應(yīng)用于地鐵車輛的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)

曾桂珍，金 意

（華東交通大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江西南昌330013）

隨著國內(nèi)符合列車通信網(wǎng)絡(luò)（train communication network，TCN）標(biāo)準(zhǔn)的地鐵車輛廣泛地應(yīng)用，行車安全問題越來越受到人們的關(guān)注，對TCN地鐵車輛的維護(hù)是保證車輛行車安全的重要條件，車輛維護(hù)人員需要通過記錄設(shè)備對地鐵車輛運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)測和記錄，以方便對車輛運(yùn)行故障進(jìn)行快速準(zhǔn)確的定位及處理。

TCN標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種用于列車車載數(shù)據(jù)通信的現(xiàn)場總線：多功能列車總線（multifunction vehicle bus，MVB）和絞線式列車總線（wire train bus，WTB）。MVB 總線是快速的過程控制優(yōu)化的總線。目前國外地鐵車輛已完全實(shí)現(xiàn)了基于MVB總線的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，而國內(nèi)還沒有具有自主研發(fā)的應(yīng)用于地鐵車輛的MVB總線數(shù)據(jù)記錄設(shè)備［1-2］。

該文的MVB 總線數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)記錄設(shè)備和PC監(jiān)控計(jì)算機(jī)，其數(shù)據(jù)記錄設(shè)備符合IEC61375-1標(biāo)準(zhǔn)的MVB四類設(shè)備，具有256 M字節(jié)的數(shù)據(jù)存貯空間，其通過車輛的MVB網(wǎng)絡(luò)總線實(shí)時(shí)獲取車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)下來，通過以太網(wǎng)接口傳輸?shù)絇C 監(jiān)控計(jì)算機(jī)，以數(shù)據(jù)列表和圖表等方式進(jìn)行顯示［3］。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MVB總線數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of MVB bus data recording system

1 數(shù)據(jù)記錄設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)及組成

如圖2所示的一種基于ARM9核微處理器的MVB總線數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，包括核心處理器 ①、外圍配置電路 ② 和總線接口電路 ③。核心處理器是以32位ARM9處理器為核心。其中ARM9處理器選用Atmel公司的32位處理器AT91SAM9260，它內(nèi)嵌ARM926EJ-S核，帶8 K字節(jié)指令和8 K字節(jié)數(shù)據(jù)的高速緩存。工作頻率為180 MHz，處理速度為200 MIPS。具有擴(kuò)展總線接口EBI、SDRAM 控制器和靜態(tài)內(nèi)存（包括NAND Flash和Compact Flash），因?yàn)樯鲜龅耐鈬渲檬峭ㄟ^DMA方式訪問的，所以具有對片內(nèi)/外的內(nèi)存最大訪問速度。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of system hardware

外圍配置電路包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘、FLASH器件、SDRAM器件和電源管理電路。實(shí)時(shí)時(shí)鐘選用DALLAS公司的DS1629芯片，與核心處理器通過I2C總線進(jìn)行通信，提供萬年歷時(shí)間；FLASH器件選用AMD公司的AM29LV160 芯片，為核心處理器提供系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序的存貯介質(zhì)；SDRAM 器件選用MT48LC4M16A2芯片，為核心處理器提供所有程序的運(yùn)行空間；電源管理電路選用TPS75233和TPS75225芯片，分別為核心處理器提供3.3 V工作電壓和2.5 V內(nèi)核電壓。

總線接口電路包括RAM、MVBC協(xié)議控制器、MVB橋電路、以太網(wǎng)物理收發(fā)器、USB主接口、FPGA、CAN協(xié)議控制器、CAN收發(fā)器、RS232收發(fā)器和RS485收發(fā)器。RAM選用BS62LV4006器件，用來存貯核心處理器與MVBC協(xié)議控制器相互交換的通信數(shù)據(jù)；MVBC協(xié)議控制器選用Siemens公司的MVBCS1芯片，具有MVB 四類設(shè)備功能；MVB 橋電路是以RS485 協(xié)議控制器和光耦隔離器件為核心的，選用MAX3088和6N137芯片，具有RS485差分信號收發(fā)及電氣隔離功能；以太網(wǎng)物理收發(fā)器選用LXT971ALE器件，提供MAC物理介質(zhì)；USB主接口為標(biāo)準(zhǔn)的U盤雙層物理接口；RS232收發(fā)器和RS485收發(fā)器分別選用MAX232和MAX3088。以上的總線接口電路為核心處理器提供了MVB、以太網(wǎng)、USB、CAN、RS232和RS485總線接口。

2 數(shù)據(jù)記錄設(shè)備軟件結(jié)構(gòu)及組成

MVB總線分析設(shè)備嵌入了系統(tǒng)軟件、工程應(yīng)用軟件和MVB網(wǎng)絡(luò)診斷軟件。其中所述的系統(tǒng)軟件包括單元所使用的操作系統(tǒng)、板級支持包、MVB協(xié)議棧和驅(qū)動(dòng)軟件包；工程應(yīng)用軟件是面向應(yīng)用程序開發(fā)的軟件，簡稱為OpenPCS軟件，支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的所有功能；MVB網(wǎng)絡(luò)診斷軟件是MVB網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的診斷分析軟件，主要完成IEC61375標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的MVB總線管理功能，用于診斷和分析MVB網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況。

