一種成本低廉的地鐵列車數(shù)據(jù)記錄儀

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(1.青島地鐵集團有限公司運營分公司車輛部，青島 266000；2.中車四方車輛有限公司；3.北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司)

引 言

地鐵列車制造廠家會根據(jù)客戶需求，選擇為地鐵列車安裝數(shù)據(jù)記錄儀。地鐵列車數(shù)據(jù)記錄儀是用于實時記錄地鐵列車運行數(shù)據(jù)和故障信息的專用設(shè)備?；贏RM芯片的地鐵列車數(shù)據(jù)記錄儀以ARM芯片為核心，具有RS232通信、CAN通信和在SD卡生成TXT記錄文件的功能，具有體積小、記錄文件可由PC機直接打開的特點。

1 國內(nèi)地鐵列車數(shù)據(jù)記錄儀概況

傳統(tǒng)的地鐵列車數(shù)據(jù)記錄儀一般采用單片機控制，且數(shù)據(jù)記錄載體一般為SD卡或U盤，體積較大、集成度低、價格較高。另外傳統(tǒng)的地鐵列車數(shù)據(jù)記錄儀的記錄文件格式，不能由常規(guī)電腦軟件直接打開，使用不方便。為此，需設(shè)計一種新型的地鐵列車數(shù)據(jù)記錄儀。

2 基于ARM的地鐵列車數(shù)據(jù)記錄儀的主要配置和功能

2.1 數(shù)據(jù)記錄儀主要配置

該數(shù)據(jù)記錄儀具有1路DC 110 V電源輸入接口、1路RS232通信接口、1路CAN通信接口、1路mini SD卡安裝座和1路程序下載接口。

2.2 數(shù)據(jù)記錄儀主要功能

該數(shù)據(jù)記錄儀具備以下功能：

① 與地鐵列車微機進行RS232通信或CAN通信,接收地鐵列車微機發(fā)送的運行數(shù)據(jù)和故障信息；

② 記錄通信數(shù)據(jù)中的地鐵列車運行數(shù)據(jù)，故障信息及時鐘信息；

③ 自行生成實時時鐘信息，并記錄；

④ 在SD卡中，創(chuàng)建TXT格式的記錄文件；

⑤ 向SD卡中的TXT文件寫入日期信息、時鐘信息、地鐵列車運行信息和故障信息。

3 基于ARM的地鐵列車數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計思路

ARM芯片與PCF8573芯片通信獲取實時時鐘信息，通過RS232接口或CAN通信接口與地鐵列車微機進行通信，接收地鐵列車微機地的列車運行數(shù)據(jù)、故障信息及時鐘信息。ARM芯片在SD卡中創(chuàng)建一個TXT文件，用于存儲地鐵列車運行數(shù)據(jù)、故障信息及時鐘信息。PCF8573芯片采用CR1220電池供電，當數(shù)據(jù)記錄儀斷電后，PCF8573芯片仍可正常工作，有效保證了時鐘信息正確。數(shù)據(jù)記錄儀原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)記錄儀原理框圖

4 硬件設(shè)計原理

ARM芯片為該數(shù)據(jù)記錄儀的控制核心，負責與地鐵列車微機進行RS232/CAN通信，接收地鐵列車的運行數(shù)據(jù)、故障信息及時鐘信息(還可自行計算時鐘數(shù)據(jù))和執(zhí)行SD寫卡操作(將地鐵列車運行數(shù)據(jù)、故障信息及時鐘信息寫入SD卡中的TXT文本文件)。

4.1 電源電路

電源電路原理如圖2、圖3所示。

圖2 電源電路原理1

圖3 電源電路原理2

4.2 ARM處理器外圍電路

ARM，既是一個公司的名字，也是一類微處理器的通稱。ARM公司于1991年成立于英國，專門從事ARM芯片研發(fā)，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可，由合作公司生產(chǎn)各具特色的ARM芯片。由于其功能強大、價格低廉，ARM微處理器已占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場份額。

該數(shù)據(jù)記錄儀使用的ARM芯片是由意大利ST公司生產(chǎn)的型號為“STM32F103RCT6”的芯片。STM32F103RCT6芯片主要參數(shù)如下：ARM Cortex-M3內(nèi)核；FLASH：256 KB；RAM：48 KB；封裝：LQFP64；通用I/O:51個；工作電壓：2.0～3.6 V；16位定時器數(shù)量：8個；電機控制器定時器：2個；數(shù)據(jù)總線寬度：32位；最高主頻：72 MHz；12位ADC轉(zhuǎn)換單元：3個；12位ADC通道：16個；12位DAC轉(zhuǎn)換器:2個；SPI接口：3個；I2S：2個；I2C：2個；U(S)ART，3+2個；CAN:1個；SDIO:1個；從USB:1個；工作溫度：-40～+85 ℃。

每個GPIO引腳都可由軟件配置成輸出(推挽或開漏)、輸入(帶或不帶上拉或下拉)或復用的外設(shè)功能端口。多數(shù)GPIO引腳都與數(shù)字或模擬的復用外設(shè)共用。除了具有模擬輸入功能的端口，所有的GPIO引腳都有大電流通過能力。 ARM處理器外圍電路如圖4所示。

圖4 ARM處理器外圍電路

4.3 時鐘電路設(shè)計

4.3.1 PCF8563芯片介紹

PCF8563是PHILIPS 公司推出的一款工業(yè)級內(nèi)含I2C 總線接口功能的,具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片。PCF8563的多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復雜的定時服務(wù)，甚至可為單片機提供看門狗功能。內(nèi)部具有時鐘電路、內(nèi)部振蕩電路、內(nèi)部低電壓檢測電路1.0 V 以及兩線制I2C 總線通信方式，不但使外圍電路及其簡潔，而且也增加了芯片的可靠性。當然作為時鐘芯片，它已被廣泛用于電表、水表、氣表、電話、傳真機、便攜式儀器以及電池供電的儀器儀表等。

