機車微機控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

姚 歡，齊向東

（太原科技大學電子信息工程學院，太原030024）

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機車微機控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

姚 歡，齊向東

（太原科技大學電子信息工程學院，太原030024）

摘 要：為了提升機車控制性能和效率，提出一種應(yīng)用于機車的微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以微機控制裝置為核心，利用LonWorks網(wǎng)絡(luò)將微機顯示屏、機車監(jiān)控主機、遠程監(jiān)控等裝置組成具有冗余功能的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中微機控制裝置以飛思卡爾公司的MK60N512VMD100為主處理器、Echelon公司的Neuron芯片為從處理器，它們之間通過令牌傳遞協(xié)議進行并行通信；機車遠程監(jiān)控裝置采用衛(wèi)星和GPRS雙通信模式與地面監(jiān)控中心進行通信。通過對微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計，完成了該系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)架，相比傳統(tǒng)通信方式，可以簡化結(jié)構(gòu)，提高機車通信的可靠性。

關(guān)鍵詞：微機控制；LonWorks網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

機車微機控制系統(tǒng)是機車重要的組成部分，對它的研究一直是鐵路上極其關(guān)注的課題。目前鐵路行業(yè)中新型高速機車發(fā)展迅速，列車的運行狀態(tài)和故障信息需要有快速準確的判斷和處理，傳統(tǒng)的機車微機網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)已經(jīng)不能很好地適應(yīng)。應(yīng)用了LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)的機車微機控制系統(tǒng)可實現(xiàn)一車內(nèi)多節(jié)點通信，從而可以有效地減少物理硬件和繁瑣的硬件維護，更加便于操作人員對系統(tǒng)的監(jiān)測，使系統(tǒng)更為可靠、安全、高效，更好地發(fā)揮鐵路行業(yè)的優(yōu)勢。機車微機控制系統(tǒng)是一個多處理器控制系統(tǒng)，它所能控制的范圍很廣，包括機車的空轉(zhuǎn)檢測、柴油機狀態(tài)檢測、恒功率控制及其它控制功能，并協(xié)調(diào)機車各部分的運行，實現(xiàn)機車的特性控制。文章以兩動一拖動車組為對象，對基于LonWorks的列車微機控制網(wǎng)絡(luò)進行相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計，使之具備完成復(fù)雜的測控、處理任務(wù)的能力和機車遠程監(jiān)控功能。

1 微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

機車微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一個多處理器控制系統(tǒng)，分為機車控制和重聯(lián)控制兩級結(jié)構(gòu)。機車控制級負責管理、控制機車各個部分，實現(xiàn)機車牽引、制動特性控制以及機車邏輯控制，還可實現(xiàn)機車故障診斷處理；重聯(lián)控制級的作用是實現(xiàn)首尾兩臺動力機車之間的數(shù)據(jù)通信。重聯(lián)級和機車級都采用LonWorks總線通信，為提高可靠性，微機及顯示系統(tǒng)均采用雙套冗余設(shè)計。微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機車微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Locomotive computer network control system architecture

1.1 微機顯示器IDU

微機顯示屏IDU是機車上常用設(shè)備，是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的終端設(shè)備，同時具備顯示和設(shè)置功能，常提供有LonWorks、RS485、CAN等多種接口。它可向車輛駕駛員和維護人員提供車輛綜合信息、各設(shè)備的工作狀態(tài)以及車輛故障信息。同時駕駛員可以通過IDU設(shè)置車輛的必要信息，例如輪徑值、列車重量、站點等。微機顯示器IDU還具有USB接口，可方便的將故障信息轉(zhuǎn)存到地面進行分析、統(tǒng)計。

1.2 機車監(jiān)控主機LKJ2000

機車監(jiān)控主機是確保列車行車安全的監(jiān)測裝置。它可以對列車速度、進出站信號、輪對空轉(zhuǎn)等信息進行監(jiān)控，對車輛運行參數(shù)、事故狀態(tài)等信息進行記錄，并能夠分析、整理所記錄的列車運行數(shù)據(jù)，并以直觀的運行曲線和各種報表形式再現(xiàn)列車運行全過程，它是機車管理和事故分析強有力的工具。同時為其配備一個專用的液晶監(jiān)控屏，可以更加直觀地顯示各類信息。

