TAN3型內燃機車運行數據記錄儀的研制

謝小婷　尚青

摘? ?要：介紹了內燃機車運行數據記錄儀的整體研制方案。詳細介紹了記錄儀的結構、嵌入式架構、信號處理方式、軟件設計方案以及儲存方案，可以滿足出口內燃機車的裝車需求，根據不同國家對記錄數據的需求，配合外部傳感器信號采集數據進行記錄，以在事故或是故障發生時提供分析的數據。目前該記錄儀已在出口加蓬內燃機車上批量應用，反饋良好。

關鍵詞：TAN3型內燃機車? 數據運行? 記錄儀

中圖分類號：U262.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（c）-0109-03

當前國內鐵路運輸系統，多是通過安全監控記錄裝置記錄機車車輛線路運行數據。但近年來，內燃機車的出口量逐年增加，特別是在一些第三世界國家，這些國家的鐵路發展較為落后，沒有完善的鐵路監控系統，研究建立保證鐵路安全體系的問題便成為了必須解決的首要任務，因此出口內燃機車必須安裝數據記錄儀，由它對機車上的設備與系統進行監測，對重要運行數據進行可靠存儲，以供當機車發生事故等突發事件時進行故障分析。

1? 主要功能及技術特點

市場現有數據記錄儀類似產品分有兩種：安全監控記錄裝置以及通過通信方式接收數據的數據記錄儀。前種按照鐵標《TB/T2765-1996列車運行安全監控記錄裝置技術要求》要求，系統龐大，功能齊全，具備監控功能、記錄功能和顯示功能。對于出口機車來說，成本較高，也不符合國外的鐵路系統的配置。后者，不具備獨立的工作模式，依托于第三者設備進行數據采集工作，如果第三者設備發生故障或是機車運行過程中通信受到干擾出錯，那么記錄的數據無法保證準確可靠。

TAN3型內燃機車運行數據記錄儀具有如下主要功能及技術特點。

（1）獨立工作模式。TAN3型記錄儀采用獨立工作模式，不依靠第三方設備，確保數據的真實可靠。

（2）兼容性好。可采集信號類型齊全，信號通道數量充足，可適用于不同車型、不同國家的要求。

（3）采用POWER PC作為系統CPU。該處理器主頻為150MHz，基于ColdFire平臺，采用實時多任務操作系統WxWorks及其文件系統，使記錄儀具備了系統管理能力，有效提高了系統的穩定性、靈活性和整體運算能力。

（4）可快速、方便轉儲。以太網口轉儲，可直接對接計算機。

（5）可分兩種時間方式存儲數據。為便于數據分析，數據分兩種時間模式存儲：短期存儲可記錄短時間內密度較大的數據;長期存儲可記錄長時間內密度較小的數據。

（6）結構等級高。結構為全密封，IP等級65，可確保惡劣環境下，記錄儀的安全可靠工作。

2? 結構設計

TAN3型內燃機車運行數據記錄儀作為機車運行過程數據記錄裝置，重要程度不亞于飛機上通用的“黑匣子”。在重大事故或故障發生時，不可避免車體會發生損傷，在這種情況下，記錄儀的結構要求顯得尤為重要，必須要保證內部的存儲芯片不可損壞，并且盡可能記錄到最后的數據，以供分析。

3? 硬件功能設計

硬件功能由記錄儀內部兩塊單板實現：IO單板和CPU單板。

3.1 CPU板

CPU單板作為內燃機車運行數據記錄儀的核心功能模塊。單板以32位微處理器POWER PC為CPU，主要完成機車運行數據的存儲與調用、與以太網接口驅動下載數據;另外配合一塊FPGA 實現數據采集邏輯控制功能;記錄用數據存儲器采用一片512M非易失性器件Nand flash，因而在無需外部電池情況下也可實現數據的長期可靠保存;以CPU單板為核心，配置I/O板外圍模塊組成一個軟硬件平臺，通過不同配置，可方便實現各種機車運行數據采集、記錄。CPU單板安裝在數據記錄儀盒體內的下層。硬件功能框圖見圖1。

