新一代內(nèi)燃機(jī)車微機(jī)系統(tǒng)控制平臺設(shè)計

肖孟英 唐軍 張東方

摘? ?要：為適應(yīng)當(dāng)前形式下的市場需求，同時提高整車對柴油機(jī)系統(tǒng)控制的可靠性，基于內(nèi)燃機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)在多種直流機(jī)車以及交流機(jī)車上的應(yīng)用情況，重新設(shè)計了新一代的內(nèi)燃機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)平臺。根據(jù)該平臺在實(shí)際應(yīng)用中各功能的使用情況，新一代控制平臺可提高機(jī)車控制的響應(yīng)速度，能有效縮短機(jī)車邏輯控制軟件的開發(fā)周期，并提升現(xiàn)場調(diào)試的效率。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)車? 微機(jī)? 控制平臺

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

如今軌道交通機(jī)車、車輛的主通信方式逐漸從TCN網(wǎng)絡(luò)的MVB+WTB通信向?qū)崟r以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換，實(shí)時以太網(wǎng)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(diào)試設(shè)備、開發(fā)資源費(fèi)用上等都有很大的優(yōu)勢[1]。目前的通信網(wǎng)絡(luò)是雙網(wǎng)共存設(shè)計，以MVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)作為控制數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)，相信在不久的未來將是實(shí)時以太網(wǎng)通信的時代。

同時，各大主機(jī)廠也有編制機(jī)車邏輯控制軟件的需求，所以傳統(tǒng)的軟件開發(fā)模式將逐漸被淘汰，需要設(shè)計一種新的軟件開發(fā)環(huán)境來適應(yīng)并滿足主機(jī)廠客戶的這種需求。目前，在多個海內(nèi)外項(xiàng)目中，采用合作開發(fā)機(jī)車邏輯控制軟件的模式來探索未來內(nèi)燃機(jī)車應(yīng)用軟件開發(fā)的方法。

為適應(yīng)外部環(huán)境的發(fā)展，同時改善并提升內(nèi)燃機(jī)車的控制性能，加強(qiáng)對柴油機(jī)系統(tǒng)控制的可靠性，設(shè)計了使用圖形化編程環(huán)境的新一代內(nèi)燃機(jī)車微機(jī)控制平臺。

1? 控制平臺功能分析

內(nèi)燃機(jī)車微機(jī)（如圖1）主要由CPU插件、IO插件、通信插件以及電源插件構(gòu)成。CPU插件作為微機(jī)的核心，是控制軟件運(yùn)行的載體，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)車的邏輯控制、牽引/電阻制動/自負(fù)荷特性控制、故障診斷及處理等功能[2]。

通過分析微機(jī)控制功能以及控制平臺所關(guān)聯(lián)的對象，可得知控制平臺需要實(shí)現(xiàn)的功能應(yīng)包括：

（1）支持圖形化應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境;

（2）網(wǎng)絡(luò)通信功能，重點(diǎn)是以太網(wǎng)通信;

（3）微機(jī)系統(tǒng)IO數(shù)據(jù)采集與驅(qū)動;

（4）數(shù)據(jù)存儲功能;

（5）系統(tǒng)安全機(jī)制。

2? 硬件平臺設(shè)計

上一代微機(jī)控制系統(tǒng)平臺總線處理效率不夠、與柴油機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的可靠性有待提高、以太網(wǎng)接口僅實(shí)現(xiàn)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(chǎn)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(yīng)速度;

（2）主控板采用高集成度通信芯片與柴油機(jī)系統(tǒng)通信;

（3）兩路以太網(wǎng)接口可同時實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信或者程序下載更新功能;

采用大容量的NandFlash芯片做數(shù)據(jù)存儲。

2.1 以太網(wǎng)

以太網(wǎng)通信是軌道交通裝備的一個發(fā)展趨勢，目前已在動車上推廣應(yīng)用，為提高內(nèi)燃機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)的競爭性，設(shè)計兩路100 Mbps以太網(wǎng)，采用處理器的兩路TSEC控制器。

作為微機(jī)以太網(wǎng)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(jī)箱出線。另一路以太網(wǎng)設(shè)計成調(diào)試下載專用，從主控板前面板出線。