1.3 軸溫檢測裝置

選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為車軸溫度檢測器件，它能夠在讀出被測溫度后根據(jù)用戶要求進行簡單的編程，并可以分別在93.75 ms和750 ms內(nèi)實現(xiàn)9到12位的數(shù)字量溫度轉(zhuǎn)換。并且DS18B20輸入輸出信號僅需要一根口線（單線接口）即可傳輸信息，總線本身也可以向DS18B20供電，而無需額外電源。所以采用DS18B20作為軸溫檢測裝置可使系統(tǒng)更加安全可靠，且結(jié)構(gòu)簡單。

2 微機控制裝置的設(shè)計

機車微機控制裝置是控制系統(tǒng)的核心，負責協(xié)調(diào)及管理機車各控制子部件。微機控制裝置以微處理器MK60N512VMD100為核心，可以連接機車各部分的數(shù)字I/ O、模擬I/ O，處理頻率量信息，以及連接通訊等外圍設(shè)備。為了提高系統(tǒng)可靠性，控制柜內(nèi)裝有兩臺相同的微機控制裝置，互為冷備份，其中一臺故障時，可以通過一個外置的轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換。微機控制裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 主處理器MK60N512VMD100及其外圍

本設(shè)計中的主處理器MK60N512VMD100是飛思卡爾公司開發(fā)的Kinetis系列的高性能單片機，它具有一個完全統(tǒng)一編址的寄存器空間。本系統(tǒng)要進行并行通信、溫度信息處理等機車控制，對程序和數(shù)據(jù)存儲量要求高，所以有必要外接紫外線可擦除EPROM存儲器來擴展存儲空間。

圖2 微機控制裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of the computer control hardware devices

低壓檢測和系統(tǒng)復(fù)位電路可以有效減少程序假死的等待時間和低壓對器件的損害。本設(shè)計選用看門狗芯片X25045，當達到程序設(shè)定的超時響應(yīng)時間時，看門狗芯片可復(fù)位主處理器，在掉電時，芯片還可保存系統(tǒng)運行狀態(tài)與運行數(shù)據(jù)。此外它還具有電壓檢測功能，當VCC低于正常值時，可以使主處理器一直處于復(fù)位狀態(tài)，直到電壓正常為止。

信號總線包括數(shù)字量I/ O，模擬量I/ O，勵磁控制，頻率輸入，遠程監(jiān)控等信號線，監(jiān)測并控制著機車上各部分設(shè)備的運行。其中勵磁控制可通過改變PWM輸出脈沖，從而調(diào)節(jié)牽引發(fā)電機輸出的電壓、功率；頻率輸入信號可檢測牽引電動機、冷卻風機等的轉(zhuǎn)速。

2.2 從處理器Neuron芯片及其外圍

神經(jīng)元芯片是由Echelon公司為LonWorks技術(shù)研發(fā)的芯片，它集控制、通訊、I/ O支持為一體。該芯片主要用于與LonWorks網(wǎng)絡(luò)的通信，可用作節(jié)點處理器，也可作為其他控制器的接口，本設(shè)計選用3150芯片作為從處理器。

由于3150芯片中并未集成ROM，所以需要外接存儲器來存放程序和數(shù)據(jù)。3150芯片至少需要三個存儲空間來滿足LonWorks網(wǎng)絡(luò)的需求：兩個非易失性存儲器分別用來存儲神經(jīng)元芯片固件和存儲配置及應(yīng)用信息；一個可讀可寫存儲器用于存儲數(shù)據(jù)緩存。

神經(jīng)元芯片的Service電路用于節(jié)點的配置、安裝和維護，可以診斷神經(jīng)元芯片固件狀態(tài)信息。芯片上的Service引腳既可以輸入也可以輸出：輸出時，連接一個低壓接通的LED燈，當LED燈常亮則表示該節(jié)點未下載應(yīng)用程序或芯片已損壞；當LED燈以0.5 Hz頻率閃爍則表示該節(jié)點處于未配置狀態(tài)。用作輸入時，可用來控制神經(jīng)元芯片發(fā)送一個自己的ID網(wǎng)絡(luò)管理信息。

