基于Linux+ARM的列控設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳桂平，賀德強(qiáng)，譚文舉，向偉彬

（1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.南寧軌道交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530021）

基于Linux+ARM的列控設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳桂平1，賀德強(qiáng)1，譚文舉2，向偉彬1

（1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.南寧軌道交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530021）

為解決多種列車監(jiān)測與控制設(shè)備（如 LKJ2000、TAX2、TCMS系統(tǒng)）數(shù)據(jù)集中化處理的問題，在分析列車車載設(shè)備接口電氣特性以及數(shù)據(jù)協(xié)議的基礎(chǔ)上，利用UDP擁塞控制方法提高網(wǎng)絡(luò)利用率，設(shè)計(jì)了基于嵌入式Linux+ARM的多通道串口列車監(jiān)測與控制設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。仿真測試實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確、可靠地采集TAX2、TCMS設(shè)備數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確率可達(dá)100%，為實(shí)現(xiàn)列車遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷車載數(shù)據(jù)采集提供有力支持。

列車監(jiān)測與控制設(shè)備；擁塞控制；多通道；數(shù)據(jù)采集

0 引言

監(jiān)測與控制是保障列車行車安全行之有效的方法，我國現(xiàn)役列車基本配備了多種監(jiān)測控制設(shè)備與系統(tǒng)（以下簡稱列控設(shè)備），其中最具代表性的是LKJ 2000型列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置、TAX2型機(jī)車安全信息綜合監(jiān)測裝置以及列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（TCMS）?，F(xiàn)階段這些車載設(shè)備在列車行車過程中容易形成信息孤島，監(jiān)測與控制信息只在本裝置或本系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)，列車檢修部門、機(jī)務(wù)段或者鐵路局信息中心難以獲得列車運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)的機(jī)車狀態(tài)信息、安全信息與監(jiān)測信息，不利于列車實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。對此，唐國平針對列控設(shè)備數(shù)據(jù)分散的情況，利用列車既有的有線、無線網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了LAIS列車運(yùn)行狀態(tài)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn) LKJ2000、TAX2等設(shè)備數(shù)據(jù)的整合[1]；張啟平在唐國平研究的基礎(chǔ)上，對 LAIS列車運(yùn)行狀態(tài)信息系統(tǒng)進(jìn)行了整合改進(jìn)，使其更加符合鐵道部信息化總體規(guī)劃的要求[2]；文獻(xiàn)[3，4]針對在線列車監(jiān)測與控制信息共享不足，利用車載信息采集技術(shù)和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車安全信息（數(shù)據(jù)來源于 LKJ、TAX）、狀態(tài)信息與監(jiān)測信息的整合。

上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對列車監(jiān)測與控制信息的采集環(huán)節(jié)沒有給出具體的采集方法與設(shè)計(jì)方案。本文通過分析車載TAX2、TCMS設(shè)備輸出數(shù)據(jù)格式以及電氣接口工作原理，通過改進(jìn)UDP協(xié)議，使其支持擁塞控制方法來提高網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的網(wǎng)絡(luò)利用率。從硬件和軟件兩方面，設(shè)計(jì)了基于嵌入式Linux+ARM9的多通道串口列車監(jiān)測與控制設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[5，6]，旨在對車載 TAX2、TCMS設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中化采集處理，為機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷的列控設(shè)備數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)提供解決方案。

1 系統(tǒng)原理分析

1.1 系統(tǒng)原理簡介

結(jié)合列控設(shè)備的電氣接口原理及數(shù)據(jù)報(bào)文格式，分析列控設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理，系統(tǒng)原理圖如圖1。為解決列控設(shè)備接口電氣特性差異以及減輕數(shù)據(jù)服務(wù)器的處理負(fù)擔(dān)，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的列控設(shè)備數(shù)據(jù)采集端與數(shù)據(jù)服務(wù)器接收端之間設(shè)計(jì)一個(gè)在系統(tǒng)中起著列控設(shè)備與數(shù)據(jù)服務(wù)器通信互聯(lián)關(guān)鍵作用的數(shù)據(jù)通信板。數(shù)據(jù)通信板作為一個(gè)特殊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在系統(tǒng)中的作用如下：

