動(dòng)車組隨車監(jiān)測(cè)記錄儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡明忠 林建一

摘 要:為了保障動(dòng)車組的安全運(yùn)行和檢修維護(hù)的需要,開發(fā)設(shè)計(jì)了動(dòng)車組隨車監(jiān)測(cè)記錄儀。該記錄儀可以實(shí)時(shí)采集動(dòng)車組的運(yùn)行數(shù)據(jù),也可以通過串行通訊接收其它車載設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù),并用大容量U盤組成了海量信息存儲(chǔ)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)31天的動(dòng)車組運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障信息的采集、記錄和保存。為分析動(dòng)車組運(yùn)行狀況、查找動(dòng)車組運(yùn)行故障、提供檢修參考依據(jù)建立了重要基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)采集故障記錄海量存儲(chǔ)檢修維護(hù)

中圖分類號(hào):U266 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)05(b)-0012-02

隨著投入運(yùn)行的高速動(dòng)車組的數(shù)量不斷增長(zhǎng),對(duì)動(dòng)車組的維護(hù)、檢修工作量也不斷增加。由于動(dòng)車組的運(yùn)行-檢修機(jī)制的特殊性,要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成動(dòng)車組的全部維護(hù)、檢修工作。這是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。

為了幫助動(dòng)車組的檢修技術(shù)人員迅速、準(zhǔn)確地分析動(dòng)車組的運(yùn)行狀況、查找動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生的故障,我們研制了動(dòng)車組隨車監(jiān)測(cè)記錄儀。

動(dòng)車組的運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)量極大,它包括以下幾個(gè)方面的數(shù)據(jù)[1]:

①司機(jī)的操作參數(shù):司機(jī)手柄位置信號(hào),司機(jī)室各控制開關(guān)信號(hào)等;

②動(dòng)車組設(shè)備的運(yùn)行參數(shù):接觸網(wǎng)壓、牽引變壓器的電壓、電流,牽引電動(dòng)機(jī)的電壓、電流,各輔助發(fā)電機(jī)組的電壓、電流,制動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)壓等;

③動(dòng)車組的運(yùn)行參數(shù):速度、牽引功率、制動(dòng)功率等;

④其他參數(shù):日期、時(shí)間等。

對(duì)上述所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié),要滿足分析動(dòng)車組運(yùn)行工況和故障工況的要求,每秒鐘需要記錄的數(shù)據(jù)量為256個(gè)字節(jié)。這樣,動(dòng)車組若運(yùn)行24小時(shí)需記錄的數(shù)據(jù)量為256X3600X24=22118400字節(jié)。而若要求保存31天數(shù)據(jù)以備查用,所以機(jī)車數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)必須具有記錄和保存22118400X31=685670400字節(jié)(686兆字節(jié))的能力。對(duì)于這高達(dá)六百多兆字節(jié)數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ),一般單片機(jī)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)無法采用常用的存儲(chǔ)空間擴(kuò)展技術(shù)來實(shí)現(xiàn)(標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)的地址空間為64K字節(jié),采用一些特殊的存儲(chǔ)空間擴(kuò)展技術(shù)后,可將地址空間擴(kuò)展到數(shù)兆字節(jié)[2][3])。我們所設(shè)計(jì)的動(dòng)車組隨車監(jiān)測(cè)記錄儀,采用了高性能的嵌入式單片機(jī),可以實(shí)時(shí)采樣、記錄動(dòng)車組電氣控制柜中的邏輯控制信號(hào),也可以采用485串行通訊總線記錄其它車載設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù),并用大容量U盤組成了海量信息存儲(chǔ)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)31天的動(dòng)車組運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障信息的采集、記錄和保存。

1 動(dòng)車組隨車監(jiān)測(cè)記錄儀的組成

動(dòng)車組隨車監(jiān)測(cè)記錄儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

記錄儀以嵌入式單片機(jī)為控制核心,組合了輸入信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)顯示電路、485串行通訊電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、U盤存儲(chǔ)系統(tǒng)電路和USB高速數(shù)據(jù)傳輸接口電路等。嵌入式單片機(jī)通過輸入信號(hào)調(diào)理電路采集動(dòng)車組的運(yùn)行參數(shù),加入日期和實(shí)時(shí)時(shí)間,并可根據(jù)需要加入通過485通訊接口從其他車載設(shè)備傳輸過來的數(shù)據(jù),最后按256個(gè)字節(jié)一幀打包后存入U(xiǎn)盤存儲(chǔ)器。

記錄儀的USB高速數(shù)據(jù)傳輸接口可以將所保存的數(shù)據(jù)上載到筆記本電腦中。

圖1中,動(dòng)車組隨車監(jiān)測(cè)記錄儀具有顯示實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)顯示電路,可以幫助技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)讀取有關(guān)數(shù)據(jù),便于在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)動(dòng)車組的運(yùn)行狀態(tài)。

