TAN3型内燃机车运行数据记录仪的研制

谢小婷　尚青

摘   要：介绍了内燃机车运行数据记录仪的整体研制方案。详细介绍了记录仪的结构、嵌入式架构、信号处理方式、软件设计方案以及储存方案，可以满足出口内燃机车的装车需求，根据不同国家对记录数据的需求，配合外部传感器信号采集数据进行记录，以在事故或是故障发生时提供分析的数据。目前该记录仪已在出口加蓬内燃机车上批量应用，反馈良好。

关键词：TAN3型内燃机车  数据运行  记录仪

中图分类号：U262.2                               文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）06（c）-0109-03

当前国内铁路运输系统，多是通过安全监控记录装置记录机车车辆线路运行数据。但近年来，内燃机车的出口量逐年增加，特别是在一些第三世界国家，这些国家的铁路发展较为落后，没有完善的铁路监控系统，研究建立保证铁路安全体系的问题便成为了必须解决的首要任务，因此出口内燃机车必须安装数据记录仪，由它对机车上的设备与系统进行监测，对重要运行数据进行可靠存储，以供当机车发生事故等突发事件时进行故障分析。

1  主要功能及技術特点

市场现有数据记录仪类似产品分有两种：安全监控记录装置以及通过通信方式接收数据的数据记录仪。前种按照铁标《TB/T2765-1996列车运行安全监控记录装置技术要求》要求，系统庞大，功能齐全，具备监控功能、记录功能和显示功能。对于出口机车来说，成本较高，也不符合国外的铁路系统的配置。后者，不具备独立的工作模式，依托于第三者设备进行数据采集工作，如果第三者设备发生故障或是机车运行过程中通信受到干扰出错，那么记录的数据无法保证准确可靠。

TAN3型内燃机车运行数据记录仪具有如下主要功能及技术特点。

（1）独立工作模式。TAN3型记录仪采用独立工作模式，不依靠第三方设备，确保数据的真实可靠。

（2）兼容性好。可采集信号类型齐全，信号通道数量充足，可适用于不同车型、不同国家的要求。

（3）采用POWER PC作为系统CPU。该处理器主频为150MHz，基于ColdFire平台，采用实时多任务操作系统WxWorks及其文件系统，使记录仪具备了系统管理能力，有效提高了系统的稳定性、灵活性和整体运算能力。

（4）可快速、方便转储。以太网口转储，可直接对接计算机。

（5）可分两种时间方式存储数据。为便于数据分析，数据分两种时间模式存储：短期存储可记录短时间内密度较大的数据;长期存储可记录长时间内密度较小的数据。

（6）结构等级高。结构为全密封，IP等级65，可确保恶劣环境下，记录仪的安全可靠工作。

2  结构设计

TAN3型内燃机车运行数据记录仪作为机车运行过程数据记录装置，重要程度不亚于飞机上通用的“黑匣子”。在重大事故或故障发生时，不可避免车体会发生损伤，在这种情况下，记录仪的结构要求显得尤为重要，必须要保证内部的存储芯片不可损坏，并且尽可能记录到最后的数据，以供分析。

3  硬件功能设计

硬件功能由记录仪内部两块单板实现：IO单板和CPU单板。

3.1 CPU板

CPU单板作为内燃机车运行数据记录仪的核心功能模块。单板以32位微处理器POWER PC为CPU，主要完成机车运行数据的存储与调用、与以太网接口驱动下载数据;另外配合一块FPGA 实现数据采集逻辑控制功能;记录用数据存储器采用一片512M非易失性器件Nand flash，因而在无需外部电池情况下也可实现数据的长期可靠保存;以CPU单板为核心，配置I/O板外围模块组成一个软硬件平台，通过不同配置，可方便实现各种机车运行数据采集、记录。CPU单板安装在数据记录仪盒体内的下层。硬件功能框图见图1。

