基于无线通讯的地铁车辆数据采集终端实现

刘 正，黄巧巧，杨家乐（. 南京南车浦镇城轨车辆有限责任公司，江苏 南京 0000；.青岛海能电气有限公司，山东 青岛 66000）



基于无线通讯的地铁车辆数据采集终端实现

刘 正1，黄巧巧2，杨家乐1
（1. 南京南车浦镇城轨车辆有限责任公司，江苏 南京 210000；2.青岛海能电气有限公司，山东 青岛 266000）

目前地铁车辆各系统地面试验在静调环节中仍是测试过程复杂、测试信号量大的一项工作，为提高地铁车辆的静态调试的准确性，减少工作量，提高效率，文章根据当前地铁车辆生产测试要求，结合现代嵌入式技术，无线通信技术及工业现场总线通信技术设计并介绍了基于无线通讯的地铁车辆数据采集终端原理及实现，此设计有效地提高了地铁车辆各系统地面试验在静调环节中的调试效率及测试精度。

嵌入式技术；无线通信；现场总线；数据采集

在现代工业中，多路数据采集已被广泛应用于工业控制及检测等场合，并扮演着重要的角色，随着工业综合自动化程度的不断提高，数据采集系统已成为其中不可缺少的一项重要环节。随着地铁车辆控制系统的不断完善，控制线路不断增加，控制逻辑也越来越复杂，被测信号数量宠大，单一的指令信号灯显示和手动测量存在的弊端越来越明显，尤其随着地铁多品种并行生产，地铁编组增加，车辆之间距离加长，迫切需要更高效、更自动化的集中控制手段；针对以上需求，此设计采用嵌入式控制技术，以高性能工业32位ARM处理器为核心，同时搭载不同的数据采集板可实现对地铁车辆上的多路数字信号，模拟信号的采集，存储，处理，显示及无线传输共享测试数据；人机交互窗口采用5.6寸触摸屏，友好的交互界面，操作方便，各项采集数据一目了然；具有无线通信功能，可实现多台数据采集终端构成无线测试网络与服务器进行数据交换；载有RS485扩展接口，可方便用于进行系统功能扩展或用来与外部RS485设备进行数据通信。载有RS232接口，可用于连接计算机。

1　数据采集终端总体构成［1-2］

无线数据采集终端主要有信号采集板、数据采集接口板、CPU主控制板、人机交互界面、无线传输模块、数据存储单元及RS485、RS232外部扩展单元构成。其组成结构如图1所示。

整体硬件结构采用主控制板插接信号采集板的方式，用户可跟据实际采集的信号类型及信号数量来插接各种类型的信号采集板；并结合软件中的用户系统设置灵活配制系统，可实现最大96路开关量信号或48路输出控制信号及8路模拟量信号的数据采集，并将采集的数据无线传输给上位机；主控制板共有6个采集板接口，每个采集接口均可插接一个开关量采集板或一个开关量输出控制板，其中因主控制板功能端口分配问题，若需要模拟量采集，则只能将采集板插入第6个接口，其它接口均不支持模拟量采集，且每个主控板最多只能插接一个模拟量采集板。数据采集终端采用独立的开关电源供电，输出纹波系数小，抗干扰能力强，主控制系统为3.3 V电源，人机交互接口及模拟量采集部分，采用5 V电源，其中在采集终端的操作面板上为用户预留出24 V电源输出，以方便协助外部信号测试。采集终端的面板示意图如图2所示。

图1　数据采集终端总体构成

图2　采集终端的面板示意图

1.1数据采集单元

1.1.1开关量采集单元

每个采集终端通过接口设置最多可插接6个开关量采集单元，每个开关量采集单元可采集16路数字信号，共检测96路开关量信号，每一路均可以通过采集板上的跳线设置来采集外部输入的直流24 V、110 V及交流220 V等不同的电压信号，通过光耦进行隔离，并将此电压信号统一转换为CPU可检测的

3.3V开关量信号。其电路原理如图3所示。

图3　开关量采集原理图

1.1.2开关量输出控制单元

每个采集终端通过接口设置最多可插接6个开关量输出控制单元，每个开关量输出控制单元可提供8路有源或无源硬接点控制，共可以提供48路接点控制，每个输出控制单元可以通过跳线设置为有源控制接点或无源控制接点；若工作于有源控制接点模式，可设置输出24 V或110 V电压，每一路输出接点及每个输出单元的输出电压均可通过人机界面或上位机来控制。此部分电路通过一大功率驱动芯片ULN2803来驱动，其电路原理如图4所示。

图4　接点控制原理图

1.1.3模拟量采集单元

每个采集终端通过接口设置可插接1个模拟量采集单元，共采集8路4～20 mA的电流信号，此部分用于检测地铁车辆上的压力传感器的输出；其采集原理为将4～20 mA的电流信号转换为0.496～2.48 V的电压信号送CPU进行数模转换，并换算为实际压力值。

STM32的ADC单元为12位分辨率，转换精度高，最高工作频率为14 MHz，最大转换时间为1 μs，此设计ADC单元工作于12 MHz，采样周期为293.5 个ADC周期，转换时间约为3.7 μs，其转换速度已符合采集要求，并采用DMA将转换好的数据直接读取，提高转换数据的处理速度。为提高采样精度，采集电路采用高精度仪表放大器AD623，ADC参考电压采用独立的基准电源，电压精度小于1%，由TL431构成；实测模拟量采集误差小于1%，可达到应用要求。其采集电路及ADC基准电源原理如图5所示。

