基于CAN的電力機車運行狀態實時監測系統設計與實現

柏承宇

（西安鐵路職業技術學院牽引動力學院，陜西西安710026）

隨著當前信息化技術的發展，將GPRS技術在電力機車中也發揮積極應用價值，可以提高狀態數據傳輸通訊的穩定性[1]。而在實際的電力機車運行過程之中，需要對電力機車運行狀態進行實時監測，若是未能實時監測其運行狀態，未能夠及時記錄在電力機車出現故障時的數據，這樣也會增加電力機車檢修困難；并且由于在維修電力機車過程中沒有數據作為依據，也就會降低維修好之后電力機車運行的安全穩定性，為電力機車運行安全帶來隱患[2-5]。

在設計電力機車運行狀態實時監測系統中，通過應用CAN總線技術，也就是通過應用控制器局域網總線技術，不僅可以總線型結構優化設計電力機車監測系統結構，簡化系統的布線結構，也能夠最大限度節約系統設計中的布線成本，提升系統設計好之后實時監測數據的能力與抗干擾能力，確保設計的電力機車運行狀態實時監測系統滿足實際應用需求[6]。為此，優化設計電力機車運行狀態實時監測系統，可以將車輛運行數據傳送給車輛管理部門，從而可以實時監測運行中電力機車的運行狀態，也能夠實時將檢測的機車運行參數傳輸到系統之中，使電力機車故障診斷與維修全面走向自動化[7-10]。在實際研究之中，基于CAN技術，優化設計電力機車運行狀態實時監測系統，選擇CAN總線作為整個電力機車運行狀態實時監測系統平臺，以CAN總線模塊化的設計方法，優化設計實時監測電力機車運行狀態的系統，對檢測到的數據進行保存，可以全面檢測機車運行過程中的狀態參數。

1 系統需求功能分析

在電力機車運行狀態實時監測系統設計中，基于CAN技術，設計的系統需要具備以下功能。具有牽引、制動（加饋制動）控制，防空轉（滑行）控制等基本功能，牽引時采用起動恒流、特性段準恒速控制，具有兩級限壓和三級磁場削弱控制功能，制動時采用加饋電阻制動；具有自動過分相控制，與微機狀態顯示屏配合可以實現故障診斷、記錄以及完善的高、低壓自檢功能，機車運行工況及電機參數的實時顯示功能，空電聯合制動及功率因數補償等功能。

2 總體結構

在設計電力機車運行狀態實時監測系統中，基于CAN技術支持下，在系統中應用CAN模塊化處理信號調理電路以及信息采集與存儲數據單元。實際中，在電力機車運行過程中，經系統的信號采集板采集系統的電子柜信號，然后通過信號調理電路轉換，將采集的信號經CAN總線發送到系統的存儲單元中，再然后，可以通過系統中的RS-485標準數據接口，將數據發送到系統電力機車運行狀態的診斷單元中，診斷電力機車運行是否出現故障。同時，在系統的設計中，對于電力機車運行狀態數據的采集，還能夠通過USB接口從U盤中取出，確保可以對數據進行存檔分析，方便地面人員分析研究CAN電力機車運行狀態，提升系統設計應用效益。電力機車運行狀態實時監測系統的總體結構，如圖1中所示。

圖1 系統結構圖

3 系統硬件結構設計

外部數據采集中，設有一個擴展存儲93LC66B，將電力機車運行參數采集之后壓縮儲存在系統的93LC66B數據存儲結構，還能夠采取循環記錄數據的方式，方便查找數據【11】。同時，在設計系統中，針對系統中每個外部數據采集器，在其外部擴展的存儲器內，也均會存在固定的一個字節，在該字節內用以記錄在CAN總線中每個采集器的編號，通過編號與系統的CPU進行數據通訊。

在電力機車運行狀態實時監測系統的硬件設計之中，針對電力機車開關信號量的采集方面，可以根據設計CAN監測系統的功能要求，采集在電力機車發生故障時的數據信號，如欠壓、主斷以及主接地時顯示屏中顯示的信號數據【12-14】。在系統設計中，采集電力機車運行時的開關量信息，在CAN總線支持下，實現電力機車開關參數與其它系統通信模塊的數據傳輸，使電力機車檢修維護人員可以根據系統顯示屏中的數據制定故障維護方案。

