地鐵門控單元實時故障檢測裝置系統(tǒng)

高翔，張峰，張士文，張秀彬

地鐵門控單元實時故障檢測裝置系統(tǒng)

高翔，張峰，張士文，張秀彬

隨著城市軌道交通的普及，地鐵運行的安全性與可靠性越來越受到關注。其中，列車門控系統(tǒng)是與乘客人身安全相關的一項技術保障。鑒于進口設備的貿易壟斷性和技術封閉性，針對其原有技術缺陷，通過多工況下的外特性連續(xù)性能檢測采樣，研究并開發(fā)了一種新型的門控單元實時故障檢測裝置。該裝置實現(xiàn)了地鐵列車運行的實時故障檢測、記錄、分析與遠程交互控制功能，因此，能夠為地鐵的繁忙運行提供了一種高可靠性的安全保障技術。

門控單元；嵌入式系統(tǒng)；Android應用；故障檢測

0 引言

當前國內使用的地鐵列車尚有相當數量系由國外進口，外商出于出口設備的貿易壟斷性和技術封閉性之目的，一般不向需求方提供任何內特性參數及其故障分析與甄別技術，這就給地鐵運營單位對設備安全評估帶來極大的隱患。以地鐵列車門控單元為例，常見的維修和保障方式主要停留于離線式的維護，即將門控單元取下后，放置在專用的故障檢測平臺上對其進行檢測，這種維修方式延長了維修時間，不利于對故障的判斷，且其關鍵技術多在門控單元設備提供商處，列車運營方缺乏對門控單元有效的處理手段[1]。

本文針對地鐵列車門控單元的技術現(xiàn)狀，通過多工況下的外特性連續(xù)性能檢測采樣，掌握門控單元的構成和運行情況、通信協(xié)議、電路結構等相關技術原理和參數的基礎上，研制了一種可以隨車運行記錄門控單元故障的便攜式設備——地鐵門控單元實時故障檢測裝置系統(tǒng)。其記錄下的故障信息可以供維修保障、數據收集分析以及參考用，還可通過信息交互實現(xiàn)遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)基于高可靠性嵌入式系統(tǒng)和便攜式的集散設備對列車門控單元的狀態(tài)和故障參數進行檢測并記錄。與現(xiàn)有技術相比，具有實時性強、操作便捷、人機交互友好等優(yōu)點，具有較強的實用價值和推廣前景。

1 門控單元簡介

門控單元是地鐵門控系統(tǒng)的控制核心，負責驅動門電機開關門操作、狀態(tài)檢測、安全防護以及各種燈光聲音提示等控制功能[2]，是一個多輸入多輸出的控制盒。本文所研究的門控制單元，針對于iFE公司所生產的基于RS-485/232通信協(xié)議的PMC20-110R型門控單元。其外部配置有兩排16路輸入輸出接口，RS-232和RS-485兩個通訊端口。門控單元通過兩排16路的輸入輸出接口與外部電氣設備相連，完成對列車門控系統(tǒng)外部的電氣和機械設備的主要控制與檢測功能，通過RS-485通訊接口與列車車廂內通訊總線相連，完成同其他門控單元及車廂主控設備的通訊功能。門控單元接口結構如圖1suoshi ：

圖1 PMC20-110R型門控單元接口

在列車正常運行中，門控單元的RS-485接口與列車車廂上的RS-485通訊總線相連，通過RS-485與列車車廂的上級控制單元通訊，其中主要的通訊內容為車門的初始化、狀態(tài)信息以及車門故障信息。本文研究的主要對象就是基于RS-485通訊的相關信息，開發(fā)出以監(jiān)聽通訊信息為基礎的在線隨車故障檢測系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成：隨車故障記錄子系統(tǒng)和便攜式信息查詢子系統(tǒng)，系統(tǒng)結構設計方案如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)總體設計架構圖

隨車故障記錄子系統(tǒng)在不改變列車車廂原有通訊總線拓撲的情況下，掛載到通訊總線上，實時監(jiān)聽通訊總線上所有的通訊信息，并記錄相關狀態(tài)信息和故障信息，存儲于系統(tǒng)的SD卡中。便攜式信息查詢子系統(tǒng)通過藍牙方式可隨時與隨車故障記錄子系統(tǒng)通訊，完成隨車故障記錄子系統(tǒng)的相關設置以及問詢隨車故障記錄子系統(tǒng)中存儲的相關記錄信息，并顯示在人機界面上。由于兩個子系統(tǒng)均有便攜性要求，所以均采用嵌入式系統(tǒng)解決方案來完成兩個子系統(tǒng)方案的設計。

