基于交換式以太網(wǎng)的高速動車組軸溫監(jiān)測系統(tǒng)

邱鴻基，賀德強(qiáng)

(廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧 530004)

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基于交換式以太網(wǎng)的高速動車組軸溫監(jiān)測系統(tǒng)

邱鴻基，賀德強(qiáng)

(廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧 530004)

國內(nèi)鐵路運(yùn)輸飛速發(fā)展，高速動車組的運(yùn)行速度進(jìn)一步提升。由于運(yùn)行速度的提升，高速動車組走行部分和齒輪箱的發(fā)熱增多，容易導(dǎo)致熱切軸。針對高速動車組在運(yùn)行中產(chǎn)生熱切軸現(xiàn)象，結(jié)合以往軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的總體構(gòu)成、原理和運(yùn)行中發(fā)生的故障情況，深入分析系統(tǒng)的故障原因，采用NuMicro Nuc140作為主控芯片設(shè)計了基于車載以太網(wǎng)的新型軸溫監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)試驗表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r、精確監(jiān)測高速運(yùn)行動車組的軸溫狀態(tài)，對保證高速動車組的安全運(yùn)行起到非常重要的作用。

動車組；溫度傳感器；監(jiān)測系統(tǒng)；軸溫狀態(tài)

0 引言

隨著我國鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，高速動車組的運(yùn)行速度已經(jīng)突破了350 km/h，確保高速動車組運(yùn)營秩序和提高動車組的安全性、可靠性的矛盾日益尖銳[1]。由于運(yùn)行速度的提升，牽引功率增大，使得動車組與鋼軌的沖擊、動力效應(yīng)和振動增大，導(dǎo)致動車組走行部分和齒輪箱的發(fā)熱增多，當(dāng)軸承和大、小齒輪發(fā)生磨損或者產(chǎn)生缺陷時，非正常發(fā)熱增大，就會影響動車組的運(yùn)行安全[2]，因此對動車組運(yùn)行安全提出了更高的要求。

當(dāng)有異常升溫時，則說明軸承運(yùn)用條件惡化，潤滑條件變壞，造成軸承零件變形，工作間隙發(fā)生變化，摩擦磨損加劇。更有甚者，造成動車組燃軸事故，如不及時發(fā)現(xiàn)處理，會導(dǎo)致嚴(yán)重的行車事故。因此，必須對軸溫進(jìn)行實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題報警提醒工作人員及時采取措施，以確保動車組的行車安全。文中介紹一種以32位ARM Cortex-M0內(nèi)核的NuMicro Nuc140作為主控芯片的軸溫監(jiān)測系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的8/16位MCU相比，基于Cortex-M0構(gòu)架的32位MCU功耗低、代碼占用空間小。

在監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方面，針對現(xiàn)有高速動車組軸溫監(jiān)測系統(tǒng)無法通過可靠的跨車網(wǎng)絡(luò)把監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至司機(jī)室和地面這一問題，設(shè)計采用車載以太網(wǎng)，通過RS232/Ethernet網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)車載以太網(wǎng)和RS232總線互聯(lián)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[3]。

1 新型軸溫監(jiān)測系統(tǒng)

1．1 系統(tǒng)構(gòu)成

高速動車組的所有車輛都應(yīng)配備軸溫監(jiān)測系統(tǒng)，軸溫監(jiān)測系統(tǒng)用于轉(zhuǎn)向架軸端溫度和齒輪箱溫度的采集、診斷及與列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的信息交換[4]。溫度傳感器安裝在轉(zhuǎn)向架各個軸端的軸箱上，通過電纜直接與軸溫監(jiān)測裝置相連。軸溫監(jiān)測裝置安裝在列車電氣柜內(nèi)，負(fù)責(zé)傳感器狀態(tài)診斷、傳感器溫度采集和溫度數(shù)據(jù)的分析整理，并將傳感器狀態(tài)和溫度狀態(tài)實時的傳送給列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。根據(jù)該系統(tǒng)監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)，車輛維修人員能夠準(zhǔn)確地了解運(yùn)行車輛軸承的技術(shù)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)熱軸故障，采取預(yù)防措施，避免軸承熱切造成重大行車事故。

主要技術(shù)參數(shù)：供電電壓為DC110 V；監(jiān)測范圍為-55～125 ℃；數(shù)據(jù)精度為系統(tǒng)測量誤差不大于±1 ℃；通道數(shù)量為12路數(shù)字信號輸入；報警方式為語音報警；通信方式為RS232、以太網(wǎng)總線通信。

