基于Linux操作系統(tǒng)的機(jī)車(chē)信號(hào)主機(jī)記錄板應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)

趙世林

摘? ?要：文章較系統(tǒng)地介紹了機(jī)車(chē)信號(hào)主機(jī)記錄板應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，主要內(nèi)容包括機(jī)車(chē)信號(hào)主機(jī)的功能概要、記錄板插件的軟件結(jié)構(gòu)和核心模塊以及Linux操作系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，并對(duì)記錄板可擴(kuò)展的功能進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：JT-CR-2000;記錄板;Linux

1? ? JT-CR-2000型機(jī)車(chē)信號(hào)車(chē)載系統(tǒng)概述

機(jī)車(chē)信號(hào)是指在司機(jī)室內(nèi)指示列車(chē)前方運(yùn)行條件的信號(hào)。在地面信號(hào)機(jī)為主體信號(hào)的前提下，機(jī)車(chē)信號(hào)為輔助信號(hào)，它能自動(dòng)地反映列車(chē)運(yùn)行前方地面信號(hào)機(jī)的顯示狀態(tài)和運(yùn)行條件，指示列車(chē)運(yùn)行，并與列車(chē)自動(dòng)停車(chē)裝置結(jié)合，確保列車(chē)的安全運(yùn)行。

JT-CR-2000型機(jī)車(chē)信號(hào)車(chē)載系統(tǒng)是山西潤(rùn)澤豐科技開(kāi)發(fā)有限公司最新研制開(kāi)發(fā)的新一代機(jī)車(chē)信號(hào)產(chǎn)品。該設(shè)備采用新工藝、新標(biāo)準(zhǔn)的一體化機(jī)箱設(shè)計(jì)，技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足原鐵道部《中華人民共和國(guó)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T3287-2013機(jī)車(chē)信號(hào)車(chē)載系統(tǒng)設(shè)備》要求。該系統(tǒng)通過(guò)了原鐵道部的技術(shù)審查并獲得了國(guó)家鐵路局運(yùn)輸安全設(shè)備生產(chǎn)的行政許可及中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心的中國(guó)鐵道建筑總公司（China Railway Construction Corporation，CRCC）產(chǎn)品認(rèn)證證書(shū)。

JT-CR-2000型機(jī)車(chē)信號(hào)系統(tǒng)采用超大規(guī)模集成電路器件和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，利用先進(jìn)的頻譜分析技術(shù)和時(shí)域處理技術(shù)，能夠適用的軌道電路制式：ZPW-2000系列（包括UM系列）、移頻（18信息、8信息、4信息）以及交流計(jì)數(shù)和微電子交流計(jì)數(shù)（25 Hz，50 Hz），并可以根據(jù)用戶(hù)需求適用其他軌道電路制式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用“（3取2）×2”的設(shè)計(jì)理念，信號(hào)的采集輸入采用了2×2雙路輸入信號(hào)安全組合連接法，大大提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2? ? 主機(jī)原理

JT-CR-2000型機(jī)車(chē)信號(hào)主機(jī)是通過(guò)安裝在機(jī)車(chē)第一輪對(duì)前面的接收線(xiàn)圈接收到軌面上表示機(jī)車(chē)前方運(yùn)行條件的信號(hào)信息，經(jīng)模數(shù)（Analog to Digital，A/D）轉(zhuǎn)換將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的“0”“1”數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）芯片通過(guò)一系列的軟件處理程序，將接收到的信號(hào)“翻譯”成點(diǎn)燈結(jié)果和超速防護(hù)信息，主機(jī)再將其輸出至機(jī)車(chē)信號(hào)機(jī)和列車(chē)運(yùn)行監(jiān)控裝置。不同點(diǎn)在于JT-CR-2000型機(jī)車(chē)信號(hào)主機(jī)由于要滿(mǎn)足更高的要求，要增加更多的安全和可靠性冗余措施，包括雙路接收線(xiàn)圈、多CPU和主機(jī)板、雙套熱備結(jié)構(gòu)、雙電源熱備結(jié)構(gòu)等，增加對(duì)機(jī)車(chē)信號(hào)運(yùn)行中有關(guān)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和信號(hào)波形的記錄。圖1給出了JT-CR-2000型機(jī)車(chē)信號(hào)主機(jī)結(jié)構(gòu)原理。