1.2CPU主控制单元

主控制单元采用32位高性能的ARM处理器，主芯片为STM32F103ZET6，其内核为Cortex-M3，最高工作频率为72 MHz，负责控制整个设备的工作流程，包括开关量、模拟量采集，接点输出控制，现场总线通信，无线数据传输，人机界面处理及数据存储。

图5　采集电路及ADC基准电源原理图

1.3人机交互界面

人机交互界面采用5.6寸的触摸屏，主控制芯片为RA8875，分辨率为640×480，色彩深度为65 K色，16位色彩，内建几何图形加速绘图引擎，内建DDRAM，内存容量为758 kB，提供可调整大小的文字写入光标功能，支持汉字字库，内建4线式触控面板控制器，触摸屏为电阻屏，此屏通过SPI总线与STM32进行数据交换，最大通信速率为2 MHz。

1.4无线通信模块

无线通信模块采用上海桑博电子科技有限公司开发的SM5X系列工业级数传电台，其发射功率为500 mW，可靠传输距离＞2 000 m（BER=10-3/9 600 bps）；使用完全覆盖全球的ISM频段工作频率，符合ISM频段通信标准，无需申请频点，载频频率在650 MHz左右；提供多个信道通信，可通过设置软件进行更改使用信道；为半双工无线通信，实时收发通信；高抗干扰能力和低误码率：GFSK调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10-3时，可得到实际误码率10-7～10-8。提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生的噪音信号及假数据（所发即所收）。

此无线模块载有单片射频集成电路及高性能单片处理器，通过UART与STM32进行数据交换，通信波特率为9 600 bps，数据格式为8位数据位，1位起始位，无校验位，1位结束位。

无线通信的应用层通信协议采用标准的Modbus-RTU协议，可进行CRC数据校验，保证传输数据的正确性；每台数据采集终端均可通过此协议与服务器进行主从数据交换，从而可以实现远程数据采集，可方便搭建无线数据采集网络，理论上最大可支持255个采集终端连入无线网络。

1.5FRAM存储单元

存储单元用于保存用户设置的系统参数，如设备通信地址，每个采集接口的工作模式，以便在下次开机时自动载入系统参数；还可用于暂存大量的连续采样时的数据。此存储单元采用FRAM，芯片型号为FM24CL64，为64位的非易失性铁电随机存储器，结构容量为8 192×8位，可无限次地进行读写，掉电后数据可保持10年，相对于传统的EEPROM或其它非易失性存储器，FRAM具有系统可靠性更高，结构更简单，最大的特点是FM24CL64以总线速度进行写操作时，无须延时，读写速度更快。总线速度最高可达1MHz，可满足采集数据时的实时存储，采用两线串行协议IIC总线与STM32，以总线速度400 kHz速率进行通信。

1.6外部通信扩展口

此数据采集终端预留RS458总线接口及RS232口，方便进行系统扩展和上位机通信。

2　程序流程

软件采用C语言程序编写，基于ST公司集成库STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0开发［3-5］。程序流程图如图6所示。

图6　程序流程图

3　操作界面示例

操作界面示意图如图7、图8所示。

图7　主窗口界面及开关量采集数据显示页

图8　模拟量采集数据显示页

4　结论

通过试验测试，此数据采集终端工作稳定，对软件界面响应速度快，对高速、大量数据的处理实时性较高。模拟量采集精度及速度符合应用要求，实测无线通信稳定，通信应答速度快，没有出现漏帧或其它通信异常。

实际应用表明此采集终端配合上位机服务器软件可有效地减小地铁车辆各系统地面试验在静调环节中的复杂程度，提高测试精度，改善测试环境，实现地铁车辆调试数据的统一采集、处理及备案，很好地提高了调试过程中的自动化程度。

［1］南车集团.CGJ056-42-J3.工艺文件［R］. 2012.

［2］南车集团.PM05600-371-000000.电气原理图［R］. 2012.

［3］意法半导体（中国）投资有限公司. STM32技术参考手册中文翻译第10版［R］. 2010.

［4］Modbus协议规范_修改稿［R］. 1997.

［5］STM32F10x_StdPeriph_Driver_3.5.0外设集成库手册［R］. 2011.

Metro Vehicle Data Acquisition Terminal Based on Wireless Communication

Liu Zheng1， Huang Qiaoqiao2， Yang Jiale1
（1. CSR Nanjing Puzhen Co.， Ltd. Nanjing 210000， China； 2. Qingdao HaiNeng Electric Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China）

At present testing process of system ground test of metro vehicles in the static transfer link was complicated， with large amount of test signal. In order to improve the accuracy of tatic debugging， reduce workload and improve efficiency， therefore according to the current metro vehicle production test requirements， combined with modern embedded technology， wireless communication technology and industrial site bus communication technology， this paper introduced principle and the design of metro vehicle data acquisition terminal based on wireless communication principle. This design could effectively improve the testing efficiency and precision of the system ground test of metro vehicles in the static transfer links.

embedded technology； wireless communication； field bus； data acquisition

U270.1+4

A

1672-9889（2016）02-0098-04

刘正（1980-），男，江苏南京人，工程师，主要从事轨道交通车辆制造方面的工作。

（2015-12-25）