1．2 溫度傳感器配置

高速動車組由多節(jié)車廂聯(lián)鎖組成，按照動力劃分為動車單元和拖車單元。假設(shè)高速動車組已知被監(jiān)測的車輛數(shù)為m，在每一車輛上設(shè)置n個測點信號，在每一被測車輛上設(shè)車廂級子系統(tǒng)，控制信號的采樣、數(shù)據(jù)分析和特征量的提取，并將特征參數(shù)通過列車總線，即車載以太網(wǎng)總線，傳輸給動車組司機(jī)室列車級管理單元。動車組軸溫監(jiān)測系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 動車組軸溫監(jiān)測系統(tǒng)模型

每節(jié)動車組車廂有2個轉(zhuǎn)向架，每個轉(zhuǎn)向架上有2根車軸，每根車軸兩端各有1個軸箱。在監(jiān)測節(jié)點的配置過程中，在每個軸箱上安裝1個溫度傳感器。此外，溫升是判斷軸承狀態(tài)的一個重要參數(shù)，在設(shè)計中，每節(jié)車廂另外配置一個溫度傳感器，用于監(jiān)測動車組行駛過程中的環(huán)境溫度。

采用接觸式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該溫度傳感器僅有3個引腳( GND、DQ、VDD)，通過一根數(shù)據(jù)線，它可以直接輸出所測溫度的數(shù)字量。其特性主要有：測量范圍為-55～125 ℃；測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送；單總線接口，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量[5]；每個DS18B20內(nèi)部固化唯一的64位序列號，根據(jù)這一特性，可在1根數(shù)據(jù)線上并聯(lián)多個DS18B20，實現(xiàn)對不同軸承位置的監(jiān)測。

1．3 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)由動車組各個車廂的監(jiān)測控制單元和安裝在軸承端的傳感單元組成。采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為傳感單元；監(jiān)測控制單元負(fù)責(zé)接收、處理和存儲各監(jiān)測節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，通過RS232轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接口模塊，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)總線傳輸?shù)轿挥趧榆嚱M司機(jī)室的列車級管理單元；當(dāng)監(jiān)測所得軸溫超過限定值時，語音報警器發(fā)出提示，提醒工作人員采取相應(yīng)措施。整個系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 軸溫監(jiān)測系統(tǒng)框架

2 硬件電路設(shè)計

2．1 NUC140微控制器

NUC140微控制器模塊：對溫度傳感器模塊采集的數(shù)字信號進(jìn)行處理、存儲和顯示。

主控芯片采用NUC140VE3CN，NUC140VE3CN是一款內(nèi)嵌32位ARM Cortex-M0核的微控制器，帶全速USB 2．0和CAN功能，最高可運(yùn)行至50 MHz，內(nèi)建128 K字節(jié)的Flash存儲器，以及16 K字節(jié)SRAM，4 K字節(jié)用于存儲ISP引導(dǎo)代碼的ROM，和4 K字節(jié)的數(shù)據(jù)Flash存儲器。另外還有豐富的外設(shè)，如定時器、看門狗定時器、RTC、PDMA、UART、SPI、IIC、IIS，PWM定時器、GPIO、LIN、CAN、PS/2、USB2．0 FS設(shè)備、12位ADC、模擬比較器、低電壓復(fù)位控制和欠壓檢測功能等。

2．2 存儲模塊

該系統(tǒng)的存儲模塊主要用于軸溫監(jiān)測記錄的存儲，存儲器采用W25X16。W25X16是一款16M字節(jié)容量的Flash芯片，擦寫周期為10000次，工作電壓為2．7～3．6 V，支持標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口。

2．3 RS232轉(zhuǎn)Ethernet模塊

目前配備的高速動車組軸溫監(jiān)測系統(tǒng)無法通過可靠性跨車網(wǎng)絡(luò)把監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至司機(jī)室和地面，針對這一問題，設(shè)計采用車載以太網(wǎng)，通過RS232/Ethernet網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)車載以太網(wǎng)和RS232總線互聯(lián)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

RS232轉(zhuǎn)Ethernet模塊實現(xiàn)了TCP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包或UDP數(shù)據(jù)包與RS232接口數(shù)據(jù)間的透明傳輸。模塊集成10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，支持AUTO MDI/MDIX，可使用交叉網(wǎng)線或平行網(wǎng)線連接，串口通信最高波特率高達(dá)230．4 kbps，具有TCP Server，TCP Client，UDP工作模式，框架如圖3 所示。

