线监测系统”展开的，主要的应用对 象是s s 4 b 电力机车。本章首先介绍了机车在线监测系统，包括技术要求，结 构组成，机车运行状态主要信息的获取等，然后分析了数据存储传输系统的主 要功能需求，最后给出了该系统的总体设计方案。 2 1 机车在线监测系统概述 机车状态监测与故障诊断系统包括车载装置和地面微机处理系统两个子 系统。机车在线状态监测系统主要是针对车载装置的研究。机车在线状态监测 系统需完成机车运行状态参数及设备状态信息的实时采集、传输和记录，并能 通过在线分析和诊断，对机车在运行过程中出现的电气系统故障给出简洁、直 观的故障提示，有利于乘务人员快速处理故障和异常信息。另外，地面诊断系 统需要大量的机车状态数据进行分析、推理和判断，因此对记录数据的存储转 换也是非常重要的。 2 1 1 技术要求 该监测系统的技术要求可归纳为： 一 ( 1 ) 系统的投入和使用不应改变和影响电力机车的正常工作，必须保证机车 安全、可靠地运行： ( 2 ) 能自动连续地进行监测、数据处理和存储，所采集到的数据能比较全面 地反映机车的运行状态： ( 3 ) 监测数据应有较好的可靠性及合理的准确度，并且能方便地转储到地面 微机处理系统； ( 4 ) 具有对各种异常或故障的诊断功能，包括故障定位、故障性质、故障程 度的判断等； ( 5 ) 具有自检和报警功能，当监测系统本身出现故障时能方便地拆除，实现 与机车的安全隔离： ( 6 ) 具有较好的抗干扰能力和定的扩展性。 2 1 2 机车运行状态信息的获取 本监测系统的主要应用对象是s s 4 b 电力机车，s s 4 b 型电力机车是由株 洲电力机车厂和株洲电力机车研究所等单位于1 9 9 5 年1 2 月1 4 日共同研制成 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 功的8 轴重载货运电力机车，它是我国目前国产重载货运电力机车的杰出代表 【2 j 。型电力机车是由多个部分组成的一个系统，主要由车体、转向架、主变压 器、牵引电机、电气线路、制动装置、微机控制装置、各种高低压电器及仪表 等组成，下面主要介绍一下机车电路系统的信号获取。 s s 4 b 电力机车上的各种电机、电器设备按其功能和作用、电压等级分别 组成几个独立的电路系统，郎主电路、辅助电路、控制电路。三个电路通过电 一磁、电一空、电一机械联系起来，对机车进行控制。 s s 4 b 电力机车的主电路主要由网侧高压电路、整流调整电路、牵引供电 电路、加馈电阻制动电路、p f c 电路和保护电路构成，主电路原理如图2 1 所 示。我们需要完成网侧电压和牵引电机的电压、电流的采集，因此这里着重介 绍一下这两部分的电路。网侧高压电路的主要设备包括受电弓、高压电压互感 器、高压电流互感器等，低压部分主要包括自动开关、网压表、p f c 用电压 互感器及接她回流电刷等。这些电器设各所组成的电路主要用于检测机车网压 和提供电度表用的电压信号。从主电路原理图上我们可以看到每一台牵引电机 设有一台直流电流传感器和一台直流电压传感器，其作用除了提供电子控制的 电机电流与电压反馈信号外，还通过微机柜处理之后作为司机台电流表显示的 信号检测。s s 4 b 机车主电路的一个显著特点就是直流电流与直流电压的测量 实现了传感器化，机车全部采用了霍尔传感器检测直流电流电压信号，这一特 性为我们的数据采集提供了极大的方便，我们不需要再增加传感器就可以采集 到很多信号。主电路部分测量信号名称与设备对应关系如表2 1 所示。 图2 - 1s s 4 b 机车主电路原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 表2 - l 主电路部分涮量设备表 代号 设备名称设备型号及规格测量信号 6 高压电压互感器 d j z l 2 52 5 0 0 0 v 1 0 0 v 网侧电压 7 1 i a 高压电流互感器 t b l l - 2 52 0 0 a ，5 a 网侧电流 1 1 1 s c 一位电机电流传感器t q g 4 a1 5 0 0 a 1 0 v一位电机电流 1 1 2 s v 一位电机电压传感器t q g 3 a1 5 0 0 v 1 0 v一位电机电压 1 2 l s c 二位电机电流传感器t q g 4 a1 5 0 0 a 1 0 v二位电机电流 1 2 2 s v 二位电机电压传感器t q g 3 a1 5 0 0 v 1 0 v二位电机电压 1 3 1 s c 