基于ARM及C#語言的城軌能饋式供電系統綜合監控技術研究與實現

金海軍，田 蓓，許曉夢，徐 碩，劉志剛

（北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044）

城市軌道交通供電系統為城軌車輛的運行提供電力，是城市軌道交通運輸系統安全可靠運行的關鍵設備和重要保障，所以監控其運行參數并實時掌握其工作狀態非常重要。基于能量反饋式牽引供電系統的綜合監控系統，是目前國內較為先進的交流傳動的監控方法之一[1]。該監控系統基于新型牽引供電系統的特性，采用以太網通訊技術和虛擬儀器技術，并使用ARM及C#語言，通過虛擬儀器界面取代過去的監控方式，實現了對新型能饋式牽引供電系統的可靠實時監控。

文中研究的能饋式牽引供電系統綜合監控技術可以保障牽引供電系統的正常運行，對能饋式牽引供電系統動態過程中的各個電氣參數，溫度值及開關量等進行測量、傳輸、顯示、存儲及故障診斷，方便用戶觀察分析數據。克服了傳統的儀表測量帶來的不良影響，如干擾PWM整流器的正常運行、危及操作人員的人身安全，測試過程繁瑣程序復雜等問題。該能饋式牽引供電系統的綜合監控技術的主要特征是，具有強大的控制、存儲、運算、邏輯判斷能力，及自動操作等新能力，并且在監控的準確度、靈敏度、自動化程度、使用能力及解決監控技術問題的深度和廣度方面有很大提升。

1 系統整體方案介紹

能饋式供電系統的綜合監控主要是由外圍數據源設備、底層ARM數據采集部分、串行通信接口轉換模塊，PC上位機監控軟件，數據庫存儲5個模塊組成。

其中，底層ARM系統負責對于監控設備的實時數據采集，經過串行接口轉換模塊與PC機通信接口相連。上位機基于C#語言的監控系統使用串口和以太網協議將所有采集數據匯總進行顯示以及分析等，同時從數據采集卡接收數據波形，利用外圍數據庫進行數據存儲，便于調用分析，進而完成對整個系統的綜合監控以及故障診斷。

2 底層硬件設計

本監控系統底層處理器采用了TI公司推出的AM3359微處理器。AM3359在圖像、圖形處理、外設和諸如EtherCAT和 PROFIBUS的工業接口選項方面進行了增強，支持通用存儲器（NAND，NOR，SRAM，等）支持高達 16 位 ECC，支持最多2個端口的10/100/1000以太網交換機，串口包括：2個控制器局域網端口 （CAN）6個 UART，2個 McASPI，2個 McSPI和3個I2C端口，具有良好的通信功能。

綜合監控系統平臺中以AM3359微處理器為核心，移植了Ubuntu Linux操作系統作為下位機，采用LabVIEW作為監控界面的PC作為上位機，通過數據采集結點采集能饋式牽引供電系統相應的數據量和模擬量，以ARM板中NAND Flash作為存儲單元存貯采集到的數據，并通過串口和網口傳輸以上數據到上位機進行處理和故障診斷，從而實現了對于管軌牽引供電系統的實時監控。綜合監控系統的總體架構如圖1所示。

圖1 綜合監控系統總體架構Fig.1 Overall architecture of integrated monitoring systems

AM3359處理器針對工控領域產品對多串口，多網卡應用有針對性的優化和增強。支持6個串口，2個以太網，并能方便對網口和串口的擴展。串行接口是計算機與外圍數據源設備之間進行數據交換的重要介質。本平臺中的核心處理器AM3359采用的是USB調試串口，是由USB信號線先經過USB2412集線控制IC再經過串口接口IC FT2232L轉換成UART信號。

本監控系統中ARM芯片應用TI公司的Cortex-A8系列AM3359芯片設計了一個嵌入式Linux系統。串口通信設計了4路RS232，2路RS485，實現兩臺PC間的安全穩定通信。監控系統通過主控單元采集變流器各監控量信息，并通過SPI串口通信的方式以1 s的周期傳輸給ARM處理器，從而完成短距離、周期性的監控數據的傳輸。