(1)系統(tǒng)對LKJ2000的采集數(shù)據(jù)主要為TAX數(shù)據(jù)，采用 RS485總線通信方式，波特率為 28.8 kb/s[7]。TAX數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)通信板完成 RS485協(xié)議到 UDP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，通過以太網(wǎng)發(fā)送到車載數(shù)據(jù)服務(wù)器，完成一次TAX數(shù)據(jù)的采集；

(2)為滿足不同車型TCMS系統(tǒng)總線復(fù)雜多樣的要求，數(shù)據(jù)通信板設(shè)計(jì)兩種類型接口用來采集TCMS數(shù)據(jù)：1路基于 HDLC（High-level Data Link Control）協(xié)議的通信接口用于HXD3型機(jī)車的TCMS數(shù)據(jù)采集；預(yù)留1路RS422通信接口，用于HXD2型機(jī)車 TCMS或其他設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。采集的TCMS數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)通信板完成協(xié)議處理，最后經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)送到車載數(shù)據(jù)服務(wù)器。

圖1 系統(tǒng)原理

1.2 UDP擁塞控制

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信板與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的通信采用UDP協(xié)議，該協(xié)議在數(shù)據(jù)量大傳輸?shù)倪^程中由于缺乏擁塞控制機(jī)制易發(fā)生丟包與時(shí)延。文獻(xiàn)[8-9]提出一種基于UDP協(xié)議的改進(jìn)協(xié)議，通過速率調(diào)整策略實(shí)現(xiàn)UDP的可靠擁塞控制。下面介紹UDP擁塞控制具體實(shí)現(xiàn)過程。

(1)檢測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

定義預(yù)期接收時(shí)間(ET)和發(fā)送時(shí)間(ST)的差值與發(fā)送時(shí)間之比為擁塞值diff：

由網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)劃分的網(wǎng)絡(luò)擁塞等級如表1所示，用于檢測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。其中，α為低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載上限，常取值2%；β為網(wǎng)絡(luò)輕度擁塞下限，常取值4%。

表1 網(wǎng)絡(luò)擁塞等級

(2)調(diào)整發(fā)送速率

在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測結(jié)束之后，判斷網(wǎng)絡(luò)處于何種狀態(tài)，采用A-AIAD速率調(diào)整的方法改變網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。在UDP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸中，傳輸速率在一定區(qū)間范圍[Rmin，Rmax]內(nèi)變化，其中 Rmin為 UDP可接受速率下限，Rmax為目標(biāo)速率。則在擁塞避免階段，發(fā)送速率可表示為：

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)通信板作為系統(tǒng)的核心部件，硬件設(shè)計(jì)原理如圖2所示，按功能可將硬件電路分為核心處理器模塊、以太網(wǎng)傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、調(diào)試模塊、供電模塊以及狀態(tài)指示模塊等其他輔助模塊。

圖2 數(shù)據(jù)通信板硬件結(jié)構(gòu)

