動車組隨車監測記錄儀的設計與實現

胡明忠 林建一

摘 要:為了保障動車組的安全運行和檢修維護的需要,開發設計了動車組隨車監測記錄儀。該記錄儀可以實時采集動車組的運行數據,也可以通過串行通訊接收其它車載設備的實時運行數據,并用大容量U盤組成了海量信息存儲系統,實現了長達31天的動車組運行數據和故障信息的采集、記錄和保存。為分析動車組運行狀況、查找動車組運行故障、提供檢修參考依據建立了重要基礎。

關鍵詞:數據采集故障記錄海量存儲檢修維護

中圖分類號:U266 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(b)-0012-02

隨著投入運行的高速動車組的數量不斷增長,對動車組的維護、檢修工作量也不斷增加。由于動車組的運行-檢修機制的特殊性,要求在規定的時間內完成動車組的全部維護、檢修工作。這是一項非常艱巨的任務。

為了幫助動車組的檢修技術人員迅速、準確地分析動車組的運行狀況、查找動車組運行時可能發生的故障,我們研制了動車組隨車監測記錄儀。

動車組的運行參數數據量極大,它包括以下幾個方面的數據[1]:

①司機的操作參數:司機手柄位置信號,司機室各控制開關信號等;

②動車組設備的運行參數:接觸網壓、牽引變壓器的電壓、電流,牽引電動機的電壓、電流,各輔助發電機組的電壓、電流,制動系統的風壓等;

③動車組的運行參數:速度、牽引功率、制動功率等;

④其他參數:日期、時間等。

對上述所有數據進行歸納總結,要滿足分析動車組運行工況和故障工況的要求,每秒鐘需要記錄的數據量為256個字節。這樣,動車組若運行24小時需記錄的數據量為256X3600X24=22118400字節。而若要求保存31天數據以備查用,所以機車數據記錄系統必須具有記錄和保存22118400X31=685670400字節(686兆字節)的能力。對于這高達六百多兆字節數據量的存儲,一般單片機數據記錄系統無法采用常用的存儲空間擴展技術來實現(標準單片機的地址空間為64K字節,采用一些特殊的存儲空間擴展技術后,可將地址空間擴展到數兆字節[2][3])。我們所設計的動車組隨車監測記錄儀,采用了高性能的嵌入式單片機,可以實時采樣、記錄動車組電氣控制柜中的邏輯控制信號,也可以采用485串行通訊總線記錄其它車載設備的實時運行數據,并用大容量U盤組成了海量信息存儲系統,實現了長達31天的動車組運行數據和故障信息的采集、記錄和保存。

1 動車組隨車監測記錄儀的組成

動車組隨車監測記錄儀的系統框圖如圖1所示。

記錄儀以嵌入式單片機為控制核心,組合了輸入信號調理電路、數據顯示電路、485串行通訊電路、實時時鐘電路、U盤存儲系統電路和USB高速數據傳輸接口電路等。嵌入式單片機通過輸入信號調理電路采集動車組的運行參數,加入日期和實時時間,并可根據需要加入通過485通訊接口從其他車載設備傳輸過來的數據,最后按256個字節一幀打包后存入U盤存儲器。

記錄儀的USB高速數據傳輸接口可以將所保存的數據上載到筆記本電腦中。

圖1中,動車組隨車監測記錄儀具有顯示實時采集數據的數據顯示電路,可以幫助技術人員在現場讀取有關數據,便于在現場監測動車組的運行狀態。

2 嵌入式單片機數據存儲系統

動車組隨車監測記錄儀采用了英飛凌公司生產的具有較高性能和較強抗干擾能力的XC164CS嵌入式單片機為控制核心。該嵌入式單片機的程序空間和內存空間都較大(128KFlashROM和6K片上RAM),便于完成復雜的數據處理并具有較強的功能擴展能力[4]。

嵌入式單片機數據存儲系統中的U盤存儲系統程序框圖見圖2。在設計U盤存儲系統電路時,考慮到今后的發展我們采用了2GB的大容量U盤作為存儲介質,保證了足夠的數據儲存空間,實現了長達31天的機車運行數據和故障信息的采集、記錄和保存。

在記錄儀中還采用了獨立的實時時鐘電路DS12C887A。由時鐘電路提供的日期和時間可以使記錄的參數具有精確的時間定位。當分析機車運行狀況或故障狀況時,精確的時間定位是必不可少的。而獨立實時時鐘電路有利于提高時間精度并簡化電路、提高記錄儀的可靠性和可維護性。

嵌入式單片機數據存儲系統的主程序框圖參見圖3。

圖3中,當采集完動車組的邏輯控制信號、加入日期和時間后,應該先計算CRC校驗碼并加入幀中。若需要加入從其它外部車載設備傳輸過來的數據,再拆包數據幀,加入外部通訊數據后重新計算CRC校驗碼并重新按256個字節一幀打包。這樣,以保證每一個數據幀的準確性與完整性。

3 數據傳輸信號自動檢測軟件模塊設計

當技術人員需要用筆記本電腦讀取動車組隨車監測記錄儀所記錄的數據時,可以使用專用信號傳輸電纜通過USB2.0高速數據傳輸接口將數據上載到筆記本電腦。

動車組隨車監測記錄儀自動檢測專用信號傳輸電纜的接入與斷開,并通過握手信號與筆記本電腦建立通訊。由于采用了CRC校驗碼(循環冗余碼校驗)以及錯誤數據重發機制,使得高速數據傳輸模塊具有一定的軟件容錯能力,從而保證了即使在機車運行時存在強干擾的環境下,數據傳輸也有較高的可靠性。

記錄儀對傳輸電纜的自動檢測模塊結構框圖如圖5所示。

在圖4所示的傳輸電纜自動檢測模塊中,采用查詢方式讀取USB接口狀態。若有傳輸電纜接入USB接口。則嵌入式單片機保存完當前數據緩存器中的數據幀、顯示正在與筆記本電腦通訊的信息后,即向筆記本電腦傳輸所記錄的數據。由于采用了USB2.0高速數據傳輸模式,故在數分鐘內即可將所有數據傳輸完畢。

動車組隨車監測記錄儀還可以與其它車載設備之間通過具有較強的抗干擾能力的RS485總線傳輸所需要的數據。

4 結語

我們設計的動車組隨車監測記錄儀安裝于上海鐵路局和鄭州鐵路局的CRH2動車組后,經過一年多的運行表明:該記錄儀具有抗干擾能力強、可靠性高、數據采集準確可靠、數據記錄容量大等優點。并在實際故障分析中提供了有效的數據證據。

動車組隨車監測記錄儀為分析動車組運行狀況、查找動車組運行故障、提供檢修參考依據做出了貢獻,因此具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 連級三.電力牽引控制系統.北京:中國鐵道出版社,2007.

[2] 何立民.單片機應用技術選編.北京:北京航空航天大學出版社,1995.

[3] 徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設計.北京:北京航空航天大學出版社,1995.