圖3 RS232轉(zhuǎn)Ethernet框架

設(shè)計采用ICL3223作為RS232數(shù)據(jù)接收發(fā)送單元，LM3S6432作為串行至以太網(wǎng)控制單元。LM3S6432具有高效性能，并集成了片上10/100MB以太網(wǎng)MAC和PHY的微控制器單元，可高效處理網(wǎng)絡(luò)流量。

以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制的基礎(chǔ)是具有沖突檢測的載波偵聽多路訪問機(jī)制，以太網(wǎng)幀就是這些內(nèi)容的決定因素。幀由8個字段組成，每一字段有一定含義和用途。最小幀長度為64字節(jié)，其中數(shù)據(jù)部分為46字節(jié)，若數(shù)據(jù)部分的內(nèi)容不足46字節(jié)，則使用填充字段的方式來達(dá)到要求。

2．4 電源和時鐘模塊設(shè)計

該系統(tǒng)除了主控芯片NUC140VE3CN微控制器外，還包括電源以及有源晶振等外圍模塊。在系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，盡可能降低系統(tǒng)功耗，對整個電路的電源管理至關(guān)重要。NUC140系列微控制器正常工作的電壓范圍為 2．5～5．5 V，高速動車組司機(jī)控制室設(shè)置有DC 110 V電源輸出端，DC 110 V轉(zhuǎn)5 V電源采用DC/DC隔離寬電壓單路電源模塊XZR05/110S05，其輸出電壓DC 5．1 V，輸入電壓DC 72～144 V，電路如圖 4 所示。

圖4 DC110V轉(zhuǎn)5V原理圖

利用芯片RT9164 A將5 V直流電壓轉(zhuǎn)換為3．3 V直流電壓，為主控芯片的正常工作提供3．3 V直流電壓。

為了使整個溫度采集系統(tǒng)有條理地正常工作，在時鐘模塊的設(shè)計過程中，除了主控芯片內(nèi)部自帶的22．118 4 MHz振蕩源外，另外設(shè)計了32．768 kHz和12 MHz兩個晶振模塊。

3 交換式以太網(wǎng)實時性能分析及通信程序設(shè)計

3．1 交換式以太網(wǎng)實時性能分析

在列車通信網(wǎng)絡(luò)中，采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)中心設(shè)備為交換機(jī)時，該網(wǎng)絡(luò)為交換式以太網(wǎng)。區(qū)別于共享式以太網(wǎng)采用的是CSMA/CD作為MAC層的協(xié)議，交換式以太網(wǎng)主要是通過檢測MAC地址來通信。在交換式以太網(wǎng)中，發(fā)送某一報文的時延主要有以下幾個因素，如圖5所示。

圖5 交換式以太網(wǎng)延時分析模型

由交換機(jī)的原理可以得知，在內(nèi)部需要發(fā)送多個數(shù)據(jù)包時，會出現(xiàn)排隊現(xiàn)象，相應(yīng)的就會產(chǎn)生延時[6]，假如在交換機(jī)緩存區(qū)里有n個排隊數(shù)據(jù)包，在不考慮相關(guān)協(xié)議及設(shè)備延時的情況下，則下一個數(shù)據(jù)包需要等待的時間為Tswitch(n+1)：

(1)

式中：FrameL(k)為幀長度，72 B≤FrameL(k)≤1 526 B；vswitch為交換機(jī)的通信速率；Tinterval為數(shù)據(jù)幀傳輸間隔，在以太網(wǎng)協(xié)議中規(guī)定Tinterval為發(fā)送96 bits數(shù)據(jù)需要的時間，即Tinterval=96/vswitch.

再加上信息傳播時延Ttran，以及系統(tǒng)通信帶寬時延Tfra，則第n+1個數(shù)據(jù)的時間延遲Tdelay(n+1)為

(2)

將相關(guān)公式代入后，得

(3)

假設(shè)在列車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，某一時刻有20個節(jié)點進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)請求，則

(4)

式中：vswitch=100 Mbps；vbw=100 Mbps；vtran=2．0×108m/s；L=100 m.

