機車數據實時監測與處理系統的設計與實現

摘要：結合新疆用戶的機車情況及生產、管理需求，確定了基于Wincon-8000 的工業控制器做系統的核心控制器平臺，選用I-7000 系列工業過程控制模塊做系統的輸入、輸出模塊，根據系統的軟件需求，介紹了實時數據采集與記錄軟件的總體結構和詳細流程。主要闡述了系統的硬件構建方法和軟件部分的開發過程。

關鍵詞：機車信息；數據采集；實時監測

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)28-0027-03

Design and Realization of the Locomotive Data Real-time Monitoring and Processing System

ZHANG Shu-ping

(College of Science Technology ，XinJiang University，Urumqi 830049，China)

Abstract: According to the locomotivesituation 、the productionandthe management demand ofthe XlNJiang users， determined to making the system based on the Wincon-8000 industry controller the core controller Platform，selected the l一7000 series commercial controlmodule to be the system's input、output module. Posted software demand of the real-time data monitoring system，introduced recording software of the real-time data acquisition、the general structure and the particular process on the grounds of system demand， The process of the system hardware and the design method of the system software are mainly presented.

Key words: locomotive information; data sampling; real-time monitoring

1 引言

隨著現代科學技術水平的發展，現代設備的結構越來越復雜，功能越來越完善，自動化程度越來越高，不僅同一設備的不同部分之間可以相互聯系，而且不同設備之間的關系也緊密耦合，從而在生產過程中形成一個整體。因此發展鐵路系統特別是高速鐵路必須解決的首要任務是研究建立保證鐵路安全體系問題。而在整個鐵路的安全體系中，鐵路的行車安全又處于最核心的地位，對列車上的設備與系統進行監測是關系到行車安全的一項重要措施。

本文主要介紹了機車數據實時監測與處理系統的設計與實現。

2 系統硬件設計

2.1 嵌入式核心控制器與操作系統的選型

我們選擇Wincon-8000嵌入式控制器作為系統的核心控制器。

Wincon-8000嵌入式控制器與其他嵌入式控制器比較具有以下優點：

1)Wincon-8000嵌入式控制器具有Inte1StrongARMCPU芯片，可以運行Windoows CE操作系統的嵌入式平臺，windoows CE 具有許多優點，包括硬實時能力、很小的內核、引導速度快、深層次中斷處理、確定的控制性以及低成本等：

2)Wincon-8000具有運行許多代PC-based控制軟件的能力，如visua1Basic.NET，visualC#，Embedded Visual c++，scADA 軟件，softpLC等等;

3)Wincon-8000嵌入式控制器也支持類似PLc的數據采集和遠程控制技術。

4)Wincon-8000有一個vGA接口，允許用戶用常用的LCD監視器去替代HMI顯示，有USB接口允許用戶連接USB存儲設備或是觸摸屏監視器、存儲程序和數據的CF存儲器 。

Wincon-8000既能提供傳統PLC的優點，又能提供運行Windows的PC機的功能，是替代常規PC和PLC 的性價比最佳的選擇。

從操作系統的功能強大性、兼容性、可靠性、性價比等綜合因素考慮，我們選擇了嵌入式Windows CE操作系統，Windows CE最大特點是其API與Win32兼容，這有利于使用Windows環境開發WincE應用，Windows CE提供給程序開發者標準Win-32API，ActiveX控件，MSMQ，COM接口，ATL和MFC(MicrosoftPoundationclassesLibrary)等熟悉的開發環境。Activesync提供臺式計算機和嵌入裝置之間的(網絡)連接，無論是通過序列連接，還是紅外線串行口或網絡電纜連接。Windows CE對多媒體，通信(TCP/IP，SNMP，TAPI)，還有安全性提供內置的支持。種種的整合應用程序，包括了小型的outlook瀏覽器，針對小型的收信信箱的客戶程序，還有小型的容許用戶擴展并自定義現行的系統的Wordexpose對象和擴展應用的程序。

選擇 Windows CE作為監測系統的操作系統，為我們的開發工作提供了熟悉的開發環境和豐富的軟件資源，為系統的成功開發奠定了基礎。

2.2 模擬量輸入設備選型

按照需求分析的要求，需要采集的模擬量有:1-6電機分電流、主發電壓、主發電流、水溫、油溫、滑油壓力、燃油壓力、輔助發電、蓄電池充放電流、柴油機轉速15個模擬量。

綜合考慮系統可靠性、高級語言支持能力及性價比等因素，我們選擇臺灣泓格I-7018模塊作為14路模擬量的輸入通道，選擇I-8080模塊做為柴油機轉速模擬量的輸入模塊。系統采集的模擬量及其通道的分配見表1所示。

2.3 開關量輸入、輸出設備選型

根據需求分析，在此系統中我們所涉及到的開關量有：差示壓力動作、水溫高、固定發電、空轉、主回路接地、主回路過流、卸載燈亮、故障勵磁、三個開關以及四個指示燈的控制。根據各方面的權衡，我們選擇了泓格ICPDAS I-8042開關量的輸入模塊。I-7050開關量的輸入、輸出模塊。系統采集的開關量及其通道的分配見表2所示。

2.4 通信協議轉換設備

Wincon-8000使用RS-485通信協議連接器連接各主要I/0模塊，因此要求所有的I/0通道模塊支持RS-485協議。考慮到目前的機車上已經安裝了一套運行監測系統，稱為TAX箱。TAX箱使用RS-232 串口通信協議，所以應在監測器與TAX箱之間完成RS-232到RS-485 通信協議的轉換。從模塊的性能、兼容性等方面的因素考慮，選擇了臺灣漲格的I-7520模塊。

