基于FPGA的動車組數(shù)據(jù)記錄及顯示方案研究

盧越 王天超

摘 要：本次設(shè)計以FPGA最小系統(tǒng)電路為控制核心，完成外圍電路包括數(shù)據(jù)采集接口電路、輔助電源電路、JTAG電路、GPS定位電路、GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送電路的搭建，實現(xiàn)動車組運行狀態(tài)及故障數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。遠程監(jiān)控室通過GPRS接收到相關(guān)數(shù)據(jù)后實時進行處理、顯示與存儲。

關(guān)鍵詞：動車組;FPGA;數(shù)據(jù)記錄

1 硬件總體設(shè)計思路

本方案利用多種傳感器和采集設(shè)備獲取動車組運行的實時數(shù)據(jù)，通過GPRS實時傳輸狀態(tài)信息和監(jiān)控信息，通過數(shù)據(jù)的整合處理和分析，使動車管理人員能夠及時了解動車運行狀態(tài)，實現(xiàn)實時監(jiān)控和跟蹤預(yù)警，同時能夠查閱歷史狀態(tài)，通過對比分析，判斷動車組的健康狀態(tài)，針對有風(fēng)險的故障提前進行維修處理，提高維修效率，提升動車組風(fēng)險管控水平，加強動車的安全性、可靠性、可維修性和綜合保障性[1]。

2 硬件方案設(shè)計

本次設(shè)計的硬件總體架構(gòu)主要包括FPGA電路、FPGA供電電路、FPGA配置電路、數(shù)據(jù)采集電路、GPRS電路、GPS電路、液晶顯示電路、存儲電路和供電電源電路組成。其中FPGA是控制中樞，它通過數(shù)據(jù)采集電路接入到動車組車載網(wǎng)絡(luò)中，采集動車組實時運行狀態(tài)信息和監(jiān)控信息，控制各個外圍電路工作，比如利用FPGA供電電路為FPGA提供穩(wěn)定可靠的電源、利用FPGA配置電路實現(xiàn)FPGA邏輯軟件的加載和維護、利用GPS電路實現(xiàn)當前動車組所在位置的定位，得知經(jīng)度、緯度和時間信息;利用GPRS電路遠程連接至遠程終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸;利用存儲電路存儲各種狀態(tài)信息和故障信息;利用液晶顯示電路實現(xiàn)動車組工作狀態(tài)和命令指示等的顯示;利用供電電源電路實現(xiàn)高壓交流信號向低壓直流信號的轉(zhuǎn)換，同時為各個電路進行供電，保證整個電路的正常工作[2]。

2.1 FPGA電路

本次設(shè)計選用的FPGA是中電58所研制的國產(chǎn)芯片JXCLX25-363它是基于SRAM配置的高密度現(xiàn)場可編程門陣列電路。JXCLX25-363電路包含了96行×28列共2 688個可編程邏輯塊、24 192個邏輯單元、1 296 K的可編程Block RAM以及可編程端口、DCM、PDCM等模塊，適合對邏輯門要求高的設(shè)計應(yīng)用。

2.2 FPGA供電電路

本次設(shè)計選用JPM4644輸出四路電源作為FPGA的供電電路。JPM4644是一款完整的四通道BUCK型DC-DC電源模塊，內(nèi)部集成了開關(guān)控制器、功率管、電感器等元件。輸入電壓范圍為4 V～14 V，可輸出四路0.6 V～5.5 V電壓（由其外部電阻器設(shè)定）;每個通道提供4 A直流電流和5 A的峰值輸出電流，四通道并聯(lián)輸出可達16 A。該器件有兩種工作模式：連續(xù)導(dǎo)通模式、不連續(xù)導(dǎo)通模式;具有工作頻率可調(diào)、外部頻率同步、多相操作（2+2、3+1或4相）、輸出電壓跟蹤、內(nèi)部溫度檢測二極管輸出等功能;此外還內(nèi)置了輸入欠壓保護、輸出過壓保護、器件過流保護、器件過熱保護等安全保護功能。

本次設(shè)計中利用不同的分壓電阻使JPM4644輸出1.2 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V為FPGA供電。其中1.2 V為FPGA的內(nèi)核電壓供電、1.8 V為配置電路的ROM供電、2.5 V為FPGA的輔助電壓供電、3 A的I/.3 V為FPGO口電壓供電。

2.3 FPGA配置電路

FPGA配置電路由PMU/OSC模塊、CORE模塊以及兩塊16 Mbit的flash芯片組成。FPGA配置芯片電路的最大工作頻率為40 MHz，支持主串、主并、從串、從并四種配置模式。

