基于FPGA的空調顯示設定器數據記錄方案設計

田 地

（西安中車永電捷通電氣有限公司，陜西西安，710016）

基于FPGA的空調顯示設定器數據記錄方案設計

田 地

（西安中車永電捷通電氣有限公司，陜西西安，710016）

針對CRH2型動車組空調故障數據記錄改進要求，設計了空調顯示設定器記錄48小時空調運行數據整體方案，詳細介紹了FPGA軟件實現方法，對空調系統進行長時試驗，其結果表明數據記錄正確，滿足設計要求。

空調；FPGA；數據存儲；FLASH

0 引言

動車組以其節能環保、速度快、乘坐舒適等優點得到人們的一致認可，已成為旅客出行的首選，與傳統電力機車相比，動車組車廂內空氣流通性好溫度舒適。這些都依賴于車輛空調系統；隨著車輛運行時間的延長，尤其在夏季空調連續制冷，對壓縮機、變頻器等部件是一種嚴酷考驗，空調機組部件出現故障在所難免，為快速準確查找故障原因，及時解決問題，記錄空調運行數據尤為關鍵。

CRH2型動車組空調故障數據記錄于車下空調控制裝置中，下載故障數據時，需打開車廂下側裙板，耗時費力。本方案選擇在空調顯示設定器（車廂電氣柜內）內存儲運行數據（變頻器電壓電流值、各接觸器狀態等），數據由空調控制裝置上傳至空調顯示設定器，設計記錄48小時運行數據，需要下載數據時，在車廂內相應電器柜連接電腦即可下載，省去了拆裙板步驟，更為人性化，1名檢修人員即可完成。

1 系統方案

空調顯示設定器核心控制器采用XILINX-SPARTAN6-FPGA，外圍使用FLASH用來存儲空調運行數據，通過RS232接口與PC連接，使用上位機進行數據下載。

FPGA采用硬件處理技術，可以反復編程，能兼顧速度和靈活性，并能并行處理多路信號，因空調顯示設定器同時連接2臺空調控制裝置與列車網絡控制裝置，對數據處理的實時性要求較高，FPGA的并行處理能滿足以上要求。Nand-flash存儲器具有容量較大，改寫速度快等優點，適用于大量數據的存儲。

2 軟件實現過程

軟件實現對空調控制裝置上傳數據的采樣，采樣數據的存儲，實時運行數據的讀取等功能。具體可分為：數據采樣模塊、命令管理模塊、FLASH接口模塊。如圖1所示。

圖1 軟件結構

2.1 故障采樣模塊

空調顯示設定器通過RS232接口同時與2臺空調控制裝置交換數據，單臺空調控制裝置每次上傳24字節數據，兩臺共48字節，每15s采樣一次數據，加上時間信息共54字節存入RAM中，因為FLASH讀寫按頁操作，每頁512個字節，因此設置RAM深度為512字節。當RAM存儲滿486字節后，向FLASH管理模塊發送存儲數據命令，將數據存入FLASH相應地址。程序采用狀態機實現，狀態轉移如圖2所示。

圖2 故障采樣狀態轉移

圖3 FLASH地址與數據管理狀態轉移

2.2 FLASH數據與地址管理模塊

項目 FLASH選用三星K9F280U0C，容量16MByte，每頁512Byte，當FPGA數據緩存至一頁的數據量時，存儲一頁數據，每頁有效數據為486Byte=9*54Byte，每15s采樣一次數據，因此每一頁記錄時長為9*15s=135s=2.25分鐘。依照設計要求存儲48小時數據共需要48*60/2.25=1280頁=45塊。共需FLASH容量1280*512=655Kbyte，滿足要求。

FLASH的操作主要有讀、寫、擦除。讀與擦除命令通過RS232接口連接電腦上位機進行下達，寫命令由故障采集模塊下達，當采集數據達到1頁數據量時，下達寫命令。

系統初始上電后，FLASH數據與地址處理模塊先找到下次要寫入數據的頁地址，具體做法為從第0頁開始讀取判斷，直到1280頁，讀到某頁數據全為FF時，表示此頁為將要寫入的頁。開始等待命令，得到寫命令時，寫完一頁數據后，頁地址加一，判斷是否為下一個塊的起始地址，是則擦除下一塊。得到讀取命令時，從當前頁地址逐次減一頁讀取，讀完第0頁數據后，返回1280頁讀取，這樣讀出的數據保證時間從最近到48小時以前。得到擦除命令時，從第0塊開始擦除至45塊。具體操作流程圖如圖3所示。

2.3 FLASH接口模塊

FlASH接口操作模塊根據FLASH讀寫擦除時序寫入相應命令實現操作。以讀取數據為例，先輸入命令，寫地址，讀數據，在WE,RE低電平時更換數據，在上升沿提取數據。

3 驗證

連接空調顯示設定器與空調裝置，連續運行一個月，空調顯示設定器能可靠準確記錄空調運行狀態，包括室內溫度、壓縮機用逆變器運行頻率、壓縮機壓力、外氣溫度等信息。通過上位機制作EXCEL表格（圖4），方便用戶查看分析。實驗表明，本方案達到設計要求。

VVVF運于電流20169 81733429.4 41 49 16 30.2 120 41 20169 81733129.4 41 49 16 30.2 120 41 20169 817333429.4 41 49 16 30.2 120 41年 月日時分秒室內溫度VVVF運行電流逆變器頻率外氣溫度溫度傳感器ROM版本

4 結語

本文依據動車組用空調系統故障調查需要，創新性的提出了在空調顯示設定器內存儲空調運行數據的方案，解決了以往車下下載的劣勢，節省時間與人力。方案以FPGA為主控芯片，搭配NAND FLASH可存儲48小時空調運行數據，試驗結果表明，本方案滿足設計需求，下一步可繼續縮短采樣時間，提高記錄時長。

［1］陳明文，連帥軍，周建國.基于FPGA的FLASH控制器系統［J］.電子科技，2008.

［2］李槐生．基于FPGA的NANDFLASH控制器［M］．科技之友，2011．

A FPGA-based schematic design of data logging for air conditioner display setter

Tian Di
(CRRC xi’an YongeJieTong Electric Co.,Ltd.,xi’an Shaanxi,710016)

In order to improve the scheme of CRH2 air conditioning fault data, the air conditioning display setter is designed,which can record the running datas of the air conditioning and analyze the overall plans within 48 hours.In addition,the FPGA software implementation method is introduced in detail in this article.Through the long-term test of the air conditioning system, the results show that the data recorded correctly, so meet the design requirements.

air conditioning;FPGA;data save;FLASH