三位电机电流传感器t q g 4 a1 5 0 0 a 1 0 v三位电机电流 1 3 2 s v 三位电机电压传感器t q g 3 a1 5 0 0 v 1 0 v三位电机电压 1 4 1 s c 四位电机电流传感器 t q g 4 a1 5 0 0 a 1 0 v 四位电机电流 1 4 1 s v 四位电机电压传感器t q g 3 a1 5 0 0 v 1 0 v四位电机电压 1 9 9 s c励磁电流传感器t q g 4 a1 5 0 0 a 1 0 v电机励磁电流 机车辅助电路是指给机车辅助设备供电的电路，主要包括进行单三相 变换的劈相机，各类风机电动机，空气压缩机电动机，油泵电动机，列车供电 用的设备。它是保证机车主电路电气设备运行必不可少的电路。其组成如图 2 2 示。从图中可以看出，辅助电路中各三相电机的电路入口处均有一个自动 开关，这些自动开关的作用一是过电流时保护，另外还可以向微机控制柜发送 此辅助电机是否工作正常的信号。辅助电路中要测量的信号包括辅助电路电 压、劈相机工作状态和辅助电机的工作状态等辅助电路中部分测量设备的型 号以及所测信号如表2 2 所示。 图2 - 2s s 4 b 机车辅助电路原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 表2 - 2 辅助电路部分测量设备表 代号设备名称设备型号测量信号 2 8 8 p v 辅助电压表 y s 一36 0 0 v 辅助电路电压 2 1 5 q a - - 2 1 6 q a 自动开关 t 0 2 2 5 b a1 7 5 a 劈相机工作状态 2 1 7 q a 自动开关 t 0 1 0 0 b a7 5 a 压缩机工作状态 2 1 9 q a - - 2 2 0 q a 自动开关 t o l 0 0 b a7 5 a 牵引风机工作状态 2 2 3 q a - - 2 2 4 q a 自动开关 t o l 0 0 b 5 0 a制动风机工作状态 2 2 7 q a自动开关 t o i o o b a3 0 a变压器风机工作状态 2 2 8 q a 自动开关 t 0 1 0 0 b a3 0 a 油泵风机工作状态 s s 4 b 型机车的控制电路部分可分为有接点控制电路和无接点控制电路两 大部分，由起不同作用的各种控制环节组成，根据各环节所起的作用不同，控 制电路包括以下几个部分：控制电源、整备控制电路、调速控制电路、机车内 部状态的信号控制电路和照明控制电路。控制电路原理图可参考韶山4 b 型 电力机车。控制电路需要检测的信号包括主接地1 和2 、辅接地、原边过流、 控制回路接地、励磁过流等。控制电路中部分测量设备与测量信号如表2 3 所 示。 表2 - 3 控制电路部分铡量设备表 代号设各名称设备型号及规格测量信号 5 5 6 k a预备中间继电器j z l 5 - 4 4 zd c l l o v预备状态指示 5 6 3 k a零压中间继电器j z l 5 _ 4 4 zd c l l 0 v 欠压或零压状态 5 6 5 k a 原边过流中间继电器 j z l 5 - 4 4 zd c l l 0 v 原边过流状态 5 5 7 k a 电机过流中间继电器 j z l 5 4 4 zd c l l o v 牵引电机过流状态 5 6 8 k a零位得电中间继电器 j z l 5 - 4 4 zd c l l o v 调速手轮零位 5 5 9 k a励磁过流中间继电器j z l 5 捌zd c l l o v励磁回路过流 5 6 7 k a 劈相机中间继电器 j z l 5 - 4 4 zd c l l 0 v 劈相机状态 5 5 4 k a 控回接地中间继电器j z l 5 舶zd c l l o v控制回路接地 5 5 0 k a牵引风速1中闻继电器j z l 5 埘zd c l l o v牵引风机1 5 5 1 k a牵引风速2 中间继电器 j z l 5 l 4 zd c l i o v牵引风机2 5 4 1 k a制动风速1 中间继电器 j z l 5 斗4 zd c l l 0 v 制动风机1 5 4 2 k a制动风速2中间继电器j z l 5 - 4 4 zd c l l 0 v 制动风机2 5 6 4 k a t辅过流中间继电器i z l 5 - 4 4 zd c l l 0 v辅助回路过流 5 1 8 k f 油流继电器 y j 。