基于無線通訊的地鐵車輛數(shù)據(jù)采集終端實現(xiàn)

劉 正，黃巧巧，楊家樂（. 南京南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責任公司，江蘇 南京 0000；.青島海能電氣有限公司，山東 青島 66000）

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基于無線通訊的地鐵車輛數(shù)據(jù)采集終端實現(xiàn)

劉 正1，黃巧巧2，楊家樂1
（1. 南京南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責任公司，江蘇 南京 210000；2.青島海能電氣有限公司，山東 青島 266000）

目前地鐵車輛各系統(tǒng)地面試驗在靜調環(huán)節(jié)中仍是測試過程復雜、測試信號量大的一項工作，為提高地鐵車輛的靜態(tài)調試的準確性，減少工作量，提高效率，文章根據(jù)當前地鐵車輛生產(chǎn)測試要求，結合現(xiàn)代嵌入式技術，無線通信技術及工業(yè)現(xiàn)場總線通信技術設計并介紹了基于無線通訊的地鐵車輛數(shù)據(jù)采集終端原理及實現(xiàn)，此設計有效地提高了地鐵車輛各系統(tǒng)地面試驗在靜調環(huán)節(jié)中的調試效率及測試精度。

嵌入式技術；無線通信；現(xiàn)場總線；數(shù)據(jù)采集

在現(xiàn)代工業(yè)中，多路數(shù)據(jù)采集已被廣泛應用于工業(yè)控制及檢測等場合，并扮演著重要的角色，隨著工業(yè)綜合自動化程度的不斷提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成為其中不可缺少的一項重要環(huán)節(jié)。隨著地鐵車輛控制系統(tǒng)的不斷完善，控制線路不斷增加，控制邏輯也越來越復雜，被測信號數(shù)量寵大，單一的指令信號燈顯示和手動測量存在的弊端越來越明顯，尤其隨著地鐵多品種并行生產(chǎn)，地鐵編組增加，車輛之間距離加長，迫切需要更高效、更自動化的集中控制手段；針對以上需求，此設計采用嵌入式控制技術，以高性能工業(yè)32位ARM處理器為核心，同時搭載不同的數(shù)據(jù)采集板可實現(xiàn)對地鐵車輛上的多路數(shù)字信號，模擬信號的采集，存儲，處理，顯示及無線傳輸共享測試數(shù)據(jù)；人機交互窗口采用5.6寸觸摸屏，友好的交互界面，操作方便，各項采集數(shù)據(jù)一目了然；具有無線通信功能，可實現(xiàn)多臺數(shù)據(jù)采集終端構成無線測試網(wǎng)絡與服務器進行數(shù)據(jù)交換；載有RS485擴展接口，可方便用于進行系統(tǒng)功能擴展或用來與外部RS485設備進行數(shù)據(jù)通信。載有RS232接口，可用于連接計算機。

1　數(shù)據(jù)采集終端總體構成［1-2］

無線數(shù)據(jù)采集終端主要有信號采集板、數(shù)據(jù)采集接口板、CPU主控制板、人機交互界面、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲單元及RS485、RS232外部擴展單元構成。其組成結構如圖1所示。

整體硬件結構采用主控制板插接信號采集板的方式，用戶可跟據(jù)實際采集的信號類型及信號數(shù)量來插接各種類型的信號采集板；并結合軟件中的用戶系統(tǒng)設置靈活配制系統(tǒng)，可實現(xiàn)最大96路開關量信號或48路輸出控制信號及8路模擬量信號的數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)無線傳輸給上位機；主控制板共有6個采集板接口，每個采集接口均可插接一個開關量采集板或一個開關量輸出控制板，其中因主控制板功能端口分配問題，若需要模擬量采集，則只能將采集板插入第6個接口，其它接口均不支持模擬量采集，且每個主控板最多只能插接一個模擬量采集板。數(shù)據(jù)采集終端采用獨立的開關電源供電，輸出紋波系數(shù)小，抗干擾能力強，主控制系統(tǒng)為3.3 V電源，人機交互接口及模擬量采集部分，采用5 V電源，其中在采集終端的操作面板上為用戶預留出24 V電源輸出，以方便協(xié)助外部信號測試。采集終端的面板示意圖如圖2所示。

