牽引控制單元數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

王沛東，夏 菲，趙紅衛(wèi)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

在動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中，需要了解牽引變流器四象限整流器和逆變器的輸入輸出，包括輸入網(wǎng)壓、網(wǎng)流、變流器中間電壓和輸出控制脈沖等。而牽引控制單元中具有網(wǎng)壓、網(wǎng)流、牽引變流器中間電壓、逆變器三相電流、輔助變流器輸入電流、變壓器電流等這些關(guān)鍵物理量的測(cè)量值。對(duì)這些測(cè)量值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，對(duì)于設(shè)計(jì)和調(diào)試牽引系統(tǒng)，監(jiān)控列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，分析列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的故障具有十分重要的意義。

牽引變流器是牽引系統(tǒng)的核心部分。每一個(gè)牽引單元由一個(gè)牽引變流器和一個(gè)牽引控制單元（TCU），4個(gè)并聯(lián)的牽引電動(dòng)機(jī)組成。每個(gè)牽引變流器主要由兩個(gè)并聯(lián)的網(wǎng)側(cè)四象限整流器和電機(jī)側(cè)逆變器組成［1］。四象限整流器是交流傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)及基礎(chǔ)，它使網(wǎng)側(cè)獲得一個(gè)近似正弦波的電流且使其與網(wǎng)壓同相，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1，降低了電流的諧波含量，減少了變流裝置對(duì)電網(wǎng)的污染和對(duì)周?chē)h(huán)境的電磁干擾。整流器主電路采用的是兩相兩重整流器結(jié)構(gòu)。改變兩相整流器PWM控制的方式，使PWM控制脈沖錯(cuò)開(kāi)一定角度，系統(tǒng)工作時(shí)就通過(guò)耦合方式在牽引變壓器一次側(cè)合成網(wǎng)流，達(dá)到減少網(wǎng)側(cè)電流諧波分量和提高系統(tǒng)容量的目的。電機(jī)側(cè)逆變器主電路采用兩電平三相橋式結(jié)構(gòu)，逆變器能夠同時(shí)控制輸出電壓的幅值和頻率，使電機(jī)獲得近似正弦的交流輸入，完成電機(jī)的VVVF調(diào)速控制［2］。電機(jī)側(cè)逆變器控制并聯(lián)的4個(gè)牽引電機(jī)。

牽引控制單元需要采集網(wǎng)側(cè)電壓、主變壓器電流、四象限輸入電流和電機(jī)三相電流等重要模擬量用于牽引控制單元的控制，為牽引變流器等的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供基礎(chǔ)。牽引控制單元專(zhuān)有預(yù)留一個(gè)6U板卡接口，這個(gè)接口上具有模擬量測(cè)量值和數(shù)字量測(cè)量值，其中模擬量測(cè)量值包括牽引變流器中間電壓、逆變器三相電流、輔助變流器輸入電流、網(wǎng)壓、變壓器電流等；數(shù)字量測(cè)量值包括全部封鎖信號(hào)、制動(dòng)斬波脈沖、逆變器開(kāi)關(guān)管控制脈沖及反饋信號(hào)、四象限開(kāi)關(guān)管控制脈沖及反饋信號(hào)等。其中模擬量均為雙端輸入的差分信號(hào)，輸入信號(hào)范圍為±10 V，信號(hào)頻率＜1 k Hz；數(shù)字量均為T(mén)TL電平標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，信號(hào)頻率＜1 k Hz。

為了對(duì)這些模擬量和數(shù)字量的測(cè)量值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，設(shè)計(jì)了一種牽引控制單元數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，下面給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集硬件板卡、嵌入式操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄軟件、數(shù)據(jù)解析和瀏覽軟件組成。

