應用于地鐵車輛的數據記錄系統

曾桂珍，金 意

（華東交通大學現代教育技術中心，江西南昌330013）

隨著國內符合列車通信網絡（train communication network，TCN）標準的地鐵車輛廣泛地應用，行車安全問題越來越受到人們的關注，對TCN地鐵車輛的維護是保證車輛行車安全的重要條件，車輛維護人員需要通過記錄設備對地鐵車輛運行過程進行監測和記錄，以方便對車輛運行故障進行快速準確的定位及處理。

TCN標準定義了兩種用于列車車載數據通信的現場總線：多功能列車總線（multifunction vehicle bus，MVB）和絞線式列車總線（wire train bus，WTB）。MVB 總線是快速的過程控制優化的總線。目前國外地鐵車輛已完全實現了基于MVB總線的數據記錄設備，而國內還沒有具有自主研發的應用于地鐵車輛的MVB總線數據記錄設備［1-2］。

該文的MVB 總線數據記錄系統包括數據記錄設備和PC監控計算機，其數據記錄設備符合IEC61375-1標準的MVB四類設備，具有256 M字節的數據存貯空間，其通過車輛的MVB網絡總線實時獲取車輛運行數據并存儲下來，通過以太網接口傳輸到PC 監控計算機，以數據列表和圖表等方式進行顯示［3］。其系統結構如圖1所示。

圖1 MVB總線數據記錄系統結構圖Fig.1 Structure diagram of MVB bus data recording system

1 數據記錄設備硬件結構及組成

如圖2所示的一種基于ARM9核微處理器的MVB總線數據記錄設備，包括核心處理器 ①、外圍配置電路 ② 和總線接口電路 ③。核心處理器是以32位ARM9處理器為核心。其中ARM9處理器選用Atmel公司的32位處理器AT91SAM9260，它內嵌ARM926EJ-S核，帶8 K字節指令和8 K字節數據的高速緩存。工作頻率為180 MHz，處理速度為200 MIPS。具有擴展總線接口EBI、SDRAM 控制器和靜態內存（包括NAND Flash和Compact Flash），因為上述的外圍配置是通過DMA方式訪問的，所以具有對片內/外的內存最大訪問速度。

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 Structure of system hardware

外圍配置電路包括實時時鐘、FLASH器件、SDRAM器件和電源管理電路。實時時鐘選用DALLAS公司的DS1629芯片，與核心處理器通過I2C總線進行通信，提供萬年歷時間；FLASH器件選用AMD公司的AM29LV160 芯片，為核心處理器提供系統程序和應用程序的存貯介質；SDRAM 器件選用MT48LC4M16A2芯片，為核心處理器提供所有程序的運行空間；電源管理電路選用TPS75233和TPS75225芯片，分別為核心處理器提供3.3 V工作電壓和2.5 V內核電壓。

總線接口電路包括RAM、MVBC協議控制器、MVB橋電路、以太網物理收發器、USB主接口、FPGA、CAN協議控制器、CAN收發器、RS232收發器和RS485收發器。RAM選用BS62LV4006器件，用來存貯核心處理器與MVBC協議控制器相互交換的通信數據；MVBC協議控制器選用Siemens公司的MVBCS1芯片，具有MVB 四類設備功能；MVB 橋電路是以RS485 協議控制器和光耦隔離器件為核心的，選用MAX3088和6N137芯片，具有RS485差分信號收發及電氣隔離功能；以太網物理收發器選用LXT971ALE器件，提供MAC物理介質；USB主接口為標準的U盤雙層物理接口；RS232收發器和RS485收發器分別選用MAX232和MAX3088。以上的總線接口電路為核心處理器提供了MVB、以太網、USB、CAN、RS232和RS485總線接口。

2 數據記錄設備軟件結構及組成

MVB總線分析設備嵌入了系統軟件、工程應用軟件和MVB網絡診斷軟件。其中所述的系統軟件包括單元所使用的操作系統、板級支持包、MVB協議棧和驅動軟件包；工程應用軟件是面向應用程序開發的軟件，簡稱為OpenPCS軟件，支持IEC61131-3標準所規定的所有功能；MVB網絡診斷軟件是MVB網絡系統的診斷分析軟件，主要完成IEC61375標準規定的MVB總線管理功能，用于診斷和分析MVB網絡運行情況。