系統(tǒng)中設(shè)有A，B兩個(gè)主機(jī)板和一個(gè)記錄板，兩主機(jī)板完全相同，且都能夠采集兩路接收線(xiàn)圈信號(hào)進(jìn)行解碼。兩主機(jī)板同時(shí)工作，互為備份關(guān)系。板間采用RS-485和控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)進(jìn)行通信，同時(shí)，將解碼數(shù)據(jù)發(fā)送給記錄板記錄。兩主機(jī)板通過(guò)連接板進(jìn)行切換，工作板將結(jié)果送至信號(hào)機(jī)進(jìn)行顯示輸出。

記錄板接收并記錄當(dāng)前信號(hào)波形、解碼數(shù)據(jù)、TAX箱信息，同時(shí)，還能通過(guò)通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送給地面。

3? ? 記錄板主要功能

（1）記錄板記錄數(shù)據(jù)由3部分組成：信號(hào)波形、解碼數(shù)據(jù)、TAX箱信息;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用容量為8 GB的eMMC Flash芯片，數(shù)據(jù)可連續(xù)記錄200 h左右，波形可記錄72 h左右。

（2）記錄板采集當(dāng)前工作主機(jī)板使用接收線(xiàn)圈的信號(hào)波形，采樣頻率8 192 Hz，波形采樣精度為14位;具有“關(guān)鍵波形記錄”和“全程波形記錄”兩種方式。在“關(guān)鍵波形記錄”方式下，記錄關(guān)鍵處前后各6 s的波形數(shù)據(jù)，可記錄最近250處的關(guān)鍵波形。

（3）記錄數(shù)據(jù)可使用通用U盤(pán)轉(zhuǎn)儲(chǔ)，轉(zhuǎn)儲(chǔ)的數(shù)據(jù)由地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行顯示、分析和統(tǒng)計(jì)處理。

（4）記錄板具備工作溫度和電壓檢測(cè)記錄功能。

（5）記錄板具備故障記錄、報(bào)警和傳輸功能。

（6）記錄板具備GPRS信息傳輸功能的接口以及通過(guò)局部均值分解（Local Mean Decomposition，LMD）系統(tǒng)信息傳輸功能的接口。

3.1? 記錄板軟件架構(gòu)

圖2可以表示出每個(gè)模塊相互的聯(lián)系以及通信數(shù)據(jù)的流向，按照功能將記錄板軟件劃分為RS485總線(xiàn)程序、采樣程序、輸入/輸出（Input/Output，I/O）控制程序、串行口通信程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序、U盤(pán)讀寫(xiě)程序。

STM32F407芯片采集線(xiàn)圈感應(yīng)信號(hào)和模擬量、開(kāi)關(guān)量，接收RS485數(shù)據(jù)，通過(guò)串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）總線(xiàn)發(fā)送感應(yīng)信號(hào)的波形數(shù)據(jù)，通過(guò)通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）發(fā)送模擬量和開(kāi)關(guān)量、解碼板的485數(shù)據(jù)。Cortex-A8接收SPI總線(xiàn)數(shù)據(jù)和UART數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和邏輯分析之后分別記錄成標(biāo)準(zhǔn)格式文件，插入U(xiǎn)盤(pán)后自動(dòng)執(zhí)行轉(zhuǎn)出操作。RS_422通信接口可以外接GPRS通信模塊，也可以外接Lais轉(zhuǎn)接盒，對(duì)外透?jìng)饔涗洶逵行?shù)據(jù)[1]。

3.2? 記錄板軟件關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

記錄板軟件主要由兩部分組成，一部分面向STM32F407芯片的嵌入式應(yīng)用，一部分是面向Cortex-A8芯片基于Linux操作系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用。

