基于FPGA机车电路故障诊断及状态监控系统实现

论文摘要

在我国铁路第六次大提速后，机车运行速度更高、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。同时，对于机车在途中未按照信号要求，非正常行驶的情况要及时给地面预警，因此开发出一套机车电路故障诊断与状态监控系统，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”的列车运行状态信息传输体系，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，这对当前实现铁路运输指挥信息化和保障第六次大提速显得尤为重要，十分迫切。本文以机车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、存储到地面。在研究过程中，作者主要完成了以下几方面的工作：(1)选取现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array)芯片，采用片上可编程系统(System on a programmable Chip)的设计方法，灵活的实现了针对不同型号机车的监测系统。(2)提出了机车传动电路逻辑镜像(Mirror of Circuit Logic)的设计方法，并在FPGA芯片上将其实现。(3)以嵌入式操作系统μc／osⅡ为系统软件框架，设计了用户图形接口(GUI)，协调统一各种任务。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题来源
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 系统分板
• 2.1 机车监控系统网络结构
• 2.2 机车车载系统的结构
• 2.3 机车电传动电路的分析
• 2.3.1 电路故障的可测性和可诊断性
• 2.3.2 电路的故障模型
• 2.3.3 电路故障逻辑分析与检测方法
• 2.3.4 电路的逻辑镜像
• 2.3.5 电路的测试矢量
• 2.4 机车行车状态信息
• 2.4.1 机车管压信息
• 2.4.2 机车信号灯信息
• 2.4.3 机车速度信息
• 2.4.4 机车工况信息
• 第3章 FPGA系统的设计
• 3.1 系统需求分析
• 3.2 系统方案论证
• 3.2.1 传统状态监测系统方法
• 3.2.2 基于SOPC的状态监控系统
• 3.3 系统结构与开发方法
• 3.3.1 系统的组成与结构
• 3.3.2 FPGA所用的开发工具
• 3.3.3 自底向上和自顶向下的开发方法
• 3.3.4 本系统的开发方法
• 3.4 FPGA片上逻辑设计
• 3.4.1 电路逻辑镜像（MCL）设计
• 3.4.2 非正常行车预警
• 3.4.3 时钟管理模块（PLL）
• 3.4.4 数据锁存及缓冲模块FIFO的设计
• 3.5 NiosII软核配置
• 3.6 外围硬件设计
• 3.6.1 FPGA配置与调试电路
• 3.6.2 片外FLASH设计
• 3.6.3 GPRS模块设计
• 3.6.4 电源模块设计
• 3.6.5 电路检测点设计
• 3.6.6 键盘模块设计
• 第4章 系统软件设计
• 4.1 系统软件结构
• 4.2 系统任务分析
• 4.3 故障诊断任务设计
• 4.4 用户交互式界面的设计
• 4.5 LCD驱动设计
• 4.5.1 显示控制函数
• 4.5.2 字库的设计
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录一
• 附录二