2.2 CAN

目前微機(jī)控制系統(tǒng)通過專用的柴油機(jī)通信板實(shí)現(xiàn)CAN通信的功能，主控板通過雙口RAM與柴油機(jī)通信板交換通信數(shù)據(jù)。這種方案存在數(shù)據(jù)更新不及時、處理環(huán)節(jié)過多過程不可控的潛在故障。

新的設(shè)計方案采用處理器的串行外圍設(shè)備接口（SPI）擴(kuò)展CAN通信電路。主控板能獲取第一手的通信數(shù)據(jù)，減掉了數(shù)據(jù)交換的中間環(huán)節(jié)，提高了數(shù)據(jù)交換的效率以及可靠性，同時微機(jī)控制系統(tǒng)在總體方案上可考慮裁剪掉柴油機(jī)通信板的配置資源、有利于產(chǎn)品的成本控制。

2.3 數(shù)據(jù)存儲

由于存儲空間有限，目前的微機(jī)控制系統(tǒng)只進(jìn)行了機(jī)車的故障信息記錄，數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式存儲在非易失性閃存中，通過機(jī)車顯示器界面可查詢到故障信息。

本文設(shè)計的控制平臺中，數(shù)據(jù)存儲的載體為1G容量的NandFlash芯片，可實(shí)現(xiàn)故障信息的海量存儲，同時滿足機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄的需求，對分析機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)車故障的判斷、處理以及預(yù)防都能起到有效的作用。

3? 軟件平臺設(shè)計

軟件平臺設(shè)計的目的是提供一個穩(wěn)定可靠的應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境，最終需達(dá)成的目標(biāo)是減輕應(yīng)用軟件開發(fā)的難度、減少開發(fā)工作量，快速響應(yīng)市場需求。

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

3.1 應(yīng)用層

IEC 61131-3是可編程序控制器編程語言的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)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(shè)計人員根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)的編程系統(tǒng)，它簡單、易用，搭配軟PLC內(nèi)核ECLR方案可以在多種嵌入式系統(tǒng)中使用，被廣泛地應(yīng)用于不同的工業(yè)領(lǐng)域。

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

3.2 中間層

中間層是與應(yīng)用強(qiáng)相關(guān)的一種軟件技術(shù)，它不包括嵌入式操作系統(tǒng)底層軟件，由基于操作系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序組成。

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

驅(qū)動軟件是指系統(tǒng)層面的軟件，它會調(diào)用與硬件強(qiáng)相關(guān)的底層驅(qū)動代碼，或者是與硬件資源無關(guān)的純軟件資源，是實(shí)現(xiàn)某個具體軟件功能的程序合集。本設(shè)計中的相關(guān)驅(qū)動軟件有：支撐圖形化開發(fā)軟件Multiprog運(yùn)行的圖形化內(nèi)核驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件設(shè)計任務(wù)的管理等功能;實(shí)時以太網(wǎng)驅(qū)動使得控制平臺具備接入以太網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時通信的功能;控制功能驅(qū)動實(shí)現(xiàn)機(jī)車的勵磁控制、故障診斷以及記錄等功能。

功能塊實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件對驅(qū)動軟件的調(diào)用，通過對功能塊的自由組合，可實(shí)現(xiàn)不同的機(jī)車控制需求。譬如，目前階段上以太網(wǎng)實(shí)時通信功能并不是每個項(xiàng)目都會采用的方案，應(yīng)用軟件開發(fā)可自行裁剪掉這個功能塊。

下面以直流內(nèi)燃機(jī)車的PWM勵磁控制功能為例進(jìn)行描述。

如圖4所示，為實(shí)現(xiàn)機(jī)車的勵磁控制功能，中間層的軟件需開發(fā)勵磁驅(qū)動軟件、與上層軟件接口的功能塊。

微機(jī)在不同機(jī)車工況下，根據(jù)反饋信號量，通過設(shè)定的PID參數(shù)由算法計算得出PWM占空比值，最終輸出PWM信號實(shí)現(xiàn)勵磁調(diào)節(jié)。在機(jī)車邏輯控制軟件上的勵磁調(diào)節(jié)如圖5所示。

