新一代內燃機車微機系統控制平臺設計

肖孟英　唐軍　張東方

摘 要：為適應當前形式下的市場需求，同時提高整車對柴油機系統控制的可靠性，基于內燃機車微機控制系統在多種直流機車以及交流機車上的應用情況，重新設計了新一代的內燃機車微機控制系統平臺。根據該平臺在實際應用中各功能的使用情況，新一代控制平臺可提高機車控制的響應速度，能有效縮短機車邏輯控制軟件的開發周期，并提升現場調試的效率。

關鍵詞：內燃機車 微機 控制平臺

中圖分類號：U262.27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0088-03

如今軌道交通機車、車輛的主通信方式逐漸從TCN網絡的MVB+WTB通信向實時以太網通信轉換，實時以太網和絞線式列車總線WTB、多功能車輛總線MVB 通信比較，在傳輸速度、傳輸周期、集成度、調試設備、開發資源費用上等都有很大的優勢[1]。目前的通信網絡是雙網共存設計，以MVB網絡數據作為控制數據，以太網數據作為參考數據，相信在不久的未來將是實時以太網通信的時代。

同時，各大主機廠也有編制機車邏輯控制軟件的需求，所以傳統的軟件開發模式將逐漸被淘汰，需要設計一種新的軟件開發環境來適應并滿足主機廠客戶的這種需求。目前，在多個海內外項目中，采用合作開發機車邏輯控制軟件的模式來探索未來內燃機車應用軟件開發的方法。

為適應外部環境的發展，同時改善并提升內燃機車的控制性能，加強對柴油機系統控制的可靠性，設計了使用圖形化編程環境的新一代內燃機車微機控制平臺。

1 控制平臺功能分析

內燃機車微機（如圖1）主要由CPU插件、IO插件、通信插件以及電源插件構成。CPU插件作為微機的核心，是控制軟件運行的載體，主要實現機車的邏輯控制、牽引/電阻制動/自負荷特性控制、故障診斷及處理等功能[2]。

通過分析微機控制功能以及控制平臺所關聯的對象，可得知控制平臺需要實現的功能應包括：

（1）支持圖形化應用軟件開發環境；

（2）網絡通信功能，重點是以太網通信；

（3）微機系統IO數據采集與驅動；

（4）數據存儲功能；

（5）系統安全機制。

2 硬件平臺設計

上一代微機控制系統平臺總線處理效率不夠、與柴油機系統數據交換的可靠性有待提高、以太網接口僅實現了程序下載更新功能。通過對控制平臺功能的分析，在總線模式與上一代產品保持兼容的情況下，新增以下功能[3]：

（1）采用更高主頻的處理器以提高單指令響應速度；

（2）主控板采用高集成度通信芯片與柴油機系統通信；

（3）兩路以太網接口可同時實現以太網通信或者程序下載更新功能；

采用大容量的NandFlash芯片做數據存儲。

2.1 以太網

以太網通信是軌道交通裝備的一個發展趨勢，目前已在動車上推廣應用，為提高內燃機車微機控制系統的競爭性，設計兩路100 Mbps以太網，采用處理器的兩路TSEC控制器。

作為微機以太網通信專用的接口，由主控板輸出到背板連接器，通過子板從機箱出線。另一路以太網設計成調試下載專用，從主控板前面板出線。

2.2 CAN

目前微機控制系統通過專用的柴油機通信板實現CAN通信的功能，主控板通過雙口RAM與柴油機通信板交換通信數據。這種方案存在數據更新不及時、處理環節過多過程不可控的潛在故障。

新的設計方案采用處理器的串行外圍設備接口（SPI）擴展CAN通信電路。主控板能獲取第一手的通信數據，減掉了數據交換的中間環節，提高了數據交換的效率以及可靠性，同時微機控制系統在總體方案上可考慮裁剪掉柴油機通信板的配置資源、有利于產品的成本控制。

2.3 數據存儲

由于存儲空間有限，目前的微機控制系統只進行了機車的故障信息記錄，數據以二進制的形式存儲在非易失性閃存中，通過機車顯示器界面可查詢到故障信息。

本文設計的控制平臺中，數據存儲的載體為1G容量的NandFlash芯片，可實現故障信息的海量存儲，同時滿足機車運行狀態數據記錄的需求，對分析機車運行狀態，機車故障的判斷、處理以及預防都能起到有效的作用。

3 軟件平臺設計

軟件平臺設計的目的是提供一個穩定可靠的應用軟件開發環境，最終需達成的目標是減輕應用軟件開發的難度、減少開發工作量，快速響應市場需求。

本文描述的軟件平臺采用嵌入式操作系統加圖形化編程系統的架構，主要分為圖形化應用軟件、中間層、操作系統三個層次，其中的中間層軟件包括驅動軟件以及封裝的功能塊，具體如圖3所示。

3.1 應用層

IEC 61131-3是可編程序控制器編程語言的標準，規定了兩大類編程語言：文本化編程語言和圖形化編程語言。設計人員根據需求，可選擇任何文本語言（IL和ST）或圖形語言（LD、FBD和SFC）來編制軟件。

Multiprog軟件是一個符合IEC 61131標準的編程系統，它簡單、易用，搭配軟PLC內核ECLR方案可以在多種嵌入式系統中使用，被廣泛地應用于不同的工業領域。

