动车组随车监测记录仪的设计与实现

胡明忠 林建一

摘 要:为了保障动车组的安全运行和检修维护的需要,开发设计了动车组随车监测记录仪。该记录仪可以实时采集动车组的运行数据,也可以通过串行通讯接收其它车载设备的实时运行数据,并用大容量U盘组成了海量信息存储系统,实现了长达31天的动车组运行数据和故障信息的采集、记录和保存。为分析动车组运行状况、查找动车组运行故障、提供检修参考依据建立了重要基础。

关键词:数据采集故障记录海量存储检修维护

中图分类号:U266 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(b)-0012-02

随着投入运行的高速动车组的数量不断增长,对动车组的维护、检修工作量也不断增加。由于动车组的运行-检修机制的特殊性,要求在规定的时间内完成动车组的全部维护、检修工作。这是一项非常艰巨的任务。

为了帮助动车组的检修技术人员迅速、准确地分析动车组的运行状况、查找动车组运行时可能发生的故障,我们研制了动车组随车监测记录仪。

动车组的运行参数数据量极大,它包括以下几个方面的数据[1]:

①司机的操作参数:司机手柄位置信号,司机室各控制开关信号等;

②动车组设备的运行参数:接触网压、牵引变压器的电压、电流,牵引电动机的电压、电流,各辅助发电机组的电压、电流,制动系统的风压等;

③动车组的运行参数:速度、牵引功率、制动功率等;

④其他参数:日期、时间等。

对上述所有数据进行归纳总结,要满足分析动车组运行工况和故障工况的要求,每秒钟需要记录的数据量为256个字节。这样,动车组若运行24小时需记录的数据量为256X3600X24=22118400字节。而若要求保存31天数据以备查用,所以机车数据记录系统必须具有记录和保存22118400X31=685670400字节(686兆字节)的能力。对于这高达六百多兆字节数据量的存储,一般单片机数据记录系统无法采用常用的存储空间扩展技术来实现(标准单片机的地址空间为64K字节,采用一些特殊的存储空间扩展技术后,可将地址空间扩展到数兆字节[2][3])。我们所设计的动车组随车监测记录仪,采用了高性能的嵌入式单片机,可以实时采样、记录动车组电气控制柜中的逻辑控制信号,也可以采用485串行通讯总线记录其它车载设备的实时运行数据,并用大容量U盘组成了海量信息存储系统,实现了长达31天的动车组运行数据和故障信息的采集、记录和保存。

1 动车组随车监测记录仪的组成

动车组随车监测记录仪的系统框图如图1所示。

记录仪以嵌入式单片机为控制核心,组合了输入信号调理电路、数据显示电路、485串行通讯电路、实时时钟电路、U盘存储系统电路和USB高速数据传输接口电路等。嵌入式单片机通过输入信号调理电路采集动车组的运行参数,加入日期和实时时间,并可根据需要加入通过485通讯接口从其他车载设备传输过来的数据,最后按256个字节一帧打包后存入U盘存储器。

记录仪的USB高速数据传输接口可以将所保存的数据上载到笔记本电脑中。

图1中,动车组随车监测记录仪具有显示实时采集数据的数据显示电路,可以帮助技术人员在现场读取有关数据,便于在现场监测动车组的运行状态。

2 嵌入式单片机数据存储系统

动车组随车监测记录仪采用了英飞凌公司生产的具有较高性能和较强抗干扰能力的XC164CS嵌入式单片机为控制核心。该嵌入式单片机的程序空间和内存空间都较大(128KFlashROM和6K片上RAM),便于完成复杂的数据处理并具有较强的功能扩展能力[4]。

嵌入式单片机数据存储系统中的U盘存储系统程序框图见图2。在设计U盘存储系统电路时,考虑到今后的发展我们采用了2GB的大容量U盘作为存储介质,保证了足够的数据储存空间,实现了长达31天的机车运行数据和故障信息的采集、记录和保存。

在记录仪中还采用了独立的实时时钟电路DS12C887A。由时钟电路提供的日期和时间可以使记录的参数具有精确的时间定位。当分析机车运行状况或故障状况时,精确的时间定位是必不可少的。而独立实时时钟电路有利于提高时间精度并简化电路、提高记录仪的可靠性和可维护性。

嵌入式单片机数据存储系统的主程序框图参见图3。

图3中,当采集完动车组的逻辑控制信号、加入日期和时间后,应该先计算CRC校验码并加入帧中。若需要加入从其它外部车载设备传输过来的数据,再拆包数据帧,加入外部通讯数据后重新计算CRC校验码并重新按256个字节一帧打包。这样,以保证每一个数据帧的准确性与完整性。

3 数据传输信号自动检测软件模块设计

当技术人员需要用笔记本电脑读取动车组随车监测记录仪所记录的数据时,可以使用专用信号传输电缆通过USB2.0高速数据传输接口将数据上载到笔记本电脑。

动车组随车监测记录仪自动检测专用信号传输电缆的接入与断开,并通过握手信号与笔记本电脑建立通讯。由于采用了CRC校验码(循环冗余码校验)以及错误数据重发机制,使得高速数据传输模块具有一定的软件容错能力,从而保证了即使在机车运行时存在强干扰的环境下,数据传输也有较高的可靠性。

记录仪对传输电缆的自动检测模块结构框图如图5所示。

在图4所示的传输电缆自动检测模块中,采用查询方式读取USB接口状态。若有传输电缆接入USB接口。则嵌入式单片机保存完当前数据缓存器中的数据帧、显示正在与笔记本电脑通讯的信息后,即向笔记本电脑传输所记录的数据。由于采用了USB2.0高速数据传输模式,故在数分钟内即可将所有数据传输完毕。

动车组随车监测记录仪还可以与其它车载设备之间通过具有较强的抗干扰能力的RS485总线传输所需要的数据。

4 结语

我们设计的动车组随车监测记录仪安装于上海铁路局和郑州铁路局的CRH2动车组后,经过一年多的运行表明:该记录仪具有抗干扰能力强、可靠性高、数据采集准确可靠、数据记录容量大等优点。并在实际故障分析中提供了有效的数据证据。

动车组随车监测记录仪为分析动车组运行状况、查找动车组运行故障、提供检修参考依据做出了贡献,因此具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 连级三.电力牵引控制系统.北京:中国铁道出版社,2007.

[2] 何立民.单片机应用技术选编.北京:北京航空航天大学出版社,1995.

[3] 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计.北京:北京航空航天大学出版社,1995.