微機(jī)檢測(cè)與控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

微機(jī)檢測(cè)與控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例第1頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.1電力機(jī)務(wù)段車頂鑰匙管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)10.1.1應(yīng)用背景10.1.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)10.1.3室外智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)10.1.4室內(nèi)鑰匙管理柜設(shè)計(jì)10.1.5中央控制計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)第2頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.1.1應(yīng)用背景電力機(jī)務(wù)段檢修人員在段內(nèi)整備.檢修電力機(jī)車時(shí)，經(jīng)常需要在機(jī)車頂部作業(yè)。由于機(jī)車頂部接近25kV接觸網(wǎng)，安全距離只有1.5米，在檢修人員登上車頂前，必須先操作隔離開(kāi)關(guān)切斷接觸網(wǎng)高壓，確認(rèn)接觸網(wǎng)斷電之后才能登上車頂作業(yè)，否則將無(wú)法保證人員的生命安全。目前，國(guó)內(nèi)車頂鑰匙管理流程中的信息登記.確認(rèn).傳達(dá)等步驟都采用人工方式。其中機(jī)車車號(hào)的錄入，機(jī)車停放股道的核對(duì)，對(duì)高壓接觸網(wǎng)的上下電操作，接地桿狀態(tài)的核對(duì)等操作由監(jiān)控人員親自完成。人的疏忽或情感因素會(huì)增加系統(tǒng)的不安全因素，給生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)很大的安全隱患。車頂鑰匙管理系統(tǒng)就是通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)上述流程的控制，在前面步驟沒(méi)有完成的情況下無(wú)法進(jìn)行后續(xù)步驟的操作，從而保證檢修人員的生命安全，提高檢修工作的安全系數(shù)。第3頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.1.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)車頂鑰匙管理系統(tǒng)包括室外智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，室內(nèi)鑰匙管理柜和中央控制計(jì)算機(jī)3個(gè)部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10-1所示。圖10.1車頂鑰匙管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)第4頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.1.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)（續(xù)1）系統(tǒng)中1個(gè)室外智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱室外智能節(jié)點(diǎn)）對(duì)應(yīng)1個(gè)股道，其功能是采集對(duì)應(yīng)股道的車號(hào).車輛停放位置.備品箱.操作箱.接觸網(wǎng)及接地桿狀態(tài)并通過(guò)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將上述狀態(tài)傳送到中央控制計(jì)算機(jī)，根據(jù)中央控制計(jì)算機(jī)分配的權(quán)限對(duì)股道設(shè)備進(jìn)行控制，防止工作人員的誤操作，保證隔離開(kāi)關(guān)的操作按照正確的流程安全地進(jìn)行。第5頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.1.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)（續(xù)2）室內(nèi)鑰匙管理柜的主要功能是讀取各個(gè)電子鑰匙箱內(nèi)存放的電子鑰匙類型（車頂鑰匙或機(jī)車鑰匙），并通過(guò)CAN總線將各個(gè)箱體的狀態(tài)發(fā)送給中央控制計(jì)算機(jī)。同時(shí)，電子鑰匙管理柜響應(yīng)中央控制計(jì)算機(jī)的控制命令，實(shí)現(xiàn)電子鑰匙的半自動(dòng)存取。中央控制計(jì)算機(jī)的功能是對(duì)室外智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和室內(nèi)鑰匙管理柜的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和邏輯判斷，根據(jù)判斷結(jié)果發(fā)送對(duì)應(yīng)操作權(quán)限給室外智能節(jié)點(diǎn)或室內(nèi)鑰匙柜節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，中央控制計(jì)算機(jī)對(duì)采集的狀態(tài)進(jìn)行圖形化顯示，對(duì)整個(gè)操作流程的關(guān)鍵步驟進(jìn)行日志記錄，提供日志查詢功能。第6頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.1.3室外智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)室外智能節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集股道信息并監(jiān)控隔離開(kāi)關(guān)的操作流程，采集的信息包括：電力機(jī)車車號(hào)及停放位置，電子鑰匙申請(qǐng)信息，接觸網(wǎng)狀態(tài)，工具箱狀態(tài)，操作箱狀態(tài)和接地桿狀態(tài)。為防止誤操作，室外智能節(jié)點(diǎn)還要對(duì)工具箱鎖.操作箱鎖，接地桿鎖進(jìn)行控制。室外智能節(jié)點(diǎn)的總體結(jié)構(gòu)如圖10-2所示。

第7頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.1.3室外智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)（續(xù)1）圖10.2室外智能節(jié)電的總體結(jié)構(gòu)圖第8頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.通信模塊選擇通訊模塊主要負(fù)責(zé)和中央控制計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，將采集的各種狀態(tài)信息發(fā)送給中央控制計(jì)算機(jī)以供顯示和決策，并將中央控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制命令發(fā)送給室外節(jié)點(diǎn)，從而控制各電控鎖的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。系統(tǒng)選用Zigbee無(wú)線模塊構(gòu)建通訊網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)系統(tǒng)采用主從通訊模式，中央控制計(jì)算機(jī)為主機(jī)，室外智能節(jié)點(diǎn)為從機(jī)，主機(jī)定期輪詢各從機(jī)并接收從機(jī)發(fā)送的狀態(tài)信息，若需要進(jìn)行控制，主機(jī)則傳送控制命令到從機(jī)。第9頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.通訊模塊選擇（續(xù)）Zigbee是一種短距離.低復(fù)雜度.低功耗.低數(shù)據(jù)速率.低成本的雙向無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而具有簡(jiǎn)單.