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关于CAN总线的接触网隔离开关监控系统的设计探究

作者:中小学教育
出处:www.lunrr.com
时间:2019-10-26

目前,国内铁路机车段使用接触网隔离开关进行电气分段。在某些机车段上,分离开关的操作仍是手动操作,这不仅效率低下,而且对操作人员有很大的安全隐患;另一部分采用微机监控方式。 RS232/485和无线通信方法,但是,RS232/485的通信距离不能满足要求,并且无线通信对现场的辐射,电场和磁场有严格的要求。考虑到机车段的工作环境比较恶劣,笔者建议建立一个新的监控系统。该系统采用具有强大的纠错能力和高性价比的CAN总线通信方法,并且在接触网络上具有25,000伏的高压。为了确保机车顶部工人的安全,该系统采用了一个联锁机构,该联锁机构由一个人操作并且需要刷卡。根据铁道部《电气化铁路有关人员电气安全规则》第24条的规定,可以使用在线验证模式和独立操作模式。给出了悬链线隔离开关操作的规定。

随着嵌入式系统应用程序的发展,各种现场总线的应用越来越广泛。其中,控制器局域网(CAN)总线具有结构简单,成本低,可靠性高,实时性强,抗干扰能力强等优点。控制和许多其他领域已被广泛使用。 CAN可以以高度的安全性有效地支持分布式实时控制,并且已经在称为ISO的ISO国际标准中列出。 CAN协议基于国际标准化组织的开放系统互连模型,但是其模型只有三层,即OSI下的物理层,数据链路层和应用程序层。由于其较低的结构水平,它便于在系统中传输实时控制信号。

1系统总体设计

整个系统包括三部分:下部计算机监控设备,CAN通信模块和以AVR128微控制器为主要控制器的上部计算机监控系统。下位机监控设备包括液晶面板,键盘,语音,时钟,射频卡,电机控制,信号控制,CAN总线智能节点等模块,以及一些数字量输入输出; CAN通讯模块包括CAN总线编程,CAN-RS232转换器和CAN总线应用层协议设计;主机包括RS232通讯,监控接口和数据库。

下位计算机负责收集和显示现场隔离开关的状态并执行开关操作。它是操作员与监护人和系统之间的主要操作界面。总共有10个下层监视设备,在CAN网络中定义为节点1到10。上位机负责远程监控,并提供操作员和监护人的数据库,提高了整个系统的安全性; CAN通信模块较低。用于机器与主机之间通信的转换模块,因为监视主机(主机)不具有CAN标准接口,所以有必要专门设计一个转换设备,即CAN通信模块,它实质上是一个CAN-RS232转换器,负责数据传输。

2下位机监控设备

下部计算机监控装置设置在防护棚内,操作面板上设有接触网开关状态指示灯,操作按钮和按键锁定开关。

考虑到价格,IO资源和功能要求,请选择Atmel的AVRATmega128 MCU作为主控制芯片。 LCD面板选择OCM,该OCM用于下部计算机监视设备,以显示电流隔离开关的状态,机车号,操作员卡号和操作步骤。键盘设计为4×4矩阵键盘。它内置于ATmega128的PB端口中。用于输入机车号,卡号以及删除,确认等功能。语音芯片主要使用BMP5008系列4 M语音模块。为操作人员和监护人在防护棚工作提供操作步骤和其他提示,并与液晶显示模块配合进行提示操作;时钟模块主要使下部位置监控设备能够显示当前时间,并选择涓Stream充电时钟芯片DS1302,可以提供2100年之前的秒,分钟,小时,天,月和年的时间信息; RF卡主要用于认证目的,通过IC卡和主机上的数据库,认证操作员和监控人员的身份,只有操作员和监护人才能同时成功刷卡和卡号对应于隔离开关的闭合或打开操作;通过AVR128微控制器输出的开关信号控制电动机的正向或反向旋转,以便断开或闭合与电动机相连的隔离开关; CAN总线智能节点的主要目的是使每台下部计算机监控设备中的AVR128成为单片机在CAN总线上的子节点,从而完成CAN总线的联网。