整個系統(tǒng)結構設計采用上位機與下位機的結構模式。作為下位機的隨車故障記錄子系統(tǒng)本身不帶任何人機交互功能，僅負責數據的采集記錄與通訊功能。而便攜式信息查詢子系統(tǒng)著重于提供一個良好的人機交互界面，輔之以通訊程序和相應的配置程序與下位機協(xié)調完成一個完整的測試任務。

3 隨車故障記錄子系統(tǒng)設計

隨車故障記錄子系統(tǒng)包含基于 Cortex-M 3為核心的STM 32微處理器的控制核心的硬件系統(tǒng)以及基于μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。其中硬件系統(tǒng)還包含RS-485數據采集模塊、基于SPI模式的SD卡讀寫模塊以及藍牙通訊模塊等功能模塊，對應的軟件系統(tǒng)中配置了相應的功能任務，通過μC/OS-II實時操作系統(tǒng)的調度來實現(xiàn)具體的功能，包括工作模式選擇、對RS-485數據總線上的數據采集、對采集數據進行識別、對識別后的數據進行解析翻譯、基于微型 FAT文件系統(tǒng)的數據管理、對有關數據的記錄與讀取、與便攜式信息查詢子系統(tǒng)進行藍牙通訊，通過這些任務的合理調度整合來實現(xiàn)其自身的完整功能。

3.1 隨車故障記錄子系統(tǒng)硬件設計

隨車故障記錄子系統(tǒng)硬件部分由上文所述的四個主要模塊組成。由STM 32控制模塊協(xié)調控制各模塊完成相應功能并負責對相關數據的處理和分析。其功能模塊框圖如圖3所示：

圖3 硬件功能模塊框圖

STM 32控制核心模塊以ST公司的STM 32F103ZET6微控制器芯片為核心[3]，外圍輔以電源電路、JTAG仿真調試電路、時鐘電路、Reset電路，使STM 32微控制器芯片可以正常工作并提供完成相應功能所需要的基本條件[4]。

RS-485采集模塊的設計采用Maxim公司的MAX485專用通訊芯片，將STM 32微控制器芯片中的通用同步異步收發(fā)機（USART）輸出的數字邏輯電平轉換為符合RS485總線協(xié)議的電氣信號，并將總線上的 RS485總線信號轉換為控制器芯片可以識別的信號輸入到芯片中以備進行進一步的處理。

SD卡模塊中，采用SPI模式對SD卡的引腳進行接線，使用3.3V的I/O電平，并在特定管腳接入上拉電阻以保證其正常工作。同時也留出接口，為以后設備升級提供可能。

藍牙通訊模塊是將標準的藍牙信號轉換為串口信號的模塊[5]，開發(fā)時只需要按照串口方式操作控制，提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期，并可以使開發(fā)人員更多的關注系統(tǒng)本身而不需要過多的研究通信底層知識。

3.2 隨車故障記錄子系統(tǒng)軟件設計

隨車故障記錄子系統(tǒng)軟件部分是基于μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)平臺開發(fā)的，開發(fā)過程分為操作系統(tǒng)移植、功能初始化模塊和主體功能任務開發(fā)等步驟。其中，μC/OS-II實時操作系統(tǒng)為開源操作系統(tǒng)，僅需要對其部分文件改寫之后便可移植到硬件平臺上；功能初始化配置模塊主要負責在μC/OS-II系統(tǒng)啟動前對系統(tǒng)及外圍組件完成初始化工作；主體功能任務是按照實時操作系統(tǒng)任務的思想，根據系統(tǒng)功能應用的要求進行設計，按照各自優(yōu)先級及資源信號配置由μC/OS-II統(tǒng)一調度以實現(xiàn)完整的軟件功能[6]。下面對功能任務部分進行詳細闡述。

按照功能模塊的思想，將需求不同的應用任務模塊進行分塊設計，核心的任務包括模式選擇任務模塊、監(jiān)聽任務模塊、記錄讀取任務模塊等。其中有些模塊并非都是單一的任務，需要信息收發(fā)任務進行同步合作，所以這些模塊中可能包含多個子任務或者多個功能函數。系統(tǒng)總體任務調度邏輯圖如圖4所示：

