基于CAN的電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

柏承宇

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院牽引動(dòng)力學(xué)院，陜西西安710026）

隨著當(dāng)前信息化技術(shù)的發(fā)展，將GPRS技術(shù)在電力機(jī)車中也發(fā)揮積極應(yīng)用價(jià)值，可以提高狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸通訊的穩(wěn)定性[1]。而在實(shí)際的電力機(jī)車運(yùn)行過(guò)程之中，需要對(duì)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若是未能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，未能夠及時(shí)記錄在電力機(jī)車出現(xiàn)故障時(shí)的數(shù)據(jù)，這樣也會(huì)增加電力機(jī)車檢修困難；并且由于在維修電力機(jī)車過(guò)程中沒(méi)有數(shù)據(jù)作為依據(jù)，也就會(huì)降低維修好之后電力機(jī)車運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，為電力機(jī)車運(yùn)行安全帶來(lái)隱患[2-5]。

在設(shè)計(jì)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通過(guò)應(yīng)用CAN總線技術(shù)，也就是通過(guò)應(yīng)用控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)，不僅可以總線型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)電力機(jī)車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的布線結(jié)構(gòu)，也能夠最大限度節(jié)約系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的布線成本，提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)好之后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的能力與抗干擾能力，確保設(shè)計(jì)的電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滿足實(shí)際應(yīng)用需求[6]。為此，優(yōu)化設(shè)計(jì)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以將車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送給車輛管理部門，從而可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行中電力機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)，也能夠?qū)崟r(shí)將檢測(cè)的機(jī)車運(yùn)行參數(shù)傳輸?shù)较到y(tǒng)之中，使電力機(jī)車故障診斷與維修全面走向自動(dòng)化[7-10]。在實(shí)際研究之中，基于CAN技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，選擇CAN總線作為整個(gè)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，以CAN總線模塊化的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)，對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，可以全面檢測(cè)機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)。

1 系統(tǒng)需求功能分析

在電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，基于CAN技術(shù)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要具備以下功能。具有牽引、制動(dòng)（加饋制動(dòng)）控制，防空轉(zhuǎn)（滑行）控制等基本功能，牽引時(shí)采用起動(dòng)恒流、特性段準(zhǔn)恒速控制，具有兩級(jí)限壓和三級(jí)磁場(chǎng)削弱控制功能，制動(dòng)時(shí)采用加饋電阻制動(dòng)；具有自動(dòng)過(guò)分相控制，與微機(jī)狀態(tài)顯示屏配合可以實(shí)現(xiàn)故障診斷、記錄以及完善的高、低壓自檢功能，機(jī)車運(yùn)行工況及電機(jī)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示功能，空電聯(lián)合制動(dòng)及功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

2 總體結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，基于CAN技術(shù)支持下，在系統(tǒng)中應(yīng)用CAN模塊化處理信號(hào)調(diào)理電路以及信息采集與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)單元。實(shí)際中，在電力機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)系統(tǒng)的信號(hào)采集板采集系統(tǒng)的電子柜信號(hào)，然后通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換，將采集的信號(hào)經(jīng)CAN總線發(fā)送到系統(tǒng)的存儲(chǔ)單元中，再然后，可以通過(guò)系統(tǒng)中的RS-485標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，將數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的診斷單元中，診斷電力機(jī)車運(yùn)行是否出現(xiàn)故障。同時(shí)，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)于電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，還能夠通過(guò)USB接口從U盤中取出，確?？梢詫?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔分析，方便地面人員分析研究CAN電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用效益。電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1中所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外部數(shù)據(jù)采集中，設(shè)有一個(gè)擴(kuò)展存儲(chǔ)93LC66B，將電力機(jī)車運(yùn)行參數(shù)采集之后壓縮儲(chǔ)存在系統(tǒng)的93LC66B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，還能夠采取循環(huán)記錄數(shù)據(jù)的方式，方便查找數(shù)據(jù)【11】。同時(shí)，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，針對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)外部數(shù)據(jù)采集器，在其外部擴(kuò)展的存儲(chǔ)器內(nèi)，也均會(huì)存在固定的一個(gè)字節(jié)，在該字節(jié)內(nèi)用以記錄在CAN總線中每個(gè)采集器的編號(hào)，通過(guò)編號(hào)與系統(tǒng)的CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

在電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)之中，針對(duì)電力機(jī)車開關(guān)信號(hào)量的采集方面，可以根據(jù)設(shè)計(jì)CAN監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能要求，采集在電力機(jī)車發(fā)生故障時(shí)的數(shù)據(jù)信號(hào)，如欠壓、主斷以及主接地時(shí)顯示屏中顯示的信號(hào)數(shù)據(jù)【12-14】。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采集電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)的開關(guān)量信息，在CAN總線支持下，實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車開關(guān)參數(shù)與其它系統(tǒng)通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸，使電力機(jī)車檢修維護(hù)人員可以根據(jù)系統(tǒng)顯示屏中的數(shù)據(jù)制定故障維護(hù)方案。

