1、sopc技術(shù)在電力機(jī)車改造中的應(yīng)用機(jī)車規(guī)律控制模塊(lcm)是一種鐵路機(jī)車專用的采納硬件可編程的規(guī)律控制單元，是機(jī)車實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的一個(gè)can網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。將該模塊與囫圇系統(tǒng)應(yīng)用在干線電力機(jī)車上，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的控制的可編程無(wú)觸點(diǎn)控制，大大削減了控制電路的觸點(diǎn)和布線，簡(jiǎn)化了機(jī)車控制電路的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和調(diào)試過(guò)程，并使機(jī)車電氣系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)檢測(cè)、故障診斷與存儲(chǔ)顯示等功能；特殊是列車速度提高后，繼電器電路因振動(dòng)加劇而浮現(xiàn)誤動(dòng)作，無(wú)觸點(diǎn)規(guī)律控制模塊可以便利地克服該缺點(diǎn)，提高控制系統(tǒng)牢靠性，并可便利地用硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)各種控制功能，具有靈便性和通用性。無(wú)觸點(diǎn)控制是機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的進(jìn)展方向。圖1所示為機(jī)車實(shí)

2、時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)暗示圖。隨著系統(tǒng)集成技術(shù)不斷成熟，浮現(xiàn)了ip(intellectualproperty，學(xué)問(wèn)產(chǎn)權(quán))產(chǎn)品及模塊化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，ip特指可以通過(guò)學(xué)問(wèn)產(chǎn)權(quán)貿(mào)易在各設(shè)計(jì)公司間流通的實(shí)現(xiàn)特定功能的電路模塊。ip核的本質(zhì)特征是可重用性，通常滿足良好的通用性、良好的可移植性及肯定正確三個(gè)基本特征，是將來(lái)sopc設(shè)計(jì)的核心。要使sopc設(shè)計(jì)勝利，就要更多地采納學(xué)問(wèn)產(chǎn)權(quán)(ip)復(fù)用，以迅速完成設(shè)計(jì)，得到價(jià)格低廉的硅器件，從而滿足市場(chǎng)需求。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)韶山3型4000系電力機(jī)車控制規(guī)律舉行分析優(yōu)化，并設(shè)計(jì)了可以徹低取代原有規(guī)律控制功能的ip核；在此基礎(chǔ)上利用sopc技術(shù)設(shè)計(jì)了機(jī)車規(guī)律控制模

3、塊。1 機(jī)車規(guī)律控制模塊簡(jiǎn)介主要針對(duì)韶山3型4000系電力機(jī)車設(shè)計(jì)的規(guī)律控制模塊，借鑒了以往在韶山4g型電力機(jī)車上應(yīng)用的設(shè)計(jì)閱歷，在狀態(tài)采集(輸入)電路、驅(qū)動(dòng)(輸出)電路、庇護(hù)電路、冗余設(shè)計(jì)以及規(guī)律處理方面都做了一定改進(jìn)。尤其是在規(guī)律處理部分大量采納現(xiàn)代集成技術(shù)和模塊化的設(shè)計(jì)辦法，優(yōu)化了控制規(guī)律，進(jìn)一步提高了集成度和牢靠性，其原理2所示。規(guī)律控制模塊將控制命令信息通過(guò)采集電路輸入，經(jīng)過(guò)規(guī)律處理后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并將當(dāng)前狀態(tài)信息通過(guò)can發(fā)送到司機(jī)顯示屏。2 規(guī)律替代的基本原理獵取繼電器的狀態(tài)即通過(guò)檢測(cè)與繼電器關(guān)聯(lián)的線號(hào)的得失電狀態(tài)，經(jīng)過(guò)與之對(duì)應(yīng)的規(guī)律組合得出繼電器是否得電；得到的繼電器狀態(tài)構(gòu)成繼

4、電器狀態(tài)表，供后級(jí)電路查詢。以最基本的自鎖銜接的中間繼電器來(lái)解釋，其暗示圖3所示，替代后的虛擬繼電器4所示。替代后的中間繼電器采納通用的模塊化設(shè)計(jì)。在詳細(xì)應(yīng)用過(guò)程中只要調(diào)用這些繼電器模塊，按原繼電器銜接信號(hào)舉行端口定義就可以便利的用法。自鎖銜接的繼電器功能5所示，其端口定義和 hdl實(shí)現(xiàn)如下：對(duì)于時(shí)光繼電器，在輸出級(jí)按照繼電器狀態(tài)表里的狀態(tài)信息，通過(guò)對(duì)外部輸入脈沖的計(jì)數(shù)來(lái)達(dá)到延時(shí)動(dòng)作的目的。這種處理方式得到的延遲時(shí)光精度高，狀態(tài)穩(wěn)定。以零位時(shí)光繼電器為例解釋其普通替代原理。其繼電器原理6所示，替代后的虛擬繼電器7所示。同樣，時(shí)光繼電器采納通用的模塊化設(shè)計(jì)，虛擬的繼電器可以直觀地理解為實(shí)際繼電器

5、模型；根據(jù)實(shí)際繼電器接線對(duì)其舉行信號(hào)端口定義就可以徹低取代原有繼電器規(guī)律，終于得到的輸出信號(hào)輸送給調(diào)制模塊舉行100 khz方波調(diào)制輸出給隔離。時(shí)光繼電器功能仿真8所示，其端口定義和verilog hdl實(shí)現(xiàn)如下：3 規(guī)律控制ip核實(shí)現(xiàn)作為可重用的設(shè)計(jì)模塊，ip核必需遵從一定的互銜接口標(biāo)準(zhǔn)，包括在內(nèi)的無(wú)數(shù)公司都有自己的一套互銜接口的標(biāo)準(zhǔn)，像altera公司的avalon、atlantic，ibm公司的coreconnect，公司的amba，還有silicore轉(zhuǎn)讓給opencore的wishbone總線標(biāo)準(zhǔn)等。avalon交換式總線是由altera公司開(kāi)發(fā)的一種專用內(nèi)部連線技術(shù)。avalon交

