基于ARM的车辆制动自动监控系统设计Word文档下载推荐.docx

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车辆制动；

自动监控；

ＡＲＭ；

ＣＰＬＤ；

ＣＡＮ总线；

ｒｔｃ／ｏｓ．ＩＩ

西南交通大学硕士研究生学位论文第１Ｉ页

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＧｕｅｓｔｔｒａｉｎｌＳｏｎｅｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅａｎｓｏｆｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｕｓｅｄｆｏｒｔｒａｖｅｌｉｎｇ．

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Ｃａｌｌｒｕｎｗｈｅｔｈｅｒｖｅｈｉｃｌｅｓｅｃｕｒｅｌｙｌｙａｌｒｅａｄｙｂｅｃｏｍｅｓｔｈｅｆｏｃａｌｐｏｉｎｔｏｆｐｅｏｐｌｅ’Ｓ

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ａｏｆｖｅｈｉｃｌｅ．Ｕｎｄｅｒｓｕｃｈｐｒｅｍｉｓｅ，ｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｖｅｈｉｃｌｅｂｒａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｐｐｅａｒｓ

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ａｃｈｉｅｖｅｓａｂｉｌｉｔｙ．ＡＲＭｊｕｓｔｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ、ｍａｎａｇｅｓａｎｄｔｒａｎｓｍｉｔｓｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｄａｔａ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙｉｔｈｉｌｇｈｓｐｅｅｄｄａｔａｌｉｆｅ－ｓｐａｎｒｅｃｏｒｄｉｎｇｍｏｄｕｌｅ，ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ・ｖａｌｖｅ’Ｓａｃｔｉｏｎｔｉｍｅ、ｅｌｅｃｔｒｉｆｙ－ｕｓｅｄｈｏｕｒａｎｄｔｏｔａｌｈｏｕｒ，ｅａｃｈｓｅｎｓｏｒ’Ｓｅｌｅｃｔｒｉｆｙ—ｕｓｅｄｈｏｕｒａｎｄｔｏｔａｌｈｏｕｒａｒｅｒｅｃｏｒｄｅｄｅｖｅｒｙｏｔｈｅｒ

ｃａｌｌｐｅｒｉｏｄｏｆｔｉｍｅ．Ｔｈｅｒｅｃｏｒｄｃｏｕｌｄｎ’ｔｂｅｌｏｓｅｄａｆｔｅｒ１０ｓ－ｍｇｅｌｅｃｔｆｉｃｉｔｙ，ｉｔｂｅｃｏｍｅ

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西南交通大学硕士研究生学位论文

Ｂｙｓｉｍｕｌａｔｅｄｄｅｂｕｇｇｉｎｇａｎｄｔｈｅｓｃｅｎｅ第１Ⅱ页ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅ

ｃａｎｂｒａｋｉｎｇａｕｔｏｍａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｈａｖｅｂｅｅｎｒｅａｌｉｚｅｄｍａｉｎｌｙ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍ

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ｄｅｓｉｇｎｉｓｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｒｕｎｓｐｅｅｄ，ａｎｄａｌａｒｍｔｒｏｕｂｌｅｓ．Ｉｔｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈａｔｔｈｅａｎｄｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ．Ｉｔｈａｓｒｅａｃｈｅｄｅｘｐｅｃｔｅｄｄｅｓｉｇｎｅｆｆｅｃｔ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：

ｖｅｈｉｃｌｅｂｒａｋｉｎｇ；

ａｕｔｏｍａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；

ＣＡＮ—ＢＵＳ；

ｒｔｃ／ｏｓ－Ⅱ

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于

１．保密口，在年解密后适用本授权书；

２．不保密曰，使用本授权书。

（请在以上方框内打“４”）

学位论文作者签名：

吝稿褊指导棚签名：

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西南交通大学学位论文创新性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