基于Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序可以利用系統(tǒng)自帶應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）進(jìn)行編程，這種開(kāi)發(fā)方式流程簡(jiǎn)單，代碼結(jié)構(gòu)清晰，可移植和繼承的特性明顯。基于操作系統(tǒng)編制多線(xiàn)程的應(yīng)用程序可以把多任務(wù)的管理工作交于操作系統(tǒng)處理，充分發(fā)揮系統(tǒng)級(jí)時(shí)間片管理的優(yōu)勢(shì)。

Cortex-A8芯片上運(yùn)行的程序由多個(gè)進(jìn)程組成，分別為監(jiān)控程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（Real-Time Clock，RTC）程序、記錄主程序、SPI程序，進(jìn)程間的通信選用共享內(nèi)存和消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控程序負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)其他進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)和Flash的內(nèi)存空間，必要時(shí)重啟其他進(jìn)程;RTC程序上電后不會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，其他進(jìn)程在需要取時(shí)間時(shí)，會(huì)調(diào)用該程序，運(yùn)行一次后自動(dòng)銷(xiāo)毀進(jìn)程;SPI程序讀取和記錄串行口的波形數(shù)據(jù);記錄主程序負(fù)責(zé)執(zhí)行串口通信、數(shù)據(jù)記錄、U盤(pán)轉(zhuǎn)儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通信等主要功能[2]。

程序任務(wù)中有很多功能是需要等待的，如標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出、I/O控制、U盤(pán)讀寫(xiě)，如果選用多線(xiàn)程編程可以有效地分配計(jì)算資源，提高程序的運(yùn)行效率，所以記錄主程序和SPI程序都選用了多線(xiàn)程編程技術(shù)。

SPI總線(xiàn)波形接受程序的整套程序由3個(gè)線(xiàn)程組成：兩個(gè)SPI接收線(xiàn)程，一個(gè)記錄線(xiàn)程。依照系統(tǒng)需求，SPI總線(xiàn)每秒需要接收16 K的數(shù)據(jù)，此種程序結(jié)構(gòu)可以并發(fā)SPI接收線(xiàn)程，提升程序的運(yùn)行速度，一定程度降低了CPU的負(fù)載。

程序中使用了信號(hào)量控制每個(gè)線(xiàn)程間的時(shí)序關(guān)系，rx_buf1_semr和rx_buf2_semr循環(huán)累加16次，完成16 K數(shù)據(jù)的接收，之后信號(hào)量semx原子加1，將波形數(shù)據(jù)寫(xiě)入Flash中。

記錄板程序除了記錄每秒的感應(yīng)線(xiàn)圈的波形信息之外，還要有條件地記錄關(guān)鍵變燈處前后6 s共計(jì)12 s的波形信息，在記錄關(guān)鍵波形的1 s周期里，程序需要記錄208 K的波形信息。Cortex-A8芯片主頻600 M，如果要求在1 s的周期內(nèi)將208 K的波形信息寫(xiě)入Flash中，CPU的任務(wù)負(fù)載會(huì)出現(xiàn)溢出，幾秒之內(nèi)便會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)異常。程序經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將208 K的波形數(shù)據(jù)分4個(gè)周期寫(xiě)入Flash中，關(guān)鍵變燈的觸發(fā)周期至少6 s以上，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)堆疊進(jìn)而丟包的現(xiàn)象。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

機(jī)車(chē)信號(hào)主機(jī)記錄板負(fù)責(zé)記錄機(jī)車(chē)信號(hào)系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中全部相關(guān)數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程服務(wù)器，對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)車(chē)信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，分析機(jī)車(chē)信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)行故障有很重要的參考意義。參考現(xiàn)有的功能和現(xiàn)場(chǎng)客戶(hù)的需求，未來(lái)考慮增加網(wǎng)絡(luò)通信功能傳輸記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)而減少上車(chē)讀取數(shù)據(jù)的次數(shù)，同時(shí)，考慮增加U盤(pán)更新程序的功能。

[參考文獻(xiàn)]

[1]佚名.數(shù)據(jù)手冊(cè)：STM32F407 ARM Cortex-M4處理器[EB/OL].（2007-10-31）[2019-07-25].http：//dl.21ic.com/download/ic-273116.html.

[2]喻金錢(qián)，喻斌.STM32F系列ARMCortex-M3核微控制器開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.