圖4 系統(tǒng)任務調度邏輯圖

3.2.1 模式選擇模塊

該模塊負責接收便攜式信息查詢子系統(tǒng)通過藍牙發(fā)送的模式選擇指令，根據指令的不同來選擇不同的工作模式。該模塊由兩個任務組成：指令接收任務和調度任務，兩者采用互斥信號量進行配合工作。其中，“缺省指令”執(zhí)行監(jiān)聽任務。其流程圖如圖5所示：

圖5 模式選擇任務模塊流程圖

3.2.2 監(jiān)聽模塊

監(jiān)聽模塊為本次設計中的中心模塊，由監(jiān)聽任務、狀態(tài)分析任務、SD卡寫入部分共同構成。其主要功能依次為循環(huán)采集列車門控單元的RS-485總線上的數據，對數據進行篩選和讀取，建立狀態(tài)分析任務，對數據幀進行解析，調用SD卡寫入操作，記錄對應的門控單元地址信息、狀態(tài)以及故障信息和時間信息。當狀態(tài)備份字中數據有改動時，再次進行解析，重復上述過程。任務流程如圖6所示：

圖6 監(jiān)聽模塊流程圖

SD卡寫入功能部分中的操作基于FatFS文件系統(tǒng)，可以通過w indows系統(tǒng)對其創(chuàng)建的文件直接進行操作。狀態(tài)分析任務根據監(jiān)聽任務中得到的 RS-485端口反饋幀進行分析，對門控單元回復的自診斷信息進行解碼和翻譯，得到門控單元的運行狀態(tài)和故障信息，達到收集和記錄數據的功能。

3.2.3 記錄讀取模塊

本任務主要負責將已經記錄的狀態(tài)或故障信息從SD卡的文件中讀取出來并通過藍牙發(fā)送到便攜式信息查詢子系統(tǒng)上。完成后自我銷毀并將控制權交還給調度任務。同樣也是基于FatFS文件系統(tǒng)進行相關的文件操作。

4 便攜式信息查詢子系統(tǒng)設計

便攜式信息查詢子系統(tǒng)包含安裝有Android操作系統(tǒng)的便攜移動終端設備以及運行在Android系統(tǒng)上的專用信息查詢應用軟件。本文的研究著重于開發(fā)一款兼容大部分Android系統(tǒng)智能移動終端的專用信息查詢應用軟件，僅需要將該軟件安裝于帶有藍牙設備的 Android智能移動終端上，就可以通過藍牙設備與隨車故障記錄子系統(tǒng)進行通訊完成相應的功能。該Android應用包含人機界面，通過藍牙控制模塊將指令發(fā)送給隨車故障記錄子系統(tǒng)，從而進行相關功能配置，通過藍牙控制模塊完成同隨車故障記錄子系統(tǒng)通訊，數據顯示與處理模塊完成相應信息的顯示以及對顯示信息的相關處理。此處著重對應用程序后臺設計進行介紹。

后臺應用程序主要負責通過藍牙與隨車故障記錄子系統(tǒng)進行信息交流，向隨車故障記錄子系統(tǒng)發(fā)送相關指令和接受隨車故障記錄子系統(tǒng)發(fā)送的信息并顯示。分為藍牙功能模塊、指令按鍵設置、數據顯示模塊。其功能框圖如圖7所示：

圖7 后臺程序功能框圖

該部分的所有功能均圍繞藍牙通訊模塊來實現(xiàn)，系統(tǒng)工作時，通過查找設備按鈕向周圍發(fā)出會話請求，周圍設備接收到會話請求后給出回復，完成連接后，將這個外部設備實例化到程序中的藍牙設備對象以供后面的程序調用。

5 系統(tǒng)測試與驗證

測試采用模擬對象運行環(huán)境測試的方法，即采用一種基于半實物仿真技術的測控平臺來為門控單元提供一個模擬的正常運行環(huán)境，讓門控單元在這種環(huán)境下運行，掛載本系統(tǒng)對其進行故障記錄，來完成對本系統(tǒng)的測試。

該實驗的檢測對象是內部安全繼電器故障、電機驅動電路故障以及輸出口A8短路的PMC20-110R型門控單元。根據已知的門控單元通信協(xié)議，通過隨車故障記錄儀的監(jiān)聽和解析，將不同編碼對應的信息翻譯成便于理解的故障信息，再將故障信息通過藍牙發(fā)送至便攜式信息查詢子系統(tǒng)，得到了正確的故障檢測結果，驗證了本系統(tǒng)對此型號門控單元檢測的有效性。顯示結果如圖8所示：

