基于多功能車輛總線的城市軌道交通車輛數據采集系統

李啟磊 許娟紅 虞君彪 沈 潔 黃鳳辰 李臣明

（1.中國中車南京浦鎮車輛有限公司，210031，南京；2.河海大學計算機信息學院，211100，南京∥第一作者，工程師）

根據IEC61375標準，TCN（列車通信網絡）適用于開式列車的數據通信。TCN 列車總線廣泛應用于鐵路機車車輛、動車組及城市軌道交通車輛中。我國近年來大力發展基于TCN 的列車網絡產品。

TCN 列車總線一般分為兩部分：用于連接各節可動態編組車輛的列車級通信網絡絞線式列車總線（Twisted Train Bus，簡為 WTB）以及用于連接車廂內固定設備的車輛級通信網絡多功能車輛總線（Multifunctional Vehicle Bus，簡為 MVB）。國內很多已運營和即將運營的地鐵列車大都采用了基于MVB標準的網絡控制系統。通過采集和分析處理列車運行過程中產生的各類信息，可以大大提高列車運行維護的時效性，從而有效保障列車運行安全。因此，設計一種結構簡單、能夠實時采集MVB 網絡數據的系統具有重要意義。

本文設計了一種采集并顯示MVB 網絡數據的系統，該系統能實時采集車輛運行過程中的各類信息，并對這些信息進行分析、處理，最后在平板電腦上動態顯示以告知司機列車當前的各種狀態。

1 系統功能

車輛數據采集系統主要負責車輛狀態參數、車輛安全信息及綜合監測信息的采集、處理、記錄、傳輸、轉儲及顯示，通過通信模塊將數據打包發送至地面綜合應用系統，為之提供數據支持。另外，根據需要，系統接收地面服務端發送的數據請求信息，并將對應的請求數據發送至地面服務端處理。

1.1 車輛信息采集

信息采集要完成的任務是在不影響TCMS（列車控制管理系統）正常工作的前提下采集到MVB上所有信號。MVB 協議是一種基于總線的協議，每一個MVB 設備都掛接到同一根總線上。MVB協議解決總線訪問沖突的辦法是主從控制，即總線上有且只有一個 MVB 設備稱為主設備，其它設備都為從設備。主設備控制總線的訪問，從設備都是在得到主設備允許后才能訪問總線。因此，本文提出的采集系統作為從設備接入至 MVB，負責從MVB讀取車輛當前的運行狀態數據，并將這些數據發送給主控芯片進行分析和處理。

1.2 車載信息總控

對車載信息采集、信息傳輸、人機交互功能的集中控制。負責對所采集的總線數據進行處理、分析，根據數據狀態的變化執行不同的任務，能將數據正確地發送至地面服務端，接收地面服務端的數據請求信息并發送所請求的數據值地面服務端，能實時對地面服務端反饋的處理結果進行有效展示。

1.3 車載人機交互

通過人機交互設備，地鐵車輛駕駛員可以實時、準確地獲取地鐵車輛當前的運行狀態、出現的故障及處置方式等信息。當車輛出現故障時，根據提示信息可以迅速、快捷地對故障進行處理，提高故障處理的效率和準確性。

2 系統功能模塊設計

車輛數據采集系統主要包括主控芯片模塊、信息采集模塊、電源模塊、無線傳輸模塊，存儲模塊和人機交互模塊，如圖1所示。

圖1 數據采集系統框圖

2.1 主控模塊

主控模塊作為系統核心部分，主要負責控制其余各模塊之間的數據交互。主控模塊控制信息采集模塊從MVB總線采集數據并將這些數據暫存于存儲模塊。之后主控芯片對所采集的車輛運行數據進行分析處理，根據數據狀態的變化將其中變化的數據通過通信模塊發送至地面服務端處理。主控模塊接收來自地面服務端的請求數據并反饋所請求的數據，接收來自地面服務端的診斷結果并發送至人機交互模塊動態顯示。同時，主控模塊還負責將采集的所有數據發送至人機交互模塊存儲。

2.2 車輛信息采集模塊

MVB信號采集設備如同一個普通MVB 從設備一樣工作。不過與普通MVB 從設備不同的是，它是一個完全被動的設備，不能干擾 MVB 的正常運行。不管這個采集設備是否存在該總線上，MVB將以完全同樣的方式運行。所以，該采集設備只是接收并保存所有通過 MVB 的數據，不發出任何數據。而且它不存在于 MVB 主設備的周期輪詢表里，它不需要分配 MVB 地址，因此，它對于整條總線是透明的。采集模塊框圖如圖2所示，采集模塊作為從設備接入MVB并將采集的數據發送至信號檢測與傳輸模塊。