1 0 0 a 油泵状态 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 s s 4 b 机车电子控制部分采用了微机控制技术，各种模拟量由传感器取得 信号，经信号调整使其量值适合于模，数转换的范围，再供c p u 采样：数字信 号需经光电隔离后送c p u ；计算机根据预定的程序对这些模拟量和数字量进 行处理和监测，再经数模转换输出模拟信号；经继电器隔离输出数字信号。 图2 3 是s s 4 b 机车微机控制柜结构示意图。 图2 3s s 4 b 机车微机控制柜结构示意图 从结构示意图上我们可以看到，微机控制柜分为主柜和副柜两个部分，主 柜内有多个插件，用来完成信号的输入输出及调整等。副柜面板上装有6 个 5 6 芯的对外连接的插座，这6 个5 6 芯的插座是微机控制柜对机车的连接接口， 其中有很多信号都通过这6 个插座连接到了司机室后的端子柜上，从端子柜上 取信号就比较方便了，而且不会对机车本身的设备产生大的影响。微机柜上的 信号端到端子柜接线端的线号如图2 - 4 所示。 图2 4 微机柜部分信号到端子柜的接线号 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 另外，现在机车上大多数都安装了t a x 2 型机车安全信息综合监测装置 ( 以下简称为 t a x 籍) 。该装置是在铁道部的组织下，于9 8 年1 1 月由株洲所 牵头开始研制的，其目的是为机车上各种检测设备提供一个标准的、统一的工 作平台。t a x 箱内部的通讯记录单元能通过r s - 4 8 5 串行通信方式从运行记录 监控装置l k j 一9 3 获取公里标、速度、车次、区段号、车站号、司机号、副司 机号和机车号等信息，这些信息对分析机车运行状态也是很重要的。t a x 箱 将这些信息通过另一个r s - 4 8 5 接口周期性的传送给箱内的各个功能模块，包 括未使用的备用单元插座，而它的r s - 4 8 5 通信协议是对外公开的，因此我们 可以从t a x 箱的备用单元处获取公里标、速度等信息。 2 1 3 监测系统结构组成 由于机车上的设备相对比较分散，同时考虑到机车上恶劣的工作环境，系 统采用了分布式、模块化设计，有利与提高系统的可靠性、扩展性以及设计的 灵活性。机车在线状态监测系统总体结构上根据其功能分为了三个主要部分： 状态信息检测单元、数据存储传输系统和在线诊断显示模块，结构框图如下。 图2 - 5 机车在线状态监测系统总体结构图 状态信息检测单元由不同的检测模块组成，分散安装在机车的不同部位， 完成状态信息及主要设备状态的采集和交送，并将检测到的数据通过c a n 总 线传送到数据存储传输系统。该单元是电力机车在线状态监测系统的基础环 节，它决定了状态信号检测的全面性和准确度。状态信息检测单元虽然由许多 不同的检测模块构成，在机车上分散安装，但他们自成一体，并且彼此之间互 西南交通大学硕士研究生学位论文第1l 页 不干扰，方便检测模块的添加或拆除。 在线诊断显示模块的主要目的是为乘务人员提供机车运行状况、故障信 息、可能的故障原因和建议。 数据存储传输系统是本论文的重点。机车运行状况监测技术的关键是：如 何收集反映机车运行状态的关键技术参数，保证机车车辆的运行状态等技术参 数实时反映给车辆乘务员和相应的设备管理部门。因此对机车在线监测数据存 储传输系统的研究是十分必要的。该系统主要为机车运行状态及设备状态信息 提供可靠的存储传输策略，并能有效地将数据传送到地面，为实现机车的状态 修提供必要的实际数据。图2 - 6 为数据存储传输系统的功能框图，根据实际需 求，其功能主要包括以下几点： ( 1 ) 能通过c a n 总线实时接收来自机车状态信息检测单元的数据，并且能 对各个检测模块进行调度管理。此外，c a n 总线网络应具有良好的可扩展性， 当需要增添采集量时，能方便检测模块的扩充； ( 2 ) 检测到的数据能长期有效的保存在系统中，当机车回到段里时，能通过 有效途径将数据转储到地面系统，为机车的状态分析提供数据依据； ( 3 ) 能将数据及时传送到诊断显示模块。特殊需要时，还能接上g p r s 模块， 实现机车运行的实时监控。 图2 6 数据存储传输系统功能框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 2 数据存储传输系统关键技术分析 2 2 1c a n 总线的特点与优势 现场总线发展迅速，目前已开发出4 0 多种现场总线，已通过i e c 审核和 投票表决作为c 国际标准的共有1 2 种，而耳前较常用的现场总线有基金会 现场总线f f 、c a n 总线、l o n w o r k s 总线、p r o f i b u s 总线和h a r t 总线几 种【10 1 ，它们各自有各自的特点和应用领域。