基于FPGA的机车电路监控系统

论文摘要

在我国铁路第六次大提速后,机车行驶的安全性已经变得越来越重要,机车运行速度更快、机车运行区间更长,对机车监控技术水平、应对突发性事件和及时迅速地处理途中故障的能力提出了更高的要求。机车电传动电路是机车控制的中枢神经,传动电路质量的稳定性直接影响机车运用的质量。并且传动电路长期工作在高温震动的不利环境下,故障出现的几率较大。据统计,电路系统的故障约占机车故障率的40%以上,诊断的难度也很大。开发机车动态检测诊断系统,依托既有的无线、有线通信网络,建立起“车对地”、“车对车”、“地对车”、“地对地”的列车运行状态信息闭环系统,使与机车安全有关的装备处于监控之中,为运输组织和机车管理提供及时、可靠的指挥依据,为维修、救援等提供决策支持。开发满足各级安全管理决策部门和机车管理维护部门的应用软件,实现机车运行安全监测信息的集中监控、预警,提供安全信息综合分析及决策支持,构成完整的机车运行安全保障体系。对机车电传动电路中不同的元器件进行了故障描述,并以此为依据,分析了整个机车电传动电路。根据机车监控系统的网络结构、车载系统的结构以及要进行采样的行车状态信息,从硬件、软件两个方面设计机车监控系统。在硬件设计上,详细介绍了NIOSⅡ硬件系统的生成,包括SDRAM控制器、PIO控制器和电路逻辑镜像设计等。同时设计与IP核相对应的外部硬件电路。在软件设计上,以嵌入式操作系统μc/osⅡ为系统软件框架,以此为基础论述了机车状态控制功能的软件设计,描述了扩展部分软件:用户交互界面、GPRS无线传输和LCD驱动的设计与实现。本文以机车电传动电路和行车状态监测系统为研究对象,主要实现了以下三种功能:1.快速准确地检测和诊断机车电传动电路的故障,并将其定位至元件级。2.对于非正常行驶的机车提供预警信息,方便地面调度人员追踪。3.检测机车的基本行车信息,并将其传输、存储到信息中心。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文研究的主要内容
• 第2章 机车监控系统分析
• 2.1 机车监控系统的网络结构
• 2.2 机车车载系统的结构
• 2.3 机车行车状态信息
• 2.3.1 机车速度信息
• 2.3.2 机车管压信息
• 2.3.3 机车信号灯信息
• 2.3.4 机车工况信息
• 2.4 机车电传动电路分析
• 2.4.1 机车电路研究
• 2.4.2 电路的故障模型
• 2.4.3 电路故障逻辑分析与检测方法
• 2.4.3.1 电路元件状态描述及故障分析
• 2.4.3.2 电路结构分析
• 2.4.4 电路的逻辑镜像
• 2.4.5 电路的测试矢量
• 2.5 系统需求分析
• 第3章 FPGA系统设计
• 3.1 FPGA简介
• 3.2 FPGA系统的结构与开发
• 3.2.1 FPGA系统结构
• 3.2.2 FPGA设计流程
• 3.2.3 VHDL语言
• 3.3 Nios II硬件系统
• 3.3.1 添加SDRAM控制器
• 3.3.2 PIO控制器IP核在系统中的运用
• 3.3.3 UART核的定制
• 3.3.4 电路逻辑镜像（MCL）设计
• 3.3.5 定制定时器TIMER核
• 3.3.6 添加JTAG UART核及其他
• 3.3.7 NIOS II系统的生成
• 3.4 外围硬件电路设计
• 3.4.1 FPGA配置与调试电路
• 3.4.2 电源电路
• 3.4.3 FLASH接口电路
• 3.4.4 GPRS模块设计
• 3.4.5 电路检测点设计
• 3.4.6 键盘模块设计
• 第4章 NIOS系统软件设计
• 4.1 HAL系统库
• 4.2 Nios II IDE的软件开发基本流程
• 4.3 用户交互式界面的设计
• 4.4 GPRS通讯部分程序设计
• 4.5 LCD驱动设计
• 4.5.1 显示控制函数
• 4.5.2 字库的设计
• 4.6 软件抗干扰措施
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录一 攻读硕士期间发表的论文
• 附录二 攻读硕士期间参与的项目