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1、10.1 10.1 电力机务段车顶钥匙管理系统设计电力机务段车顶钥匙管理系统设计10.1.1 应用背景10.1.2 系统总体方案设计10.1.3 室外智能节点设计10.1.4 室内钥匙管理柜设计10.1.5 中央控制计算机软件设计第1页/共94页10.1.1 10.1.1 应用背景应用背景电力机务段检修人员在段内整备.检修电力机车时，经常需要在机车顶部作业。由于机车顶部接近25kV接触网，安全距离只有1.5米，在检修人员登上车顶前，必须先操作隔离开关切断接触网高压，确认接触网断电之后才能登上车顶作业，否则将无法保证人员的生命安全。目前，国内车顶钥匙管理流程中的信息登记.确认.传达等步骤都采用人
2、工方式。其中机车车号的录入，机车停放股道的核对，对高压接触网的上下电操作，接地杆状态的核对等操作由监控人员亲自完成。人的疏忽或情感因素会增加系统的不安全因素，给生产过程带来很大的安全隐患。车顶钥匙管理系统就是通过计算机实现上述流程的控制，在前面步骤没有完成的情况下无法进行后续步骤的操作，从而保证检修人员的生命安全，提高检修工作的安全系数。第2页/共94页10.1.2 10.1.2 系统总体方案设计系统总体方案设计车顶钥匙管理系统包括室外智能监控节点，室内钥匙管理柜和中央控制计算机3个部分，系统结构如图10-1所示。图10.1 车顶钥匙管理系统总体结构第3页/共94页10.1.2 10.1.2
3、系统总体方案设计（续系统总体方案设计（续1 1）系统中1个室外智能监控节点（以下简称室外智能节点）对应1个股道，其功能是采集对应股道的车号.车辆停放位置.备品箱.操作箱.接触网及接地杆状态并通过Zigbee无线网络将上述状态传送到中央控制计算机，根据中央控制计算机分配的权限对股道设备进行控制，防止工作人员的误操作，保证隔离开关的操作按照正确的流程安全地进行。第4页/共94页10.1.2 10.1.2 系统总体方案设计（续系统总体方案设计（续2 2）室内钥匙管理柜的主要功能是读取各个电子钥匙箱内存放的电子钥匙类型（车顶钥匙或机车钥匙），并通过CAN总线将各个箱体的状态发送给中央控制计算机。同时，
4、电子钥匙管理柜响应中央控制计算机的控制命令，实现电子钥匙的半自动存取。中央控制计算机的功能是对室外智能监控节点和室内钥匙管理柜的数据进行综合处理和逻辑判断，根据判断结果发送对应操作权限给室外智能节点或室内钥匙柜节点。同时，中央控制计算机对采集的状态进行图形化显示，对整个操作流程的关键步骤进行日志记录，提供日志查询功能。第5页/共94页10.1.3 10.1.3 室外智能节点设计室外智能节点设计室外智能节点的主要功能是采集股道信息并监控隔离开关的操作流程，采集的信息包括：电力机车车号及停放位置，电子钥匙申请信息，接触网状态，工具箱状态，操作箱状态和接地杆状态。为防止误操作，室外智能节点还要对工具
5、箱锁.操作箱锁，接地杆锁进行控制。室外智能节点的总体结构如图10-2所示。第6页/共94页10.1.3 10.1.3 室外智能节点设计（续室外智能节点设计（续1 1）图10.2 室外智能节电的总体结构图第7页/共94页1.1.通信模块选择通信模块选择通讯模块主要负责和中央控制计算机之间的数据交换，将采集的各种状态信息发送给中央控制计算机以供显示和决策，并将中央控制计算机发送的控制命令发送给室外节点，从而控制各电控锁的开关动作。系统选用Zigbee无线模块构建通讯网络。整个系统采用主从通讯模式，中央控制计算机为主机，室外智能节点为从机，主机定期轮询各从机并接收从机发送的状态信息，若需要进行控制，
6、主机则传送控制命令到从机。第8页/共94页1.1.通讯模块选择（续）通讯模块选择（续）Zigbee是一种短距离.低复杂度.低功耗.低数据速率.低成本的双向无线通信网络技术，是IEEE 802.15.4协议的代名词。Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而具有简单.使用方便.工作可靠.价格低的特点。一个Zigbee网络可包括多达65000个无线通信模块，各模块间可以相互通信。第9页/共94页2.2.隔离开关状态检测模块设计隔离开关状态检测模块设计高压接触网的带电状态是车顶钥匙发放的依据，也是确保检修人员人身安全的关键。接触网电压很高，直接测量存在困难，由于接触网上下电操作通