數(shù)據(jù)采集硬件板卡采用6U單板的方式，既減小了系統(tǒng)的尺寸，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)底板接口引入模擬量和數(shù)字量。系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，數(shù)據(jù)記錄軟件自動(dòng)運(yùn)行，開(kāi)始對(duì)各路模擬量和數(shù)字量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)采集模塊具有以太網(wǎng)和USB接口，當(dāng)列車(chē)?？炕蛘哌M(jìn)入維修庫(kù)后，檢修人員可以通過(guò)以太網(wǎng)或者USB接口將筆記本電腦與牽引控制單元數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，下載列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中記錄的采集數(shù)據(jù)。然后通過(guò)數(shù)據(jù)解析和瀏覽軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解析，并可以以圖形曲線的方式瀏覽各個(gè)通道、各個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)波形。

2 硬件設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用嵌入式核心板加擴(kuò)展板的形式，將核心板嵌入到擴(kuò)展板中，在擴(kuò)展板上根據(jù)需要引出以太網(wǎng)、USB、VGA、鍵盤(pán)鼠標(biāo)等接口。

圖1 牽引控制單元數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件框圖

2．1 模擬量采集

模擬量的采集采用單極／雙極可編程輸入AD轉(zhuǎn)換器AD7612。AD7612具有±10 V的輸入范圍，16位的分辨率，最高轉(zhuǎn)換速率為750 k Hz［3］。采取多路復(fù)用的形式，通過(guò)模擬多路開(kāi)關(guān)，用一片AD7612對(duì)16個(gè)通道的雙端模擬量輸入進(jìn)行采集，這樣每個(gè)模擬通道的平均采集頻率約為45 k Hz，而各個(gè)通道模擬量的信號(hào)頻率都不超過(guò)1 k Hz，可見(jiàn)完全能夠滿(mǎn)足采集的需要。

2．2 數(shù)字量采集

40路數(shù)字量通過(guò)帶輸出使能的電平位移總線開(kāi)關(guān)接到PCI接口的16位數(shù)據(jù)總線上，共分為3組，前兩組均為16位，第3組為8位，各組數(shù)字量的切換通過(guò)FPGA來(lái)控制。

2．3 緩存及接口

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)一片Xilinx公司的XC3S200 FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的模擬量和數(shù)字量的緩存，并與PCI接口芯片PCI 9054進(jìn)行接口，使得采集到的模擬量和數(shù)字量經(jīng)過(guò)緩存后通過(guò)PCI總線傳送給中央處理單元。ADC的多路選通以及電平位移總線開(kāi)關(guān)的片選等控制信號(hào)也由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。FPGA也給出幾個(gè)LED指示燈的控制信號(hào)，以指示電源、ADC、存儲(chǔ)器等的工作狀態(tài)。

2．4 中央處理單元

中央處理單元為一個(gè)嵌入式核心板，具有PCI、IDE、以太網(wǎng)、USB、VGA、鍵盤(pán)鼠標(biāo)等多種接口。將此核心固定在擴(kuò)展板上，并通過(guò)擴(kuò)展板將USB、VGA、以太網(wǎng)、鍵盤(pán)鼠標(biāo)等接口引出。中央處理單元通過(guò)PCI接口芯片PCI 9054與FPGA進(jìn)行接口。

2．5 系統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備及外圍接口

系統(tǒng)的存儲(chǔ)方案采取存儲(chǔ)盤(pán)和系統(tǒng)盤(pán)分開(kāi)的方式，以保證系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性。采用一片容量為1G的Chip Disk作為系統(tǒng)盤(pán)，采用一個(gè)容量為16G的CF卡作為存儲(chǔ)盤(pán)；系統(tǒng)預(yù)留FLASH IDE的接口，以便為以后擴(kuò)展更大的存儲(chǔ)容量做準(zhǔn)備。通過(guò)擴(kuò)展板引出USB、VGA、以太網(wǎng)、鍵盤(pán)鼠標(biāo)等接口。其中以太網(wǎng)接口用于下載數(shù)據(jù)，而VGA和鍵盤(pán)鼠標(biāo)接口則用于系統(tǒng)調(diào)試。

3 軟件設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)