本学位论文的主要创新点如下：

・采用ＡＲＭ与ＣＰＬＤ相结合的设计方案，简化了ＡＲＭ外围电路的设

计，实现了电平的转换，有效的保护了知识产权。

・通过ＣＡＮ总线将车辆制动状态上传给机车控制室主机，这样既便于

列车车辆运行情况的集中监测和管理，又分散了列车车辆的控制与管理功能以及减少了列车车辆上的布线数量，提高了列车车辆运行的可靠性。

磐１藕日期：

跏７、』、弓口

第１章绪论

本次设计的任务是实时监测列车车辆的运行速度，并根据车辆制动状态，自动控制车辆的制动系统，实现车辆制动的安全防护。

本次设计采用了嵌入式系统来进行设计，因为现代嵌入式计算机技术以其强大的控制功能、小巧的体积、卓越的性价比在控制检测领域占有非常大的比重，同时嵌入式芯片具有的丰富的外围电路和软件资源大幅度缩短了产品的开发周期。

因此在控制检测领域选用嵌入式技术无疑是开发研究人员明智的选择【ｌｊ。

１．１课题背景及国内外发展情况

旅客列车是人们出行的重要交通工具之一，随着我国国民经济的发展，信息化时代的到来，列车车辆能否安全运行已经成为人们关注的焦点。

在高速状态下车辆能否安全地停得下来是安全运行的一个关键，在车辆方面上就是解决制动问题（即刹车要可靠）。

国外的铁道客车基本都采用了微机控制的空气制动机，其制动控制单元ＢＣＵ（ＢｒａｋｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）不但能够控制制动系统工作，同时根据制动系统的相关检测传感器实现对其本身的白诊断，对制动系统工作状况进行监测诊断，并将诊断结果通过列车网络传输给列车中央诊断系统，实现全列车的故障诊断【２】ｏ

在国内，列车车辆制动领域中很多车并未实现计算机控制，制动精度很差，不具备实时检测车辆运行速度，实时监测故障、防滑等功能。

一些科研单位研制出的制动监控设备，一般是用８位的单片机作为制动监控的核心部分【３１，但这种技术功能不够强大，系统可利用资源有限且可扩展性差，其后续维护资源供应得不到保证。

’列车车辆制动系统的在线监测与故障诊断方面的研究，在国内研究的很少，正因为对列车车辆制动系统进行实时监测与故障诊断的研究较少，对制动系统的工作情况无法做到及时的了解，由制动系统故障引起的行车事故才会屡屡发生。

此外，列车车辆运行区间越来越长，要使铁路相关部门及时掌

西南交通大学硕士研究生学位论文第２页

握列车车辆制动系统的运行状态，有必要将实时监测到的制动系统的各状态信息发送到地面数据库中，供相关部门进行诊断分析。

为了达到这一目的，在研究列车车辆制动系统实时监测与故障诊断的同时，还有必要研究监测数据的实时传输，而这在列车制动领域中的应用仍处在起步阶段。

综合上述可见，列车车辆如何提升制动精度，在制动中迅速的停下来以及如何通过对列车车辆制动系统工作状态进行在线监测和故障诊断，将成为铁路部门急需解决的问题。

随着现代科技如通信技术、电子技术、控制技术和网络技术的发展，解决上述问题的己经成为可能。

而进行列车车辆制动自动监控系统的理论、方法和应用研究具有重大的理论意义、现实意义和广阔的市场前景。

所以研制新型的列车车辆制动监控系统很有必要性。

目前，国内的嵌入式技术的应用己经兴起，，很多的检测领域己经用到嵌入式技术。

嵌入式系统硬件方面是以３２位ＡＲＭ芯片为核心部分，这些嵌入式芯片不仅处理速度达到几十兆指令每秒，而且具有流水线功能，使处理速度远远大于普通单片机；

软件方面选用嵌入式操作系统，开发者可以利用嵌入式操作系统自带的函数开发自己的应用程序，从而缩短产品的开发周期。

因此，将嵌入式芯片用于工业控制监测系统是必然的。

所以车辆制动控制手段正在向以３２位ＡＲＭ芯片作为制动监控核心部分的方向发展。

本文设计了这种以３２位ＡＲＭ芯片作为制动监控核心的系统，３２位ＡＲＭ处理器具有优异的性能，功耗低，可扩展性强，便于后续维护，可以实时监控制动状态，实时检测车辆运行速度，同时可以对车辆制动系统的故障进行实时的检测和报警。

