HXN3B型機(jī)車微機(jī)與CMD系統(tǒng)通信的研究與實(shí)現(xiàn)

杜永強(qiáng)，李哲，李享

（1.中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧 大連 116000；2.四川大學(xué)，四川 成都 610000）

1 背景

中國(guó)機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷系統(tǒng)簡(jiǎn)稱CMD系統(tǒng)，該系統(tǒng)由車載裝置子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)和地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)等部分組成，是集成了機(jī)車數(shù)據(jù)與安全信息采集及車地?zé)o線通信等功能與一體的綜合性平臺(tái)，可以采集、處理和傳輸車載微機(jī)運(yùn)行記錄、故障數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，具有機(jī)車定位、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)故障報(bào)警、遠(yuǎn)程診斷、電子履歷管理和信息共享等功能。

HXN3B型內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)研制立項(xiàng)時(shí)，CMD系統(tǒng)尚未研制成功，第一批HXN3B型內(nèi)燃機(jī)車在新造時(shí)并未安裝CMD系統(tǒng)的車載設(shè)備（如LDP主機(jī)）。因此，機(jī)車運(yùn)用單位不能實(shí)時(shí)掌握機(jī)車運(yùn)用情況。此時(shí)，第一批次機(jī)車即將進(jìn)入高級(jí)修程，于是，計(jì)劃利用本次修程對(duì)CMD系統(tǒng)相關(guān)車載設(shè)備進(jìn)行加裝，修改機(jī)車控制軟件，將機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)，加強(qiáng)機(jī)車運(yùn)用信息的采集能力，使現(xiàn)場(chǎng)組織調(diào)度安排更加靈活，實(shí)現(xiàn)機(jī)車動(dòng)態(tài)管理和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 組網(wǎng)加裝方案

前期，HXN3B型機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)已具有機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障自動(dòng)記錄等功能，為機(jī)車?yán)肅MD系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)車數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與發(fā)送提供了設(shè)備基礎(chǔ)和技術(shù)支持。由于EM2000微機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)僅CPM模塊和FIRE顯示屏具有數(shù)據(jù)發(fā)送和控制功能，組網(wǎng)方案僅能選擇以上兩個(gè)部件之一向CMD系統(tǒng)車載子系統(tǒng)的LDP主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

CPM模塊的開發(fā)由EMD公司承擔(dān)，期間CMD系統(tǒng)尚未研制成功，故未設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)向CMD系統(tǒng)發(fā)送機(jī)車數(shù)據(jù)的功能模塊。為實(shí)現(xiàn)EM2000微機(jī)控制系統(tǒng)與CMD系統(tǒng)之間通信而修改CPM模塊的控制軟件，需要向開發(fā)單位支付巨額的軟件升級(jí)費(fèi)用，這將帶來成本過高的問題。

為解決CPM模塊控制軟件成本過高的問題，實(shí)現(xiàn)機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸功能，進(jìn)一步修改已國(guó)產(chǎn)化的FIRE顯示屏控制軟件，具有相當(dāng)高的可行性。HXN3B型機(jī)車FIRE顯示屏同時(shí)具有CAN通信網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)通信接口，其中，CAN通信網(wǎng)絡(luò)傳送的機(jī)車數(shù)據(jù)較多且相對(duì)頻繁，如通過利用率較高的CAN通信網(wǎng)絡(luò)向CMD系統(tǒng)車載LDP主機(jī)傳送數(shù)據(jù)，需要占用大量CAN通信網(wǎng)絡(luò)資源，容易導(dǎo)致CAN通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓，影響機(jī)車正常運(yùn)用。HXN3B型機(jī)車在設(shè)計(jì)時(shí)，以太網(wǎng)路由器預(yù)留了2個(gè)擴(kuò)展接口，因此，機(jī)車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的擴(kuò)展性，可以用于FIRE顯示屏與外部部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。目前，機(jī)車的以太網(wǎng)僅用于兩個(gè)FIRE顯示屏之間的數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)利用率相對(duì)較低，恰好FIRE顯示屏在機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行期間，不斷從CAN通信網(wǎng)絡(luò)中獲取機(jī)車通信模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。因次，計(jì)劃利用FIRE顯示屏控制軟件，建立起FIRE顯示屏與CMD系統(tǒng)LDP主機(jī)之間的以太網(wǎng)通信，傳輸機(jī)車EM2000微機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

3 軟件編寫過程/實(shí)施

3.1 通信數(shù)據(jù)的確定

根據(jù)EM2000微機(jī)控制系統(tǒng)通信技術(shù)文件，系統(tǒng)內(nèi)約有900余項(xiàng)數(shù)據(jù)信息在網(wǎng)絡(luò)中按系統(tǒng)化設(shè)定的數(shù)據(jù)發(fā)送周期進(jìn)行傳輸。基于對(duì)CMD系統(tǒng)的實(shí)際情況和數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的需求，結(jié)合鐵路總公司相關(guān)技術(shù)文件，對(duì)HXN3B型機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理，確定出需要傳輸103項(xiàng)重要的機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3.2 傳輸層協(xié)議的選擇