監控平臺的以太網通信以TCP/IP為通訊協議，將從控制單元得到的電壓，電流等數據通過以太網的方式傳送給上位機的監控界面。TCP網絡沒變成是目前比較通用的方式，主要采用C/S模式，即服務器（S）、客戶端（C）模式，服務器模式創建一個服務程序，等待客戶端用戶的連接，接收到用戶的連接請求后，根據用戶的請求進行處理；客戶端模式則根據目的服務器的地址和端口進行連接，向服務器發送請求并對服務器的響應進行數據處理[2-3]。本文中ARM充當客戶端的角色，對上位機進行訪問。具體的TCP/IP通信流程圖如圖2所示。

圖2 TCP/IP通信流程圖Fig.2 TCP/IPcommunication flow chart

3 上位機軟件設計

綜合監控技術的核心為上位機軟件設計，通過串口和以太網接口與數據采集通信，完成設備實時數據的接收，然后做適當數據處理和分析后，進行各個功能的正常工作。本上位機軟件是在Windows操作系統下Visual Studio 2005.NET編程環境中使用C#語言編程完成。

C#語言是一種安全、穩定、簡單的，由C和C++衍生出來的面向對象的編程語言。它在繼承C和C++強大功能的同時去掉了一些它們的復雜特性（例如沒有宏以及不允許多重繼承）。C#綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運行效率，以其強大的操作能力、優雅的語法風格、創新的語言特性和便捷的面向組件編程的支持成為.NET開發的首選語言[4-5]。

本文使用C#編程環境中的Serial Port類來實現串口通信功能，使用Thread類來完成多線程編程，數據庫模塊采用廣泛使用的SQL Server 2000來存儲數據。Serial Port類為應用程序提供了通過串口收發數據的簡便方法，具有功能強大、通信快速、實時性好等特點[6]。圖3為監控軟件的系統結構流程圖。

3.1 軟件通信設計

本監控系統中根據數據類型的不同及數據的多少主要由串口和以太網進行底層ARM和上位機的通信。串口通信協議根據連接的具體設備進行不同的選取，本設計中主要有MODBUS協議和制定的串口協議。以太網協議則使用經典的TCP/IP，實現服務器和客戶端之間的通信。

3.2 SQL數據庫

圖3 監控軟件系統流程圖Fig.3 Flow chart of the monitoring software system

后臺數據庫選用 Microsoft SQL 2000，SQL Server是由Microsoft開發和推廣的關系數據庫管理系統（DBMS），它是基于5QL客戶/服務器（C/S）模式的數據庫系統。圖形化的界面使數據庫管理更加簡潔、靈活，同時又具有豐富的編程接口，為用戶從事程序開發提供了更多的方便。

本監控系統在SQL數據庫中主要存儲中間計算量及故障數據量，在其中共建立了7個數據表，分別為SCADA接口數據表、查詢數據、告警記錄、故障顯示、通道設置、信號記錄及用戶，這些表中的信息與前端顯示界面中的數據相互對應，整個數據庫的大小可達到10G。在需要調用數據進行分析時，可實時對SQL進行訪問，讀取數據庫中的值，上層界面也可根據數據庫中數據的分析結果對底層進行相應的控制。

4 實驗調試結果

1）運行狀態

2）波形顯示

3）控制設置（模擬參數）

圖4 串口制定協議結構Fig.4 Serial protocol architecture

圖5 MODBUS協議結構Fig.5 MODBUSprotocol architecture

圖6 SQL數據庫故障顯示數據表Fig.6 The failure display data sheet in SQL database

圖7 運行狀態Fig.7 Running state

圖8 波形顯示Fig.8 Waveform display

圖9 波形回放Fig.9 Waveform playback

4）控制設置（狀態參數）

圖10 參數設置Fig.10 Parameter setting

5）故障顯示

圖11 故障顯示Fig.11 Fault display

5 結 論

文中介紹了基于ARM和C#進行的能饋式牽引供電裝置監控軟件的設計過程，實現了多目標、多功能和多選項卡的圖形用戶界面，用戶可以在界面上完成數據輸入、運行狀態監控、波形顯示、控制設置以及故障顯示等全部工作。軟件具有用戶界面友好、軟件性能強、運行速度快、易于移植、開發研制的周期短等優點。通過對軟件平臺，具體功能以及通信協議的介紹，體現了軟件的整體設計思想以及突出優勢。

[1]王磊，劉志剛，趙雷廷，等.新型城軌牽引供電系統監測平臺研究[J].電測與儀表，2009，46（8）:50-55.WANG Lei，LIU Zhi-gang，ZHAO Lei-ting，et al.Research on a novel monitoring platform for traction supply of urban rail transportation system[J].Electrical Measurement&Instrumentation，2009，46（8）:50-55.

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