由此可見，PLC的圖形化語言是一種面向現場、面向用戶的編程語言，可以在機車電器線路不改變或者少改變的情況下，現場修改程序，實現機車的邏輯控制功能[4]。

3.2 中間層

中間層是與應用強相關的一種軟件技術，它不包括嵌入式操作系統底層軟件，由基于操作系統開發的應用程序組成。

中間層把原本屬于應用層軟件的一些通用的功能抽取出來，與微機系統的硬件資源封裝組合形成獨立的一層軟件，為應用軟件提供一個靈活，安全，移植性好的開發平臺。如上文所述，中間層軟件包括驅動軟件以及封裝的功能塊。

驅動軟件是指系統層面的軟件，它會調用與硬件強相關的底層驅動代碼，或者是與硬件資源無關的純軟件資源，是實現某個具體軟件功能的程序合集。本設計中的相關驅動軟件有：支撐圖形化開發軟件Multiprog運行的圖形化內核驅動，實現應用軟件設計任務的管理等功能；實時以太網驅動使得控制平臺具備接入以太網進行實時通信的功能；控制功能驅動實現機車的勵磁控制、故障診斷以及記錄等功能。

功能塊實現應用軟件對驅動軟件的調用，通過對功能塊的自由組合，可實現不同的機車控制需求。譬如，目前階段上以太網實時通信功能并不是每個項目都會采用的方案，應用軟件開發可自行裁剪掉這個功能塊。

下面以直流內燃機車的PWM勵磁控制功能為例進行描述。

如圖4所示，為實現機車的勵磁控制功能，中間層的軟件需開發勵磁驅動軟件、與上層軟件接口的功能塊。

微機在不同機車工況下，根據反饋信號量，通過設定的PID參數由算法計算得出PWM占空比值，最終輸出PWM信號實現勵磁調節。在機車邏輯控制軟件上的勵磁調節如圖5所示。

圖5中EXCITE功能塊的接口層、封裝的勵磁驅動分別由fw_function.c、LcsFuncDrv.c中的代碼實現，PWM信號的輸出周期為10ms，相比以往控制系統的40ms提升4倍，如果機車邏輯控制軟件設計合理，微機控制系統的PWM勵磁調節精度按預期可以跨越一個臺階。

中間層軟件設計的理念就是要通用，要減少應用軟件開發的工作量、提高開發效率。如果內燃機車的勵磁調節功能是用PWM信號實現的話，那么各機車邏輯控制應用軟件都可以調用這個功能塊，通過接口賦值即可實現。

3.3 系統層

嵌入式操作系統具備自恢復能力，不會造成系統崩潰。當系統受到外部干擾的時候，系統中只有單個的進程會被破壞，操作系統的監控進程會立即對其進行修復。系統層基于嵌入式操作系統VxWorks開發，它由操作系統內核、文件系統、TCP/UDP網絡協議模塊及通用組件組成。

系統層的軟件功能可劃分為基礎功能和擴展功能?；A功能是核心，它提供對操作系統的支持，負責整個系統的任務調度、管理等，包括操作系統內核在內的各種系統資源。

擴展功能是設計人員基于系統資源而開發的實用性功能，本文設計的控制平臺開發了如下功能：

（1）文件系統實現了故障及狀態數據的文件存儲，商用的系統保證了數據的可靠性。

（2）考慮到控制平臺的用戶，系統設計了安全機制，對系統登錄以及網絡賬戶進行了權限管理。

（3）開發基于TCP協議的FTP功能提升了系統的維護性，借助以太網的有線以及無線網絡，可方便的實現程序的更新下載。在調試的初期階段，還可通過無線網絡在地面進行機車功能調試。

（4）基于UDP協議的實時數據流監測功能反應了系統的“健康”狀態。通過PC端的顯示軟件，設計人員可實時觀測到微機系統采集到的所有信號量；并且通過功能塊可將應用軟件中的控制量傳遞給此功能，實時顯示控制狀態。

4 結語

本文分析了內燃機車微機的控制功能，總結出控制平臺所需要實現的功能，搭建了基于嵌入式操作系統的圖形化應用軟件開發平臺。

早期通過在出口阿根廷內燃機車以及動力集中動車組上各功能的運用，表明使用該控制平臺的微機控制系統能接入以太網組網的列車網絡控制系統，更快的控制周期能提高控制精度，專業的文件系統保證故障數據的完整性，先進的調試手段促進了軟件開發與現場調試。

為進一步提高微機控制系統的可靠性，后續可基于此平臺進行控制系統主控板冗余的應用研究開發。

參考文獻

[1] 肖家博.嵌入式列車網絡控制系統軟件平臺的設計與實現[D].湖南大學，2011.

[2] 吳正平，劉智聰.CKD4C型內燃機車微機網絡控制系統[J].機車電傳動，2007（6）：10-13.

[3] 姚曉陽.國產內燃機車微機控制系統的發展與展望[J].機車電傳動，2002（3）：1-3.

[4] 陳晨，王力生，賈廷綱，等.嵌入式PLC圖形化編程技術的研究[J].電腦知識與技術，2015，11（21）：156-157.