其中MVB協(xié)議棧是系統(tǒng)軟件的核心軟件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。用戶過程數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)通過應(yīng)用層調(diào)用過程鏈路層服務(wù)程序，把應(yīng)用數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)化成鏈路報(bào)文幀，并傳送到物理總線上，而用戶過程數(shù)據(jù)接收任務(wù)的過程相反；用戶監(jiān)視任務(wù)通過應(yīng)用層調(diào)用監(jiān)視鏈路層服務(wù)程序，通過不同的功能需求激活不同的鏈路服務(wù)，并將監(jiān)視報(bào)文幀傳送到物理總線上；用戶消息數(shù)據(jù)是在呼叫方和應(yīng)答方建立連接后，進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸。其呼叫和應(yīng)答過程如下：用戶應(yīng)用消息通過呼叫任務(wù)調(diào)用應(yīng)用層接口，進(jìn)行各種配置和表操作，再在會(huì)話層和傳送層接口中構(gòu)造TCB塊的內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)地址，然后在網(wǎng)絡(luò)層中進(jìn)行查表操作，得到網(wǎng)絡(luò)地址到鏈路地址的映射，并調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層的接口函數(shù)，最后在鏈路層加入鏈路頭，將消息放入?yún)f(xié)議控制器的發(fā)送隊(duì)列中，并發(fā)送到物理總線。用戶應(yīng)用消息的應(yīng)答處理過程相反［4］。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure chart of system software

3 PC機(jī)監(jiān)控軟件界面功能

PC機(jī)監(jiān)控軟件采用Borland C++編寫。監(jiān)控軟件的功能示意圖如圖4，運(yùn)行記錄文件包含兩種類型的數(shù)據(jù)：一般運(yùn)行數(shù)據(jù)和重要運(yùn)行數(shù)據(jù)。當(dāng)打開運(yùn)行記錄文件后，運(yùn)行數(shù)據(jù)列表中分別有兩種數(shù)據(jù)的列表顯示，這兩種列表對應(yīng)著不同的數(shù)據(jù)曲線。故障數(shù)據(jù)記錄文件中既包括實(shí)際運(yùn)行故障數(shù)據(jù)，也包括司機(jī)操作狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)際運(yùn)行故障數(shù)據(jù)記錄車輛各設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的信息，司機(jī)操作狀態(tài)數(shù)據(jù)包括司機(jī)進(jìn)行重要操作時(shí)的信息。打開故障數(shù)據(jù)記錄文件后故障信息和操作信息分別顯示在不同的列表中，也對應(yīng)著不同的匯總曲線。數(shù)據(jù)記錄設(shè)備記錄的累積數(shù)據(jù)記錄文件、試運(yùn)行記錄文件及滿載率記錄文件打開后分別以不同的數(shù)據(jù)列表形式顯示出來，這些數(shù)據(jù)從不同的側(cè)面反映車輛的運(yùn)行情況，為車輛的調(diào)試人員、管理人員提供有效的依據(jù)。下面是對重要運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線界面和故障診斷列表界面的說明［5］。

圖4 軟件功能示意圖Fig.4 Schematic diagram of software function

圖5為重要運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線，該界面顯示車輛運(yùn)行時(shí)的變量曲線，通過該界面用戶1次同時(shí)最多可以查看10條曲線，可以進(jìn)行曲線的拖動(dòng)、放大、縮小等操作，同時(shí)曲線界面具有雙游標(biāo)功能，用于指示各曲線變量的值及對應(yīng)時(shí)間值。

表1為2011年1月3日等級為3的車輛故障診斷數(shù)據(jù)列表，該列表詳細(xì)列出了車輛發(fā)生的故障信息，包括發(fā)生故障的日期時(shí)間、設(shè)備、發(fā)生解除、故障名稱、故障描述等信息及故障發(fā)生時(shí)的網(wǎng)壓、速度等環(huán)境信息。對故障的描述信息是專家經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，是對發(fā)生故障原因及解決措施的合理指導(dǎo)，極大地提高了車輛維護(hù)人員的工作效率。故障診斷信息列表提供了不同類型的排序及匯總操作，方便維護(hù)人員快速的從整體上了解車輛的故障發(fā)生情況［6-8］。

圖5 重要運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線Fig.5 Important operation data curve

表1 故障診斷列表Fig.1 Fault diagnosis list

5 結(jié)論

討論了一種基于地鐵車輛的MVB總線數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能，并詳細(xì)描述了該系統(tǒng)在某地鐵車輛運(yùn)行中的成功應(yīng)用。應(yīng)用的結(jié)果表明：通過該MVB總線數(shù)據(jù)記錄設(shè)備車輛維護(hù)人員能夠很好的了解地鐵車輛的運(yùn)行情況，結(jié)合運(yùn)行中產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)和預(yù)先建立的車輛故障診斷描述產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)報(bào)表加快了車輛維護(hù)人員對車輛運(yùn)行故障的分析判斷，提高了車輛運(yùn)行故障的判斷維護(hù)的效率；同時(shí)該系統(tǒng)也為車輛調(diào)試人員、管理人員也提供了非常有用的車輛運(yùn)行信息，為他們的決策過程提供有力的參考。

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