4.3.2 時鐘電路設(shè)計原理

32.768 Hz晶振為PCF8563芯片提供時鐘頻率，PCF8563芯片計算時間數(shù)據(jù)(年月日時分秒)，并將計算出的時間數(shù)據(jù)通過I2C總線發(fā)送給ARM芯片。時鐘電路原理圖如圖5所示。

圖5 時鐘電路原理圖

4.4 通信電路

4.4.1 RS232通信電路

數(shù)據(jù)記錄儀自帶1路RS232通信接口，可與地鐵列車微機通信，接收地鐵列車運行數(shù)據(jù)、故障信息及時鐘信息。MAX232芯片是專為RS232標準串口設(shè)計的電平轉(zhuǎn)換芯片，MAX232的T2in引腳與ARM芯片的PA9引腳連接，MAX232的R2in引腳與ARM芯片的PA10引腳連接，PA9和PA10引腳除了具有GPIO功能外，還具有USART(RX)功能。

圖6 RS232通信電路

4.4.2 CAN通信電路

數(shù)據(jù)記錄儀自帶1路CAN通信接口，可與地鐵列車CAN通信網(wǎng)絡(luò)通信，接收地鐵列車運行數(shù)據(jù)、故障信息及時鐘信息。CAN接口兼容規(guī)范2.0A和2.0B(主動)，位速率高達1 MB/s。它可以接收和發(fā)送11位標識符的標準幀，也可以接收和發(fā)送29位標識符的擴展幀。具有3個發(fā)送郵箱和2個接收FIFO，3級14個可調(diào)節(jié)的濾波器。 CAN通信電路如圖7所示。

4.5 寫SD卡電路

圖7 CAN通信電路

STM32F103RCT6自帶一個SDIO接口。SD/SDIO/MMC主機接口可以支持MMC卡系統(tǒng)規(guī)范4.2版中的3個不同的數(shù)據(jù)總線模式：1位(默認)、4位和8位。在8位模式下，該接口可以使數(shù)據(jù)傳輸速率達到48 MHz，該接口兼容SD存儲卡規(guī)范2.0版。 SDIO存儲卡規(guī)范2.0版支持兩種數(shù)據(jù)總線模式：1位(默認)和4位。 目前的芯片版本只能一次支持一個SD/SDIO/MMC 4.2版的卡，但可以同時支持多個MMC 4.1版或之前版本的卡。 除了SD/SDIO/MMC，這個接口完全與CE-ATA數(shù)字協(xié)議版本1.1兼容。

ARM芯片SDIO接口定義為PC8:SDIO_D0；PC9:SDIO_D1；PC10:SDIO_D2；PC11:SDIO_D3；PC12:SDIO_CK。SD卡接口電路如圖8所示。

圖8 SD卡接口電路

5 程序設(shè)計原理

STM32官方函數(shù)庫是由ST公司針對STM32提供的函數(shù)接口，即 API (Application Program Interface)，開發(fā)者可調(diào)用這些函數(shù)接口來配置STM32的寄存器，使開發(fā)人員得以脫離最底層的寄存器操作，有開發(fā)快速、易于閱讀、維護成本低等優(yōu)點。 數(shù)據(jù)記錄儀編程時，直接調(diào)用了STM32官方V3.5庫函數(shù)。

5.1 時鐘采集程序原理

考慮到ARM芯片內(nèi)置的RTC時鐘不準確，該數(shù)據(jù)記錄儀在ARM芯片外圍配置一塊PCF8563芯片，由PCF8563芯片計算年、月、日、時、分和秒信息， 并通過I2C通信實時發(fā)送給ARM芯片。

5.2 寫SD卡程序原理

FATFS是面向小型嵌入式系統(tǒng)的一種通用的 FAT 文件系統(tǒng)，完全是AISI C語言編寫并且完全獨立于底層的I/O介質(zhì)。因此它可以很容易地不加修改地移植到其它的處理器當中，如8051、PIC、AVR和ARM等。FATFS支持FAT12、FAT16、FAT32等格式。利用寫好的SDIO 驅(qū)動，把FATFS文件系統(tǒng)代碼移植到程序代碼之中，就可利用文件系統(tǒng)的各種函數(shù)，對已格式化的 SD 卡進行文件讀寫操作。

首先獲取一個完整的文件系統(tǒng)源碼，然后移植。

第一步，調(diào)用函數(shù)，初始化底層硬件。編程語句：disk_initialize(0 )。

第二步，在剛開辟的工作區(qū)的盤符0下打開一個名為“地鐵列車數(shù)據(jù)記錄儀文本記錄.TXT ”的文件，以只寫的方式打開，如果文件不存在的話則創(chuàng)建這個文件,并將“地鐵列車數(shù)據(jù)記錄儀文本記錄.TXT”這個文件關(guān)聯(lián)到 fsrc這個結(jié)構(gòu)指針。編程語為f_open( &fsrc ,"0:/Demo.TXT",FA_CREATE_NEW|FA_WRITE)。

第三步，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫到剛打開的“地鐵列車數(shù)據(jù)記錄儀文本記錄.TXT”文件中。編程語句為：f_write(&fsrc,textFileBuffer,sizeof(textFileBuffer),&br)。

第四步，寫完之后，調(diào)用函數(shù)。關(guān)閉文件，編程語句：f_close(&fsrc)。

結(jié) 語

[1] 劉火良,楊森.STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013.

[2] 李江全，李丹陽，劉育辰，計算機控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.