c a n 总线与其他现场总线相比， 具有成本低、可靠性强、开发应用方等的优点，而且易于采用现有的开发工具 进行开发。在本监测系统中采用了c a n 总线作为通讯的媒质。 一c n 总线介绍 控制器局域网( c a n - c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是一种具有国际标准而且 性能价格比又较高的现场总线，它在当今自动控制领域的发展中能发挥重要的 作用。c a n 总线是由i s o 定义的串行通讯总线，最初出现在8 0 年代末的汽车 工业里，它的基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检 测出产生的任何错误。由于c a n 串行通讯总线具有这些特性，因此在汽车制 造业、工业控制系统以及航空工业中受到广泛应用。c a n 是一种有效支持分 布式控制或实时控制的串行通信网络，以其短报文帧及c s m 忧d a m p ( 带 有信息优先权及冲突检测的载波监听多路访问) 的m a c ( 媒介访问控制) 方 式而倍受工业自动化领域中设备互连的厚爱，应用范围遍及从高速网络到低成 本的多线路网络。c a n 总线已经形成国际标准，被公认为最有前途的现场总 线之一【1 0 l 【1 1 1 。 二c 州总线性能特点 c a n 总线广泛的应用与其良好的性能密切相关，其特点如下： c a n 是目前为止唯一有国际标准的现场总线。 c a n 可实现全分布式多机系统，且无主、从之分，网络上任意一个节点 均可在任意时刻，主动地向其他节点发送信息，通讯方便灵活，利用这特点， 可以方便地构成多机备份系统。 在报文标识符上，c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不 同的实事要求，高优先级的数据最多可达1 3 4 u s 内得到传输。 c a n 采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络上发送 消息时，优先级低的节点主动停止发送数据。而优先级高的节点可以不受影响 地继续发送信息，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 的情况下也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) 。 c a n 总线只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播 等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”，使用简单方便。 c a n 总线的直接通信距离最远可达1 0 k i n ( 速率5 k b p s 以下) ：通信速率 最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 c a n 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证数据出错率极低。 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。 c a n 的通信介质为双绞线、同轴电缆或光纾，选择灵活。 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他 节点的操作不受影响。 系统可扩展性能好。c a n 总线是基于发送报文的编码，而不是对c a n 控制节点进行编码，故增添或删除c a n 节点不会对系统造成太大的影响。 c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信 数据块进行编码，采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受 限制，数据块的标识码可由1 1 位( 按c a n 技术规范2 0 a ) 或2 9 位( 按c a n 技术规范2 0 b ) 二进制数组成，因此可以定义2 “或22 9 个不同的数据块。