牽引控制單元數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件由操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)軟件、數(shù)據(jù)記錄軟件，數(shù)據(jù)解析和瀏覽軟件組成。

3．1 操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)軟件

數(shù)據(jù)采集板卡上運(yùn)行有操作系統(tǒng)。嵌入式 Windows XP（Windows XP Embedded），Windows XP Embedded是組件化的操作系統(tǒng)，包含近12 000個(gè)獨(dú)立組件，內(nèi)置約9 000個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，軟硬件兼容性相當(dāng)突出。Windows XP Embedded構(gòu)建在已通過(guò)驗(yàn)證的Windows 2000代碼庫(kù)基礎(chǔ)之上，采用與 Windows XP Professional完全相同的二進(jìn)制代碼。因此在 Windows 2000／XP桌面操作系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序都可以不加修改地遷移到Windows XP Embedded上來(lái)。所需的工作僅僅是在操作系統(tǒng)映像中選擇加入相應(yīng)的支持組件，大大降低了驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)難度，縮短了開(kāi)發(fā)周期。作為一款嵌入式操作系統(tǒng)，Windows XP Embedded既保持了 Windows 2000／XP桌面操作系統(tǒng)的兼容性，又增加了系統(tǒng)可裁剪，高度可定制及增強(qiáng)寫(xiě)過(guò)濾等特性，避免了體積龐大等問(wèn)題。因此在這里選取Windows XP Embedded作為數(shù)據(jù)采集板卡上的操作系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集板卡的驅(qū)動(dòng)包括驅(qū)動(dòng)主體文件以及動(dòng)態(tài)和靜態(tài)鏈接庫(kù)文件。通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序，能夠快速把數(shù)據(jù)采集模塊集成到基于Windows的應(yīng)用環(huán)境，屏蔽了實(shí)際的硬件系統(tǒng)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)提供的API函數(shù)接口，用戶(hù)可以方便快捷地面對(duì)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，也可使應(yīng)用系統(tǒng)具有較好的移植性。

3．2 數(shù)據(jù)記錄軟件

數(shù)據(jù)記錄軟件記錄采集到的16路模擬量和40路數(shù)字量值，并以二進(jìn)制文件形式存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)記錄軟件的程序流程圖如圖2所示。

為了節(jié)省存儲(chǔ)空間，提高存儲(chǔ)效率，將采集到的數(shù)據(jù)直接以二進(jìn)制的格式存儲(chǔ)。把數(shù)據(jù)寫(xiě)入二進(jìn)制文件并存儲(chǔ)到特定的路徑下，其中模擬量和數(shù)字量分開(kāi)存儲(chǔ)在不同的文件。16個(gè)模擬通道連續(xù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的模擬量文件中，由于AD分辨率為16位，因此在每個(gè)采樣周期內(nèi)16個(gè)模擬通道占32個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間；40路數(shù)字通道也連續(xù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的數(shù)字量文件中，在每個(gè)采樣周期內(nèi)40個(gè)數(shù)字通道占5個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間。二進(jìn)制文件的命名格式為：年－月－日－時(shí)－分－秒－數(shù)據(jù)類(lèi)型，其中數(shù)據(jù)類(lèi)型“A”表示模擬量，“D”表示數(shù)字量。以2010－11－20－17－31－39－A．dat為例，表示此文件從2010年11月20日17時(shí)31分39秒開(kāi)始記錄，記錄的是模擬量。對(duì)于記錄模擬量的文件，當(dāng)文件大小超過(guò)5 MB后，即關(guān)閉此文件，自動(dòng)創(chuàng)建新的文件，繼續(xù)記錄模擬量數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)記錄軟件程序流程圖

將數(shù)據(jù)記錄軟件所在路徑加入操作系統(tǒng)注冊(cè)表，做成開(kāi)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行的形式。把數(shù)據(jù)采集板卡插入牽引控制單元機(jī)箱中相應(yīng)的板卡插槽，當(dāng)牽引控制單元上電后，數(shù)據(jù)采集板卡啟動(dòng)，數(shù)據(jù)記錄軟件自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行。