使用方便.工作可靠.價(jià)格低的特點(diǎn)。一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)可包括多達(dá)65000個(gè)無(wú)線通信模塊，各模塊間可以相互通信。第10頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)高壓接觸網(wǎng)的帶電狀態(tài)是車頂鑰匙發(fā)放的依據(jù)，也是確保檢修人員人身安全的關(guān)鍵。接觸網(wǎng)電壓很高，直接測(cè)量存在困難，由于接觸網(wǎng)上下電操作通過(guò)旋轉(zhuǎn)隔離開(kāi)關(guān)操作桿來(lái)完成，因此可通過(guò)檢測(cè)隔離開(kāi)關(guān)操作桿的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)判斷接觸網(wǎng)的通斷狀態(tài)。第11頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)（續(xù)1）隔離開(kāi)關(guān)操作桿上有一個(gè)圓盤(pán)，每次接觸網(wǎng)下電，圓盤(pán)要順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度；上電時(shí)，圓盤(pán)則逆時(shí)針回轉(zhuǎn)90度。因此，在圓盤(pán)上安裝2個(gè)相隔90度的磁鋼，同時(shí)以一個(gè)磁鋼為基點(diǎn)，相隔180度安裝2個(gè)霍爾傳感器，如圖10-3所示。圖10.3霍爾傳感器安裝示意圖第12頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)（續(xù)2）假設(shè)高壓接觸網(wǎng)斷電時(shí)，狀態(tài)如圖10-3所示，霍爾傳感器1輸出低電平，霍爾傳感器2輸出高電平；進(jìn)行上電操作時(shí)，旋轉(zhuǎn)隔離開(kāi)關(guān)操作桿，圓盤(pán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90度，則磁鋼1離開(kāi)霍爾傳感器1檢測(cè)范圍，霍爾傳感器1輸出高電平，霍爾傳感器2檢測(cè)到磁鋼2而輸出低電平。根據(jù)2個(gè)霍爾傳感器的輸出變化可以判斷隔離開(kāi)關(guān)操作桿的位置，從而判斷接觸網(wǎng)的通斷狀態(tài)。圖10.3霍爾傳感器安裝示意圖第13頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.電力機(jī)車信息采集模塊電力機(jī)車信息采集模塊的作用是采集指定股道上停放機(jī)車的車號(hào)和位置。（1）車號(hào)信息采集模塊（2）機(jī)車位置采集模塊第14頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）車號(hào)信息采集模塊車號(hào)是確定車輛唯一性的關(guān)鍵信息。本系統(tǒng)采用射頻識(shí)別技術(shù)來(lái)取代傳統(tǒng)的人工抄送車號(hào)的方式，提高了工作效率和可靠性。RFID射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。第15頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）車號(hào)信息采集模塊（續(xù)1）系統(tǒng)中采用的是上海秀派電子科技有限公司的射頻識(shí)別器SP-D200（如圖10-4所示），SP-D200采用“SuperRFID”技術(shù)，其技術(shù)性能如下：遠(yuǎn)距離，有效識(shí)別距離從0米到80米可調(diào)。極高的防沖突性，可同時(shí)識(shí)別200個(gè)以上不同的射頻識(shí)別卡。高速度，檢測(cè)移動(dòng)時(shí)速可達(dá)200公里以上。智能化，RFID與收發(fā)器之間可實(shí)現(xiàn)雙向高速數(shù)據(jù)交換。高可靠，適應(yīng)工礦工作環(huán)境（-40℃-85℃），防水，防沖擊。超低功耗，采用全球開(kāi)放的ISM微波頻段，無(wú)須申請(qǐng)和付費(fèi)。高抗干擾性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種干擾源無(wú)特殊要求。圖10.4SP-D200射頻識(shí)別器第16頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）車號(hào)信息采集模塊（續(xù)2）系統(tǒng)在每個(gè)股道安裝一臺(tái)SP-D200射頻識(shí)別器，每臺(tái)機(jī)車上安裝射頻卡（電子標(biāo)簽），當(dāng)列車達(dá)到射頻識(shí)別器的識(shí)別范圍內(nèi)以后，其就能檢測(cè)到電子標(biāo)簽上5個(gè)字節(jié)的車號(hào)信息。識(shí)別器提供485通訊接口，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性，采用兩路光耦隔離器件6N137隔離TXD、RXD數(shù)據(jù)線后接入室外智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)CPU。CPU的P1.6口作為485發(fā)送接收狀態(tài)的控制線，采用TLP521進(jìn)行光耦隔離。硬件電路圖如圖10-5所示。第17頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖10.5485隔離接口電路第18頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）機(jī)車位置采集模塊機(jī)車位置是確定相應(yīng)股道隔離開(kāi)關(guān)操作權(quán)限的重要信息，系統(tǒng)采用光電開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)機(jī)車位置。光電開(kāi)關(guān)分為對(duì)射式、鏡面反射式和漫反射式。其中漫反射式的通用性好，對(duì)被測(cè)物表面材質(zhì)要求低。為此，系統(tǒng)采用了OPTEX公司的漫反射式VD－250N紅外光電開(kāi)關(guān)。第19頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）機(jī)車位置采集模塊（續(xù)）具體技術(shù)參數(shù)如下：探測(cè)范圍：40mm-2500mm供電電壓：直流10-30V，可承受2700V交流浪涌；消耗功率：5mA反應(yīng)時(shí)間：5ms系統(tǒng)光源：紅外線輸入測(cè)試：是環(huán)境溫度：-25～+55℃環(huán)境光照：35～85%RH傳感器通過(guò)雙絞線屏蔽電纜與智能節(jié)點(diǎn)連接，將股道車輛的停放信息以開(kāi)關(guān)量的形式通過(guò)TLP521進(jìn)行光耦隔離后輸入室外智能節(jié)點(diǎn)的微處理器。圖10.6VD-250N紅外光電開(kāi)關(guān)第20頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.智能控制模塊的設(shè)計(jì)智能控制模塊是檢修人員與系統(tǒng)設(shè)備的一個(gè)交互接口。檢修人員將機(jī)車鑰匙（電子鑰匙）插入身份識(shí)別接口，申請(qǐng)進(jìn)行隔離開(kāi)關(guān)的操作。申請(qǐng)獲得系統(tǒng)通過(guò)后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)目前的股道信息狀態(tài)，打開(kāi)相應(yīng)的電控鎖，使檢修人員能夠按照規(guī)范的流程進(jìn)行隔離開(kāi)關(guān)操作。智能控制模塊分為身份識(shí)別模塊和電控鎖控制模塊兩個(gè)部分，以下分別進(jìn)行介紹。第21頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）身份識(shí)別模塊設(shè)計(jì)身份識(shí)別模塊由電子鑰匙和識(shí)別接口組成，替代原有機(jī)械鎖的作用。檢修人員要進(jìn)行隔離開(kāi)關(guān)的操作時(shí)，將機(jī)車鑰匙（電子鑰匙）插入識(shí)別接口，系統(tǒng)對(duì)目前機(jī)車和股道的狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)邏輯判斷。