其中MVB協議棧是系統軟件的核心軟件，其結構示意圖如圖3所示。用戶過程數據發送任務通過應用層調用過程鏈路層服務程序，把應用數據報文轉化成鏈路報文幀，并傳送到物理總線上，而用戶過程數據接收任務的過程相反；用戶監視任務通過應用層調用監視鏈路層服務程序，通過不同的功能需求激活不同的鏈路服務，并將監視報文幀傳送到物理總線上；用戶消息數據是在呼叫方和應答方建立連接后，進行數據包傳輸。其呼叫和應答過程如下：用戶應用消息通過呼叫任務調用應用層接口，進行各種配置和表操作，再在會話層和傳送層接口中構造TCB塊的內容、網絡地址，然后在網絡層中進行查表操作，得到網絡地址到鏈路地址的映射，并調用網絡層和鏈路層的接口函數，最后在鏈路層加入鏈路頭，將消息放入協議控制器的發送隊列中，并發送到物理總線。用戶應用消息的應答處理過程相反［4］。

圖3 系統軟件結構圖Fig.3 Structure chart of system software

3 PC機監控軟件界面功能

PC機監控軟件采用Borland C++編寫。監控軟件的功能示意圖如圖4，運行記錄文件包含兩種類型的數據：一般運行數據和重要運行數據。當打開運行記錄文件后，運行數據列表中分別有兩種數據的列表顯示，這兩種列表對應著不同的數據曲線。故障數據記錄文件中既包括實際運行故障數據，也包括司機操作狀態數據，實際運行故障數據記錄車輛各設備發生故障時的信息，司機操作狀態數據包括司機進行重要操作時的信息。打開故障數據記錄文件后故障信息和操作信息分別顯示在不同的列表中，也對應著不同的匯總曲線。數據記錄設備記錄的累積數據記錄文件、試運行記錄文件及滿載率記錄文件打開后分別以不同的數據列表形式顯示出來，這些數據從不同的側面反映車輛的運行情況，為車輛的調試人員、管理人員提供有效的依據。下面是對重要運行數據曲線界面和故障診斷列表界面的說明［5］。

圖4 軟件功能示意圖Fig.4 Schematic diagram of software function

圖5為重要運行數據曲線，該界面顯示車輛運行時的變量曲線，通過該界面用戶1次同時最多可以查看10條曲線，可以進行曲線的拖動、放大、縮小等操作，同時曲線界面具有雙游標功能，用于指示各曲線變量的值及對應時間值。

表1為2011年1月3日等級為3的車輛故障診斷數據列表，該列表詳細列出了車輛發生的故障信息，包括發生故障的日期時間、設備、發生解除、故障名稱、故障描述等信息及故障發生時的網壓、速度等環境信息。對故障的描述信息是專家經驗的總結，是對發生故障原因及解決措施的合理指導，極大地提高了車輛維護人員的工作效率。故障診斷信息列表提供了不同類型的排序及匯總操作，方便維護人員快速的從整體上了解車輛的故障發生情況［6-8］。

圖5 重要運行數據曲線Fig.5 Important operation data curve

表1 故障診斷列表Fig.1 Fault diagnosis list

5 結論

討論了一種基于地鐵車輛的MVB總線數據記錄系統的結構及功能，并詳細描述了該系統在某地鐵車輛運行中的成功應用。應用的結果表明：通過該MVB總線數據記錄設備車輛維護人員能夠很好的了解地鐵車輛的運行情況，結合運行中產生的故障數據和預先建立的車輛故障診斷描述產生的故障數據報表加快了車輛維護人員對車輛運行故障的分析判斷，提高了車輛運行故障的判斷維護的效率；同時該系統也為車輛調試人員、管理人員也提供了非常有用的車輛運行信息，為他們的決策過程提供有力的參考。

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