核心處理器采用基于 Freescale i.MX287系列的ARM926EJ-S內(nèi)核高性能處理器，其主頻最高可達(dá)454 MHz?；趇.MX287核心板內(nèi)部集成10/100 Mb/s以太網(wǎng)MAC，通過外擴(kuò)PHY以太網(wǎng)收發(fā)器DP83848K，并采用HR60-1680作為以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)隔離器接入以太網(wǎng)。數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)接口電氣特性的不同可分為1路RS485接口、1路HDLC接口、1路 RS422接口以及1路RS232接口，其中HDLC接口電路是通過在核心處理器的D0～D7引腳與控制引腳外接增強(qiáng)型串行通信控制器Z85230，從而使其在數(shù)據(jù)鏈路層支持 HDLC協(xié)議數(shù)據(jù)的收發(fā)[10]。供電模塊負(fù)責(zé)電源供給，為保證元器件正常工作與系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，采取了加入穩(wěn)壓二極管以及過流保護(hù)保險(xiǎn)絲等措施。此外，為了提高RS485數(shù)據(jù)采集模塊的穩(wěn)定性，采用基于DCR010505U電源隔離芯片的穩(wěn)壓電路為RSM3485HT供電；狀態(tài)指示模塊加入了LED燈用來指示通信板的工作狀態(tài)，即電源狀態(tài)、程序運(yùn)行狀態(tài)、TAX2通信狀態(tài)、TCMS通信狀態(tài)、以太網(wǎng)通信狀態(tài)。

2.2 軟件框架設(shè)計(jì)

根據(jù)TAX、TCMS數(shù)據(jù)采集的要求，數(shù)據(jù)通信板采用多協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)以滿足異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信要求[11]。軟件框架如圖3所示，包括硬件層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層，還可具體分為硬件層、驅(qū)動層、核心層、接口層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層。

圖3 通信板軟件框架

硬件層主要提供通信板與其他設(shè)備通信的電氣接口，包括1個(gè)以太網(wǎng)接口和4個(gè)串口。其中 i.MX287核心板的數(shù)據(jù)總線 D0～D7與控制總線外接Z85230，實(shí)現(xiàn)基于HDLC協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)操作。

操作系統(tǒng)層為通信板的硬件和軟件資源的使用與運(yùn)行提供管理和控制方案，主要包括Linux系統(tǒng)啟動引導(dǎo)文件 U-Boot、操作系統(tǒng)內(nèi)核、根文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動，設(shè)備驅(qū)動包括1個(gè)以太網(wǎng)驅(qū)動和4個(gè)串口驅(qū)動。Linux系統(tǒng)上電配置完成后，初始化硬件，加載驅(qū)動，為應(yīng)用程序運(yùn)行提供必要的服務(wù)和相應(yīng)接口。

應(yīng)用層提供實(shí)現(xiàn)通信板功能的應(yīng)用程序，主要完成數(shù)據(jù)緩存。數(shù)據(jù)緩存區(qū)緩存采集到LKJ2000的TAX數(shù)據(jù)或者TCMS數(shù)據(jù)，最后根據(jù)數(shù)據(jù)類型完成對數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)發(fā)。

2.3 軟件工作流程設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，利用數(shù)據(jù)寄存機(jī)制將兩層網(wǎng)絡(luò)間的通信事件分解為兩個(gè)分時(shí)異步事件進(jìn)行處理，形式上表現(xiàn)為完成異構(gòu)總線間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的通信。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信板在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層作為 UDP客戶端 talker，數(shù)據(jù)服務(wù)器作為 UDP監(jiān)聽端listener，在數(shù)據(jù)采集過程中以數(shù)據(jù)通信板作為以太網(wǎng)主機(jī)，使用UDP協(xié)議與車載數(shù)據(jù)服務(wù)器建立通信鏈接，其工作流程如圖4所示。具體步驟如下：

(1)讀取配置文件，完成串口和以太網(wǎng)的接口映射；

(2)針對設(shè)備IP初始化Socket，建立數(shù)據(jù)通信板與數(shù)據(jù)服務(wù)器的UDP連接；

(3)Socket連接成功后，讀取數(shù)據(jù)緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)包，判斷數(shù)據(jù)類型，調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理函數(shù)：

①若數(shù)據(jù)為HDLC數(shù)據(jù)，調(diào)用HDLCtoEthTask任務(wù)函數(shù)，將緩存區(qū)的HDLC數(shù)據(jù)處理封裝為UDP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)。