若股道狀態(tài)符合操作權(quán)限要求，則響應(yīng)檢修人員的操作請(qǐng)求；否則，拒絕檢修人員的操作要求。電子鑰匙采用DALLAS公司帶VCC輸入引腳的硅序列碼芯片DS2411作為機(jī)車鑰匙和車頂鑰匙身份的唯一匹配標(biāo)識(shí)。第22頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）身份識(shí)別模塊設(shè)計(jì)（續(xù)）DS2411是可由外部供電的單總線電子注冊(cè)碼芯片，它能用最少的電子接口提供絕對(duì)唯一的電子身份標(biāo)識(shí)。DS2411的注冊(cè)碼是由工廠激光刻制的64位ROM碼，數(shù)據(jù)按照DallasSemiconductor的單總線協(xié)議傳輸。DS2411采用獨(dú)立供電模式，防止竊電模式可能對(duì)數(shù)據(jù)傳輸造成的影響。CPU的2路I/O口線使用6N137進(jìn)行高速光電隔離連接單總線數(shù)據(jù)線，防止信號(hào)干擾，其電路連接圖如圖10-7所示。電子鑰匙沒(méi)插入時(shí)識(shí)別模塊端口3輸出高電平。由于單總線電子鑰匙采用4線連接的方式，端口3與地短接。一旦電子鑰匙插入識(shí)別接口，識(shí)別接口的端口3將被強(qiáng)行拉至低電平，這作為電子鑰匙是否插入識(shí)別接口的依據(jù)。第23頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖10.7單總線隔離接口電路連接圖第24頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）電控鎖控制模塊設(shè)計(jì)為保證安全，工具箱、隔離箱和接地桿都安裝電控鎖。電控鎖模塊和身份識(shí)別模塊共同構(gòu)成了智能控制模塊，可經(jīng)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。為保證系統(tǒng)安全，系統(tǒng)采用的OC3101L電控鎖為斷電上鎖，通電開(kāi)鎖，系統(tǒng)斷電時(shí)，設(shè)備箱和隔離箱都處于鎖閉狀態(tài)，系統(tǒng)處于安全狀態(tài)下。電控鎖還帶有狀態(tài)輸出，從而進(jìn)行鎖閉狀態(tài)的反饋檢測(cè)。單片機(jī)的I/O經(jīng)MC1413驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)啟動(dòng)電控鎖的打開(kāi)和鎖閉。單片機(jī)送高電平時(shí)，鎖上電開(kāi)鎖，LED指示燈滅；單片機(jī)送低電平時(shí)，打開(kāi)電控鎖，LED指示燈亮。單個(gè)電控鎖電路接口如圖10-8所示。第25頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖10.8單個(gè)電控鎖電路接口圖第26頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.1.4室內(nèi)鑰匙管理柜設(shè)計(jì)鑰匙管理柜分為CAN總線橋接器和鑰匙箱兩個(gè)部分。每個(gè)鑰匙箱內(nèi)存放一個(gè)機(jī)車的車頂鑰匙和電子鑰匙，并設(shè)計(jì)為一個(gè)獨(dú)立的CAN節(jié)點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)可以包括多達(dá)200個(gè)節(jié)點(diǎn)，鑰匙管理柜和中央控制計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成室內(nèi)CAN總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車頂鑰匙的自動(dòng)化安全管理，其網(wǎng)絡(luò)如圖10-9所示。第27頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖10.9室內(nèi)鑰匙管理柜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第28頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、鑰匙箱CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)鑰匙柜的功能是負(fù)責(zé)監(jiān)控車頂鑰匙和機(jī)車鑰匙。車頂鑰匙和機(jī)車鑰匙都有全球唯一的64位碼光刻序列號(hào)（DS2411），插入鑰匙柜對(duì)應(yīng)的鑰匙箱內(nèi)。由箱體里面的單片機(jī)讀取目前的鑰匙狀態(tài)，并通過(guò)CAN總線把數(shù)據(jù)發(fā)回給中央控制計(jì)算機(jī)。每個(gè)鑰匙箱必須有1個(gè)電子鑰匙存放其中（車頂鑰匙或者機(jī)車鑰匙），否則鑰匙箱檢測(cè)到箱體為空狀態(tài)，并發(fā)送報(bào)警信息給中央計(jì)算機(jī)，中央計(jì)算機(jī)發(fā)出命令鎖閉系統(tǒng)，并作為工作事故記入系統(tǒng)日志。鑰匙箱硬件電路采用Atmel公司的AT89C52單片機(jī)作為微處理器，每個(gè)鑰匙箱按照功能劃分為CAN總線通訊模塊、鑰匙識(shí)別接口模塊、電控鎖控制模塊。第29頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、鑰匙箱CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)(續(xù)1)CAN總線通訊模塊實(shí)現(xiàn)鑰匙箱與對(duì)應(yīng)CAN總線橋接器的數(shù)據(jù)通訊。CAN通訊控制器采用SJA1000，CAN總線驅(qū)動(dòng)器采用82C250。SJA1000與82C250之間通過(guò)高速光耦6N137進(jìn)行光電隔離，以降低干擾，保證通訊的正確性。電子鑰匙識(shí)別接口模塊的主要功能是識(shí)別目前鑰匙箱內(nèi)電子鑰匙的狀態(tài)，從而對(duì)車頂鑰匙或機(jī)車鑰匙進(jìn)行有效、安全的監(jiān)控。鑰匙識(shí)別接口模塊采用單總線電子注冊(cè)碼芯片，設(shè)計(jì)方案類似于室外控制模塊中身份識(shí)別的設(shè)計(jì)。第30頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、鑰匙箱CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)（續(xù)2）電控鎖控制模塊主要用于自動(dòng)打開(kāi)或鎖閉鑰匙箱，實(shí)現(xiàn)電子鑰匙的連鎖管理。為了匹配鑰匙箱的尺寸，選用的電控鎖尺寸較小。電控鎖常態(tài)為鎖閉狀態(tài)，通電則鎖舌吸合。由于電控鎖不帶門(mén)鎖狀態(tài)反饋信息，單片機(jī)無(wú)法判斷鑰匙門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以在鑰匙箱門(mén)板上安裝一個(gè)有效檢測(cè)距離為1cm的漫發(fā)射式的光電開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)門(mén)的狀態(tài)。鑰匙箱打開(kāi)，光電開(kāi)關(guān)沒(méi)有障礙物遮擋，輸出高電平；鑰匙箱關(guān)閉，光電開(kāi)關(guān)1cm內(nèi)有障礙物遮擋，輸出為低電平。電控鎖的控制由單片機(jī)的I/O口經(jīng)TLP521光電隔離和MC1413反向驅(qū)動(dòng)放大由繼電器輸出進(jìn)行控制。繼電器的兩端要反向并接一個(gè)續(xù)流二極管，防止電控鎖動(dòng)作時(shí)造成的反向電動(dòng)勢(shì)干擾電路的正常運(yùn)行。第31頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.中央控制計(jì)算機(jī)CAN接口設(shè)計(jì)