核心數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用AT89S52單片機(jī)，可以在線編程的，就是將單片機(jī)先焊到板子上，只要留出編程接口就可以在板子上編程，這樣很適合對(duì)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)隨時(shí)升級(jí)。AT89S52單片機(jī)引腳如圖2所示。

圖2 AT89S52引腳圖

在設(shè)計(jì)的電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，針對(duì)系統(tǒng)中所有采集模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)，可以在CAN總線支持下，通過(guò)CAN將采集到的機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)的上位機(jī)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)的Compact Flash芯片中，方便系統(tǒng)應(yīng)用人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢分析，及時(shí)監(jiān)控預(yù)測(cè)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，杜絕電力機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)危險(xiǎn)事故。

在電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中，針對(duì)系統(tǒng)顯示屏硬件設(shè)計(jì)中，應(yīng)用ZYTWX1型機(jī)車通用彩色顯示屏，可以在顯示屏中顯示電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的信息。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用CAN技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件部分。在CAN支持下系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，在采集運(yùn)行溫度參數(shù)時(shí)，可以先初始化系統(tǒng)中的電力機(jī)車運(yùn)行模擬量采集單元；當(dāng)系統(tǒng)的上位機(jī)發(fā)出請(qǐng)求，采集電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的指令時(shí)，可以啟動(dòng)系統(tǒng)中的定時(shí)器；并將采集的電力機(jī)車運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換；最后，可以將轉(zhuǎn)換得到的電力機(jī)車運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)CAN中的標(biāo)準(zhǔn)幀格式，將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中。軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 軟件流程

在設(shè)計(jì)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，基于CAN幀格式，將采集的電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)處理單元，以確?？梢詾闄C(jī)車操縱人員和維修人員提供決策依據(jù)，為狀態(tài)修提供原始數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。

5 系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

在實(shí)際中，為測(cè)試該系統(tǒng)應(yīng)用效益，在測(cè)試設(shè)備CANstressDR、CANoe+CANcaseXL以及數(shù)字示波器支持下，將測(cè)試電力機(jī)車設(shè)備串連到電力機(jī)車CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)中，打開CANScope，開啟設(shè)備的眼圖功能，獲取到如圖4的波形。

圖4 設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)波形

在電力機(jī)車CAN運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，經(jīng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，經(jīng)過(guò)測(cè)試，結(jié)果證實(shí)CANH+CANL的電壓如圖5所示。

圖5 CANH+CANL電壓值

在電力機(jī)車CAN運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，經(jīng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，經(jīng)過(guò)測(cè)試，結(jié)果證實(shí)CANH+CANL的電壓符合4.2～5.8 V的，則電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)電壓水平平穩(wěn)，電力機(jī)車可以正常運(yùn)行。在設(shè)計(jì)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，應(yīng)用CAN總線技術(shù)，基于CAN總線作為整個(gè)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用CAN技術(shù)，在模塊化設(shè)計(jì)支持下，使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電力機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)。

6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益分析

在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，可以及時(shí)將監(jiān)測(cè)得到的電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給車輛維護(hù)檢修人員，并由地面管理人員根據(jù)系統(tǒng)顯示的電力機(jī)車實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，判斷電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，使電力機(jī)車故障診斷與維修全面走向自動(dòng)化[15]。實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行電力機(jī)車自動(dòng)跟蹤、定位、軌跡實(shí)時(shí)顯示；采用故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想對(duì)實(shí)時(shí)故障進(jìn)行診斷處理、指導(dǎo)司機(jī)操作，確保行車安全[16]；對(duì)機(jī)車參數(shù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、匯總，優(yōu)化制定出需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)、維護(hù)、檢修電力機(jī)車的部位，并進(jìn)一步有針對(duì)性的提出維修方案，提升電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用效益。

7 結(jié)論

綜上所述，基于CAN設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可用于完成對(duì)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，不僅可以實(shí)時(shí)采集電力機(jī)車的電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)，也可以采集在發(fā)展?fàn)恳姍C(jī)故障時(shí)的相關(guān)信息，并將采集的信息實(shí)時(shí)顯示在系統(tǒng)的顯示屏中，有助于電力機(jī)車維護(hù)檢修人員及時(shí)跟進(jìn)顯示的數(shù)據(jù)，及時(shí)制定合理的監(jiān)測(cè)維護(hù)方案，以確保提升電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量?；贑AN技術(shù)，將CAN應(yīng)用到設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)的電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠在電力機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，確保行車安全。

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