基于FPGA的空調(diào)顯示設(shè)定器數(shù)據(jù)記錄方案設(shè)計(jì)

田 地

（西安中車(chē)永電捷通電氣有限公司，陜西西安，710016）

基于FPGA的空調(diào)顯示設(shè)定器數(shù)據(jù)記錄方案設(shè)計(jì)

田 地

（西安中車(chē)永電捷通電氣有限公司，陜西西安，710016）

針對(duì)CRH2型動(dòng)車(chē)組空調(diào)故障數(shù)據(jù)記錄改進(jìn)要求，設(shè)計(jì)了空調(diào)顯示設(shè)定器記錄48小時(shí)空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)整體方案，詳細(xì)介紹了FPGA軟件實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)，其結(jié)果表明數(shù)據(jù)記錄正確，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

空調(diào)；FPGA；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；FLASH

0 引言

動(dòng)車(chē)組以其節(jié)能環(huán)保、速度快、乘坐舒適等優(yōu)點(diǎn)得到人們的一致認(rèn)可，已成為旅客出行的首選，與傳統(tǒng)電力機(jī)車(chē)相比，動(dòng)車(chē)組車(chē)廂內(nèi)空氣流通性好溫度舒適。這些都依賴(lài)于車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)；隨著車(chē)輛運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，尤其在夏季空調(diào)連續(xù)制冷，對(duì)壓縮機(jī)、變頻器等部件是一種嚴(yán)酷考驗(yàn)，空調(diào)機(jī)組部件出現(xiàn)故障在所難免，為快速準(zhǔn)確查找故障原因，及時(shí)解決問(wèn)題，記錄空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)尤為關(guān)鍵。

CRH2型動(dòng)車(chē)組空調(diào)故障數(shù)據(jù)記錄于車(chē)下空調(diào)控制裝置中，下載故障數(shù)據(jù)時(shí)，需打開(kāi)車(chē)廂下側(cè)裙板，耗時(shí)費(fèi)力。本方案選擇在空調(diào)顯示設(shè)定器（車(chē)廂電氣柜內(nèi)）內(nèi)存儲(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)（變頻器電壓電流值、各接觸器狀態(tài)等），數(shù)據(jù)由空調(diào)控制裝置上傳至空調(diào)顯示設(shè)定器，設(shè)計(jì)記錄48小時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，需要下載數(shù)據(jù)時(shí)，在車(chē)廂內(nèi)相應(yīng)電器柜連接電腦即可下載，省去了拆裙板步驟，更為人性化，1名檢修人員即可完成。

1 系統(tǒng)方案

空調(diào)顯示設(shè)定器核心控制器采用XILINX-SPARTAN6-FPGA，外圍使用FLASH用來(lái)存儲(chǔ)空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)RS232接口與PC連接，使用上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)下載。

FPGA采用硬件處理技術(shù)，可以反復(fù)編程，能兼顧速度和靈活性，并能并行處理多路信號(hào)，因空調(diào)顯示設(shè)定器同時(shí)連接2臺(tái)空調(diào)控制裝置與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制裝置，對(duì)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求較高，F(xiàn)PGA的并行處理能滿(mǎn)足以上要求。Nand-flash存儲(chǔ)器具有容量較大，改寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

2 軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程

軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)控制裝置上傳數(shù)據(jù)的采樣，采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的讀取等功能。具體可分為：數(shù)據(jù)采樣模塊、命令管理模塊、FLASH接口模塊。如圖1所示。

圖1 軟件結(jié)構(gòu)

2.1 故障采樣模塊

空調(diào)顯示設(shè)定器通過(guò)RS232接口同時(shí)與2臺(tái)空調(diào)控制裝置交換數(shù)據(jù)，單臺(tái)空調(diào)控制裝置每次上傳24字節(jié)數(shù)據(jù)，兩臺(tái)共48字節(jié)，每15s采樣一次數(shù)據(jù)，加上時(shí)間信息共54字節(jié)存入RAM中，因?yàn)镕LASH讀寫(xiě)按頁(yè)操作，每頁(yè)512個(gè)字節(jié)，因此設(shè)置RAM深度為512字節(jié)。當(dāng)RAM存儲(chǔ)滿(mǎn)486字節(jié)后，向FLASH管理模塊發(fā)送存儲(chǔ)數(shù)據(jù)命令，將數(shù)據(jù)存入FLASH相應(yīng)地址。程序采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示。