这 种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在 分布式控制系统中非常有用。c a n 的模型结构只有三层，数据结构简单，又 是范围较小的局域网，有利于系统中实时控制信号的传送。数据段长度最多为 8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求， 同时，8 个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。c a n 协 议采用c r c 检验以及独特的数据信号表示方式，并且有错误识别和自动重发 功能，保证了数据通信的可靠性。 三c 州总线与其他总线的比较 目前，国内机车上许多测控系统都是基于r s - 4 8 5 网络构建的，r s - 4 8 5 是 一种较早流行的串行通信协议，基于r s - 4 8 5 网络的分布式测控系统由于具有 结构简单、传输距离远、成本低等优点，因此，在早期被广泛应用于各种分布 式测控现场。但r s - 4 8 5 只是一种电气协议，它本身并未提供可靠高效的通信 协议的实现，加之这种网络的工作方式是命令响应型，为了保证数据通信的准 确性和系统运行的可靠性，就必须编制完善的调度程序和通信协议，这就增加 了系统开发的难度和开发周期。此外，r s - 4 8 5 总线大多采用半双工工作方式， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 在整个网络中任意时刻只能有一个节点处于发送状态向总线发送数据，其他节 点都必须处于接收状态。如果有两个节点或更多节点同时向总线发送数据，将 会导致所有发送方的数据发送失败，其自身无法解决总线仲裁的问题，所以这 种工作方式在工业控制场合有较大的局限性。另外，与c a n 总线相比，r s - 4 8 5 只定义了物理层协议，不像c a n 总线具有完善的数据链路层协议，而且可以 通过专有的c a n 控制器及其接口芯片实现。 除了r s - 4 8 5 ，有的机车监控系统也采用m v b 总线作为通信总线，但要实 现m v b 总线通信功能必须采用专用的m v b 通信控制器，不仅价格普遍较高， 而且该通信控制器不易购得，远不如c a n 控制器生产厂家众多且应用广泛。 根据以上比较和分析，由于采用了许多新技术及独特的设计，c a n 总线 于一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性， 特别适合工业过程监控设备的互连，越来越受到工业界的重视。因此，将c a n 总线应用到机车监控设备中具有明显的优越性。 2 2 2 微控制器的选择 控制器的选择需要根据实际需求而定。目前，在嵌入式测控系统中应用比 较广泛的微控制器或微处理器有单片机、d s p 、x 8 6 、a r m 等，后三者相对来 说较为复杂，适合高端强实时处理系统。而单片机系统设计简单、技术成熟、 可靠性高。从本系统需要完成的功能来看，采用8 位的单片机足以满足要求。 目前广泛使用的单片机有m c s 5 1 系列、p i c 系列、9 6 系列等多种型号。其它 中m c s 5 l 系列具有使用时间长、应用参考较多、外围芯片扩展性好、c 语言 编译器支持好等优点，适合工控领域实现较复杂功能且对功耗要求不敏感的领 域。另外，微控制器的选择还要看其外围扩展功能，在本系统中，选择带有 q 蝌总线控制器的最佳，这样即方便电路的设计，同时也提高了系统的稳定 性和可靠性。通过对多种集成c a n 总线控制器的单片机的对比，本系统决定 选用p h i l i p s 公司的p 8 7 c 5 9 1 芯片作核心控制器。 p 8 7 c 5 9 1 是p h i l i p s 公司采用先进的c m o si 艺制造的适用于自动和通用 工业应用的高性能8 位单片机，它从8 0 c 5 1 微控制器家族派生而来，采用了 强大的8 0 ( 2 5 1 指令集并成功地包含了p h i l i p s 半导体s j a l 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1 ：l 内部时钟预分频器在1 2 m i - i 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 主要的性能特点有【1 3 】： 8 0 c 5 1 中央处理单元( c p u ) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 个新增加的包括四个捕获和三个比较寄存器的1 6 位定时器计数器； 具有8 路模拟量输入的l o 位a d c 变换器，两个标准的1 6 位定时器计 数器，两路分辨率为8 位的脉冲宽度调制输出： 具有两级优先权的1 5 个中断源( 可以有2 6 个外部中断源) ： 五组8 位i o 端口和一组与a d c 模拟量输入共用的8 位输入口与标 准8 0 ( 2 5 1 兼容的全双工u 越盯； ， 总线故障管理功能的1m b p s c a n 控制器，在片监视跟踪定时器( w d t ) ： v 。2 基准电压，时钟频率为1 2 m h z - - 1 6 m t t z ； 除了8 0 c 5 1 的标准特性之外，器件还为这些应用提供许多专用的硬件功 能。片中带有1 6 k 字节内部程序存储器，可外部扩展到6 4 k 字节；2 x 2 5 6 字 节片内数据r a m 。可外部扩展到6 4 k 字节：3 个1 6 位定时计数器t o 、t 1 ( 标 准8 0 c 5 1 ) 和附加的t 2 ( 捕获& 比较) ；2 个8 位分辨率的脉宽调制输出( p w m ) ， 包含一个看门狗定时器t 3 。p 8 7 c 5 9 1 中包括4 个中断优先级，1 5 个中断源， 为我们编写高效率的程序软件提供了强大的硬件支持。本系统采用p l c c 4 4 型封装的p 8 7 c 5 9 1 芯片，其引脚分布和功能如图2 7 所示。 圈2 - 7p 8 7 c 5 9 1 引脚分布和功能图 _ i ：= 三譬匕一 一三嚣兰黧 ：怒= * 卜 2 2 3 大容量存储器的选择 为实现机车的状态修，需要对机车运行状态数据进行分析和推理，因此， 对状态数据的存储是至关重要的。实现数据存储的首要任务是选择合适的存储 器件，选择什么样的存储器件需要对可靠性、体积、功耗、接口方式等诸多方 一 -i-l-j 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 面综合考虑。目前，在一般的嵌入式系统应用中常采用随机存储器r a m 或非 易失性的e e p r o m 、f l a s h 等。r a m 不具备掉电保护功能，系统一旦断电， 整个数据信息将全部丢失，因此，采用r a m 是不可行的。e e p r o m 、f l a s h 这类非易失性存储器芯片在系统关闭或无电源供应时仍能保持数据信息，但它 们的容量一般不是很大，本系统需要的存储容量达到十几m 甚至几百m ，若采 用这类存储器需要很多芯片组合才能达到要求，因此同样是不可取的。随着计 算机技术的发展，如今在数码产品上出现了许多体积小巧的大容量存储卡一 闪存卡( f l a s hm e m o r y ) ，例如s d 卡、c f 卡、x d 卡等，它们广泛用于m p 3 随 身听、掌上电脑、数码摄象机、数码相机等，以其卓越的容量体积比、便携性 和易操作性等优势，已经取代软盘、光盘而成为移动存储领域中应用最为广泛 的存储设备。闪存卡是一种非挥发性存储介质，它具有功耗低、密度高、体积 小、掉电后数据不丢失、可擦除、可靠性高、单位存储容量价格便宜等特点。 另外，闪存卡因为没有像硬盘一样的机械结构，显著降低了发生故障和被损坏 的可能性，因此还经常被现在的一些室外工控机用作主系统设备。其中c f 卡 是目前被最多数字设备所采用的存储介质，由于c f 卡的非机械结构及其体积 小、稳定性高的特点，使它在便携式数据采集器、嵌入式工控系统中也得到了 广泛的应用。在体积上，c f 卡具有固定的规格：4 2 8 m mx3 6 4 m mx3 3 m m ， 而且接口简单，支持多种接口访问模式，兼容性好，容量可以达到几百m 到好 几个g ，适合各种嵌入式系统的应用。c f 卡的使用寿命也非常长，即使用上1 0 0 多年也可以保证数据完好无损，同时它还具备耗电量小、重量轻、体积小、存 储量大、读写速度快、价格低廉等优点，越来越被消费者所认可。因此，本系 统采用c f 卡作为数据存储介质是比较合适的。 c f ( c o m p a c t f l a s h ) 卡即“标准闪存卡”，是最早推出的存储卡产品，由 最大的f l a s h m e m o r y 厂商之一美国的s a n d i s k 于1 9 9 4 年研发成功的1 1 ”。由 于它不带驱动器，也没有其它的移动部件，