１．２嵌入式系统发展状况

根据ＩＥＥＥ的定义嵌入式系统是“Ｄｅｖｉｃｅｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌ，ｍｏｎｉｔｏｒ，ｏｒａｓｓｉｓｔｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｍａｃｈｉｎｅｒｙｏｒｐｌａｎｔｓ＂（用来控制，监视和辅助设备，机器和各种平台运行的装置）这是一种针对嵌入式系统作用的高度概括，从定义中可以知道嵌入式系统是一种实实在在的物体，可以用一种更详细的描述“嵌入式系统是以应用为中心，计算机技术为基础，软件与硬件结合并且可进行相应的裁减，适应应用系统对功能，可靠性，成本，体积，功耗均严格要求的定制的计算机系统”。

嵌入式系统从诞生到现在己有近五十年的时间，嵌入式实时系统（ＲＴＯＳ）

西南交通大学硕士研究生学位论文第３页

的研究是从上世纪六十年代开始的，从其系统结构上来看嵌入式系统的发展可分为三个主要阶段【４Ｊ：

１．早期的实时操作系统

早期的实时操作系统还不能称之为真正的ＲＴＯＳ，它只是一种小而简单的，带有一定专用性的软件，功能较为简单，可以认为其是一种实时监控程序。

它一般为用户提供初始化管理与简单的实时时钟管理，有的实时监控程序也引入了任务调度于简单的任务间协调功能。

这个阶段，实时应用比较简单，实时性要求也不高，应用程序，实时监控程序和硬件平台紧密结合在一起，不具有通用性。

２．专用的实时操作系统

随着应用的发展，早期的ＲＴＯＳ越来越显现出不足之处，有些实时系统的开发者为了满足实时应用的需要，自己研制与硬件平台相匹配的实时操作系统，这类专用实时操作系统被称之为Ｒｅａｌ．Ｔｕｎｅ

ｉｎＯｐｅｒａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＤｅｖｅｌｏｐｅｄＨｏｕｓｅ。

它是早期为满足用户需要而研制的，只能满足特定的硬件环境，缺乏严格的测试，移植性也很差。

３．通用的实时操作系统

各种专用的ＲＴＯＳ中，一些多任务的机制如基于优先级的调度，实时时钟管理，任务间的通讯，同步互斥机制是基本相同的，不同的只是面对各自不同的硬件环境与应用目标。

实际上，相同的多任务机制是能够共享的，因而可以很好的把这部分组织起来，形成一个实时操作相同的内核。

这类实时操作系统大多采用软组织结构，以一个个通用的软件“标准组件”构成通用的实时操作系统。

一方面，在ＲＴＯＳ的最底层将不同的硬件特性屏蔽起来；

另一方面，对不同的应用环境提供了标准的，可裁减的系统服务软件组件，这使得用户可根据不同的实时应用要求与硬件环境选择不同的软组件，这也使得实时操作系统开发商在开发阶段减少重复性的操作。

本设计使用的实时操作系统——“Ｃ／ＯＳ．ＩＩ是“ｕＣ／ＯＳ”的升级版本。

Ｉ－ｔＣ／ＯＳ．ＩＩ是一个源代码开放的实时操作系统，可移植、可固化（嵌入到产品中成为产品的一部分）、可裁剪，属于占先式实时内核。

执行时间可确定（即函数调用与服务的时间是可知的，不依赖于应用程序的多少）。

已被广泛应用于交换机、路由器、过程控制、汽车业、．办公自动化、计算机外设以及民用消费类产品等，具有稳定的可靠性。

西南交通大学硕士研究生学位论文第４页

１．３主要研究内容

高性能可编程逻辑器件、ＣＡＮ总线——有效支持分布／实时控制的串行通信网络和Ｉ．ｔｃ／ｏｓ．１－Ｉ操作系统的列车车辆制动自动监控系统。

文中介绍了车辆制动控制原理、对系统进行了总体的方案设计，介绍了嵌入式系统开发的原理及设计方法，着重讲解了以Ｓａｍｓｕｎｇ公司３２位嵌入式微处理器Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ为核心的系统软硬件设计方案，并开发了基于ｒｔｃ／ｏｓ．ＩＩ操作系统的应用程序。