2 嵌入式單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

動(dòng)車組隨車監(jiān)測(cè)記錄儀采用了英飛凌公司生產(chǎn)的具有較高性能和較強(qiáng)抗干擾能力的XC164CS嵌入式單片機(jī)為控制核心。該嵌入式單片機(jī)的程序空間和內(nèi)存空間都較大(128KFlashROM和6K片上RAM),便于完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理并具有較強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力[4]。

嵌入式單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的U盤存儲(chǔ)系統(tǒng)程序框圖見圖2。在設(shè)計(jì)U盤存儲(chǔ)系統(tǒng)電路時(shí),考慮到今后的發(fā)展我們采用了2GB的大容量U盤作為存儲(chǔ)介質(zhì),保證了足夠的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間,實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)31天的機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障信息的采集、記錄和保存。

在記錄儀中還采用了獨(dú)立的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路DS12C887A。由時(shí)鐘電路提供的日期和時(shí)間可以使記錄的參數(shù)具有精確的時(shí)間定位。當(dāng)分析機(jī)車運(yùn)行狀況或故障狀況時(shí),精確的時(shí)間定位是必不可少的。而獨(dú)立實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路有利于提高時(shí)間精度并簡(jiǎn)化電路、提高記錄儀的可靠性和可維護(hù)性。

嵌入式單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的主程序框圖參見圖3。

圖3中,當(dāng)采集完動(dòng)車組的邏輯控制信號(hào)、加入日期和時(shí)間后,應(yīng)該先計(jì)算CRC校驗(yàn)碼并加入幀中。若需要加入從其它外部車載設(shè)備傳輸過來的數(shù)據(jù),再拆包數(shù)據(jù)幀,加入外部通訊數(shù)據(jù)后重新計(jì)算CRC校驗(yàn)碼并重新按256個(gè)字節(jié)一幀打包。這樣,以保證每一個(gè)數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)確性與完整性。

3 數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)軟件模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)技術(shù)人員需要用筆記本電腦讀取動(dòng)車組隨車監(jiān)測(cè)記錄儀所記錄的數(shù)據(jù)時(shí),可以使用專用信號(hào)傳輸電纜通過USB2.0高速數(shù)據(jù)傳輸接口將數(shù)據(jù)上載到筆記本電腦。

動(dòng)車組隨車監(jiān)測(cè)記錄儀自動(dòng)檢測(cè)專用信號(hào)傳輸電纜的接入與斷開,并通過握手信號(hào)與筆記本電腦建立通訊。由于采用了CRC校驗(yàn)碼(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))以及錯(cuò)誤數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制,使得高速數(shù)據(jù)傳輸模塊具有一定的軟件容錯(cuò)能力,從而保證了即使在機(jī)車運(yùn)行時(shí)存在強(qiáng)干擾的環(huán)境下,數(shù)據(jù)傳輸也有較高的可靠性。

記錄儀對(duì)傳輸電纜的自動(dòng)檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

在圖4所示的傳輸電纜自動(dòng)檢測(cè)模塊中,采用查詢方式讀取USB接口狀態(tài)。若有傳輸電纜接入U(xiǎn)SB接口。則嵌入式單片機(jī)保存完當(dāng)前數(shù)據(jù)緩存器中的數(shù)據(jù)幀、顯示正在與筆記本電腦通訊的信息后,即向筆記本電腦傳輸所記錄的數(shù)據(jù)。由于采用了USB2.0高速數(shù)據(jù)傳輸模式,故在數(shù)分鐘內(nèi)即可將所有數(shù)據(jù)傳輸完畢。

動(dòng)車組隨車監(jiān)測(cè)記錄儀還可以與其它車載設(shè)備之間通過具有較強(qiáng)的抗干擾能力的RS485總線傳輸所需要的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

我們?cè)O(shè)計(jì)的動(dòng)車組隨車監(jiān)測(cè)記錄儀安裝于上海鐵路局和鄭州鐵路局的CRH2動(dòng)車組后,經(jīng)過一年多的運(yùn)行表明:該記錄儀具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確可靠、數(shù)據(jù)記錄容量大等優(yōu)點(diǎn)。并在實(shí)際故障分析中提供了有效的數(shù)據(jù)證據(jù)。

動(dòng)車組隨車監(jiān)測(cè)記錄儀為分析動(dòng)車組運(yùn)行狀況、查找動(dòng)車組運(yùn)行故障、提供檢修參考依據(jù)做出了貢獻(xiàn),因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 連級(jí)三.電力牽引控制系統(tǒng).北京:中國(guó)鐵道出版社,2007.

[2] 何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1995.

[3] 徐愛鈞.智能化測(cè)量控制儀表原理與設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1995.