為了避免數(shù)據(jù)采集板卡頻繁掉電導(dǎo)致操作系統(tǒng)崩潰，將Windows XP Embedded操作系統(tǒng)做成寫(xiě)保護(hù)的形式，當(dāng)重新上電后系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)，這樣就保證了系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3．3 數(shù)據(jù)解析和瀏覽軟件

數(shù)據(jù)記錄完畢后，可以通過(guò)以太網(wǎng)接口，以網(wǎng)上鄰居的方式將數(shù)據(jù)下載下來(lái)，以供離線解析、瀏覽和分析之用。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)記錄時(shí)，是將多個(gè)通道數(shù)據(jù)放在一個(gè)二進(jìn)制文件中進(jìn)行存儲(chǔ)的。因此將數(shù)據(jù)下載到主機(jī)后，應(yīng)將各通道的數(shù)據(jù)分離出來(lái)，以便于查看和分析。

根據(jù)數(shù)據(jù)記錄時(shí)約定的格式，通過(guò)數(shù)據(jù)解析和瀏覽軟件對(duì)原始的二進(jìn)制記錄文件進(jìn)行解析。在程序中選擇一個(gè)或多個(gè)原始的二進(jìn)制文件，點(diǎn)擊“轉(zhuǎn)換文件”按鈕，開(kāi)始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。開(kāi)始轉(zhuǎn)換后，程序自動(dòng)在原始文件所在目錄下為每個(gè)通道建立一個(gè)文件夾，然后將此通道的數(shù)據(jù)存放在相應(yīng)的目錄下。轉(zhuǎn)換后的文件為txt格式的文本文件。

對(duì)于數(shù)據(jù)的瀏覽，采用TeeChart圖表控件對(duì)各通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制，以便于直觀地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽和分析。TeeChart控件支持用戶(hù)繪圖和打印，支持2D和3D效果，支持縮放和滾動(dòng)，是集成化的設(shè)計(jì)工具，只要很少的代碼就可以做成復(fù)雜、漂亮的圖表。

圖3 逆變器U、V、W三相電流測(cè)量值的曲線圖

數(shù)據(jù)解析和瀏覽軟件的曲線繪制界面可以同時(shí)查看多個(gè)通道的數(shù)據(jù)，這樣就可以對(duì)同一時(shí)刻多個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)與功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證牽引控制單元數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件和軟件功能，對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，記錄30 min后通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了下載。然后通過(guò)數(shù)據(jù)解析和瀏覽軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和瀏覽。圖3為逆變器U、V、W三相電流測(cè)量值的曲線圖，從圖中可以看到三相電流為頻率相同的正弦波，并且具有固定的相位差，從圖中右側(cè)17：35：20時(shí)刻的豎線處可以

圖4為牽引變流器中間電壓測(cè)量值，以及兩個(gè)四象限整流器的電流測(cè)量值對(duì)應(yīng)的曲線圖?？梢?jiàn)兩個(gè)四象限整流器的電流均為頻率50 Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，牽引變流器的中間電壓測(cè)量值為平穩(wěn)的直流電壓。

圖4 牽引變流器中間電壓及四象限電流測(cè)量值

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)牽引控制單元中關(guān)鍵物理量的采集，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)包括采集模塊硬件、嵌入式操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄軟件、數(shù)據(jù)解析和瀏覽軟件。本系統(tǒng)能夠?qū)恳刂茊卧械年P(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)，并且能夠非常方便地下載，進(jìn)行離線數(shù)據(jù)解析和圖形化瀏覽。

［1］黃濟(jì)榮．電力牽引交流傳動(dòng)與控制［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999．

［2］陳伯時(shí)，陳敏遜．交流調(diào)速系統(tǒng)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998．

［3］Analog Devices．AD7612 Datasheet［M］．2006：1－32．