時鐘電路使用外接晶振提供10 MHz頻率的時鐘信號。復(fù)位電路主要用于在上電時產(chǎn)生復(fù)位操作。

2.3 收發(fā)器及其電路

兩臺機車頭的微機控制裝置通過LonWorks網(wǎng)絡(luò)相互連接，其中收發(fā)器是關(guān)鍵部件。收發(fā)器是連接神經(jīng)元芯片與LonWorks網(wǎng)絡(luò)的接口，它根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和傳輸介質(zhì)的不同有不同類型。本設(shè)計選用帶變壓隔離的自由拓撲型雙絞線收發(fā)器FTT-10A，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是總線型結(jié)構(gòu)。

FTT-10A收發(fā)器主要由一個差分曼徹斯特編碼器和一個隔離變壓器組成。采用5 V電源供電，其中NET-A、NET-B是兩個無極性的網(wǎng)絡(luò)接口，RXD、TXD是數(shù)據(jù)接收和發(fā)送接口，T1、T2用來提供鉗位和瞬時電壓保護。收發(fā)器的最大傳輸速率可達78 kbps。圖3為收發(fā)器接口電路圖。

圖3 收發(fā)器接口電路Fig.3 Transceiver interface circuit

圖3中收發(fā)器外圍電路主要用于提高電磁兼容性。D1和D2的作用是保持引腳T1和T2的電壓穩(wěn)定，在電源不穩(wěn)定時進行鉗位。D3和D4是用來保持信號雙絞線之間的電位差，以防網(wǎng)絡(luò)電平有震蕩。C1主要用來防止高頻干擾，C2用來靜電釋放緩沖，C3和C4用來防止網(wǎng)絡(luò)上的干擾。

2.4 主從處理器通信連接

Neuron芯片的11個I/ O引腳有34種可選工作模式，選用其中的并行I/ O（Parallel I/ O）工作模式進行主、從處理器之間的通信，其通信速率可達3.3 Mbps.Neuron芯片作為從處理器，選擇其工作在從B方式，進行握手聯(lián)絡(luò)來控制指令執(zhí)行。此時Neuron芯片相當于主處理器的兩個存儲映像I/ O設(shè)備，即讀寫數(shù)據(jù)寄存器和狀態(tài)寄存器，主、從處理器之間的數(shù)據(jù)通訊正是通過主處理器對這兩個寄存器的訪問來實現(xiàn)的。主、從處理器并行通信接口如圖4.

圖4 從B模式下并行I/ O接口Fig.4 Parallel I/ O interface of slave B mode

工作在從B工作方式時，Neuron芯片將使用全部的I/ O引腳，其中I/ O0到I/ O7是8根雙向數(shù)據(jù)線，與主處理器的8位雙向I/ O數(shù)據(jù)端口相連，進行數(shù)據(jù)傳輸。其中當芯片作為數(shù)據(jù)寄存器輸出時，IO0引腳是數(shù)據(jù)線的最低位；在作為狀態(tài)寄存器輸出時，該引腳則用作主、從處理器的握手信號位HS.HS信號由從處理器發(fā)出，作用是將從處理器的忙閑狀態(tài)告訴主處理器。而I/ O8到I/ O10引腳接收三個控制信號，作用分別是片選、讀寫選擇、寄存器選擇，與主機處理過后的控制信號相連接。

2.5 微機控制裝置并行通信的軟件設(shè)計

微機控制裝置并行通信主要是指主處理器MK60N512VMD100與從處理器Neuron芯片之間的通信。主處理器會把數(shù)據(jù)傳到從處理器，從處理器再把收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到LonWorks網(wǎng)絡(luò)上，同時從處理器還通過控制信號來控制主處理器。

主、從處理器之間的數(shù)據(jù)傳遞采用令牌傳遞（Token Passing）協(xié)議，可以提高通信可靠性，防止總線沖突。令牌是指包含控制信息的幀。同一條總線可以連接多個設(shè)備，但同一時間只能有一個設(shè)備向總線寫數(shù)據(jù)，而令牌的作用是決定哪一個設(shè)備擁有發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)利。