3.2 IO板

IO板內部功能模塊依次為：電源模塊、頻率量輸入模塊、數字量輸入模塊、模擬量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸出模塊。主要負責對外電氣接口，采集外部各種信號，以及輸出外部驅動信號，實現數據的輸入輸出。配合CPU板組成一個硬件平臺。I/O板位于數據記錄儀的上層。硬件框圖見圖2。

4? 軟件設計特點

內燃機車運行數據記錄儀基于ColdFire平臺，主要實現對機車運行信號數據的采集、存儲及數據的轉儲（見圖3）。

4.1 輸入輸出信號處理

（1）頻率信號采集。

對0.5Hz — 10KHz的速度信號進行采集、處理。

（2）模擬信號采集。

FPGA全權控制AD轉換的控制輸入時序，并且將轉換后的結果存入預定的地址，CPU只從FPGA中的雙口RAM中讀取A/D轉換后的結果。

需要采集的模擬量有4個直流信號，通道之間的選擇由FPGA控制，4個通道循環依次進行轉換，完成一次4個通道的轉換周期為0.5ms，用于存儲轉換空間共8個字節。

（3）數字量采集。

需要采集的數字量共有16路，通過數據總線D15-D0從外部讀入，數據位的‘1和‘0分別表示相應數字量通道的高低電平。數據采集的周期為0.5ms，用于用于存儲數字量的空間共2個字節。

（4）數字量輸出。

CPU將需要輸出的數字量存入雙口RAM中，FPGA定時將數據取出并發送給輸出端口。

需要輸出的數字量共有3路，當某一路需要高電平時，向相應的數據總線位輸出‘1，反之，輸出‘0。數據輸出的周期為0.5ms，用于存儲數字量的空間共1個字節。

（5）模擬量輸出。

CPU將需要輸出的數據存入雙口RAM中，FPGA定時將數據取出，并控制DA轉換的時序將數據轉換成模擬量，通過對外接口輸出。

需要輸出的模擬量有1路，數據輸出周期為0.5ms，用于存儲的空間共2個字節。

4.2 數據存儲

數據存儲介質使用一塊大小為512MB的NAND FLASH作為運行環境數據存儲設備，另外使用了128KB的鐵電存儲器作為運行數據的緩存區。FPGA內部建立兩個獨立的雙口RAM1和雙口RAM2。每相應間隔時間采集一次數據，FPGA將采集到的數據存儲在雙口RAM1中，當每次采集周期，I/O數據采集完成， FPGA將雙口RAM1中的數據經由CPU數據總線存儲到FRAM中。當FRAM中的數據達到一定量后， FPGA將FRAM中的數據讀取到內部雙口RAM2作為緩存，寫入NAND FLASH。如果寫入成功，則將FRAM的相應數據地址釋放，可存儲新的數據;否則重新存儲未成功寫入的數據，此時NAND FLASH的存儲地址為新地址，直到成功為止。

為保證掉電數據能順利存儲入NAND FLASH中，供優盤讀取，每次得電，FPGA首先都要將FRAM中的數據寫入NAND FLASH，此時數據下載不可用。

4.3 存儲有效時間

CPU單板提供512M的NAND FLASH永久存儲器，以及512K的鐵電存儲器作為數據緩存器，FPGA負責外部IO數據的采集，一幀數據為20個字節。

將NAND FALSH分為兩部分：

500M的空間為短期存儲空間。負責存儲0.02s一次的數據。可存儲6d的數據。計算如下：

500×1024×1024÷（20×50×60×60×24）=6.6d

10M的空間為長期存儲空間。負責存儲20s一次的數據。可存儲4個月的數據。計算如下：

10×1024×1024÷（20×3×60×24）=121d≈4個月

4.4 數據下載特點

（1）以太網口下載數據方式。

記錄儀配置了以太網口作為用戶下載數據的另外一種方式，可通過網線的直接連接計算機，通過訪問IP地址下載數據，以提供更高的速度以及便捷。同樣為確保只有授權人員可下載數據，配置有用戶名密碼，非授權人員不可隨意操作。

5? 結語

本文給出了內燃機車運行數據記錄儀的一種設計方案，主要運用于出口型內燃機車，在國外沒有監控系統的情況下，實時記錄機車運行的重要參數，作為事故等突發事件分析的重要依據，滿足了當今鐵路系統的安全行車要求。

參考文獻

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