基于CAN的电力机车运行状态实时监测系统设计与实现

柏承宇

（西安铁路职业技术学院牵引动力学院，陕西西安710026）

随着当前信息化技术的发展，将GPRS技术在电力机车中也发挥积极应用价值，可以提高状态数据传输通讯的稳定性[1]。而在实际的电力机车运行过程之中，需要对电力机车运行状态进行实时监测，若是未能实时监测其运行状态，未能够及时记录在电力机车出现故障时的数据，这样也会增加电力机车检修困难；并且由于在维修电力机车过程中没有数据作为依据，也就会降低维修好之后电力机车运行的安全稳定性，为电力机车运行安全带来隐患[2-5]。

在设计电力机车运行状态实时监测系统中，通过应用CAN总线技术，也就是通过应用控制器局域网总线技术，不仅可以总线型结构优化设计电力机车监测系统结构，简化系统的布线结构，也能够最大限度节约系统设计中的布线成本，提升系统设计好之后实时监测数据的能力与抗干扰能力，确保设计的电力机车运行状态实时监测系统满足实际应用需求[6]。为此，优化设计电力机车运行状态实时监测系统，可以将车辆运行数据传送给车辆管理部门，从而可以实时监测运行中电力机车的运行状态，也能够实时将检测的机车运行参数传输到系统之中，使电力机车故障诊断与维修全面走向自动化[7-10]。在实际研究之中，基于CAN技术，优化设计电力机车运行状态实时监测系统，选择CAN总线作为整个电力机车运行状态实时监测系统平台，以CAN总线模块化的设计方法，优化设计实时监测电力机车运行状态的系统，对检测到的数据进行保存，可以全面检测机车运行过程中的状态参数。

1 系统需求功能分析

在电力机车运行状态实时监测系统设计中，基于CAN技术，设计的系统需要具备以下功能。具有牵引、制动（加馈制动）控制，防空转（滑行）控制等基本功能，牵引时采用起动恒流、特性段准恒速控制，具有两级限压和三级磁场削弱控制功能，制动时采用加馈电阻制动；具有自动过分相控制，与微机状态显示屏配合可以实现故障诊断、记录以及完善的高、低压自检功能，机车运行工况及电机参数的实时显示功能，空电联合制动及功率因数补偿等功能。

2 总体结构

在设计电力机车运行状态实时监测系统中，基于CAN技术支持下，在系统中应用CAN模块化处理信号调理电路以及信息采集与存储数据单元。实际中，在电力机车运行过程中，经系统的信号采集板采集系统的电子柜信号，然后通过信号调理电路转换，将采集的信号经CAN总线发送到系统的存储单元中，再然后，可以通过系统中的RS-485标准数据接口，将数据发送到系统电力机车运行状态的诊断单元中，诊断电力机车运行是否出现故障。同时，在系统的设计中，对于电力机车运行状态数据的采集，还能够通过USB接口从U盘中取出，确保可以对数据进行存档分析，方便地面人员分析研究CAN电力机车运行状态，提升系统设计应用效益。电力机车运行状态实时监测系统的总体结构，如图1中所示。

图1 系统结构图

3 系统硬件结构设计

外部数据采集中，设有一个扩展存储93LC66B，将电力机车运行参数采集之后压缩储存在系统的93LC66B数据存储结构，还能够采取循环记录数据的方式，方便查找数据【11】。同时，在设计系统中，针对系统中每个外部数据采集器，在其外部扩展的存储器内，也均会存在固定的一个字节，在该字节内用以记录在CAN总线中每个采集器的编号，通过编号与系统的CPU进行数据通讯。

在电力机车运行状态实时监测系统的硬件设计之中，针对电力机车开关信号量的采集方面，可以根据设计CAN监测系统的功能要求，采集在电力机车发生故障时的数据信号，如欠压、主断以及主接地时显示屏中显示的信号数据【12-14】。在系统设计中，采集电力机车运行时的开关量信息，在CAN总线支持下，实现电力机车开关参数与其它系统通信模块的数据传输，使电力机车检修维护人员可以根据系统显示屏中的数据制定故障维护方案。