本文设计了一种基于ＡＲＭ——高性能嵌入式微处理器、ＣＰＬｐ一新型

西南交通大学硕士研究生学位论文第５页

第２章系统总体方案设计

本章在进行方案设计之前，先介绍了一下车辆制动系统工作原理，在原理基础上进行了系统总体方案的设计。

２．１车辆制动系统工作原理

列车空气制动系统通过列车管压力的变化来进行制动、缓解工作，具体过程为：

列车管减压制动，增压缓解，制动中立位保压。

分配阀滑阀的动作依赖于列车管和副风缸之间（直接作用）或列车管和工作风缸（间接作用）的压力差。

直接作用和副风缸、制动缸容积有关，因此直接作用式只适合于特定容积的制动缸，间接作用式可应用于不同容积的制动缸。

我国目前大部分列车所应用的分配阀是间接作用式分配阀，图２．１是我国常用的空气制动系统图。

图２．１我国常用的空气制动系统

空气制动系统原理是：

制动时，司机将大闸手柄移至制动位，司机通过观察均衡风缸控制列车管的减压量以获得所需的制动缸压力。

此时，副风缸不能补风。

制动缸压力的大小和列车管减压量及副风缸、制动缸的容积比有关：

Ｐ＝３．２５宰，．一１００（１）式中：

Ｐ一制动缸压力（ｋＰａ）；

数，副风缸与制动缸的等效容积比。

ｒ列车管减压量（ｋＰａ）；

３．２５一比例系

式（１）说明制动缸压强决定于列车管减压量以及副风缸与制动缸的等效容积比，在运行中容积比是定值，因此制动缸压强只取决于列车管减压量。

司

西南交通大学硕士研究生学位论文第６页

机操纵列车制动时，只需要控制列车管减压量即可掌控制动力的大小，当列车管压力达到司机要求的减压量时，司机将手柄搬至中立位，列车管不再减压，制动缸将保持制动力，即为保压。

缓解时，司机将手柄置于充气缓解位，机车向列车管充气，列车管增压，制动缸缓解，此时列车管压力空气才能补充副风缸压力直到列车管的定压【５１。

２．２车辆制动自动监控系统总体结构设计

我们可以对单元节点进行设计，各单元节点再通过ＣＡＮ总线通信方式与机车控制室主机进行通信。

由此得到了车辆制动自动监控系统总体结构设计，车辆制动自动监控系统总体结构框图如图２．２所示，机车控制室主机界面示意图如图２．３所示。

第】号车厢第Ｎ号车厢图２．２车辆制动自动监控系统总体结构框图

西南交通大学硕士研究生学位论文第７页

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图２．３机车控制室主机界面示意图Ｏ融嘲啊园

系统工作原理为：

机车控制室主机通过ＣＡＮ总线发送命令到指定节点，节点收到命令后进行相应动作，如制动、快速制动、停车制动、故障显示、部件寿命记录显示等，并把反馈的数据通过ＣＡＮ总线上传给计算机，在制动、快速制动过程中系统要实时采集压力缸压力值，通过控制对电磁阀进行通／断电，使压力缸压力值与目标值相差５ＫＰａ范围内，同时还要采集车辆速度对车辆进行防滑控制。

２．３摩擦制动控制单元设计

制动系统的综合作用的目的是控制制动缸的压力变化，产生符合运行要求的制动力，使车辆运行平稳，从而减小因车辆冲动而损坏制动系统或机车上其它装置的可能性，保证车辆安全运行。

