新一代内燃机车微机系统控制平台设计.docx
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1、 新一代内燃机车微机系统控制平台设计 肖孟英 唐军 张东方摘 要:为适应当前形式下的市场需求,同时提高整车对柴油机系统控制的可靠性,基于内燃机车微机控制系统在多种直流机车以及交流机车上的应用情况,重新设计了新一代的内燃机车微机控制系统平台。根据该平台在实际应用中各功能的使用情况,新一代控制平台可提高机车控制的响应速度,能有效缩短机车逻辑控制软件的开发周期,并提升现场调试的效率。关键词:内燃机车 微机 控制平台中图分类号:U262.27 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2019)04(c)-0088-03如今轨道交通机车、车辆的主通信方式逐渐从TCN网络的MVB+WTB通信向实时以
2、太网通信转换,实时以太网和绞线式列车总线WTB、多功能车辆总线MVB 通信比较,在传输速度、传输周期、集成度、调试设备、开发资源费用上等都有很大的优势1。目前的通信网络是双网共存设计,以MVB网络数据作为控制数据,以太网数据作为参考数据,相信在不久的未来将是实时以太网通信的时代。同时,各大主机厂也有编制机车逻辑控制软件的需求,所以传统的软件开发模式将逐渐被淘汰,需要设计一种新的软件开发环境来适应并满足主机厂客户的这种需求。目前,在多个海内外项目中,采用合作开发机车逻辑控制软件的模式来探索未来内燃机车应用软件开发的方法。为适应外部环境的发展,同时改善并提升内燃机车的控制性能,加强对柴油机系统控制
3、的可靠性,设计了使用图形化编程环境的新一代内燃机车微机控制平台。1 控制平台功能分析内燃机车微机(如图1)主要由CPU插件、IO插件、通信插件以及电源插件构成。CPU插件作为微机的核心,是控制软件运行的载体,主要实现机车的逻辑控制、牵引/电阻制动/自负荷特性控制、故障诊断及处理等功能2。通过分析微机控制功能以及控制平台所关联的对象,可得知控制平台需要实现的功能应包括:(1)支持图形化应用软件开发环境;(2)网络通信功能,重点是以太网通信;(3)微机系统IO数据采集与驱动;(4)数据存储功能;(5)系统安全机制。2 硬件平台设计上一代微机控制系统平台总线处理效率不够、与柴油机系统数据交换的可靠性
4、有待提高、以太网接口仅实现了程序下载更新功能。通过对控制平台功能的分析,在总线模式与上一代产品保持兼容的情况下,新增以下功能3:(1)采用更高主频的处理器以提高单指令响应速度;(2)主控板采用高集成度通信芯片与柴油机系统通信;(3)两路以太网接口可同时实现以太网通信或者程序下载更新功能;采用大容量的NandFlash芯片做数据存储。2.1 以太网以太网通信是轨道交通装备的一个发展趋势,目前已在动车上推广应用,为提高内燃机车微机控制系统的竞争性,设计两路100 Mbps以太网,采用处理器的两路TSEC控制器。作为微机以太网通信专用的接口,由主控板输出到背板连接器,通过子板从机箱出线。另一路以太网
5、设计成调试下载专用,从主控板前面板出线。2.2 CAN目前微机控制系统通过专用的柴油机通信板实现CAN通信的功能,主控板通过双口RAM与柴油机通信板交换通信数据。这种方案存在数据更新不及时、处理环节过多过程不可控的潜在故障。新的设计方案采用处理器的串行外围设备接口(SPI)扩展CAN通信电路。主控板能获取第一手的通信数据,减掉了数据交换的中间环节,提高了数据交换的效率以及可靠性,同时微机控制系统在总体方案上可考虑裁剪掉柴油机通信板的配置资源、有利于产品的成本控制。2.3 数据存储由于存储空间有限,目前的微机控制系统只进行了机车的故障信息记录,数据以二进制的形式存储在非易失性闪存中,通过机车显示
6、器界面可查询到故障信息。本文设計的控制平台中,数据存储的载体为1G容量的NandFlash芯片,可实现故障信息的海量存储,同时满足机车运行状态数据记录的需求,对分析机车运行状态,机车故障的判断、处理以及预防都能起到有效的作用。3 软件平台设计软件平台设计的目的是提供一个稳定可靠的应用软件开发环境,最终需达成的目标是减轻应用软件开发的难度、减少开发工作量,快速响应市场需求。本文描述的软件平台采用嵌入式操作系统加图形化编程系统的架构,主要分为图形化应用软件、中间层、操作系统三个层次,其中的中间层软件包括驱动软件以及封装的功能块,具体如图3所示。3.1 应用层IEC 61131-3是可编程序控制器编
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