核心數據處理，應用AT89S52單片機，可以在線編程的，就是將單片機先焊到板子上，只要留出編程接口就可以在板子上編程，這樣很適合對電力機車運行狀態實時監測系統隨時升級。AT89S52單片機引腳如圖2所示。

圖2 AT89S52引腳圖

在設計的電力機車運行狀態實時監測系統中，針對系統中所有采集模塊內的數據，可以在CAN總線支持下，通過CAN將采集到的機車運行狀態數據發送給系統的上位機，將數據存儲在系統的Compact Flash芯片中，方便系統應用人員對數據進行查詢分析，及時監控預測電力機車運行狀態數據，杜絕電力機車運行過程中出現危險事故。

在電力機車運行狀態實時監測系統設計之中，針對系統顯示屏硬件設計中，應用ZYTWX1型機車通用彩色顯示屏，可以在顯示屏中顯示電力機車運行狀態的信息。

4 系統軟件設計

電力機車運行狀態實時監測系統設計中，應用CAN技術，優化設計系統軟件部分。在CAN支持下系統的軟件設計中，在采集運行溫度參數時，可以先初始化系統中的電力機車運行模擬量采集單元；當系統的上位機發出請求，采集電力機車運行狀態實時數據的指令時，可以啟動系統中的定時器；并將采集的電力機車運行溫度數據進行A／D轉換；最后，可以將轉換得到的電力機車運行溫度數據，根據CAN中的標準幀格式，將采集的實時數據發送到系統數據存儲單元中。軟件設計流程如圖3所示。

圖3 軟件流程

在設計電力機車運行狀態實時監測系統時，基于CAN幀格式，將采集的電力機車運行狀態數據傳輸給系統處理單元，以確保可以為機車操縱人員和維修人員提供決策依據，為狀態修提供原始數據，能夠根據數據對電力機車運行狀態進行分析。

5 系統應用測試

在實際中，為測試該系統應用效益，在測試設備CANstressDR、CANoe+CANcaseXL以及數字示波器支持下，將測試電力機車設備串連到電力機車CAN網絡系統測試平臺中，打開CANScope，開啟設備的眼圖功能，獲取到如圖4的波形。

圖4 設備狀態檢測波形

在電力機車CAN運行狀態實時監測系統中，經監測應用，經過測試，結果證實CANH+CANL的電壓如圖5所示。

圖5 CANH+CANL電壓值

在電力機車CAN運行狀態實時監測系統中，經監測應用，經過測試，結果證實CANH+CANL的電壓符合4.2～5.8 V的，則電力機車運行時電壓水平平穩，電力機車可以正常運行。在設計電力機車運行狀態實時監測系統中，應用CAN總線技術，基于CAN總線作為整個電力機車運行狀態實時監測系統，應用CAN技術，在模塊化設計支持下，使設計的系統能夠實時監測電力機車的運行狀態。

6 系統設計實現效益分析

在設計的系統中，可以及時將監測得到的電力機車運行狀態數據傳輸給車輛維護檢修人員，并由地面管理人員根據系統顯示的電力機車實時運行數據，判斷電力機車運行狀態，使電力機車故障診斷與維修全面走向自動化[15]。實現對運行電力機車自動跟蹤、定位、軌跡實時顯示；采用故障診斷專家系統設計思想對實時故障進行診斷處理、指導司機操作，確保行車安全[16]；對機車參數信息進行存儲、分析、匯總，優化制定出需要重點監測、維護、檢修電力機車的部位，并進一步有針對性的提出維修方案，提升電力機車運行狀態實時監測系統設計應用效益。

7 結論

綜上所述，基于CAN設計實現電力機車運行狀態實時監測系統，可用于完成對電力機車運行狀態的實時監控，不僅可以實時采集電力機車的電網電壓數據，也可以采集在發展牽引電機故障時的相關信息，并將采集的信息實時顯示在系統的顯示屏中，有助于電力機車維護檢修人員及時跟進顯示的數據，及時制定合理的監測維護方案，以確保提升電力機車運行狀態實時監測系統設計質量。基于CAN技術，將CAN應用到設計實時的電力機車運行狀態監測系統，能夠在電力機車運行過程中實時采集設備運行參數，可以遠程實時監測電力機車運行狀態，確保行車安全。

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