6、換式總線由sopc builder自動(dòng)生成，是一種最抱負(fù)的用于系統(tǒng)處理器和外設(shè)之間的內(nèi)聯(lián)總線。每當(dāng)一個(gè)新的組件被添加到系統(tǒng)中或是某個(gè)外設(shè)的優(yōu)先級(jí)被轉(zhuǎn)變，就會(huì)有一個(gè)新的、最佳的交換式總線被生成。采納altera公司開(kāi)發(fā)的avalon交互式片上系統(tǒng)總線作為本ip核的內(nèi)聯(lián)總線，銜接各個(gè)模塊。其結(jié)構(gòu)框圖9所示，包括數(shù)字模塊、規(guī)律管理模塊、繼電器狀態(tài)生成模塊、輸出狀態(tài)生成模塊和輸出脈沖調(diào)制模塊。規(guī)律控制單元ip核內(nèi)共有3個(gè)avalon從端口由片內(nèi)處理器內(nèi)核控制總線上的數(shù)據(jù)流傳輸，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的協(xié)同工作。規(guī)律控制單元ip替代原有繼電器控制規(guī)律，司機(jī)控制命令經(jīng)過(guò)分壓電路、光耦隔離以及施密特觸發(fā)器后進(jìn)入。為避

7、開(kāi)尖峰干擾造成的誤觸發(fā)，在ip核中增強(qiáng)了數(shù)字濾波器。通過(guò)濾波器的信號(hào)被認(rèn)為是真正的司機(jī)命令，根據(jù)原有的控制功能，舉行規(guī)律處理并產(chǎn)生虛擬的繼電器狀態(tài)表。該狀態(tài)表在傳輸給輸出級(jí)規(guī)律模塊的同時(shí)可以接受avalon總線拜訪。輸出級(jí)按照繼電器狀態(tài)舉行規(guī)律處理，產(chǎn)生輸出狀態(tài)表。該狀態(tài)表經(jīng)過(guò)脈沖調(diào)制后作為隔離變壓器原邊驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳送至輸出驅(qū)動(dòng)電路門(mén)極。4 規(guī)律控制ip核基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)規(guī)律控制模塊altera公司的quarters ii開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供了設(shè)計(jì)的軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境。規(guī)律控制模塊硬件設(shè)計(jì)10所示。系統(tǒng)采納avalon總線為系統(tǒng)總線，以32位niosii微處理器作為主控制器。本設(shè)計(jì)在sopc builder開(kāi)

8、發(fā)環(huán)境下挺直調(diào)用片內(nèi)的m4k塊并設(shè)置一個(gè)從端口生成系統(tǒng)內(nèi)存，調(diào)用規(guī)律控制單元ip以及altera提供的can通信控制器ip實(shí)現(xiàn)lcm與的接口。由司機(jī)控制命令生成的虛擬繼電器狀態(tài)表在被傳送至輸出級(jí)的同時(shí)，可以被片內(nèi)nios微處理器查詢。查詢的過(guò)程是通過(guò)芯片內(nèi)部avalon總線舉行的，得到的查詢結(jié)果由can總線傳送到顯示屏和檢測(cè)儀。5 系統(tǒng)綜合在完成ip設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用sopc builder舉行系統(tǒng)綜合。fpga內(nèi)部用avalon總線將片上處理器和外設(shè)銜接成片上系統(tǒng)，11所示。在設(shè)計(jì)中，包含了由nios cpu、jtag以及片上存儲(chǔ)器構(gòu)成的基本片上系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上調(diào)用ss3lcm與can接口控

9、制器ip實(shí)現(xiàn)規(guī)律控制及通信功能。另外增強(qiáng)了一個(gè)串行接口，便利與上位機(jī)銜接測(cè)試。綜合后得到的芯片結(jié)構(gòu)12所示。至此，已經(jīng)完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了硬件規(guī)律功能。將生成的下載文件通過(guò)jtag下載到片外專用配置rom中，重新上電后用nios ide舉行系統(tǒng)軟什設(shè)計(jì)。結(jié) 語(yǔ)目前我國(guó)仍有大量的有觸點(diǎn)控制的電力機(jī)車在干線運(yùn)行，這種控制方式帶來(lái)的種種弊端已經(jīng)嚴(yán)峻影響了我國(guó)鐵路運(yùn)送事業(yè)的進(jìn)展，尤其是某些重載繁忙的路段(如大秦鐵路)由于有觸點(diǎn)控制無(wú)法避開(kāi)的受粉塵和其他惡劣環(huán)境的影響，已經(jīng)多次發(fā)生故障以致于影響了整條干線的運(yùn)送，因此機(jī)車控制的無(wú)觸點(diǎn)改造的水平關(guān)系著我國(guó)鐵路事業(yè)的進(jìn)展。目前國(guó)內(nèi)的無(wú)觸點(diǎn)改造已有較為成熟的產(chǎn)品，本設(shè)計(jì)也是在借鑒曾運(yùn)行在ss4g機(jī)車的lcm的勝利閱歷基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的改進(jìn)