7、过旋转隔离开关操作杆来完成，因此可通过检测隔离开关操作杆的旋转角度来判断接触网的通断状态。第10页/共94页2.2.隔离开关状态检测模块设计（续隔离开关状态检测模块设计（续1 1）隔离开关操作杆上有一个圆盘，每次接触网下电，圆盘要顺时针旋转90度；上电时，圆盘则逆时针回转90度。因此，在圆盘上安装2个相隔90度的磁钢，同时以一个磁钢为基点，相隔180度安装2个霍尔传感器，如图10-3所示。图10.3 霍尔传感器安装示意图第11页/共94页2.2.隔离开关状态检测模块设计（续隔离开关状态检测模块设计（续2 2）假设高压接触网断电时，状态如图10-3所示，霍尔传感器1输出低电平，霍尔传感器2输出高
8、电平；进行上电操作时，旋转隔离开关操作杆，圆盘逆时针转动90度，则磁钢1离开霍尔传感器1检测范围，霍尔传感器1输出高电平，霍尔传感器2检测到磁钢2而输出低电平。根据2个霍尔传感器的输出变化可以判断隔离开关操作杆的位置，从而判断接触网的通断状态。图10.3 霍尔传感器安装示意图第12页/共94页3.3.电力机车信息采集模块电力机车信息采集模块电力机车信息采集模块的作用是采集指定股道上停放机车的车号和位置。（1）车号信息采集模块（2）机车位置采集模块第13页/共94页（1 1）车号信息采集模块）车号信息采集模块车号是确定车辆唯一性的关键信息。本系统采用射频识别技术来取代传统的人工抄送车号的方式，提
9、高了工作效率和可靠性。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。第14页/共94页（1 1）车号信息采集模块（续）车号信息采集模块（续1 1）系统中采用的是上海秀派电子科技有限公司的射频识别器SP-D200（如图10-4所示），SP-D200采用“Super RFID”技术，其技术性能如下：远距离，有效识别距离从0米到80米可调。极高的防冲突性，可同时识别200个以上不同的射频识别卡。高速度，检测移动时速可达200公里以上。智能化，RFID与收发器之间可实现双向高速数据交换。高可靠，适应工矿工作环境（
10、-40-85），防水，防冲击。超低功耗，采用全球开放的ISM微波频段，无须申请和付费。高抗干扰性，对现场各种干扰源无特殊要求。图10.4 SP-D200射频识别器第15页/共94页（1 1）车号信息采集模块（续）车号信息采集模块（续2 2）系统在每个股道安装一台SP-D200射频识别器，每台机车上安装射频卡（电子标签），当列车达到射频识别器的识别范围内以后，其就能检测到电子标签上5个字节的车号信息。识别器提供485通讯接口，为了提高系统的抗干扰性，采用两路光耦隔离器件6N137隔离TXD、RXD数据线后接入室外智能监控节点CPU。CPU的P1.6口作为485发送接收状态的控制线，采用TLP52
11、1进行光耦隔离。硬件电路图如图10-5所示。第16页/共94页图10.5 485隔离接口电路第17页/共94页（2 2）机车位置采集模块）机车位置采集模块机车位置是确定相应股道隔离开关操作权限的重要信息，系统采用光电开关来检测机车位置。光电开关分为对射式、镜面反射式和漫反射式。其中漫反射式的通用性好，对被测物表面材质要求低。为此，系统采用了OPTEX公司的漫反射式VD250N红外光电开关。第18页/共94页（2 2）机车位置采集模块（续）机车位置采集模块（续）具体技术参数如下：探测范围：40mm-2500mm供电电压：直流10-30V，可承受2700V交流浪涌；消耗功率：5mA 反应时间：5m
12、s系统光源：红外线输入测试：是环境温度：-25+55 环境光照：3585%RH传感器通过双绞线屏蔽电缆与智能节点连接，将股道车辆的停放信息以开关量的形式通过TLP521进行光耦隔离后输入室外智能节点的微处理器。图10.6 VD-250N红外光电开关第19页/共94页4.4.智能控制模块的设计智能控制模块的设计智能控制模块是检修人员与系统设备的一个交互接口。检修人员将机车钥匙（电子钥匙）插入身份识别接口，申请进行隔离开关的操作。申请获得系统通过后，系统会根据目前的股道信息状态，打开相应的电控锁，使检修人员能够按照规范的流程进行隔离开关操作。智能控制模块分为身份识别模块和电控锁控制模块两个部分，以