EM2000微機(jī)控制系統(tǒng)有兩份傳輸層協(xié)議可以選擇，分別為用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（簡(jiǎn)稱“TCP”）和傳輸控制協(xié)議（簡(jiǎn)稱“UDP”）。TCP協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸可靠穩(wěn)定、傳輸過程有多種控制機(jī)制及傳輸完成后自動(dòng)斷開連接等優(yōu)點(diǎn)，但其傳輸速率較低，且對(duì)硬件占用較大。UDP協(xié)議是一種無狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，傳輸速率較高、通信傳輸漏洞少，但其數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的可靠性相對(duì)TCP要低。

因CMD系統(tǒng)工作時(shí)，需要實(shí)時(shí)傳輸機(jī)車監(jiān)控視頻、運(yùn)行記錄和故障數(shù)據(jù)等信息，要求傳輸層協(xié)議具有較高的傳輸速率，保證LDP主機(jī)與地面基站之間快速進(jìn)行信息交換。根據(jù)以上要求，最終選用UDP協(xié)議作為FIRE顯示屏與CMD系統(tǒng)車載LDP主機(jī)之間的傳輸層協(xié)議。

3.3 軟件編寫

在確定UDP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議后，開始收集相關(guān)技術(shù)文件進(jìn)行軟件編寫工作。在研究FIRE顯示屏相關(guān)技術(shù)時(shí)，為保證顯示屏具有較高的可靠性、通用性和可維護(hù)性，要求應(yīng)用程序遵照《機(jī)車一體化通信規(guī)范》進(jìn)行編寫，以保證FIRE顯示屏控制軟件較好的兼容。

機(jī)車正常運(yùn)用時(shí)，機(jī)車操作端的FIRE顯示屏通過CAN通信網(wǎng)絡(luò)接收、顯示的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過非操作端FIRE顯示屏。因此，系統(tǒng)默認(rèn)操作端FIRE顯示屏為主屏，由主屏通過以太網(wǎng)路由器發(fā)送機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)給CMD系統(tǒng)LDP主機(jī)。根據(jù)機(jī)車數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，設(shè)置系統(tǒng)IP地址。分別將機(jī)車FIRE顯示屏1的IP地址設(shè)為1.1.1.11，F(xiàn)IRE顯示屏2的IP地址設(shè)為1.1.1.12，CMD系統(tǒng)LDP主機(jī)IP地址設(shè)為1.1.1.19。

完成IP地址設(shè)置后，將發(fā)送的各項(xiàng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行編寫：

（1）對(duì)微機(jī)控制系統(tǒng)所檢測(cè)的開關(guān)量數(shù)據(jù)進(jìn)行編寫，如換向器手柄，存在三個(gè)工況，中間位、前進(jìn)位和后退位。當(dāng)機(jī)車位于前進(jìn)位時(shí)，F(xiàn)IRE顯示屏向LDP主機(jī)發(fā)送前進(jìn)位信號(hào)。

（2）對(duì)微機(jī)控制系統(tǒng)所檢測(cè)的模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)進(jìn)行編寫，如主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，采取直接發(fā)送數(shù)值的方式。當(dāng)機(jī)車主發(fā)電機(jī)工作時(shí)，主發(fā)勵(lì)磁電流持續(xù)變化，F(xiàn)IRE顯示屏向LDP主機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的數(shù)值。

（3）對(duì)機(jī)車的故障記錄采用發(fā)送代碼的方式進(jìn)行編寫。在機(jī)車FIRE顯示屏提示故障的同時(shí)，F(xiàn)IRE顯示屏將4位數(shù)字的機(jī)車故障代碼實(shí)時(shí)發(fā)送至LDP主機(jī)。地面CMD系統(tǒng)根據(jù)故障代碼，自動(dòng)匹配故障的提示信息。這種只傳故障代碼的方式，減少了對(duì)數(shù)據(jù)通道的占用，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

利用日常檢修機(jī)會(huì)，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)車臨時(shí)新增微機(jī)控制系統(tǒng)與CMD系統(tǒng)LDP主機(jī)的通信功能并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

圖1 圖基本運(yùn)行信息

試驗(yàn)中，F(xiàn)IRE顯示屏發(fā)送給CMD系統(tǒng)LDP主機(jī)的數(shù)據(jù)將被發(fā)送給地面信息中心，校驗(yàn)數(shù)據(jù)未出現(xiàn)亂碼或錯(cuò)誤信息。通過CMD系統(tǒng)的地面客戶端，查看機(jī)車基本運(yùn)行數(shù)據(jù)、柴油機(jī)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)以及歷史故障等數(shù)據(jù)無異常，確認(rèn)FIRE顯示屏成功將機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送給了CMD系統(tǒng)的LDP主機(jī)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過修改機(jī)車FIRE顯示屏控制軟件、建立FIRE顯示屏與CMD系統(tǒng)LDP主機(jī)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制系統(tǒng)與LDP主機(jī)的數(shù)據(jù)通信功能。通過加裝該功能，機(jī)車用戶可以通過CMD系統(tǒng)地面終端對(duì)機(jī)車運(yùn)用信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的全面的了解，提升用戶在機(jī)車調(diào)度、異常情況處置和故障分析等方面的能力。