中央控制計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的管理控制中心。其功能包括接收、顯示室內(nèi)鑰匙柜和室外智能接點(diǎn)采集的狀態(tài)信息；并向相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令；記錄室內(nèi)外操作人員動(dòng)作日志等。為了和鑰匙柜的CAN節(jié)點(diǎn)交換狀態(tài)信息和控制命令，中央控制計(jì)算機(jī)采用CAN總線適配器實(shí)現(xiàn)CAN總線接口設(shè)計(jì)。第32頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.中央控制計(jì)算機(jī)CAN接口設(shè)計(jì)（續(xù)）KPCI-8110是適用于各種計(jì)算機(jī)(PCI總線)的長(zhǎng)距離，高傳輸速率，多站點(diǎn)的CAN總線通訊板，采用光電隔離技術(shù)，使用兩根線每路可連接110個(gè)工作站。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：通訊協(xié)議：2.0B(PeliCAN）兼容CAN2.0A，符合ISO/ISO11898規(guī)范。通訊距離：最長(zhǎng)10Km。傳輸速率：最高1Mbps。電源電壓：5V±10%(PCI總線提供)。隔離電壓：1000V。CAN接口：孔型DB9，符合CIA標(biāo)準(zhǔn)。圖10.10CAN總線適配器KPCI-8110第33頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.1.5中央控制計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中央控制計(jì)算機(jī)軟件是車頂鑰匙管理系統(tǒng)的核心部分，室內(nèi)室外下位機(jī)的數(shù)據(jù)全部匯總到中央控制計(jì)算機(jī)，由上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的解調(diào)并實(shí)現(xiàn)圖形化顯示；同時(shí)，下位機(jī)的操作申請(qǐng)也由中央計(jì)控制算機(jī)進(jìn)行仲裁，決定是否響應(yīng)操作人員的操作申請(qǐng)；除了上述功能，上位機(jī)軟件還實(shí)現(xiàn)了重要數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)記錄，并以水晶報(bào)表的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。上位機(jī)軟件采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的VisualC++進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。圖10-11為根據(jù)活動(dòng)圖編寫(xiě)的上位機(jī)軟件界面，圖10-12是系統(tǒng)自動(dòng)生成的水晶報(bào)表。第34頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖10.11上位機(jī)軟件用戶界面第35頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖10.12系統(tǒng)自動(dòng)生成的水晶報(bào)表第36頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.2鐵路線路限界檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)10.2.1應(yīng)用背景10.2.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)10.2.3基于FPGA的限界檢測(cè)系統(tǒng)PCI同步采集卡設(shè)計(jì)10.2.4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)第37頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.2.1應(yīng)用背景由于地質(zhì)變形、自然災(zāi)害如大雨山洪等造成的滑坡、運(yùn)行車輛的動(dòng)力沖擊、落物、以及設(shè)施的非正常突出和缺失等，軌道、隧道、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)常發(fā)生變形、侵限現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅到軌道交通的暢通和安全。為滿足軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施全斷面測(cè)量的需求，車載式的高速動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)受到了廣泛的重視。第38頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.2.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本課題即采用了這種非接觸式測(cè)量技術(shù)，研究線路全斷面非接觸式測(cè)量技術(shù)，主要內(nèi)容包括：（1）全斷面檢測(cè)技術(shù)。研究基于光傳播時(shí)間原理的旋轉(zhuǎn)激光掃描測(cè)距儀應(yīng)用于線路全斷面測(cè)量的基本原理及方法，建立動(dòng)態(tài)測(cè)量的模型和參數(shù)計(jì)算方法，旋轉(zhuǎn)激光掃描測(cè)距儀的選取及其車載式加裝方案和系統(tǒng)標(biāo)定方法。（2）數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)。研制車載式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬軟件，實(shí)現(xiàn)包括激光測(cè)距傳感器、陀螺儀、加速度計(jì)、攝像機(jī)等的實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)處理和綜合分析管理。第39頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.2.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)（續(xù)1）車載全斷面測(cè)量系統(tǒng)由斷面測(cè)量設(shè)備、動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備、測(cè)速定位設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備4部分組成，下面分別介紹。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖10-13所示。

圖10.13全斷面車載動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)示意圖第40頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.斷面測(cè)量設(shè)備本系統(tǒng)采用德國(guó)SICK公司的脈沖式激光測(cè)距儀LMS200作為斷面測(cè)量設(shè)備．LMS200具有體積小、安裝方便，抗外界光線干擾，對(duì)人眼無(wú)害，可直接加裝于正常運(yùn)營(yíng)的車輛或?qū)Ｓ脵z測(cè)車輛上等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)180°范圍內(nèi)的掃描，重復(fù)測(cè)量誤差小于±5mm，采樣點(diǎn)間距最小為1°。在掃描頻率為75Hz時(shí)，每秒采樣點(diǎn)數(shù)為13575。為獲得線路全斷面尺寸，在車體四周安裝4臺(tái)LMS200，通過(guò)同步裝置可實(shí)現(xiàn)同步掃描上下左右4個(gè)方向上的線路斷面。LMS200量測(cè)得到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS422接口以500kbps的速率向外實(shí)時(shí)傳輸。第41頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備經(jīng)典的運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)測(cè)量方式是使用慣性基準(zhǔn)測(cè)量，如利用陀螺等，測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體繞三維坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度變化率，以及利用加速度傳感器測(cè)量物體直線運(yùn)動(dòng)加速度，進(jìn)而通過(guò)積分間接算出6個(gè)自由度的絕對(duì)變化量。