圖2 車載綜合信息采集模塊框圖

2.3 電源模塊

車輛綜合信息采集、監測與傳輸系統的供電方案采用車載電源為主、充電電池為輔的方式，保證不間斷供電，如圖3所示。

圖3 電源模塊框圖

2.4 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用無線射頻的方式與地面系統通信，CDMA（碼分多址）無線公網具有網絡覆蓋好，抗多徑干擾、抗衰落性能好，尤其是越區軟切換，不易掉線的優點，因此該系統中快速移動下的通信方式主要采用CDMA 網絡。

2.5 人機交互模塊

主控芯片根據所采集的信號狀態是否變化將數據分為變化數據和非變化數據。一方面，主控芯片發送變化數據至地面服務端診斷處理，當出現故障時，地面服務端將故障信息及處置方式發送至本系統，由主控模塊控制該信息發送至人機交互模塊并動態顯示以方便駕駛人員及時處理故障；另一方面，人機交互模塊需要對采集的所有數據進行冗余備份。本文使用平板電腦作為車載人機交互模塊，該模塊需向司機展示故障告警、運行狀態、操作方式和回傳指令等信息，通過人機交互界面司機可查看列車狀態信息及故障處理方法等，同時平板電腦還作為大容量存儲設備暫存所有的車輛運行數據。

3 系統電路設計

3.1 電源電路設計

電源電路通過USB（通用串行總線）接口供電，首先經過電容和電感濾波后一端接到MVB 網卡芯片電源輸入端，為MVB網卡芯片提供工作所需的5 V 電壓，另一端先經過電容濾波，經由電壓轉換芯片降壓，再經過電容濾波后接到微控制器、網卡芯片、地址鎖存器芯片及存儲芯片的電源輸入端，為其提供3.3V 工作電源。其電路圖見圖4。

圖4 系統電源電路圖

3.2 主控電路設計

在系統主控電路中，MVB 信號采集模塊采用大連海天科技的SSMV21CD 型號網卡。該網卡支持4 096個過程變量端口（源端口或宿端口，16位～256位可配置），通過PC104與主控芯片連接。主控芯片采用Atmel公司生產的ATxmega128A1型號的微處理器控制數據的采集和處理。該型號的微處理器具有性能好、功耗低、外圍豐富等特點，CPU（中央處理器）的性能指標達到每秒處理百萬級的機器語言指令數，并允許優化功耗和處理速度。存儲芯片使用BS62LV1603EI型號。該芯片容量為2 M，具有功耗低、電源自動調節等優點。

4 系統軟件設計

車輛數據采集系統中數據處理的流程如圖5所示。

圖5 系統數據處理流程圖

5 試驗

為驗證各個硬件模塊單元以及系統整體是否實現了設計方案中的功能，在車輛環境下組建測試系統，主要對系統的數據通信能力進行測試。發送數據至地面服務端（見圖6），地面服務端接收數據（見圖7），地面服務端包括數據解析和車輛狀態顯示，解析數據后在地面顯示端顯示車輛狀態（見圖8）。在本次試驗中，在地鐵列車司機臺按下左側門全部開門按鈕，通過圖8可以看出，車門區域顯示綠色表示門打開，灰色表示門關閉，試驗結果符合預期。因此，本文所設計的系統方案能夠正常工作，地面服務端將采集的數據進行分析，最終將車載信息進行顯示，能夠滿足實際的應用需求。

圖6 數據發送

圖7 數據接收數

圖8 地面服務端顯示圖

6 結語

本文介紹了一種基于MVB的城市軌道交通車輛數據采集系統。該系統一方面能通過采集總線數據實時地獲取列車運行的各種狀態，另一方面，通過對采集的數據進行分析和處理，為后續的故障診斷提供基礎；同時還可以實時地顯示車輛的故障信息及處理方式，為維護人員及時、有效地解決故障提供保障，縮短了故障處置時間，提高了車輛安全性能。

［1］路向陽.列車通信網絡的發展與應用綜述［J］.機車電傳動，2002（1）：5.

［2］王俊景.列車通信網絡簡介［J］.城市軌道交通研究，2005（6）：83.

［3］王磊，何正友.高速列車通信網絡技術特點及其應用［J］.城市軌道交通研究，2008（2）：57.

［4］IEC61375－1.America：IEC［S］.1999.

［5］Atmel ATxmega6AA1／128A1／192A1／256A1／384A1 Preliminary［G］.2010.

［6］AtmelAVRxmega A Manual Preliminary［G］.2009.

［7］沈建良.Atmega128單片機入門與提高［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.