系統的硬件總體結構如圖1所示。

3 軟件開發

3.1 軟件開發環境

微軟提供了兩個整合的開發環境來開發基于Windows CE 控制器的應用程序：Visual studio.NET和eMbedded Visual C++，它們都由一套整合的窗口、工具、菜單、工具欄、目錄和其他組件組成，用來幫助我們建立、開發、測試和調試Windows CE應用程序的。基于Wincon-8000的機車數據實時監測與處理系統的數據采集軟件是在Visual studio.NET環境下開發的。開發平臺的最低硬件配置如表3所示。

表3 開發平臺的最低配置

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3.2 軟件開發工具

Visual studio.NET整合開發環境已經支持開發智能型裝置，使用這些工具和.NET Compact Framework 能夠建立、部署、調試、建制在個人數字助理、移動電話和其他資源受限等通過.NET Compact Framework執行的應用程序。Visual studio.NET 2003年版本（含）以后已經支持應用程序的開發者在Visual studio.NET中使用 Visual Basic.NET和Visual C#程序語言來撰寫應用程序，這些應用程序必須通過.NET Compact Framework來開發和執行，本系統使用Visual C#程序語言來撰寫應用程序，軟件開發工具如表4所示。

除要在開發用PC上安裝Windows CE軟件開發包，還要安裝SDK for wincon-8000及軟件驅動程序。程序既可以下載到硬件平臺上調試也能在使用的PC上的仿真環境中進行調試。

3.3.1 軟件總體功能

系統能采集浮點型的8位數據，每隔50毫秒采集一次信息，每一秒將收到最后一幀監控裝置數據傳送到終端設備形成.TXT，.BAK等文件，然后將.TXT，.BAK等文件傳送給CF卡，通過U盤將數據傳送到后臺數據處理軟件，后臺數據處理軟件的回放分析提供橫向以及縱向數據比較在內的各種數據模式，通過曲線分析，使記錄數據可視化，真實再現各種運行狀態下機車的各種運行狀態，為機車的檢修提供科學的依據，同時也可以提高機車的利用率。

3.3.2 軟件總體設計堅持的原則

本系統軟件在設計時堅持以下原則：

1)界面美觀友好、用戶易操作。

2)本系統所涉及的基礎信息盡量以參數表的形式進行維護，系統做到靈活性強。

3)系統采用C/S模式設計，包括分析程序和備份程序獨立于分析程序。

4)考慮到系統數據量大的特點，保證系統有較高的運行效率。

3.3.3 數據采集系統軟件

現場數據采集軟件完成機車運行時的實時數據的采集、處理、存儲與轉發。其軟件功能結構如圖2所示 。

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圖2 數據采集系統軟件功能結構圖

現場數據采集系統主要由柴油機轉速的采集、開關量的采集、模擬量的采集、看門狗的啟用、系統信息幾個部分組成。數據采集系統程序設計流程圖如圖3所示。

3.3.4 地面分析系統軟件

地面分析系統軟件主要完成數據存儲、數據提取、數據分析等，總體數據流程如圖4所示。地面分析系統的功能框架結構如圖5所示。

4 系統運行結果

項目在設計思路上進行了創新，改變了傳統的總線與數據采集板的電路設計思想，而采用模塊化設計思想，將各個采集通道分別隔離，并預留足夠的通道備用，信號相近的通道組成模塊，模塊之間、模塊與主控單元之間通過總線方式連接，保證了各通道、各模塊和主控單元的獨立性，便于系統的擴展、升級，適應機車各種型號的傳感器信息的接入以及方便故障檢修處理。數據采集記錄器前端從儀表端子接線獲取信號，接線標準規范，模擬量輸入、開關量輸入、開關量輸出和驅動電路分別由相互隔離的通道組成不同的模塊，模塊采用雙看門狗電路設計，具有較高的可靠性，接口部分阻抗大，對外圍電路沒有影響，主控單元采用緊湊型嵌入式控制系統，操作系統為Windows CE，支持VGA、Ethernet、UsB、鍵盤、鼠標、閃存等，主控單元每1秒鐘采集并記錄一次數據，Flash盤可存儲40小時數據，通過UsB進行轉錄，方便快捷。裝置具有安全導向功能，通過面板上的指示燈可觀察、判斷裝置的好壞及數據轉錄情況。整套裝置功耗小，符合鐵道部電子產品裝車標準。項目開發的產品在哈密機務段的列車上進行了運行， 達到了預計的設計目標。系統運行后采集的部分數據如下：

0649，0.0638，0.0367，0.0372，0.038，0.0378，255，62.5，0，0，0，0，0，0，0.0，“2006-01-2216:55:35”，“5051”，

0.0141，0.0132，0.0302，0.0147，0.1002，0.0708，1，1，0.0119，0.1237，0.0649，0.0637，0.0366，0.0372，0.038，0.0378，255，625，0，0，0，0，0，0，0.0，“2006-01-2216:55:36”，“5051”，

0.0141，0.0132，0.0302，0.0147，0.1002，0.0708，1，1，0.012，0.1238，0.0649，0.0638，0.0367，0.0372，0.0381，0.0378，255，65.34091，0，0，0，0，0，0，0.0，“2006-01-22 16:55:37”，“5051”

0.0141，0.0132，0.0302，00148，O.1002，0.0708，1，1，0.0119，0.1237，0.0648，0.0637，0.0368，0.0373，0.0381，0.0378，255，62.5，0，0，0，0，0，0，0.0，“2006-01-22 16:55:38”，“5051”

5 結束語

本系統嚴格按照鐵路產品的設計要求進行設計與生產，在性能與可靠性方面處于國內領先水平。系統的實現不僅為鐵路高速運輸提供了強有力的安全保障，同時也為鐵路安全運輸管理提供了正確的分析依據。

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