核心数据处理，应用AT89S52单片机，可以在线编程的，就是将单片机先焊到板子上，只要留出编程接口就可以在板子上编程，这样很适合对电力机车运行状态实时监测系统随时升级。AT89S52单片机引脚如图2所示。

图2 AT89S52引脚图

在设计的电力机车运行状态实时监测系统中，针对系统中所有采集模块内的数据，可以在CAN总线支持下，通过CAN将采集到的机车运行状态数据发送给系统的上位机，将数据存储在系统的Compact Flash芯片中，方便系统应用人员对数据进行查询分析，及时监控预测电力机车运行状态数据，杜绝电力机车运行过程中出现危险事故。

在电力机车运行状态实时监测系统设计之中，针对系统显示屏硬件设计中，应用ZYTWX1型机车通用彩色显示屏，可以在显示屏中显示电力机车运行状态的信息。

4 系统软件设计

电力机车运行状态实时监测系统设计中，应用CAN技术，优化设计系统软件部分。在CAN支持下系统的软件设计中，在采集运行温度参数时，可以先初始化系统中的电力机车运行模拟量采集单元；当系统的上位机发出请求，采集电力机车运行状态实时数据的指令时，可以启动系统中的定时器；并将采集的电力机车运行温度数据进行A／D转换；最后，可以将转换得到的电力机车运行温度数据，根据CAN中的标准帧格式，将采集的实时数据发送到系统数据存储单元中。软件设计流程如图3所示。

图3 软件流程

在设计电力机车运行状态实时监测系统时，基于CAN帧格式，将采集的电力机车运行状态数据传输给系统处理单元，以确保可以为机车操纵人员和维修人员提供决策依据，为状态修提供原始数据，能够根据数据对电力机车运行状态进行分析。

5 系统应用测试

在实际中，为测试该系统应用效益，在测试设备CANstressDR、CANoe+CANcaseXL以及数字示波器支持下，将测试电力机车设备串连到电力机车CAN网络系统测试平台中，打开CANScope，开启设备的眼图功能，获取到如图4的波形。

图4 设备状态检测波形

在电力机车CAN运行状态实时监测系统中，经监测应用，经过测试，结果证实CANH+CANL的电压如图5所示。

图5 CANH+CANL电压值

在电力机车CAN运行状态实时监测系统中，经监测应用，经过测试，结果证实CANH+CANL的电压符合4.2～5.8 V的，则电力机车运行时电压水平平稳，电力机车可以正常运行。在设计电力机车运行状态实时监测系统中，应用CAN总线技术，基于CAN总线作为整个电力机车运行状态实时监测系统，应用CAN技术，在模块化设计支持下，使设计的系统能够实时监测电力机车的运行状态。

6 系统设计实现效益分析

在设计的系统中，可以及时将监测得到的电力机车运行状态数据传输给车辆维护检修人员，并由地面管理人员根据系统显示的电力机车实时运行数据，判断电力机车运行状态，使电力机车故障诊断与维修全面走向自动化[15]。实现对运行电力机车自动跟踪、定位、轨迹实时显示；采用故障诊断专家系统设计思想对实时故障进行诊断处理、指导司机操作，确保行车安全[16]；对机车参数信息进行存储、分析、汇总，优化制定出需要重点监测、维护、检修电力机车的部位，并进一步有针对性的提出维修方案，提升电力机车运行状态实时监测系统设计应用效益。

7 结论

综上所述，基于CAN设计实现电力机车运行状态实时监测系统，可用于完成对电力机车运行状态的实时监控，不仅可以实时采集电力机车的电网电压数据，也可以采集在发展牵引电机故障时的相关信息，并将采集的信息实时显示在系统的显示屏中，有助于电力机车维护检修人员及时跟进显示的数据，及时制定合理的监测维护方案，以确保提升电力机车运行状态实时监测系统设计质量。基于CAN技术，将CAN应用到设计实时的电力机车运行状态监测系统，能够在电力机车运行过程中实时采集设备运行参数，可以远程实时监测电力机车运行状态，确保行车安全。

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