圖1　數(shù)據(jù)采集終端總體構成

圖2　采集終端的面板示意圖

1.1數(shù)據(jù)采集單元

1.1.1開關量采集單元

每個采集終端通過接口設置最多可插接6個開關量采集單元，每個開關量采集單元可采集16路數(shù)字信號，共檢測96路開關量信號，每一路均可以通過采集板上的跳線設置來采集外部輸入的直流24 V、110 V及交流220 V等不同的電壓信號，通過光耦進行隔離，并將此電壓信號統(tǒng)一轉換為CPU可檢測的

3.3V開關量信號。其電路原理如圖3所示。

圖3　開關量采集原理圖

1.1.2開關量輸出控制單元

每個采集終端通過接口設置最多可插接6個開關量輸出控制單元，每個開關量輸出控制單元可提供8路有源或無源硬接點控制，共可以提供48路接點控制，每個輸出控制單元可以通過跳線設置為有源控制接點或無源控制接點；若工作于有源控制接點模式，可設置輸出24 V或110 V電壓，每一路輸出接點及每個輸出單元的輸出電壓均可通過人機界面或上位機來控制。此部分電路通過一大功率驅動芯片ULN2803來驅動，其電路原理如圖4所示。

圖4　接點控制原理圖

1.1.3模擬量采集單元

每個采集終端通過接口設置可插接1個模擬量采集單元，共采集8路4～20 mA的電流信號，此部分用于檢測地鐵車輛上的壓力傳感器的輸出；其采集原理為將4～20 mA的電流信號轉換為0.496～2.48 V的電壓信號送CPU進行數(shù)模轉換，并換算為實際壓力值。

STM32的ADC單元為12位分辨率，轉換精度高，最高工作頻率為14 MHz，最大轉換時間為1 μs，此設計ADC單元工作于12 MHz，采樣周期為293.5 個ADC周期，轉換時間約為3.7 μs，其轉換速度已符合采集要求，并采用DMA將轉換好的數(shù)據(jù)直接讀取，提高轉換數(shù)據(jù)的處理速度。為提高采樣精度，采集電路采用高精度儀表放大器AD623，ADC參考電壓采用獨立的基準電源，電壓精度小于1%，由TL431構成；實測模擬量采集誤差小于1%，可達到應用要求。其采集電路及ADC基準電源原理如圖5所示。

1.2CPU主控制單元

主控制單元采用32位高性能的ARM處理器，主芯片為STM32F103ZET6，其內核為Cortex-M3，最高工作頻率為72 MHz，負責控制整個設備的工作流程，包括開關量、模擬量采集，接點輸出控制，現(xiàn)場總線通信，無線數(shù)據(jù)傳輸，人機界面處理及數(shù)據(jù)存儲。

圖5　采集電路及ADC基準電源原理圖

1.3人機交互界面

人機交互界面采用5.6寸的觸摸屏，主控制芯片為RA8875，分辨率為640×480，色彩深度為65 K色，16位色彩，內建幾何圖形加速繪圖引擎，內建DDRAM，內存容量為758 kB，提供可調整大小的文字寫入光標功能，支持漢字字庫，內建4線式觸控面板控制器，觸摸屏為電阻屏，此屏通過SPI總線與STM32進行數(shù)據(jù)交換，最大通信速率為2 MHz。

1.4無線通信模塊

無線通信模塊采用上海桑博電子科技有限公司開發(fā)的SM5X系列工業(yè)級數(shù)傳電臺，其發(fā)射功率為500 mW，可靠傳輸距離＞2 000 m（BER=10-3/9 600 bps）；使用完全覆蓋全球的ISM頻段工作頻率，符合ISM頻段通信標準，無需申請頻點，載頻頻率在650 MHz左右；提供多個信道通信，可通過設置軟件進行更改使用信道；為半雙工無線通信，實時收發(fā)通信；高抗干擾能力和低誤碼率：GFSK調制方式，采用高效前向糾錯信道編碼技術，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力，在信道誤碼率為10-3時，可得到實際誤碼率10-7～10-8。提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應任何標準或非標準的用戶協(xié)議。自動過濾掉空中產(chǎn)生的噪音信號及假數(shù)據(jù)（所發(fā)即所收）。