由于陀螺儀存在零點(diǎn)漂移等系統(tǒng)誤差，因此，在積分過(guò)程中，系統(tǒng)誤差被累積在測(cè)量結(jié)果中，造成測(cè)量誤差隨著時(shí)間的推移而逐漸變大。這種慣性導(dǎo)航的方式不適合長(zhǎng)距離的測(cè)量任務(wù).第42頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備（續(xù)）本系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備由捷聯(lián)式慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)和地面輔助的車體瞬時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)組成。陀螺儀主要用于測(cè)量車體動(dòng)態(tài)中的角度變化，由此獲得車體的角度偏差；三軸加速度計(jì)用于測(cè)量車體相對(duì)于慣性基準(zhǔn)的加速度，在進(jìn)行角度修正后獲得車體振動(dòng)的線位移；基于地面的車體瞬時(shí)姿態(tài)測(cè)量設(shè)備測(cè)量車體通過(guò)特定地面基準(zhǔn)點(diǎn)(反射鏡)時(shí)的6自由度姿態(tài)，獲取系統(tǒng)初始狀態(tài)、定點(diǎn)清除慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的累計(jì)誤差。第43頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.測(cè)速定位設(shè)備車輛的動(dòng)態(tài)定位主要依靠輪軸轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)速傳感器安裝在車輛無(wú)制動(dòng)裝置的從動(dòng)輪對(duì)上，每圈可以輸出1000~2000個(gè)脈沖。根據(jù)采集到的脈沖數(shù)量和車輪直徑可以計(jì)算出車輛走行的公里數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中可采用頻率周期法、防空轉(zhuǎn)打滑算法、多傳感器融合算法等多種算法來(lái)提高定位的精度。同時(shí)，測(cè)速定位系統(tǒng)還能夠根據(jù)車體瞬時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的輸出，計(jì)算系統(tǒng)初始位置，定點(diǎn)清除動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中的累計(jì)誤差。第44頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備工控PC機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)接口卡，將所有傳感器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行基于時(shí)間和公里標(biāo)的對(duì)應(yīng)記錄，融合斷面、動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)和定位數(shù)據(jù)獲取精確的線路三維全斷面尺寸，通過(guò)統(tǒng)計(jì)，分析其發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路全斷面的安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)。第45頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.2.3基于FPGA的限界檢測(cè)系統(tǒng)PCI同步采集卡設(shè)計(jì)在上述車載線路全斷面檢測(cè)系統(tǒng)中，需要采集的信息包括：激光測(cè)距傳感器輸出的二維距離信息、速度傳感器測(cè)量的速度和位置信息、陀螺儀和位移傳感器測(cè)量的車體姿態(tài)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在采集時(shí)必須精確同步，否則將影響限界尺寸測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前，常用的數(shù)據(jù)采集方法是采用數(shù)據(jù)采集卡，如采用高速串口卡采集激光測(cè)距傳感器和陀螺儀的數(shù)據(jù)，A/D采集卡采集位移計(jì)的數(shù)據(jù)，高速IO卡采集速度傳感器的數(shù)據(jù)。第46頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.2.3基于FPGA的限界檢測(cè)系統(tǒng)PCI同步采集卡設(shè)計(jì)（續(xù)）這種模式下，各個(gè)采集卡采集的數(shù)據(jù)采用PC機(jī)時(shí)鐘進(jìn)行同步，由于各采集卡內(nèi)部有緩存和延時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)同步。為實(shí)現(xiàn)各個(gè)數(shù)據(jù)信息之間的高精度采集同步，設(shè)計(jì)了基于FPGA的高速PCI數(shù)據(jù)采集同步卡，該采集卡將高速串口、AD采集、高速IO信號(hào)采集等功能集成在一片F(xiàn)PGA中，同時(shí)在FPGA內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)1KHz的同步脈沖，用4Byte寄存器存儲(chǔ)同步脈沖的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)值，在每個(gè)數(shù)據(jù)信息包采集完成時(shí)，自動(dòng)在數(shù)據(jù)包的尾部附加4Byte的同步脈沖計(jì)數(shù)值，有效地實(shí)現(xiàn)了各傳感器信息的同步采集，同步精度達(dá)到1ms。第47頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.硬件設(shè)計(jì)PCI數(shù)據(jù)采集同步卡硬件電路主要包括信號(hào)調(diào)理及數(shù)據(jù)采集電路、FPGA芯片選擇、PCI接口芯片等部分。硬件電路總體結(jié)構(gòu)如圖10-14所示。圖10.14PCI數(shù)據(jù)采集同步卡硬件電路總體結(jié)構(gòu)圖第48頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）信號(hào)調(diào)理及數(shù)據(jù)采集根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的類型，信號(hào)調(diào)理部分可分為以下三類：①激光測(cè)距傳感器和陀螺儀激光測(cè)距傳感器和陀螺儀通過(guò)485串行接口輸出測(cè)量結(jié)果，激光測(cè)距傳感器的通訊波特率為500kbps，陀螺儀波特率為115200bps。系統(tǒng)首先采用MAX490作為電平轉(zhuǎn)換芯片，將485信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)，然后通過(guò)光耦TLP113將TTL信號(hào)隔離后再送入FPGA的IO口。第49頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）信號(hào)調(diào)理及數(shù)據(jù)采集（續(xù)）②位移計(jì)位移計(jì)輸出的是4~20mA的模擬信號(hào)，經(jīng)120Ω精密電阻，轉(zhuǎn)成0.48V～2.4V電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)電容濾波及限壓保護(hù)電路，輸入給AD7888，AD7888的SPI接口經(jīng)光耦隔離后，與FPGA的IO口連接。FPGA根據(jù)AD7888的時(shí)序，編寫(xiě)IP核，可以讀出12位的AD測(cè)量結(jié)果。③速度傳感器速度傳感器輸出的兩路脈沖信號(hào)，相位相差90度，將兩路脈沖信號(hào)經(jīng)光耦隔離后直接接入FPGA的IO口。取其中一路脈沖信號(hào)用于脈沖計(jì)數(shù)和里程計(jì)算，根據(jù)兩路脈沖信號(hào)相位差的正負(fù)，來(lái)判斷車輛車輪的正反轉(zhuǎn)。第50頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）FPGA芯片選擇FPGA芯片是系統(tǒng)的核心模塊，系統(tǒng)選用了ALTERA公司的Cyclone系列FPGA――EP1C12。