13、下分别进行介绍。第20页/共94页（1 1）身份识别模块设计）身份识别模块设计身份识别模块由电子钥匙和识别接口组成，替代原有机械锁的作用。检修人员要进行隔离开关的操作时，将机车钥匙（电子钥匙）插入识别接口，系统对目前机车和股道的状态进行自动逻辑判断。若股道状态符合操作权限要求，则响应检修人员的操作请求；否则，拒绝检修人员的操作要求。电子钥匙采用DALLAS公司带VCC输入引脚的硅序列码芯片DS2411作为机车钥匙和车顶钥匙身份的唯一匹配标识。第21页/共94页（1 1）身份识别模块设计（续）身份识别模块设计（续）DS2411是可由外部供电的单总线电子注册码芯片，它能用最少的电子接口提供绝对唯一
14、的电子身份标识。DS2411的注册码是由工厂激光刻制的64位ROM码，数据按照Dallas Semiconductor 的单总线协议传输。DS2411采用独立供电模式，防止窃电模式可能对数据传输造成的影响。CPU的2路I/O口线使用6N137进行高速光电隔离连接单总线数据线，防止信号干扰，其电路连接图如图10-7所示。电子钥匙没插入时识别模块端口3输出高电平。由于单总线电子钥匙采用4线连接的方式，端口3与地短接。一旦电子钥匙插入识别接口，识别接口的端口3将被强行拉至低电平，这作为电子钥匙是否插入识别接口的依据。第22页/共94页图10.7 单总线隔离接口电路连接图第23页/共94页（2 2）电
15、控锁控制模块设计）电控锁控制模块设计为保证安全，工具箱、隔离箱和接地杆都安装电控锁。电控锁模块和身份识别模块共同构成了智能控制模块，可经Zigbee无线网络进行远程控制。为保证系统安全，系统采用的OC3101L电控锁为断电上锁，通电开锁，系统断电时，设备箱和隔离箱都处于锁闭状态，系统处于安全状态下。电控锁还带有状态输出，从而进行锁闭状态的反馈检测。单片机的I/O经MC1413驱动芯片来启动电控锁的打开和锁闭。单片机送高电平时，锁上电开锁，LED指示灯灭；单片机送低电平时，打开电控锁，LED指示灯亮。单个电控锁电路接口如图10-8所示。第24页/共94页图10.8 单个电控锁电路接口图第25页/
16、共94页10.1.4 10.1.4 室内钥匙管理柜设计室内钥匙管理柜设计钥匙管理柜分为CAN总线桥接器和钥匙箱两个部分。每个钥匙箱内存放一个机车的车顶钥匙和电子钥匙，并设计为一个独立的CAN节点，整个系统可以包括多达200个节点，钥匙管理柜和中央控制计算机共同构成室内CAN总线网络，实现对车顶钥匙的自动化安全管理，其网络如图10-9所示。第26页/共94页图10.9 室内钥匙管理柜系统结构图第27页/共94页1 1、钥匙箱、钥匙箱CANCAN节点设计节点设计钥匙柜的功能是负责监控车顶钥匙和机车钥匙。车顶钥匙和机车钥匙都有全球唯一的64位码光刻序列号（DS2411），插入钥匙柜对应的钥匙箱内。由
17、箱体里面的单片机读取目前的钥匙状态，并通过CAN总线把数据发回给中央控制计算机。每个钥匙箱必须有1个电子钥匙存放其中（车顶钥匙或者机车钥匙），否则钥匙箱检测到箱体为空状态，并发送报警信息给中央计算机，中央计算机发出命令锁闭系统，并作为工作事故记入系统日志。钥匙箱硬件电路采用Atmel公司的AT89C52单片机作为微处理器，每个钥匙箱按照功能划分为CAN总线通讯模块、钥匙识别接口模块、电控锁控制模块。第28页/共94页1 1、钥匙箱、钥匙箱CANCAN节点设计节点设计(续续1)1)CAN总线通讯模块实现钥匙箱与对应CAN总线桥接器的数据通讯。CAN通讯控制器采用SJA1000，CAN总线驱动器采
18、用82C250。SJA1000与82C250之间通过高速光耦6N137进行光电隔离，以降低干扰，保证通讯的正确性。电子钥匙识别接口模块的主要功能是识别目前钥匙箱内电子钥匙的状态，从而对车顶钥匙或机车钥匙进行有效、安全的监控。钥匙识别接口模块采用单总线电子注册码芯片，设计方案类似于室外控制模块中身份识别的设计。第29页/共94页1 1、钥匙箱、钥匙箱CANCAN节点设计（续节点设计（续2 2）电控锁控制模块主要用于自动打开或锁闭钥匙箱，实现电子钥匙的连锁管理。为了匹配钥匙箱的尺寸，选用的电控锁尺寸较小。电控锁常态为锁闭状态，通电则锁舌吸合。由于电控锁不带门锁状态反馈信息，单片机无法判断钥匙门的开
19、关状态，所以在钥匙箱门板上安装一个有效检测距离为1cm的漫发射式的光电开关来检测门的状态。钥匙箱打开，光电开关没有障碍物遮挡，输出高电平；钥匙箱关闭，光电开关1cm内有障碍物遮挡，输出为低电平。电控锁的控制由单片机的I/O口经TLP521光电隔离和MC1413反向驱动放大由继电器输出进行控制。继电器的两端要反向并接一个续流二极管，防止电控锁动作时造成的反向电动势干扰电路的正常运行。第30页/共94页2.2.中央控制计算机中央控制计算机CANCAN接口设计接口设计 中央控制计算机是整个系统的管理控制中心。其功能包括接收、显示室内钥匙柜和室外智能接点采集的状态信息；并向相应的节点发送控制命令；记录