此無線模塊載有單片射頻集成電路及高性能單片處理器，通過UART與STM32進行數(shù)據(jù)交換，通信波特率為9 600 bps，數(shù)據(jù)格式為8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，無校驗位，1位結束位。

無線通信的應用層通信協(xié)議采用標準的Modbus-RTU協(xié)議，可進行CRC數(shù)據(jù)校驗，保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性；每臺數(shù)據(jù)采集終端均可通過此協(xié)議與服務器進行主從數(shù)據(jù)交換，從而可以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集，可方便搭建無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，理論上最大可支持255個采集終端連入無線網(wǎng)絡。

1.5FRAM存儲單元

存儲單元用于保存用戶設置的系統(tǒng)參數(shù)，如設備通信地址，每個采集接口的工作模式，以便在下次開機時自動載入系統(tǒng)參數(shù)；還可用于暫存大量的連續(xù)采樣時的數(shù)據(jù)。此存儲單元采用FRAM，芯片型號為FM24CL64，為64位的非易失性鐵電隨機存儲器，結構容量為8 192×8位，可無限次地進行讀寫，掉電后數(shù)據(jù)可保持10年，相對于傳統(tǒng)的EEPROM或其它非易失性存儲器，F(xiàn)RAM具有系統(tǒng)可靠性更高，結構更簡單，最大的特點是FM24CL64以總線速度進行寫操作時，無須延時，讀寫速度更快?？偩€速度最高可達1MHz，可滿足采集數(shù)據(jù)時的實時存儲，采用兩線串行協(xié)議IIC總線與STM32，以總線速度400 kHz速率進行通信。

1.6外部通信擴展口

此數(shù)據(jù)采集終端預留RS458總線接口及RS232口，方便進行系統(tǒng)擴展和上位機通信。

2　程序流程

軟件采用C語言程序編寫，基于ST公司集成庫STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0開發(fā)［3-5］。程序流程圖如圖6所示。

圖6　程序流程圖

3　操作界面示例

操作界面示意圖如圖7、圖8所示。

圖7　主窗口界面及開關量采集數(shù)據(jù)顯示頁

圖8　模擬量采集數(shù)據(jù)顯示頁

4　結論

通過試驗測試，此數(shù)據(jù)采集終端工作穩(wěn)定，對軟件界面響應速度快，對高速、大量數(shù)據(jù)的處理實時性較高。模擬量采集精度及速度符合應用要求，實測無線通信穩(wěn)定，通信應答速度快，沒有出現(xiàn)漏幀或其它通信異常。

實際應用表明此采集終端配合上位機服務器軟件可有效地減小地鐵車輛各系統(tǒng)地面試驗在靜調環(huán)節(jié)中的復雜程度，提高測試精度，改善測試環(huán)境，實現(xiàn)地鐵車輛調試數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、處理及備案，很好地提高了調試過程中的自動化程度。

［1］南車集團.CGJ056-42-J3.工藝文件［R］. 2012.

［2］南車集團.PM05600-371-000000.電氣原理圖［R］. 2012.

［3］意法半導體（中國）投資有限公司. STM32技術參考手冊中文翻譯第10版［R］. 2010.

［4］Modbus協(xié)議規(guī)范_修改稿［R］. 1997.

［5］STM32F10x_StdPeriph_Driver_3.5.0外設集成庫手冊［R］. 2011.

Metro Vehicle Data Acquisition Terminal Based on Wireless Communication

Liu Zheng1， Huang Qiaoqiao2， Yang Jiale1
（1. CSR Nanjing Puzhen Co.， Ltd. Nanjing 210000， China； 2. Qingdao HaiNeng Electric Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China）

At present testing process of system ground test of metro vehicles in the static transfer link was complicated， with large amount of test signal. In order to improve the accuracy of tatic debugging， reduce workload and improve efficiency， therefore according to the current metro vehicle production test requirements， combined with modern embedded technology， wireless communication technology and industrial site bus communication technology， this paper introduced principle and the design of metro vehicle data acquisition terminal based on wireless communication principle. This design could effectively improve the testing efficiency and precision of the system ground test of metro vehicles in the static transfer links.

embedded technology； wireless communication； field bus； data acquisition

U270.1+4

A

1672-9889（2016）02-0098-04

劉正（1980-），男，江蘇南京人，工程師，主要從事軌道交通車輛制造方面的工作。

（2015-12-25）