圖8 隨車故障記錄儀工作界面

圖中左半部分為用戶操作部分，包含功能按鈕和藍牙元件地址列表。右半部分為檢測信息顯示部分，通過一個帶下拉滑塊的文本視圖來顯示信息。在顯示框中，“Monitoring!”表示系統(tǒng)正在進行監(jiān)聽，當檢測到有重大故障時會顯示“Major Fault”和具體故障信息，本次實驗采用的故障門控系統(tǒng)的具體故障均有顯示和記錄，可以為判斷故障和維修提供依據。

6 結論

本文所提供的一種基于嵌入式系統(tǒng)的地鐵門控單元實時故障檢測裝置系統(tǒng)，包含一個掛載在車輛門控系統(tǒng)總線上的監(jiān)測子系統(tǒng)和一個Android便攜設備的查詢子系統(tǒng)，可實現(xiàn)對門控單元在線故障監(jiān)測與記錄的功能。在列車運行過程中，隨車故障記錄子系統(tǒng)實時記錄門控單元所有的列車控制信號和狀態(tài)變化。便攜式信息查詢子系統(tǒng)隨時與隨車故障記錄子系統(tǒng)通過藍牙連接，對列車門控單元的實時狀態(tài)和故障信息進行查看，或者查詢已保存的歷史記錄。因此，一旦列車出現(xiàn)故障，系統(tǒng)能夠在實時記錄的基礎上實現(xiàn)與營運人員的遠程信息交互以保障故障的事實排除。通過實驗驗證了該系統(tǒng)工作的正確性，可正確反映和記錄門控單元的故障信息，并為門控單元故障檢測和維修提供技術支持和理論積累。

[1] 張?zhí)燔?，崔鳳釗，殷培強. 城市軌道車輛可移動式試驗臺研制[J]. 鐵道車輛，2012，50(10): 36-37.

[2] 李亞東.南京地鐵車輛門控制器功能及常見故障初探[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2009,(4):40-42.

[3] ARM Cortex-M 3 Technical Reference Manual. ARM Lim ited,2006.

[4] 喻金錢,喻斌.STM 32F系列ARM Cortex-M 3核微控制器開發(fā)與應用[M].北京:清華大學出版社,2011.

[5] 魯新靈,簡偉,劉肖亨,等.基于BlueCore芯片的藍牙串行端口適配器和耳麥的實現(xiàn)[J].軍事通信技術,2003,24(1):17-20.

[6] 周航慈.基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的程序設計技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.

[7] 上海申通地鐵公司. 車輛門控系統(tǒng)資料. 2003.

A Real Time Fault Detection System for M etro Door Control Unit

Gao Xiang, Zhang Feng, Zhang Shiwen, Zhang Xiubin
(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

With the popularization of the city metro system, the safety and reliability of train vehicle cause more and more attention. Door control unit is a technical guarantee for passengers’ safety. Because of the monopoly trading powers and the blockade on new techniques of imported equipment, this paper designs a real time fault detection system for metro door control units, which can detect external characteristics and continuation properties under multi conditions. The system realizes the functions of real time fault detection, logging, analysis and interactive remote control for metro while running, which can provide high reliable safety insurance for metro’s busy running.

Door Control Unit; Embedded System; Android App; Fault Detection

G642

A

2014.04.25）

高 翔（1990-），男，上海交通大學電子信息與電氣工程學院，碩士研究生，研究方向：電子信息工程、微機控制系統(tǒng)、電工理論與新技術，上海，200240

張 峰（1968-），男，博士，上海交通大學電子信息與電氣工程學院，教授，博士生導師，研究方向：電工理論與新技術、軌道交通電氣自動化、電力電子，上海，200240

張士文（1976-），男，博士研究生，上海交通大學電子信息與電氣工程學院，講師，研究方向：電工理論與新技術、微機控制系統(tǒng)，上海，200240

張秀彬（1946-），男，福州人，上海交通大學電子信息與電氣工程學院，教授、博士生導師；研究方向：電子信息與系統(tǒng)工程、電氣工程與自動化、模式識別與智能控制，上海，200240

1007-757X(2014)11-0041-03