20、室内外操作人员动作日志等。为了和钥匙柜的CAN节点交换状态信息和控制命令，中央控制计算机采用CAN总线适配器实现CAN总线接口设计。第31页/共94页2.2.中央控制计算机中央控制计算机CANCAN接口设计（续）接口设计（续）KPCI-8110是适用于各种计算机(PCI总线)的长距离，高传输速率，多站点的CAN总线通讯板，采用光电隔离技术，使用两根线每路可连接110个工作站。其主要技术指标如下：通讯协议：2.0B(PeliCAN）兼容CAN2.0A，符合ISO/ISO11898规范。通讯距离：最长10Km。传输速率：最高1Mbps。电源电压：5V10%(PCI总线提供)。隔离电压：1000V。
21、CAN接口：孔型DB9，符合CIA标准。图10.10 CAN总线适配器KPCI-8110第32页/共94页10.1.5 10.1.5 中央控制计算机软件设计中央控制计算机软件设计中央控制计算机软件是车顶钥匙管理系统的核心部分，室内室外下位机的数据全部汇总到中央控制计算机，由上位机软件进行数据的解调并实现图形化显示；同时，下位机的操作申请也由中央计控制算机进行仲裁，决定是否响应操作人员的操作申请；除了上述功能，上位机软件还实现了重要数据信息数据库记录，并以水晶报表的形式实现数据输出。上位机软件采用面向对象技术的Visual C+进行软件开发。图10-11为根据活动图编写的上位机软件界面，图10-
22、12是系统自动生成的水晶报表。第33页/共94页图10.11 上位机软件用户界面第34页/共94页图10.12 系统自动生成的水晶报表第35页/共94页10.2 10.2 铁路线路限界检测系统设计铁路线路限界检测系统设计10.2.1 应用背景10.2.2 系统总体方案设计10.2.3 基于FPGA的限界检测系统PCI同步采集卡设计10.2.4 现场实验第36页/共94页10.2.1 10.2.1 应用背景应用背景由于地质变形、自然灾害如大雨山洪等造成的滑坡、运行车辆的动力冲击、落物、以及设施的非正常突出和缺失等，轨道、隧道、桥梁等基础设施经常发生变形、侵限现象，严重威胁到轨道交通的畅通和安全。
23、为满足轨道交通基础设施全断面测量的需求，车载式的高速动态测量技术受到了广泛的重视。第37页/共94页10.2.2 10.2.2 系统总体方案设计系统总体方案设计本课题即采用了这种非接触式测量技术，研究线路全断面非接触式测量技术，主要内容包括：（1）全断面检测技术。研究基于光传播时间原理的旋转激光扫描测距仪应用于线路全断面测量的基本原理及方法，建立动态测量的模型和参数计算方法，旋转激光扫描测距仪的选取及其车载式加装方案和系统标定方法。（2）数据采集与管理系统。研制车载式数据采集系统硬软件，实现包括激光测距传感器、陀螺仪、加速度计、摄像机等的实时采集、数据处理和综合分析管理。第38页/共94页10
24、.2.2 10.2.2 系统总体方案设计（续系统总体方案设计（续1 1）车载全断面测量系统由断面测量设备、动态基准测量设备、测速定位设备和数据采集设备4部分组成，下面分别介绍。系统总体结构如图10-13所示。图10.13 全断面车载动态测量系统示意图第39页/共94页1.1.断面测量设备断面测量设备本系统采用德国SICK公司的脉冲式激光测距仪LMS200作为断面测量设备LMS200具有体积小、安装方便，抗外界光线干扰，对人眼无害，可直接加装于正常运营的车辆或专用检测车辆上等优点，可以实现180范围内的扫描，重复测量误差小于5 mm，采样点间距最小为1。在扫描频率为75Hz时，每秒采样点数为13
25、575。为获得线路全断面尺寸，在车体四周安装4台LMS200，通过同步装置可实现同步扫描上下左右4个方向上的线路断面。LMS200量测得到的数据通过RS422接口以500kbps的速率向外实时传输。第40页/共94页2.2.动态基准测量设备动态基准测量设备经典的运动物体姿态测量方式是使用惯性基准测量，如利用陀螺等，测量运动物体绕三维坐标轴旋转的角度变化率，以及利用加速度传感器测量物体直线运动加速度，进而通过积分间接算出6个自由度的绝对变化量。由于陀螺仪存在零点漂移等系统误差，因此，在积分过程中，系统误差被累积在测量结果中，造成测量误差随着时间的推移而逐渐变大。这种惯性导航的方式不适合长距离的测