根据车辆制动系统工作原理可以看出，最能反映制动系统状态的是压力信息，所以本设计是通过对制动缸压力的实时监测控制来控制制动系统的。

所以我们只要实时监测制动缸压力并对其进行控制，就可以对列车制

动、缓解、保压状态进行控制。

第８页

为了保证制动精度，使制动缸实际压力值与制动手柄要求值尽量保持一致，我们采取如下控制方式：

当制动手柄要求值与制动缸实际压力值的差大于５ＫＰａ时，通过光耦电路控制电磁阀对制动缸进行充气制动；

当制动缸实际压力值与制动手柄要求值的差大于５ＫＰａ时，通过光耦电路控制电磁阀对制动缸进行放气缓解：

当制动手柄要求值与制动缸实际压力值的差在±

５ＫＰａ之间时，不充不放进行保压。

在制动位及快速制动位时，计算机还要实时读取车辆速度，对车辆进行防滑控制。

根据目前车辆制动方面存在的一些主要问题，如车辆的自然缓解、自然制动、缓解不良等等问题，造成列车事故的发生。

为了避免制动问题引起的车辆事故，我们需要对车辆制动过程中出现的故障类型进行总结，分析这些问题的根源，根据制动系统的工作原理以及故障产生的原因提出了相应的监测原理，用以实现对制动系统的实时监测，及时发现车辆制动系统中的问题，为快速维修提供技术服务，确保列车安全运行。

通过研究总结，本次设计中对４处关键部位进行了车辆制动系统故障的监测和报警，它们分别是：

ＢＳＶ（制动电磁阀）故障；

ＥＢＶ（紧急制动电磁阀）故障；

制动缸压力不足故障；

ＭＲ（总风管）压力过低故障。

并设计了部件寿命记录模块，其中电磁阀的动作次数、通电使用时间和总时间以及各传感器的通电时间和使用总时间可每隔一段时间记录下来，掉电后也不会丢失。

这些都可以作为车辆制动系统故障发生和故障诊断、排除和维护的数据依据。

西南交通大学硕士研究生学位论文第９页

图２．４摩擦制动控制单元原理图

ＳＴ：

速度传感器Ⅵ，ｖ：

随重阀

ＢＣ：

制动缸，每轴两只，每只２升。

ＰＴ：

压力传感器

ＳＢＣ：

停放制动缸，每轴一只，每只２升。

ＣＨ：

测试口

ＡＳ：

空气弹簧信号，２００ＫＰａ－６００ＫＰａ。

ＭＲ！

总风管

ＲＳＶ：

缓解电磁阀ＦＢＣＣ：

摩擦制动控制计算机ＢＳＶ：

制动电磁阀ＥＫ：

紧急开关

ＥＢＶ：

紧急制动电磁阀ＥＰ：

制动缸控制程序

ＳＢＶ：

停车制动电磁阀ＦＷＳＰ：

摩擦防滑控制程序

图２．４为摩擦制动控制单元原理图，本次设计实现了如下功能：

１．实时地接收ＣＡＮ总线下传的命令，并将车辆制动状态通过ＣＡＮ总

线上传至机车控制室主机。

２．制动缸的压力控制：

・抑制位：

制动缸压力为０，制动缸与大气接通。

●制动位：

制动缸的压力应与手柄对应，范围为０－５００ＫＰａ。

●快速制动位：

制动缸压力直接上升到固定值：

５００ＫＰａ。

３防滑控制：

在制动位和快速制动位时，计算机同时执行防滑控制。

西南交通大学硕士研究生学位论文第１０页

４．停车制动：

按停车制动钮，ＳＢＶ（停车制动电磁阀）动作，得电实施，

失电缓解。

５．车辆制动系统故障检测：

・ＢＳＶ（制动电磁阀）故障（单轴制动缸压力大于３０ＫＰａ）。

・ＥＢＶ（紧急制动电磁阀）故障（双轴制动缸压力大于３０ＫＰａ）。

・制动缸压力不足（制动缸压力在１Ｓ后小于目标值５０ＫＰａ）。

●ＭＲ（总风管）压力过低（ｍ传感器小于５００ＫＰａ）。

６．部件寿命记录：

记录各电磁阀的动作次数、通电使用时间和总时间，各传感器的通电使用时间和总时间。

西南交通大学硕士研究生学位论文第１１页

第３章嵌入式系统设计及规划

３．１嵌入式系统的一般设计方法

嵌入式系统设计一般由５个阶段构成：

需求分析、体系结构设计、硬件及软件设计、系统集成和系统测试。

各个阶段之间往往要求不断的反复和修改，直至完成最终设计目标１６Ｊ。

通常在单片机系统的开发和应用中，是按照图３．１所示的流程进行的，在嵌入式系统的应用开发中，整个系统的开发流程如图３．２所示，可见，在应用嵌入式系统开发的过程中