該FPGA有12060個(gè)邏輯單元，52個(gè)M4KRAM，總RAM位數(shù)239616Bit，2個(gè)鎖相環(huán)，249個(gè)用戶可用IO管腳。設(shè)計(jì)時(shí)，只需將FPGA的I/O口和外部對(duì)應(yīng)的接口相連，然后根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)內(nèi)部邏輯程序即可，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果需求變動(dòng)，程序改動(dòng)方便靈活，徹底改變了以前設(shè)計(jì)過(guò)程中，因硬件需求改動(dòng)，反復(fù)改版造成的時(shí)間、經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，大大提高了設(shè)計(jì)效率。系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)信息采集、同步脈沖產(chǎn)生、FIFO、PCI接口時(shí)序等功能都是在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

第51頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）PCI接口芯片PCI9052是美國(guó)PLX公司生產(chǎn)的PCI總線通用接口芯片，采用專用的接口芯片，可以不必進(jìn)行復(fù)雜的PCI協(xié)議的開(kāi)發(fā)，只需要開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的硬件和驅(qū)動(dòng)程序，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。PCI9052符合PCI2．1規(guī)范，突發(fā)傳輸速率達(dá)到l32MB/s，有相對(duì)獨(dú)立的PCI9052局部總線和PCI總線時(shí)鐘，方便了高低速設(shè)備的兼容。PCI9052包含4個(gè)局部設(shè)備片選信號(hào)和5個(gè)局部地址空間，片選和地址空間均可通過(guò)EEPROM或者主機(jī)對(duì)其編程設(shè)置，局部總線支持復(fù)用和8、16或32位的非復(fù)用模式。第52頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（4）硬件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)系統(tǒng)PCI接口采用8位總線模式，需將LBE1、LBE0作為低位地址線接入FPGA的IO口。PCIBUS上PRSNT1、PRSNT2兩個(gè)管腳至少有一個(gè)要接地，否則PCI卡插入PC機(jī)后，系統(tǒng)無(wú)法識(shí)別。在選擇配置芯片時(shí)，PLX公司推薦了93CS46，可連續(xù)讀寫(xiě)，93C46不可以。PCI9052的工作電壓為5V，F(xiàn)PGA的IO電壓為3.3V，在FPGA與PCI9052之間要增加電平轉(zhuǎn)換接口芯片，如74HC245，能夠?qū)PGA的IO口起到保護(hù)作用。PCB布線時(shí)，要注意PCIBUS信號(hào)線的長(zhǎng)度要求：64位卡的32位信號(hào)具備的最大連線長(zhǎng)度是1500mil，64位擴(kuò)展信號(hào)的附加信號(hào)的連線長(zhǎng)度為2000mil，PCI的CLK長(zhǎng)度為2500mil±100mil，如果不夠長(zhǎng)度可以繞蛇行線。第53頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.PCI卡配置PCI接口芯片PCI9052提供了2種寄存器：PCI配置寄存器，本地端配置寄存器。PCI配置寄存器提供了配置PCI的一些信息。其中VenderID，DeviceID，RevisionID，HeaderType，ClassCode用于PCI設(shè)備的識(shí)別。6個(gè)基地址寄存器，用來(lái)訪問(wèn)配置寄存器和本地端所接的芯片，將本地的芯片映射到系統(tǒng)的內(nèi)存或I/O口，這樣應(yīng)用程序操作這一段內(nèi)存（或I/O）實(shí)際上就是對(duì)本地的芯片操作。第54頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.PCI卡配置（續(xù)）本地端配置寄存器提供了本地端的一些信息，PCI9052工作時(shí)需要一個(gè)配置芯片EEPROM，以便在PCI卡上電的時(shí)候配置PCI9052，主要配置PCI卡的VendorID和DeviceID，這是系統(tǒng)用來(lái)標(biāo)識(shí)PCI卡的。另外，還需要了其他寄存器，主要起到了對(duì)PCI9052初始化的作用。這里重點(diǎn)介紹EEPROM的配置方法。需要進(jìn)行配置的EEPROM寄存器如表10-1所示。第55頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月EEPROM寄存器內(nèi)容說(shuō)明0hPCI02h121CDeviceID2hPCI00h10B5VendorID4hPCI0Ah0680ClassCode6hPCI08h0001ClassCode(revisionisnotloadable)8hPCI2Eh9050SubsystemIDAhPCI2Ch10B5SubsystemVendorIDChPCI3Eh0000(MaximumLatencyandMinimumGrantarenotloadable)EhPCI3Ch0100InterruptPin(InterruptLineRoutingisnotloadable)10hLOCAL02hFFFFMSWofRangeforPCI-to-LocalAddressSpace0(1MB)12hLOCAL00hFFE1LSWofRangeforPCI-to-LocalAddressSpace0(1MB)38hLOCAL2AhD011MSWofBusRegionDescriptorsforLocalAddressSpace03AhLOCAL28h8940LSWofBusRegionDescriptorsforLocalAddressSpace04ChLOCAL3Eh0000MSWofChipSelect(CS)0BaseandRange4EhLOCAL3Ch0011LSWofChipSelect(CS)0BaseandRange第56頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月EEPROM的配置方法（1）PCI配置寄存器00H～0FH用于配置PCI配置寄存器，用戶只用根據(jù)自己的設(shè)計(jì)更改00H的內(nèi)容，其他采用默認(rèn)設(shè)置就可以了。在向EEPROM中寫(xiě)入配置數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)注意低位在前，高位在后，如2H,3H中寫(xiě)入10B5時(shí)，2H=0xB5，3H=0x10。（2）本地地址空間EEPROM中10H、12H用于配置本地地址空間范圍，設(shè)置為：FFFFFFE1。配置結(jié)果：本地地址空間0映射到PCI的IO空間。本地采用32位PCI地址模式。本地有效地址范圍：00H～1FH。第57頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月EEPROM的配置方法（續(xù)）（3）本地地址總線描述 EEPROM中38H、3AH用于配置本地地址總線。設(shè)置為：D0118940，采用8bitPCI總線模式。（4）本地地址片選配置 EEPROM中4CH，4EH用于配置本地地址片選信號(hào)的基地址和范圍，設(shè)置為：00000011，使能CS0片選信號(hào)，并設(shè)置本地有效地址信號(hào)為：A4～A0。第58頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設(shè)計(jì)FPGA程序設(shè)計(jì)主要包括：串口IP核、AD采集IP核、PCI接口時(shí)序、速度傳感器采集、毫秒計(jì)數(shù)、邊沿檢測(cè)電路等幾個(gè)部分。（1）串口IP核設(shè)計(jì)串口IP核主要實(shí)現(xiàn)對(duì)激光測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)、陀螺儀數(shù)據(jù)的接收、打包、同步，并通過(guò)FIFO完成與PCI接口的數(shù)據(jù)交換。