26、量任务.第41页/共94页2.2.动态基准测量设备（续）动态基准测量设备（续）本系统的动态基准测量设备由捷联式惯性基准系统和地面辅助的车体瞬时姿态测量系统组成。陀螺仪主要用于测量车体动态中的角度变化，由此获得车体的角度偏差；三轴加速度计用于测量车体相对于惯性基准的加速度，在进行角度修正后获得车体振动的线位移；基于地面的车体瞬时姿态测量设备测量车体通过特定地面基准点(反射镜)时的6自由度姿态，获取系统初始状态、定点清除惯性基准系统的累计误差。第42页/共94页3.3.测速定位设备测速定位设备车辆的动态定位主要依靠轮轴转速传感器。转速传感器安装在车辆无制动装置的从动轮对上，每圈可以输出100020
27、00个脉冲。根据采集到的脉冲数量和车轮直径可以计算出车辆走行的公里数。实际应用中可采用频率周期法、防空转打滑算法、多传感器融合算法等多种算法来提高定位的精度。同时，测速定位系统还能够根据车体瞬时姿态测量系统的输出，计算系统初始位置，定点清除动态测量过程中的累计误差。第43页/共94页4.4.数据采集处理设备数据采集处理设备工控PC机通过数据接口卡，将所有传感器发来的数据进行基于时间和公里标的对应记录，融合断面、动态基准和定位数据获取精确的线路三维全断面尺寸，通过统计，分析其发展趋势，实现对线路全断面的安全状态监测。第44页/共94页10.2.3 10.2.3 基于基于FPGAFPGA的限界检测
28、系统的限界检测系统PCIPCI同步采集卡设同步采集卡设计计在上述车载线路全断面检测系统中，需要采集的信息包括：激光测距传感器输出的二维距离信息、速度传感器测量的速度和位置信息、陀螺仪和位移传感器测量的车体姿态数据。这些数据在采集时必须精确同步，否则将影响限界尺寸测量结果的准确性。目前，常用的数据采集方法是采用数据采集卡，如采用高速串口卡采集激光测距传感器和陀螺仪的数据，A/D采集卡采集位移计的数据，高速IO卡采集速度传感器的数据。第45页/共94页10.2.3 10.2.3 基于基于FPGAFPGA的限界检测系统的限界检测系统PCIPCI同步采集卡设同步采集卡设计（续）计（续）这种模式下，各个
29、采集卡采集的数据采用PC机时钟进行同步，由于各采集卡内部有缓存和延时，难以实现高精度的数据同步。为实现各个数据信息之间的高精度采集同步，设计了基于FPGA的高速PCI数据采集同步卡，该采集卡将高速串口、AD采集、高速IO信号采集等功能集成在一片FPGA中，同时在FPGA内部产生一个1KHz的同步脉冲，用4Byte寄存器存储同步脉冲的实时计数值，在每个数据信息包采集完成时，自动在数据包的尾部附加4Byte的同步脉冲计数值，有效地实现了各传感器信息的同步采集，同步精度达到1ms。第46页/共94页1.1.硬件设计硬件设计PCI数据采集同步卡硬件电路主要包括信号调理及数据采集电路、FPGA芯片选择、
30、PCI接口芯片等部分。硬件电路总体结构如图10-14所示。图10.14 PCI数据采集同步卡硬件电路总体结构图第47页/共94页（1 1）信号调理及数据采集）信号调理及数据采集根据传感器输出信号的类型，信号调理部分可分为以下三类：激光测距传感器和陀螺仪 激光测距传感器和陀螺仪通过485串行接口输出测量结果，激光测距传感器的通讯波特率为500kbps，陀螺仪波特率为115200bps。系统首先采用MAX490作为电平转换芯片，将485信号转换成TTL电平信号，然后通过光耦TLP113将TTL信号隔离后再送入FPGA的IO口。第48页/共94页（1 1）信号调理及数据采集（续）信号调理及数据采集（
31、续）位移计 位移计输出的是420mA的模拟信号，经120精密电阻，转成0.48V2.4V电压信号，再经过电容滤波及限压保护电路，输入给AD7888，AD7888的SPI接口经光耦隔离后，与FPGA的IO口连接。FPGA根据AD7888的时序，编写IP核，可以读出12位的AD测量结果。速度传感器 速度传感器输出的两路脉冲信号，相位相差90度，将两路脉冲信号经光耦隔离后直接接入FPGA的IO口。取其中一路脉冲信号用于脉冲计数和里程计算，根据两路脉冲信号相位差的正负，来判断车辆车轮的正反转。第49页/共94页（2 2）FPGAFPGA芯片选择芯片选择FPGA芯片是系统的核心模块，系统选用了ALTER