3 CAN通讯模块设计

3.1 CAN通信模块的硬件设计

CAN通信模块主要负责处理下位计算机的监视设备与监视主机之间的信息通信问题。下位机监控设备和通讯控制单元采用CAN通讯,监控主机和通讯控制单元采用RS232通讯,因此该模块本质上是CAN-。RS232转换卡也是CAN网络中的CAN节点。定义为节点0。

CAN通讯模块的控制芯片采用STC89C52单片机; CAN控制器采用飞利浦独立的CAN控制器SJA1000,与CAN2.0A和CAN2.0B兼容。 CAN驱动程序采用飞利浦的PCA82C250,可以提供总线发送和接收功能的差异。

下位机监控设备的信息通过CAN总线发送到CAN通信模块,CAN通信模块通过串口将信息发送到监控主机。同样,监视主机可以通过串行端口将要发送到下位计算机监视设备的信息发送到CAN通信。然后,该模块由CAN通信模块通过CAN总线发送到下部计算机监控设备。

3.2 CAN通信模块的软件设计

CAN通信模块的软件设计主要包括两部分:串口的初始化,发送和接收以及CAN的初始化,发送和接收。串行端口的软件设计比较普遍,因此不再赘述。

它主要包括工作模式的设置,ACR/AMR的设置,BTR0/BTR1的设置,OCR的设置以及中断允许寄存器的设置。在接收功能中,是否需要接受总线上的数据,消息是否有效等。状态进行判断并进入相应的处理程序;发送过程还需要判断最后一次发送是否完成,缓冲区是否被锁定等,并进行相应的处理。

3.3 CAN通信应用层协议的开发

CAN协议本身仅定义物理层和数据链路层的规范(遵循OSI标准)。因此,用户在使用CAN协议时,必须根据实际需要定义CAN高级协议。世界上已经形成了许多基于CAN的高级应用协议,例如CAL,CANopen,DeviceNet,SDS和CAN Kingdom。但是,尚未形成适用于OCS隔离开关监控系统的统一CAN高级应用协议。

在信息安排中,应注意,CAN信息帧一次最多可发送8个字节的数据。在该系统中,CAN通信采用带有29位消息标识符的扩展帧,该帧主要根据消息的内容确定数据的类型,目标地址,源地址,通道号和结束标签。标识符。对于CAN通信模块,要在CAN总线上发送的数据定义为三种:发送数据帧,远程请求帧和信息响应帧。

4上位机监控系统

上位机监控系统以工业计算机为人机界面,使用RS232串行接口通过CAN通信模块与下位机监控设备进行通讯,在Windows环境下开发软件可视性,面向事件和面向对象的功能,并进行编译良好的用户界面。上位机可以接收现场隔离开关的状态,操作员卡号,监护人卡号,机车类型和机车号。在在线验证模式下,服务员可以发送信息以允许操作员和监护人继续或拒绝继续其操作,并且服务员可以查询工作人员。历史工作数据。为了完成这一系列功能的设计,使用Borland C ++ Builder来开发接触线隔离开关监控系统的上位机程序。

根据设计要求,上位机程序主要完成以下功能: 1用户登录,设置密码,确保身份认证; 2个主要工作界面,实时监控现场数据; 3操作员和监护人的数据库管理和维护;记录和管理历史工作数据。

5个结论

基于CAN总线的接触网隔离开关监控装置是专门为电气化服务区,机车部分和机车厂的接触网隔离开关的集中监控而专门开发的分布式集成自动化系统。该系统可以实现对机车部维护部的联络网隔离开关的集中监控和安全管理。由于采用了强抗干扰的通讯方式,可重复使用的IC卡,语音提示,接地棒位置功能,隔离开关操作机构电源,按键开关,软件多级闭锁等功能,大大改善了机车部分。接触网隔离开关集中监控的安全性和可靠性。该系统的使用可以减轻接触网隔离开关操作员的劳动强度,消除接触网隔离开关的误操作,可以适应操作自动化操作的发展趋势,提高工作效率,有效地防止发生铁路人身和设备安全事故。

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