FPGA配置電路中的flash芯片可擦寫次數(shù)為10 000次，CORE模塊工作電壓為1.8 V，端口工作電壓為1.8 V、2.5 V、3.3 V。支持JTAG標準可以通過JTAG端口將數(shù)據(jù)寫入到flash中。

2.4 數(shù)據(jù)采集電路

本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集電路的采用速率為19.2 kbps的20 mA電流環(huán)方式。其中發(fā)送和接收電路均由兩根線組成，一根線發(fā)送電流，一根線返回電流。當有20 mA的電流通過發(fā)送和接收電路時表示數(shù)據(jù)信號的傳遞，無電流通過環(huán)路時表示為無數(shù)據(jù)信號的傳遞。

2.5 GPRS電路

本設(shè)計中GPRS電路選用西門子的MC52i，它是一款900 MHz/1 800 MHz的雙波段GPRS模塊，工作電壓為3.8 V，內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議棧，支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式，具有短信、語音、傳真和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能。GPRS電路主要包括電源電路、上電復(fù)位電路、接口電路、SIM卡電路和語音報警電路。

電源電路能夠輸出穩(wěn)定的電壓4.2 V為MC52i供電;上電復(fù)位電路是通過MC52i的IGT引腳信號使用開漏或者集電極開路電路拉低100 ms以上實現(xiàn);接口電路是MC52i與FPGA之間的通訊電路，采用RS232異步通信方式完成串行通訊;SIM卡電路用于數(shù)據(jù)的輸入輸出;語音報警電路通過控制MC52i的相關(guān)管腳輸入音頻。

2.6 GRS電路

GPS電路采用ALIENTEK生產(chǎn)的成熟芯片ATK-NEO-6M，它自帶無源陶瓷天線和可充電的后備電池，工作電壓為2.7 V～5.0 V，能夠完成精準定位，可完美兼容3.3 V和5 V的微處理器，通過串口與微處理器相連。芯片自帶一個狀態(tài)指示燈。該指示燈連接在TIMEPULSE端口，此端口的輸出特性可以通過程序配置。默認條件下該指示燈有2個狀態(tài)：常亮表示芯片開始正常工作，但還未實現(xiàn)定位;閃爍表示芯片定位成功。

主控芯片JXCLX25-363完成232協(xié)議的內(nèi)置，通過RXD和TXD與ATK-NEO-6M完成串口通訊，獲取動車組的實時定位信息，同時根據(jù)需求可以通過TIMEPULSE端口配置指示燈。

2.7 液晶顯示電路

液晶顯示電路完成動車組裝置與動工作人員的人機界面交互，能夠監(jiān)控FPGA及其相關(guān)電路、GPRS電路、GPS電路、存儲電路等電路的運行狀態(tài)。顯示屏采用28寸的ALIENTEK TFT-LCD液晶顯示器。

2.8 存儲電路

本次設(shè)計存儲電路為SD卡存儲器，SD卡具有低成本、高性能、使用靈活、易擴展、與微處理器通訊便捷等優(yōu)點。由于動車組采集數(shù)據(jù)量較大，運行過程中需要持續(xù)記錄數(shù)據(jù)并發(fā)送至遠程控制中心進行數(shù)據(jù)解讀分析，因此需要大容量SD卡的支撐。

2.9 供電電源電路

供電電源電路是整個方案中不可或缺的一部分。考慮到動車組的直流母線供電為110 V，因此需要通過電源模塊對電壓進行降壓處理，降壓后再通過LDO轉(zhuǎn)換成各功能電路需要的電壓。

3 總結(jié)

本文完成了基于FPGA的動車組數(shù)據(jù)記錄及顯示方案的設(shè)計，完成了FPGA電路、FPGA供電電路、FPGA配置電路、數(shù)據(jù)采集電路、GPRS電路、GPS電路、液晶顯示電路、存儲電路和供電電源電路的搭建。實現(xiàn)動車組運行狀態(tài)及故障數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。為工程實際應(yīng)用提供參考。

參考文獻：

[1]崔轉(zhuǎn)玲.動車組運行狀態(tài)遠程監(jiān)控系統(tǒng)無線通信技術(shù)的研究[D].蘭州交通大學(xué)，2014.

[2]宋炭，王凱南，徐世木.新型鐵路客車信息顯示系統(tǒng)研制[J].中國鐵路，2013（11）：37-39.