32、A公司的Cyclone系列FPGAEP1C12。该FPGA有12060个逻辑单元，52个M4KRAM，总RAM位数239616Bit，2个锁相环，249个用户可用IO管脚。设计时，只需将FPGA的I/O口和外部对应的接口相连，然后根据系统需求设计内部逻辑程序即可，在设计过程中，如果需求变动，程序改动方便灵活，彻底改变了以前设计过程中，因硬件需求改动，反复改版造成的时间、经济上的浪费，大大提高了设计效率。系统所有的数据信息采集、同步脉冲产生、FIFO、PCI接口时序等功能都是在FPGA内部实现。第50页/共94页（3 3）PCIPCI接口芯片接口芯片PCI9052是美国PLX公司生产的PCI总线
33、通用接口芯片，采用专用的接口芯片，可以不必进行复杂的PCI协议的开发，只需要开发系统的硬件和驱动程序，大大缩短了开发周期。PCI9052符合PCI21规范，突发传输速率达到l32MB/s，有相对独立的PCI9052局部总线和PCI总线时钟，方便了高低速设备的兼容。PCI9052包含4个局部设备片选信号和5个局部地址空间，片选和地址空间均可通过EEPROM或者主机对其编程设置，局部总线支持复用和8、16或32位的非复用模式。第51页/共94页（4 4）硬件设计注意事项）硬件设计注意事项系统PCI接口采用8位总线模式，需将LBE1、LBE0作为低位地址线接入FPGA的IO口。PCI BUS上PRS
34、NT1、PRSNT2两个管脚至少有一个要接地，否则PCI卡插入PC机后，系统无法识别。在选择配置芯片时，PLX公司推荐了93CS46，可连续读写，93C46不可以。PCI9052的工作电压为5V，FPGA的IO电压为3.3V，在FPGA与PCI9052之间要增加电平转换接口芯片，如74HC245，能够对FPGA的IO口起到保护作用。PCB布线时，要注意PCI BUS信号线的长度要求：64位卡的32位信号具备的最大连线长度是1500mil，64位扩展信号的附加信号的连线长度为2000 mil，PCI的CLK长度为2500mil100mil，如果不够长度可以绕蛇行线。第52页/共94页2.PCI2
35、.PCI卡配置卡配置PCI接口芯片PCI9052提供了2种寄存器：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设备的识别。6个基地址寄存器，用来访问配置寄存器和本地端所接的芯片，将本地的芯片映射到系统的内存或I/O口，这样应用程序操作这一段内存（或I/O）实际上就是对本地的芯片操作。第53页/共94页2.PCI2.PCI卡配置（续）卡配置（续）本地端配置寄存器提供了本地端的一些信息，PCI9052工作时需要一个配置芯片EEPROM，以便在PCI卡上
36、电的时候配置PCI 9052，主要配置PCI卡的VendorID和DeviceID，这是系统用来标识PCI卡的。另外，还需要了其他寄存器，主要起到了对PCI9052初始化的作用。这里重点介绍EEPROM的配置方法。需要进行配置的EEPROM寄存器如表10-1所示。第54页/共94页EEPROM寄存器寄存器内容内容说明说明0hPCI 02h121CDevice ID2hPCI 00h10B5Vendor ID4hPCI 0Ah0680Class Code6hPCI 08h0001Class Code(revision is not loadable)8hPCI 2Eh9050Subsystem
37、IDAhPCI 2Ch10B5Subsystem Vendor IDChPCI 3Eh0000(Maximum Latency and Minimum Grant are not loadable)EhPCI 3Ch0100Interrupt Pin(Interrupt Line Routing is not loadable)10hLOCAL 02hFFFFMSW of Range for PCI-to-Local Address Space 0(1 MB)12hLOCAL 00hFFE1LSW of Range for PCI-to-Local Address Space 0(1 MB)3
