内燃机车微机控制系统的硬件系统的研究与开发

摘要

内燃机车微机控制系统担负着对内燃机车的控制和对关键设备进行故障诊断与维护的任务。在我国，随着机车的全面提速和内燃机车电气结构越来越复杂，作为内燃机车“神经中枢”的微机控制系统，其硬件系统却存在处理速度慢，接口资源不足，自主知识产权缺乏，所用电子元件落后难以购置更换等弊端。
　　 本文以南车集团的一款交流传动内燃机车为对象，研发了一种以X86为核心处理器，FPGA为协处理器的微机控制系统。通过对内燃机车运行所需功能要求以及对微机控制系统工作环境和外部搭载设备的研究分析，将内燃机车微机控制系统的硬件系统整体功能模块化划分为数字输入、数字输出、频率检测、模拟量采集、信号调理及核心板六种功能板和一块电源转换板;应用具有PC104总线的微机模块，采用单FPGA和多CPLD的星型分布式SPI背板总线的连接方式，实现微机与底层设备的数据交换工作;以电磁兼容性理论与信号完整性理论作为指导设计了各功能板的电路及PCB，对功能板的关键电路进行了理论分析和功能仿真，通过理论推导确定了电路元件参数，并完成芯片的选型工作;完成硬件系统后，利用实验室资源，搭建实验平台，模拟控制系统所要采集的信号，完成硬件系统测试工作，获取实验参数及结果，并对完成的试验样机进行了功能评估。
　　 本文创新性地设计并采用了分布式SPI背板总线的通信方式实现了控制系统内部的数据交换工作。所开发的内燃机车微机控制系统的硬件系统，经过反复实验测试，验证表明系统能够稳定工作;通过FPGA与CPLD协同工作方式，完成了底层的数据采集以及指令执行的功能，并能够将内燃机车上庞杂的数据分时按需发送给微机进行处理，提高了微机控制系统的处理速度和数据处理能力;通过对底层功能板通道的扩充，提高了控制系统对内燃机车监控能力及故障诊断能力。硬件系统集成了安全，高效，稳定的多种功能模块，能够完成信息采集、数据处理、指令下达与指令执行等多种功能，可为内燃机车微机控制系统实现高效、可靠的控制策略提供有力的硬件支持。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 内燃机车微机控制系统发展概述

1．2 本文研究背景及目的

1．3 本文研究的内容及方法

1．4 本文的内容安排情况

第2章 内燃机车微机控制系统需求描述及实现方案设计

2．1 内燃机车微机控制系统的需求分析及功能的模块划实现方案

2．1．1 内燃机车微机控制系统需求分析

2．1．2 系统功能的模块化划分

2．1．3 控制系统的机箱设计及内部结构安排

2．1．4 内燃机车微机控制系统内部数据流程安排

2．2 FPGA与CPLD协同工作方法设计

2．2．1 可编程逻辑器件简史

2．2．2 FPGA与CPLD协同工作设计

2．3 电磁兼容性、信号完整性在内燃机车控制系统中的应用

2．3．1 电磁兼容性在内燃机车微机控制系统开发中的应用

2．3．2 信号完整性对功能板PCB的布局设计指导

2．4 内燃机车微机控制系统电源供应方案设计

第3章 频率检测功能板设计

3．1 频率检测功能板功能描述及输入信号特征

3．1．1 信号特征描述

3．1．2 整体功能实现及硬件原理

3．1．3 关键部分电路原理及电路的仿真分析

3．2 频率检测算法研究及程序设计

3．2．1 频率检测算法

3．2．2 模块软件设计

3．3 频率检测功能板单板测试结果

3．3．1 硬件电路实现结果

3．3．2 数据通信及结果分析

第4章 模拟量采集功能板设计

4．1 模拟量采集功能实现

4．1．1 AD选型分析

4．1．2 ADS1158功能介绍及分析

4．1．3 模拟量采集功能板硬件电路原理设计及分析

4．1．4 ADS1158配置方案设计

4．2 4~20mA电流配送功能的实现

4．2．1 DA芯片选型分析

4．2．2 DAC161P997功能介绍及分析

4．2．3 4~20mA电流配送电路设计

4．2．4 DAC161P997的数字量配送4~20mA电流输出的配置方法分析

4．2．5 DAC161P997配置方法设计

4．3 模拟量采集功能板单板测试方法

第5章 数字量输出、数字量输入及信号调理功能板设计

5．1 数字量输出功能板设计

5．1．1 数字量输出功能板工作方式

5．1．2 数字量输出功能板硬件电路设计与分析

5．2 数字量输入功能板设计

5．2．1 数字量输入功能板所所采集的信号介绍

5．2．2 数字量输入功能板基本工作方式

5．2．3 数字量输入功能板硬件电路设计

5．3 信号调理功能板设计

第6章 核心功能板功能分析与设计实现

6．1 核心板选用芯片介绍

6．1．1 Altera公司EP4CE15F256芯片介绍

6．1．2 MAX3000A系列CPLD介绍及选型分析

6．2 本文所选用的微机模块介绍

6．2．1 微机模块所嵌入的RETMS系统简介

6．2．2 微机模块硬件结构介绍

6．3 核心功能板的主要功能及关键电路设计

6．3．1 核心板主要功能

6．3．2 核心功能板的关键电路设计

6．4 SPI总线的研究与SPI接收发送模块设计

6．4．1 SPI总线简介及分析

6．4．2 内燃机车微机控制系统的分布式SPI背板总线设计

第7章 硬件系统的实验验证

7．1 实验方案设计

7．2 实验平台搭建及功能板调试方法

7．2．1 实验平台搭建

7．2．2 功能板调试方法

7．3 设计结果与实验分析

7．3．1 设计结果

7．3．2 实验结果

第8章 总结与展望

8．1 总结

8．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表论文