3.2 IO板

IO板内部功能模块依次为：电源模块、频率量输入模块、数字量输入模块、模拟量输入模块、数字量输出模块、模拟量输出模块。主要负责对外电气接口，采集外部各种信号，以及输出外部驱动信号，实现数据的输入输出。配合CPU板组成一个硬件平台。I/O板位于数据记录仪的上层。硬件框图见图2。

4  软件设计特点

内燃机车运行数据记录仪基于ColdFire平台，主要实现对机车运行信号数据的采集、存储及数据的转储（见图3）。

4.1 输入输出信号处理

（1）频率信号采集。

对0.5Hz — 10KHz的速度信号进行采集、处理。

（2）模拟信号采集。

FPGA全权控制AD转换的控制输入时序，并且将转换后的结果存入预定的地址，CPU只从FPGA中的双口RAM中读取A/D转换后的结果。

需要采集的模拟量有4个直流信号，通道之间的选择由FPGA控制，4个通道循环依次进行转换，完成一次4个通道的转换周期为0.5ms，用于存储转换空间共8个字节。

（3）数字量采集。

需要采集的数字量共有16路，通过数据总线D15-D0从外部读入，数据位的‘1和‘0分别表示相应数字量通道的高低电平。数据采集的周期为0.5ms，用于用于存储数字量的空间共2个字节。

（4）数字量输出。

CPU将需要输出的数字量存入双口RAM中，FPGA定时将数据取出并发送给输出端口。

需要输出的数字量共有3路，当某一路需要高电平时，向相应的数据总线位输出‘1，反之，输出‘0。数据输出的周期为0.5ms，用于存储数字量的空间共1个字节。

（5）模拟量输出。

CPU将需要输出的数据存入双口RAM中，FPGA定时将数据取出，并控制DA转换的时序将数据转换成模拟量，通过对外接口输出。

需要输出的模拟量有1路，数据输出周期为0.5ms，用于存储的空间共2个字节。

4.2 数据存储

数据存储介质使用一块大小为512MB的NAND FLASH作为运行环境数据存储设备，另外使用了128KB的铁电存储器作为运行数据的缓存区。FPGA内部建立两个独立的双口RAM1和双口RAM2。每相应间隔时间采集一次数据，FPGA将采集到的数据存储在双口RAM1中，当每次采集周期，I/O数据采集完成， FPGA将双口RAM1中的数据经由CPU数据总线存储到FRAM中。当FRAM中的数据达到一定量后， FPGA将FRAM中的数据读取到内部双口RAM2作为缓存，写入NAND FLASH。如果写入成功，则将FRAM的相应数据地址释放，可存储新的数据;否则重新存储未成功写入的数据，此时NAND FLASH的存储地址为新地址，直到成功为止。

为保证掉电数据能顺利存储入NAND FLASH中，供优盘读取，每次得电，FPGA首先都要将FRAM中的数据写入NAND FLASH，此时数据下载不可用。

4.3 存储有效時间

CPU单板提供512M的NAND FLASH永久存储器，以及512K的铁电存储器作为数据缓存器，FPGA负责外部IO数据的采集，一帧数据为20个字节。

将NAND FALSH分为两部分：

500M的空间为短期存储空间。负责存储0.02s一次的数据。可存储6d的数据。计算如下：

500×1024×1024÷（20×50×60×60×24）=6.6d

10M的空间为长期存储空间。负责存储20s一次的数据。可存储4个月的数据。计算如下：

10×1024×1024÷（20×3×60×24）=121d≈4个月

4.4 数据下载特点

（1）以太网口下载数据方式。

记录仪配置了以太网口作为用户下载数据的另外一种方式，可通过网线的直接连接计算机，通过访问IP地址下载数据，以提供更高的速度以及便捷。同样为确保只有授权人员可下载数据，配置有用户名密码，非授权人员不可随意操作。

5  结语

本文给出了内燃机车运行数据记录仪的一种设计方案，主要运用于出口型内燃机车，在国外没有监控系统的情况下，实时记录机车运行的重要参数，作为事故等突发事件分析的重要依据，满足了当今铁路系统的安全行车要求。

参考文献

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