38、8hLOCAL 2AhD011MSW of Bus Region Descriptors for Local Address Space 03AhLOCAL 28h8940LSW of Bus Region Descriptors for Local Address Space 04ChLOCAL 3Eh0000MSW of Chip Select(CS)0 Base and Range4EhLOCAL 3Ch0011LSW of Chip Select(CS)0 Base and Range第55页/共94页EEPROMEEPROM的配置方法的配置方法（1）PCI配置寄存器00H0FH用于配
39、置PCI配置寄存器，用户只用根据自己的设计更改00H的内容，其他采用默认设置就可以了。在向EEPROM中写入配置数据时，应注意低位在前，高位在后，如2H,3H中写入10B5时，2H=0 xB5，3H=0 x10。（2）本地地址空间EEPROM中10H、12H用于配置本地地址空间范围，设置为：FFFFFFE1。配置结果：本地地址空间0映射到PCI的IO空间。本地采用32位PCI地址模式。本地有效地址范围：00H1FH。第56页/共94页EEPROMEEPROM的配置方法（续）的配置方法（续）（3）本地地址总线描述EEPROM中38H、3AH用于配置本地地址总线。设置为：D0118940，采用8b
40、it PCI总线模式。（4）本地地址片选配置EEPROM中4CH，4EH用于配置本地地址片选信号的基地址和范围，设置为：00000011，使能CS0片选信号，并设置本地有效地址信号为：A4A0。第57页/共94页3.FPGA3.FPGA程序设计程序设计FPGA程序设计主要包括：串口IP核、AD采集IP核、PCI接口时序、速度传感器采集、毫秒计数、边沿检测电路等几个部分。（1）串口IP核设计串口IP核主要实现对激光测距传感器数据、陀螺仪数据的接收、打包、同步，并通过FIFO完成与PCI接口的数据交换。下面以激光测距传感器为例说明串口IP核的设计。第58页/共94页3.FPGA3.FPGA程序设计
41、（续程序设计（续1 1）串口IP核的总体结构如图10-15所示。图10.15 串口IP核原理图第59页/共94页3.FPGA3.FPGA程序设计（续程序设计（续2 2）（2）A/D采集A/D采用的是美国Analog Devices公司的AD7888，其SCLK最高频率2MHz，采集频率最大125KBps。系统使用AD采集位移计的变化，8个通道全部采集一次的采集频率定为125Hz，则单通道采集频率为1KHz，需提供给SCLK16KHz的时钟。FPGA的主时钟经分频后输出16KHz的脉冲，输入至SCLK，FPGA的3个IO口分别和AD7888的CS、DIN、DOUT连接，按照AD7888的时序要求
42、，分别读出8个通道的AD转换结果，送至ADFIFO的输入端，ADFIFO的输出端和PCI9052的LOCAL总线连接，PC机检测到AD有数据时，可以从ADFIFO端读出转换结果。每一组AD结果都附加了当前同步脉冲计数值，用于和其他采集数据进行同步。第60页/共94页3.FPGA3.FPGA程序设计（续程序设计（续3 3）（3）PCI读时序需要从PCI总线读出的数据包括：激光测距传感器的测量结果、AD测量结果、陀螺仪测量值、速度传感器脉冲计数值。这些数据之间通过地址选通区分。读时序设计时，需严格按照PCI规范中的要求，否则可能出现读一组数据时，造成其他组数据丢失的现象。第61页/共94页CLK同
43、步卡系统时钟，40MHz RD_PCI PCI9052本地读信号ADR PCI9052本地读的地址信号 RD_OUT FPGA程序中间变量RD_FIFO FIFO的读信号，在RD_FIFO=0时，每个CLK上升沿读出1个Byte 图10.16 PCI读时序的两种模式第62页/共94页3.FPGA3.FPGA程序设计（续程序设计（续4 4）（3）PCI读时序（续）PCI读取激光测距传感器的测量结果时，RD_PCI输出0，ADR输出0。模式1先判断RD_PCI和ADR同时为0时输出中间变量RD_OUT=0，再对RD_OUT进行下降沿检测得到读FIFO信号。模式2先对RD_PCI进行下降沿检测得到中
44、间变量RD_OUT，再判断当RD_OUT和ADR同时为0时，输出读FIFO信号。第63页/共94页3.FPGA3.FPGA程序设计（续程序设计（续5 5）模式1存在一个问题，如图10-17虚框所示。ADR在跳变时，状态是不稳定的，而此时RD_PCI还是低电平，此时ADR如果出现等于其他数据的有效地址时，就会产生错误的读其他数据FIFO的信号，造成其他数据地址FIFO中的数据被读出而产生丢数现象。图10.17 PCI读时序中不稳定状态第64页/共94页3.FPGA3.FPGA程序设计（续程序设计（续5 5）（4）边沿检测电路系统设计时多处用到边沿检测电路，下面以上升沿检测电路为例，说明如何使用V