下面以激光測(cè)距傳感器為例說(shuō)明串口IP核的設(shè)計(jì)。第59頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設(shè)計(jì)（續(xù)1）串口IP核的總體結(jié)構(gòu)如圖10-15所示。圖10.15串口IP核原理圖第60頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設(shè)計(jì)（續(xù)2）（2）A/D采集A/D采用的是美國(guó)AnalogDevices公司的AD7888，其SCLK最高頻率2MHz，采集頻率最大125KBps。系統(tǒng)使用AD采集位移計(jì)的變化，8個(gè)通道全部采集一次的采集頻率定為125Hz，則單通道采集頻率為1KHz，需提供給SCLK16KHz的時(shí)鐘。FPGA的主時(shí)鐘經(jīng)分頻后輸出16KHz的脈沖，輸入至SCLK，F(xiàn)PGA的3個(gè)IO口分別和AD7888的CS、DIN、DOUT連接，按照AD7888的時(shí)序要求，分別讀出8個(gè)通道的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，送至ADFIFO的輸入端，ADFIFO的輸出端和PCI9052的LOCAL總線連接，PC機(jī)檢測(cè)到AD有數(shù)據(jù)時(shí)，可以從ADFIFO端讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果。每一組AD結(jié)果都附加了當(dāng)前同步脈沖計(jì)數(shù)值，用于和其他采集數(shù)據(jù)進(jìn)行同步。第61頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設(shè)計(jì)（續(xù)3）（3）PCI讀時(shí)序 需要從PCI總線讀出的數(shù)據(jù)包括：激光測(cè)距傳感器的測(cè)量結(jié)果、AD測(cè)量結(jié)果、陀螺儀測(cè)量值、速度傳感器脈沖計(jì)數(shù)值。這些數(shù)據(jù)之間通過(guò)地址選通區(qū)分。讀時(shí)序設(shè)計(jì)時(shí)，需嚴(yán)格按照PCI規(guī)范中的要求，否則可能出現(xiàn)讀一組數(shù)據(jù)時(shí)，造成其他組數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。第62頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CLK 同步卡系統(tǒng)時(shí)鐘，40MHzRD_PCI PCI9052本地讀信號(hào)ADRPCI9052本地讀的地址信號(hào)RD_OUT FPGA程序中間變量RD_FIFO FIFO的讀信號(hào)，在RD_FIFO=0時(shí)，每個(gè)CLK上升沿讀出1個(gè)Byte圖10.16PCI讀時(shí)序的兩種模式第63頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設(shè)計(jì)（續(xù)4）（3）PCI讀時(shí)序（續(xù)）PCI讀取激光測(cè)距傳感器的測(cè)量結(jié)果時(shí)，RD_PCI輸出0，ADR輸出0。模式1先判斷RD_PCI和ADR同時(shí)為0時(shí)輸出中間變量RD_OUT=0，再對(duì)RD_OUT進(jìn)行下降沿檢測(cè)得到讀FIFO信號(hào)。模式2先對(duì)RD_PCI進(jìn)行下降沿檢測(cè)得到中間變量RD_OUT，再判斷當(dāng)RD_OUT和ADR同時(shí)為0時(shí)，輸出讀FIFO信號(hào)。第64頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設(shè)計(jì)（續(xù)5）模式1存在一個(gè)問(wèn)題，如圖10-17虛框所示。ADR在跳變時(shí)，狀態(tài)是不穩(wěn)定的，而此時(shí)RD_PCI還是低電平，此時(shí)ADR如果出現(xiàn)等于其他數(shù)據(jù)的有效地址時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的讀其他數(shù)據(jù)FIFO的信號(hào)，造成其他數(shù)據(jù)地址FIFO中的數(shù)據(jù)被讀出而產(chǎn)生丟數(shù)現(xiàn)象。圖10.17PCI讀時(shí)序中不穩(wěn)定狀態(tài)第65頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設(shè)計(jì)（續(xù)5）（4）邊沿檢測(cè)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)多處用到邊沿檢測(cè)電路，下面以上升沿檢測(cè)電路為例，說(shuō)明如何使用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)可靠的邊沿檢測(cè)。上升沿檢測(cè)電路的轉(zhuǎn)換時(shí)序如圖10-18所示。圖10.18上升沿檢測(cè)電路時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)序第66頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設(shè)計(jì)（續(xù)5）用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)上升沿檢測(cè)，最簡(jiǎn)單的方法是：

IFRISING_EDGE(CLK)thenRD_1<=RD;ENDIF;RD_N<=((notRD)andRD_1);但這種方法實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)結(jié)果，不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)誤檢現(xiàn)象。下面這種方法，多使用了一組寄存器，但是大大提高了檢測(cè)的可靠性。

IFRISING_EDGE(CLK)thenRD_1<=RD;RD_2<=RD_1;ENDIF;RD_N<=((notRD_1)andRD_2);第67頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)PCI總線規(guī)范是為提高微機(jī)總線的數(shù)據(jù)傳輸速度而制定的一種局部總線標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)自行開(kāi)發(fā)的基于PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備時(shí)，需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一種可以使計(jì)算機(jī)和設(shè)備通信的特殊程序，PC機(jī)操作程序只有通過(guò)這個(gè)接口，才能讀取FPGA采集完成后放入FIFO中的數(shù)據(jù)信息。第68頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)（續(xù)）通常開(kāi)發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有多種模式，在WindowsXP環(huán)境下，主要采用WDM模式。本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序是在WindowsXP操作系統(tǒng)下，使用DriverStudio軟件編寫(xiě)的。該驅(qū)動(dòng)程序符合WDM模式的PCI數(shù)據(jù)傳輸卡驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序主要包括初始化例程、清理例程、派遣例程、數(shù)據(jù)傳輸例程、中斷服務(wù)例程和DPC例程等。Driverstudio為驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)提供了DriverWizard向?qū)В梢院芊奖愕亟⒁粋€(gè)完整的驅(qū)動(dòng)程序框架，驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)的主要過(guò)程見(jiàn)教材。