如圖5，Neuron芯片復(fù)位后，主處理器將持有令牌。當主處理器有待發(fā)送數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)發(fā)送給從處理器，并且將令牌傳遞給從處理器；如果沒有待發(fā)送數(shù)據(jù)，則直接將令牌傳遞給從處理器，從處理器也是同理的。

圖5 令牌傳遞協(xié)議過程Fig.5 Process of token passing protocol

為防止數(shù)據(jù)的錯誤傳輸，并確保主、從處理器都已準備好，當有一方設(shè)備復(fù)位時，雙方必須重新同步。主、從處理器任何一方的復(fù)位都會觸發(fā)另一方的復(fù)位，從而達到同步的目的。當Neuron芯片復(fù)位后，擁有令牌的主處理器會向從處理器發(fā)送同步命令，從處理器收到后則會回送應(yīng)答同步命令，若從處理器沒有響應(yīng)，主處理器會一直發(fā)送同步命令，直到收到應(yīng)答同步命令后，雙方才算建立同步。

而對于唯一性問題，1999年， Mischler和Wennberg首先在硬勢和角截斷條件下得到了一個最優(yōu)的結(jié)果，即如果初值質(zhì)量和能量有限， 能量保持守恒的解一定是唯一的[8].但是Wenenberg通過具體的例子表明方程存在能量增加的解[9].Toscani和Villani利用概率空間里的一個距離在麥克斯韋勢、非角截斷條件下得到了解的唯一性[10].最近，Desvillettes和Mouhot在初值滿足一定條件下，在硬勢及非角截斷情形下得到了解的唯一性[3，11].

3 列車遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

列車遠程監(jiān)控系統(tǒng)的作用是將列車的行車狀態(tài)、地理位置等信息發(fā)送到地面監(jiān)控中心，并由地面監(jiān)控中心根據(jù)收到的信息進行分析、回饋控制，從而達到提高列車安全性的目的。列車監(jiān)控系統(tǒng)由車載系統(tǒng)、通信鏈路和地面監(jiān)控中心三個部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.1 車載部分

車載部分最主要的功能是對列車各類信息的采集，包括列車的固有信息（如列車號），列車實時動態(tài)信息（如車速），列車的位置信息（如經(jīng)緯度），以及列車的車況信息（如油溫、軸溫）。此外車載部分還要能夠?qū)⒁延行畔⒄?、發(fā)送，并接收地面監(jiān)控中心發(fā)來的信息。車載部分的組成包括：車載主控制器、GPS定位模塊、各類傳感器、信息采集卡、通信模塊及供電電源。車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7.

圖6 列車監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Train supervision system architecture diagram

圖7 車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Block diagram of locomotive loaded System

車載主控制器：車載系統(tǒng)的核心部件，它的作用是協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)中的各個子模塊，同時處理采集到的各類信息。車載主控制器采用的工作方式是輪詢，過程如下：它先檢查通信終端是否已工作，確保通信終端處于開啟狀態(tài)；之后再檢查數(shù)據(jù)通訊接收緩沖區(qū)里是否有新收到的控制信號，如果有則立即讀取并處理；最后檢查發(fā)送緩沖區(qū)是否有采集的信息滯留，如果有則將其發(fā)送。

采集卡、傳感器：作用是采集列車的各類信息，并將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號發(fā)送給車載主控制器。

GPS定位模塊：通過衛(wèi)星被動定位的方式，采集列車的經(jīng)緯度、高度、方向角、速度等信息。

通信終端：它是車載系統(tǒng)和通信鏈路的接口。一方面它將主控制器處理后的車載信息發(fā)送出去，另一方面接收由地面監(jiān)控中心發(fā)來的控制命令，并傳遞給主控制器。通信終端包括衛(wèi)星終端和GPRS終端。衛(wèi)星終端利用北斗系統(tǒng)的信息通信功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。GPRS終端為備用通信方式，在衛(wèi)星無法通信時啟用。