圖2 故障采樣狀態(tài)轉(zhuǎn)移

圖3 FLASH地址與數(shù)據(jù)管理狀態(tài)轉(zhuǎn)移

2.2 FLASH數(shù)據(jù)與地址管理模塊

項(xiàng)目 FLASH選用三星K9F280U0C，容量16MByte，每頁(yè)512Byte，當(dāng)FPGA數(shù)據(jù)緩存至一頁(yè)的數(shù)據(jù)量時(shí)，存儲(chǔ)一頁(yè)數(shù)據(jù)，每頁(yè)有效數(shù)據(jù)為486Byte=9*54Byte，每15s采樣一次數(shù)據(jù)，因此每一頁(yè)記錄時(shí)長(zhǎng)為9*15s=135s=2.25分鐘。依照設(shè)計(jì)要求存儲(chǔ)48小時(shí)數(shù)據(jù)共需要48*60/2.25=1280頁(yè)=45塊。共需FLASH容量1280*512=655Kbyte，滿(mǎn)足要求。

FLASH的操作主要有讀、寫(xiě)、擦除。讀與擦除命令通過(guò)RS232接口連接電腦上位機(jī)進(jìn)行下達(dá)，寫(xiě)命令由故障采集模塊下達(dá)，當(dāng)采集數(shù)據(jù)達(dá)到1頁(yè)數(shù)據(jù)量時(shí)，下達(dá)寫(xiě)命令。

系統(tǒng)初始上電后，F(xiàn)LASH數(shù)據(jù)與地址處理模塊先找到下次要寫(xiě)入數(shù)據(jù)的頁(yè)地址，具體做法為從第0頁(yè)開(kāi)始讀取判斷，直到1280頁(yè)，讀到某頁(yè)數(shù)據(jù)全為FF時(shí)，表示此頁(yè)為將要寫(xiě)入的頁(yè)。開(kāi)始等待命令，得到寫(xiě)命令時(shí)，寫(xiě)完一頁(yè)數(shù)據(jù)后，頁(yè)地址加一，判斷是否為下一個(gè)塊的起始地址，是則擦除下一塊。得到讀取命令時(shí)，從當(dāng)前頁(yè)地址逐次減一頁(yè)讀取，讀完第0頁(yè)數(shù)據(jù)后，返回1280頁(yè)讀取，這樣讀出的數(shù)據(jù)保證時(shí)間從最近到48小時(shí)以前。得到擦除命令時(shí)，從第0塊開(kāi)始擦除至45塊。具體操作流程圖如圖3所示。

2.3 FLASH接口模塊

FlASH接口操作模塊根據(jù)FLASH讀寫(xiě)擦除時(shí)序?qū)懭胂鄳?yīng)命令實(shí)現(xiàn)操作。以讀取數(shù)據(jù)為例，先輸入命令，寫(xiě)地址，讀數(shù)據(jù)，在WE,RE低電平時(shí)更換數(shù)據(jù)，在上升沿提取數(shù)據(jù)。

3 驗(yàn)證

連接空調(diào)顯示設(shè)定器與空調(diào)裝置，連續(xù)運(yùn)行一個(gè)月，空調(diào)顯示設(shè)定器能可靠準(zhǔn)確記錄空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)，包括室內(nèi)溫度、壓縮機(jī)用逆變器運(yùn)行頻率、壓縮機(jī)壓力、外氣溫度等信息。通過(guò)上位機(jī)制作EXCEL表格（圖4），方便用戶(hù)查看分析。實(shí)驗(yàn)表明，本方案達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

VVVF運(yùn)于電流20169 81733429.4 41 49 16 30.2 120 41 20169 81733129.4 41 49 16 30.2 120 41 20169 817333429.4 41 49 16 30.2 120 41年 月日時(shí)分秒室內(nèi)溫度VVVF運(yùn)行電流逆變器頻率外氣溫度溫度傳感器ROM版本

4 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)動(dòng)車(chē)組用空調(diào)系統(tǒng)故障調(diào)查需要，創(chuàng)新性的提出了在空調(diào)顯示設(shè)定器內(nèi)存儲(chǔ)空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)的方案，解決了以往車(chē)下下載的劣勢(shì)，節(jié)省時(shí)間與人力。方案以FPGA為主控芯片，搭配N(xiāo)AND FLASH可存儲(chǔ)48小時(shí)空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，本方案滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，下一步可繼續(xù)縮短采樣時(shí)間，提高記錄時(shí)長(zhǎng)。

［1］陳明文，連帥軍，周建國(guó).基于FPGA的FLASH控制器系統(tǒng)［J］.電子科技，2008.

［2］李槐生．基于FPGA的NANDFLASH控制器［M］．科技之友，2011．

A FPGA-based schematic design of data logging for air conditioner display setter

Tian Di
(CRRC xi’an YongeJieTong Electric Co.,Ltd.,xi’an Shaanxi,710016)

In order to improve the scheme of CRH2 air conditioning fault data, the air conditioning display setter is designed,which can record the running datas of the air conditioning and analyze the overall plans within 48 hours.In addition,the FPGA software implementation method is introduced in detail in this article.Through the long-term test of the air conditioning system, the results show that the data recorded correctly, so meet the design requirements.

air conditioning;FPGA;data save;FLASH