45、HDL语言实现可靠的边沿检测。上升沿检测电路的转换时序如图10-18所示。图10.18 上升沿检测电路时转换时序第65页/共94页3.FPGA3.FPGA程序设计（续程序设计（续5 5）用VHDL语言实现上升沿检测，最简单的方法是：IF RISING_EDGE(CLK)then RD_1=RD;END IF;RD_N=(not RD)and RD_1);但这种方法实现的检测结果，不稳定，会出现误检现象。下面这种方法，多使用了一组寄存器，但是大大提高了检测的可靠性。IF RISING_EDGE(CLK)then RD_1=RD;RD_2=RD_1;END IF;RD_N=(not RD_1)an
46、d RD_2);第66页/共94页4.WDM4.WDM设备驱动程序设计设备驱动程序设计PCI总线规范是为提高微机总线的数据传输速度而制定的一种局部总线标准，在设计自行开发的基于PCI总线的数据传输设备时，需要开发相应的设备驱动程序。设备驱动程序是一种可以使计算机和设备通信的特殊程序，PC机操作程序只有通过这个接口，才能读取FPGA采集完成后放入FIFO中的数据信息。第67页/共94页4.WDM4.WDM设备驱动程序设计（续）设备驱动程序设计（续）通常开发PCI设备驱动程序有多种模式，在WindowsXP环境下，主要采用WDM模式。本系统驱动程序是在WindowsXP操作系统下，使用Driver
47、Studio软件编写的。该驱动程序符合WDM模式的PCI数据传输卡驱动程序。驱动程序主要包括初始化例程、清理例程、派遣例程、数据传输例程、中断服务例程和DPC例程等。Driverstudio为驱动程序设计提供了DriverWizard向导，可以很方便地建立一个完整的驱动程序框架，驱动程序开发的主要过程见教材。第68页/共94页10.2.4 10.2.4 现场实验现场实验在20062008年，车载全断面检测系统先后参加了北京地铁5号线、10号线、机场线的新线验收工作，承担了其中的线路限界三维尺寸的动态测量任务。对比地铁限界传统的接触式测量方式，本技术显示出测量精度高、安装方便、自动化程度高等特点
48、。测量数据不但可以检测超限位置，而且可以给出准确的超限量，已经成为北京地铁新线整改的重要依据。在2008年2月6月间，课题组先后进行了北京-承德的既有线和京津城际高速铁路的线路限界检查试验，测量速度最高达到145公里/小时。到目前为止，该系统已经在铁路现场累计试验超过1000公里。第69页/共94页在北京地铁5号线冷滑试验和复测试验中，限界测量系统采用了左右2台180度扫描的LMS200，如图10-20所示，并借助前述标定系统将两台LMS200拼接、变换到轨道坐标系下，获得了理想的测量结果。10.2.4 10.2.4 现场实验（续现场实验（续1 1）图10.20 北京地铁5号线安装方案第70页
49、/共94页10.2.4 10.2.4 现场实验（续现场实验（续2 2）图10-21为北京地铁5号线北苑路北站站内某位置的断面尺寸。图中内侧光滑闭合曲线为标准的隧道限界，左侧曲线为左侧LMS200的测量结果，右侧曲线为右侧LMS200的测量结果。结果显示此位置的站台屏蔽门超限约15mm，超限点坐标在(1505，913)-(1514,761)之间，与事后的人工复测完全吻合。图10.21 北苑路北站内某位置的断面尺寸图第71页/共94页10.3 10.3 京沪高铁施工侵限报警装置设计京沪高铁施工侵限报警装置设计10.3.1 应用背景10.3.2 系统总体方案设计10.3.3 异物侵限检测系统详细设计
50、第72页/共94页10.3.1 10.3.1 应用背景应用背景随着高速铁路建设力度的日益加大和工程进度的不断加快，在新建铁路跨越既有线施工过程中，从桩基施工至桥面施工常常有大型机械、机具邻近铁路建筑限界施工作业，经常发生机械、机具、人员及施工材料侵入既有线限界的情况，对既有线的安全运营造成极大的安全隐患。异物侵限检测报警技术能及时对施工过程中的侵界情况发出警报，提醒施工过程产生的安全隐患，以便于施工人员及时纠正，确保既有线行车和施工机械、人员的安全。在京沪高速铁路建设施工过程中，存在着几十处跨越或并行既有京沪线的施工地段。本课题以此为背景，研发基于激光扫描的非接触式高密度异物侵限检测装置，实现