②若為UART1數(shù)據(jù)，調(diào)用485toEthTask函數(shù)，先將緩存區(qū)中的RS485數(shù)據(jù)解封裝，再將其封裝成符合UDP/IP協(xié)議以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文類型，以及完成后續(xù)的隊(duì)列數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)。

③UART2的數(shù)據(jù)處理與UART1數(shù)據(jù)的處理方式相似。

圖4 工作流程圖

3 系統(tǒng)測試與分析

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能完整性與可靠性，對TAX2、TCMS數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真采集測試。本文以南寧機(jī)務(wù)段某HXD3c為試驗(yàn)對象，對TAX數(shù)據(jù)采集過程中的數(shù)據(jù)波形如圖5所示，TCMS數(shù)據(jù)采集的部分結(jié)果如表2所示。

由表2可以清晰地看到TCMS系統(tǒng)的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的狀態(tài)量及操作量，這些操作量與狀態(tài)量能為機(jī)車的故障診斷提供重要事實(shí)依據(jù)。通過數(shù)據(jù)比對，統(tǒng)計(jì)得出數(shù)據(jù)采集正確率為100%。如圖5所示，用示波器監(jiān)視TAX數(shù)據(jù)采集過程中傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)波形，數(shù)據(jù)包波形穩(wěn)定無毛刺，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)通信板協(xié)議轉(zhuǎn)換的可靠性。通過TCMS數(shù)據(jù)采集分析和TAX2通信示波器波形捕捉試驗(yàn)，表明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能完整，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、高效與可靠。

圖5 采集TAX數(shù)據(jù)波形圖

表2 采集TCMS數(shù)據(jù)部分列表

4 結(jié)語

基于列控設(shè)備的特點(diǎn)，針對性地設(shè)計(jì)了一套高效、準(zhǔn)確的列控設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了多種列控設(shè)備相互獨(dú)立、數(shù)據(jù)不集中的問題。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面比以往的系統(tǒng)顯得更加輕量化，易于開發(fā)與后期維護(hù)。在數(shù)據(jù)采集仿真測試的實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出了較高的數(shù)據(jù)采集效率與準(zhǔn)確率，滿足列車TAX2、TCMS的數(shù)據(jù)采集要求。該系統(tǒng)在列控設(shè)備數(shù)據(jù)采集方面具有重要的參考價(jià)值和廣泛的使用前景。

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陳桂平（1988-），碩士研究生，主要研究方向：列車網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)。

賀德強(qiáng)（1973-），博士生導(dǎo)師，主要研究方向：高速列車車輛故障診斷與智能維護(hù)系統(tǒng)。

譚文舉（1972-），高級工程師，主要研究方向：軌道交通機(jī)電設(shè)備管理。

Design of data acquisition system for train monitoring and control equipment

Chen Guiping1，He Deqiang1，Tan Wenju2，Xiang Weibin1
(1.Mechanical Engineering College，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Nanning Rail Transit Group CO.，LTD，Nanning 530021，China)

In order to solve the problem of data centralized processing of train monitoring and control equipment(such as LKJ2000、TAX2、TCMS),a multi-channel serial data acquisition system of train monitoring and control equipment which run in the embedded Linux system is designed by analyzing the train vehicle equipment interface electrical characteristics and protocol data.Besides,the method of UDP congestion control is been adopted to improve network utilization.Simulation results show that the system can collect the data of TAX2,TCMS accurate and reliable in real time,and the accuracy of data acquisition is up to 100%.The system provides a powerful support for the realization of the data acquisition of train remote monitoring and fault diagnosis.

train monitoring and control equipment；congestion control；multi-channel；data acquisition

U285

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.015

陳桂平，賀德強(qiáng)，譚文舉，等.基于 Linux+ARM的列控設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (12)：58-61.

英文引用格式：Chen Guiping，He Deqiang，Tan Wenju，et al.Design of data acquisition system for train monitoring and control equipment[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：58-61.

2016-06-20）

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51165001）；廣西科技攻關(guān)項(xiàng)目（桂科攻 1598009-6）