雖然北斗衛(wèi)星兼具定位和通訊雙重功能，不需要其他通訊系統(tǒng)輔助，但是北斗衛(wèi)星的定位方式是主動式，需要較高費用，而GPS是免費的被動定位，所以系統(tǒng)采用的是GPS定位、北斗衛(wèi)星通信相結(jié)合的方式。

3.2 通信鏈路

列車采集到的各類監(jiān)控信息從車載系統(tǒng)傳遞到地面監(jiān)控中心的過程中，通信鏈路中的通信方式的選擇是及其重要的。目前，可應(yīng)用于列車的無線通信方式主要有以下幾種：GSM、CDMA、GPRS以及同步衛(wèi)星通信。前三種通信方式在偏遠地區(qū)受地形、基站等方面的影響，覆蓋范圍有限，所以更多的是采用同步衛(wèi)星通信方式，只在衛(wèi)星無信號且GPRS有信號時啟用GPRS傳輸數(shù)據(jù)。

3.3 地面監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是列車各類運行信息的匯聚點，主要完成對列車運行信息的接收、處理，以及將控制信息發(fā)送給列車的工作。監(jiān)控中心可劃分為：通信層、數(shù)據(jù)層、中間層和監(jiān)控端，它們在物理上可集合在一臺計算機上。

通信層：通信層充當著通信接口的角色，它連接著通信鏈路與地面監(jiān)控中心，其中與數(shù)據(jù)通訊有關(guān)的通信協(xié)議就包含在通信層中。通信層是與數(shù)據(jù)層相連的，它們之間的信息交換是通過數(shù)據(jù)訪問接口來實現(xiàn)的。

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層用于存儲車載系統(tǒng)與監(jiān)控中心的通訊數(shù)據(jù)信息。

中間層：中間層連接著用戶終端監(jiān)控端和其余各層，它的主要完成的功能是處理大批量事務(wù)、信息傳遞以及網(wǎng)絡(luò)通信。數(shù)據(jù)的訪問及校驗等工作是在中間層執(zhí)行的，而且客戶端與數(shù)據(jù)庫之間沒有數(shù)據(jù)的直接交換，而是都與中間層進行了連接，雙方的數(shù)據(jù)交換必須經(jīng)過中間層。這樣，中間層就起到了隔離數(shù)據(jù)與用戶的作用，這使得數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的占用率大幅的降低，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和維護性。

4 結(jié) 論

微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代機車上不可或缺的組成部分，機車與機車之間、機車與地面監(jiān)控中心之間經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)并進行信息交換，從而實現(xiàn)了對機車的監(jiān)測與控制。文章重點對核心部件微機控制裝置進行設(shè)計，以單片機MK60N512VMD100為主處理器，神經(jīng)元芯片為從處理器，構(gòu)建了應(yīng)用LonWorks網(wǎng)絡(luò)的控制裝置，能夠方便的與機車中其他設(shè)備進行信息共享。最后以無線通信技術(shù)作為依托，設(shè)計了列車遠程監(jiān)控系統(tǒng)，為機車可靠運行提供了保障。

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Architecture Design of Locomotive Microcomputer Control System

YAO Huan，QI Xiang-dong
（School of Electronic and Information Engineering，Taiyuan University of Science & Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract：In order to improve performance and efficiency of locomotive control，a network control system based on microcomputer was proposed.The microcomputer control device is the core of the system，and put display screen，monitor host and remote monitor device are integrated to form a network structure with redundancy function.The computer control device uses Freescale′s MK60N512VMD100 as main processor and uses Echelon′s Neuron chip as slave processor.The remote monitor device uses satellite and GPS to communicate with the ground control center.Compared with traditional means of communication，the system has simple structure and high reliability of communication.

Key words：microcomputer control，LonWorks network，network monitoring

中圖分類號：TP2

文獻標志碼：A

doi：10.3969/ j.issn.1673 -2057.2016.03.005

文章編號：1673 -2057（2016）03 -0186 -06

收稿日期：2015-11-06

作者簡介：姚歡（1990 -），男，碩士研究生，主要研究方向為智能電網(wǎng)技術(shù)。