基于FPGA的動車組數據記錄及顯示方案研究

盧越 王天超

摘 要：本次設計以FPGA最小系統電路為控制核心，完成外圍電路包括數據采集接口電路、輔助電源電路、JTAG電路、GPS定位電路、GPRS數據發送電路的搭建，實現動車組運行狀態及故障數據的采集與發送。遠程監控室通過GPRS接收到相關數據后實時進行處理、顯示與存儲。

關鍵詞：動車組;FPGA;數據記錄

1 硬件總體設計思路

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

2 硬件方案設計

本次設計的硬件總體架構主要包括FPGA電路、FPGA供電電路、FPGA配置電路、數據采集電路、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，它通過數據采集電路接入到動車組車載網絡中，采集動車組實時運行狀態信息和監控信息，控制各個外圍電路工作，比如利用FPGA供電電路為FPGA提供穩定可靠的電源、利用FPGA配置電路實現FPGA邏輯軟件的加載和維護、利用GPS電路實現當前動車組所在位置的定位，得知經度、緯度和時間信息;利用GPRS電路遠程連接至遠程終端，實現數據的無線傳輸;利用存儲電路存儲各種狀態信息和故障信息;利用液晶顯示電路實現動車組工作狀態和命令指示等的顯示;利用供電電源電路實現高壓交流信號向低壓直流信號的轉換，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

本次設計選用的FPGA是中電58所研制的國產芯片JXCLX25-363它是基于SRAM配置的高密度現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計應用。

2.2 FPGA供電電路

本次設計選用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，內部集成了開關控制器、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，四通道并聯輸出可達16 A。該器件有兩種工作模式：連續導通模式、不連續導通模式;具有工作頻率可調、外部頻率同步、多相操作（2+2、3+1或4相）、輸出電壓跟蹤、內部溫度檢測二極管輸出等功能;此外還內置了輸入欠壓保護、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端口將數據寫入到flash中。

2.4 數據采集電路

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

2.5 GPRS電路

本設計中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，內嵌的TCP/IP協議棧，支持多種數據傳輸方式，具有短信、語音、傳真和數據業務等功能。GPRS電路主要包括電源電路、上電復位電路、接口電路、SIM卡電路和語音報警電路。

電源電路能夠輸出穩定的電壓4.2 V為MC52i供電;上電復位電路是通過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;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卡電路用于數據的輸入輸出;語音報警電路通過控制MC52i的相關管腳輸入音頻。

2.6 GRS電路

GPS電路采用ALIENTEK生產的成熟芯片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：常亮表示芯片開始正常工作，但還未實現定位;閃爍表示芯片定位成功。

主控芯片JXCLX25-363完成232協議的內置，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，能夠監控FPGA及其相關電路、GPRS電路、GPS電路、存儲電路等電路的運行狀態。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點。由于動車組采集數據量較大，運行過程中需要持續記錄數據并發送至遠程控制中心進行數據解讀分析，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轉換成各功能電路需要的電壓。

3 總結

本文完成了基于FPGA的動車組數據記錄及顯示方案的設計，完成了FPGA電路、FPGA供電電路、FPGA配置電路、數據采集電路、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。實現動車組運行狀態及故障數據的采集與發送。為工程實際應用提供參考。

參考文獻：

[1]崔轉玲.動車組運行狀態遠程監控系統無線通信技術的研究[D].蘭州交通大學，2014.

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