圖5中EXCITE功能塊的接口層、封裝的勵磁驅(qū)動分別由fw_function.c、LcsFuncDrv.c中的代碼實(shí)現(xiàn)，PWM信號的輸出周期為10ms，相比以往控制系統(tǒng)的40ms提升4倍，如果機(jī)車邏輯控制軟件設(shè)計合理，微機(jī)控制系統(tǒng)的PWM勵磁調(diào)節(jié)精度按預(yù)期可以跨越一個臺階。

中間層軟件設(shè)計的理念就是要通用，要減少應(yīng)用軟件開發(fā)的工作量、提高開發(fā)效率。如果內(nèi)燃機(jī)車的勵磁調(diào)節(jié)功能是用PWM信號實(shí)現(xiàn)的話，那么各機(jī)車邏輯控制應(yīng)用軟件都可以調(diào)用這個功能塊，通過接口賦值即可實(shí)現(xiàn)。

3.3 系統(tǒng)層

嵌入式操作系統(tǒng)具備自恢復(fù)能力，不會造成系統(tǒng)崩潰。當(dāng)系統(tǒng)受到外部干擾的時候，系統(tǒng)中只有單個的進(jìn)程會被破壞，操作系統(tǒng)的監(jiān)控進(jìn)程會立即對其進(jìn)行修復(fù)。系統(tǒng)層基于嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks開發(fā)，它由操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)、TCP/UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊及通用組件組成。

系統(tǒng)層的軟件功能可劃分為基礎(chǔ)功能和擴(kuò)展功能。基礎(chǔ)功能是核心，它提供對操作系統(tǒng)的支持，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、管理等，包括操作系統(tǒng)內(nèi)核在內(nèi)的各種系統(tǒng)資源。

擴(kuò)展功能是設(shè)計人員基于系統(tǒng)資源而開發(fā)的實(shí)用性功能，本文設(shè)計的控制平臺開發(fā)了如下功能：

（1）文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了故障及狀態(tài)數(shù)據(jù)的文件存儲，商用的系統(tǒng)保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

（2）考慮到控制平臺的用戶，系統(tǒng)設(shè)計了安全機(jī)制，對系統(tǒng)登錄以及網(wǎng)絡(luò)賬戶進(jìn)行了權(quán)限管理。

（3）開發(fā)基于TCP協(xié)議的FTP功能提升了系統(tǒng)的維護(hù)性，借助以太網(wǎng)的有線以及無線網(wǎng)絡(luò)，可方便的實(shí)現(xiàn)程序的更新下載。在調(diào)試的初期階段，還可通過無線網(wǎng)絡(luò)在地面進(jìn)行機(jī)車功能調(diào)試。

（4）基于UDP協(xié)議的實(shí)時數(shù)據(jù)流監(jiān)測功能反應(yīng)了系統(tǒng)的“健康”狀態(tài)。通過PC端的顯示軟件，設(shè)計人員可實(shí)時觀測到微機(jī)系統(tǒng)采集到的所有信號量;并且通過功能塊可將應(yīng)用軟件中的控制量傳遞給此功能，實(shí)時顯示控制狀態(tài)。

4? 結(jié)語

本文分析了內(nèi)燃機(jī)車微機(jī)的控制功能，總結(jié)出控制平臺所需要實(shí)現(xiàn)的功能，搭建了基于嵌入式操作系統(tǒng)的圖形化應(yīng)用軟件開發(fā)平臺。

早期通過在出口阿根廷內(nèi)燃機(jī)車以及動力集中動車組上各功能的運(yùn)用，表明使用該控制平臺的微機(jī)控制系統(tǒng)能接入以太網(wǎng)組網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，更快的控制周期能提高控制精度，專業(yè)的文件系統(tǒng)保證故障數(shù)據(jù)的完整性，先進(jìn)的調(diào)試手段促進(jìn)了軟件開發(fā)與現(xiàn)場調(diào)試。

為進(jìn)一步提高微機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，后續(xù)可基于此平臺進(jìn)行控制系統(tǒng)主控板冗余的應(yīng)用研究開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖家博.嵌入式列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].湖南大學(xué)，2011.

[2] 吳正平，劉智聰.CKD4C型內(nèi)燃機(jī)車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[J].機(jī)車電傳動，2007（6）：10-13.

[3] 姚曉陽.國產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J].機(jī)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(shù)的研究[J].電腦知識與技術(shù)，2015，11（21）：156-157.