該節(jié)點延時Tdelay(20)為

(5)

通過計算，得出：當(dāng)發(fā)送幀長度為72 Byte時，延時值為0．133 ms；當(dāng)發(fā)送幀長度為1 526 Byte時，延時值為2．46 ms。相比較共享式以太網(wǎng)的延時，這個延時小很多，有更好的實時性能。

當(dāng)數(shù)據(jù)幀長度為72 Byte時，繪出時延大小Tdelay與帶寬vbw的關(guān)系圖，如圖6所示。

圖6 交換式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時延MATLAB簡圖

3．2 以太網(wǎng)通信程序設(shè)計

程序采用Keil uVision進(jìn)行編寫，溫度傳感器DS18B20獲取軸承溫度，傳送到控制模塊進(jìn)行處理和存儲，并通過以太網(wǎng)總線傳送到司機(jī)室的列車級管理單元。列車級管理單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以后，如果需要報警，則發(fā)送指令給顯示模塊，顯示模塊根據(jù)指令進(jìn)行報警顯示。

利用Socket是實現(xiàn)以太網(wǎng)通信最簡單有效的辦法。使用Socket可以不用關(guān)心底層TCP/IP的具體實現(xiàn)，只需要通過插口調(diào)動就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的接收與發(fā)送。

建立Socket通信的基本流程是：

服務(wù)端首先建立Socket，返回該Socket的描述符；配置Socket的端口和IP地址；建立監(jiān)聽，檢測是否有到接收隊列中；從接收隊列中接收一個請求；并向客戶端發(fā)送確認(rèn)連接信息。

客戶端建立一個Socket，返回該Socket的描述符；配置Socket端口和IP地址；向服務(wù)器發(fā)送連接請求，并接收服務(wù)器發(fā)回的確認(rèn)連接信息后，開始通信。

4 結(jié)束語

隨著技術(shù)的不斷更新，改進(jìn)軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的性能將為高速動車組的運(yùn)行及發(fā)展提供有力的保障。文中針對當(dāng)前軸溫監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、后續(xù)信號處理繁瑣、可靠性差的不足，結(jié)合車載以太網(wǎng)技術(shù)，研制開發(fā)的新一代高速動車組軸溫監(jiān)測系統(tǒng)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠的特點，滿足了高速動車組發(fā)展的需要。

[1] 王華勝．動車組整車可靠性的驗證方法．中國鐵道科學(xué)，2010，31(3)：82-86．

[2] 張文忠，哈大雷，王 乾．新一代高速動車組CRH380C軸溫監(jiān)測系統(tǒng)．機(jī)車電傳動，2012(6)：71-73．

[3] 賀德強(qiáng)，路向陽．基于工業(yè)以太網(wǎng)的地鐵列車信息顯示器研究與開發(fā)．制造業(yè)自動化，2009，31(6)：37-39．

[4] 張 斌，蔡善樂，基于PLC的機(jī)車軸溫及車頂高壓報警裝置設(shè)計．自動化儀表，2007，28(9)：60-62．

[5] 劉 鳴，車立新，陳興梧，等．?dāng)?shù)字溫度傳感器DS18B20的特性及程序設(shè)計方法．電測與儀表，2001，38(4)：47-51．

[6] 宮麗寧．交換式工業(yè)以太網(wǎng)的實時性研究：[學(xué)位論文]．太原：太原科技大學(xué)，2008．

作者簡介：邱鴻基(1986—)，碩士研究生，研究方向為檢測與信息處理、嵌入式系統(tǒng)。E-mail：382978756@qq．com 賀德強(qiáng)(1973—)，教授，博士，主要研究方向為列車故障依斷與智能維護(hù)、列車信息系統(tǒng)。E-mail：hdqianglqy@126．com

Axle Temperature of High-speed EMUs Monitoring System Based on Switched Ethernet

QIU Hong-ji，HE De-qiang

(Mechanical Engineering College，Guangxi University，Nanning 530004，China)

Domestic railway transportation is developing rapidly, and the running speed of high-speed EMUs improved further. Because of the improved speed, the running gear and gearbox of high-speed EMUs produce more heat, causing hot axle easily. In allusion to hot axle phenomenon of high-speed EMUs during operation, in combination with the former failure condition of axle temperature monitoring system in terms of total composition, principle and failure condition, the causes of system failure were analyzed deeply and NuMicro Nuc140 was adopted as the master control chip to design a new type of axle temperature monitoring system based on-board Ethernet. The results show that the system could monitor the axle temperature condition of high-speed operating EMUs in real-time and accurately, and it plays an important role in ensuring the safe operation of High-speed EMUs.

EMUs；running gear；monitoring system；axle temperature condition

呂國芳(1962- )，副教授。主要研究領(lǐng)域：計算機(jī)測控技術(shù)、測試計量技術(shù)與儀器。 李鋼(1989—)，碩士研究生．主要研究領(lǐng)域，計算計劃控技術(shù)。E-mail:lghhu@sina.com

國家自然科學(xué)基金資助項目(51165001)；廣西自然科學(xué)基金資助項目(2013GXNSFAA019297)。

2014-01-03 收修改稿日期：2014-11-06

U266．2

A

1002-1841(2015)01-0065-03