第69頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.2.4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)在2006～2008年，車載全斷面檢測(cè)系統(tǒng)先后參加了北京地鐵5號(hào)線、10號(hào)線、機(jī)場(chǎng)線的新線驗(yàn)收工作，承擔(dān)了其中的線路限界三維尺寸的動(dòng)態(tài)測(cè)量任務(wù)。對(duì)比地鐵限界傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方式，本技術(shù)顯示出測(cè)量精度高、安裝方便、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。測(cè)量數(shù)據(jù)不但可以檢測(cè)超限位置，而且可以給出準(zhǔn)確的超限量，已經(jīng)成為北京地鐵新線整改的重要依據(jù)。在2008年2月~6月間，課題組先后進(jìn)行了北京-承德的既有線和京津城際高速鐵路的線路限界檢查試驗(yàn)，測(cè)量速度最高達(dá)到145公里/小時(shí)。到目前為止，該系統(tǒng)已經(jīng)在鐵路現(xiàn)場(chǎng)累計(jì)試驗(yàn)超過(guò)1000公里。第70頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在北京地鐵5號(hào)線冷滑試驗(yàn)和復(fù)測(cè)試驗(yàn)中，限界測(cè)量系統(tǒng)采用了左右2臺(tái)180度掃描的LMS200，如圖10-20所示，并借助前述標(biāo)定系統(tǒng)將兩臺(tái)LMS200拼接、變換到軌道坐標(biāo)系下，獲得了理想的測(cè)量結(jié)果。10.2.4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)（續(xù)1）圖10.20北京地鐵5號(hào)線安裝方案第71頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.2.4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)（續(xù)2）圖10-21為北京地鐵5號(hào)線北苑路北站站內(nèi)某位置的斷面尺寸。圖中內(nèi)側(cè)光滑閉合曲線為標(biāo)準(zhǔn)的隧道限界，左側(cè)曲線為左側(cè)LMS200的測(cè)量結(jié)果，右側(cè)曲線為右側(cè)LMS200的測(cè)量結(jié)果。結(jié)果顯示此位置的站臺(tái)屏蔽門(mén)超限約15mm，超限點(diǎn)坐標(biāo)在(1505，913)-(1514,761)之間，與事后的人工復(fù)測(cè)完全吻合。圖10.21北苑路北站內(nèi)某位置的斷面尺寸圖第72頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.3京滬高鐵施工侵限報(bào)警裝置設(shè)計(jì)10.3.1應(yīng)用背景10.3.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)10.3.3異物侵限檢測(cè)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)第73頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.3.1應(yīng)用背景隨著高速鐵路建設(shè)力度的日益加大和工程進(jìn)度的不斷加快，在新建鐵路跨越既有線施工過(guò)程中，從樁基施工至橋面施工常常有大型機(jī)械、機(jī)具鄰近鐵路建筑限界施工作業(yè)，經(jīng)常發(fā)生機(jī)械、機(jī)具、人員及施工材料侵入既有線限界的情況，對(duì)既有線的安全運(yùn)營(yíng)造成極大的安全隱患。異物侵限檢測(cè)報(bào)警技術(shù)能及時(shí)對(duì)施工過(guò)程中的侵界情況發(fā)出警報(bào)，提醒施工過(guò)程產(chǎn)生的安全隱患，以便于施工人員及時(shí)糾正，確保既有線行車和施工機(jī)械、人員的安全。在京滬高速鐵路建設(shè)施工過(guò)程中，存在著幾十處跨越或并行既有京滬線的施工地段。本課題以此為背景，研發(fā)基于激光掃描的非接觸式高密度異物侵限檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)京滬高速鐵路跨越或并行既有線施工現(xiàn)場(chǎng)的異物侵限檢測(cè)與報(bào)警。

第74頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.3.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)該系統(tǒng)采用激光掃描的測(cè)量手段，具有測(cè)量精度高、速度快和不受光照影響的優(yōu)點(diǎn)。本課題選用LMS200二維激光測(cè)距儀進(jìn)行異物檢測(cè)，它是基于光傳播時(shí)間的原理進(jìn)行測(cè)距的。該測(cè)距儀可在180度范圍內(nèi)以0.5度的角度間隔測(cè)量80米內(nèi)物體的位置，測(cè)量精度5mm。第75頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.3.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)（續(xù)1）利用激光掃描進(jìn)行異物檢測(cè)是通過(guò)對(duì)比異物侵入前后激光掃描平面內(nèi)測(cè)得距離值的變化實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)工作之初，激光器需要采集一幅沒(méi)有異物的環(huán)境作為背景信息存儲(chǔ)起來(lái)，系統(tǒng)正常工作時(shí)，將實(shí)時(shí)采集的距離值和背景信息進(jìn)行比對(duì)，若在某些角度上存在較大的差異，則說(shuō)明此處有新物體。圖10.22LMS200測(cè)距示意圖第76頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.3.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)（續(xù)2）既有鐵路施工的高鐵激光器掃描平面激光器掃描平面施工現(xiàn)場(chǎng)(a)跨越情形(b)并行情形圖10.23跨越施工激光檢測(cè)方案第77頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.3.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)（續(xù)3）使用如右圖所示的兩級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程兩級(jí)報(bào)警。圖10.24異物侵界報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第78頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.3.3異物侵限檢測(cè)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)本節(jié)將詳細(xì)介紹激光掃描裝置、中繼器及監(jiān)控中心服務(wù)器軟件的設(shè)計(jì)。1、激光掃描檢測(cè)裝置2、中繼器3、遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)第79頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、激光掃描檢測(cè)裝置激光掃描檢測(cè)裝置是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的核心，由德國(guó)SICK公司的LMS200激光器、Zigbee無(wú)線通信模塊和控制電路組成，其三維立體透視圖和實(shí)物圖如圖10-25所示。圖10.25激光檢測(cè)裝置三維立體圖和實(shí)物圖第80頁(yè)，課件共94頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、激光掃描檢測(cè)裝置（續(xù)）LMS200激光器主要完成180°平面上的二維測(cè)距，并將距離信息通過(guò)422串口方式發(fā)送出來(lái)。Zigbee無(wú)線通訊模塊主要用于完成和中繼器之間的通訊?？刂齐娐肥窃撗b置的核心，主要