摘 要： 介紹了一種大型搗固車工作狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，重點介紹車載主監(jiān)控模塊的硬件設(shè)計及相關(guān)的軟件實現(xiàn),。該系統(tǒng)應(yīng)用新型的M22A系列嵌入式工控模塊MiniARM9080構(gòu)建硬件平臺，內(nèi)嵌實時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-II,，實現(xiàn)對搗固車多個運行參數(shù)的實時監(jiān)控,。
　　關(guān)鍵詞： MiniARM；μC/OS-II,； 搗固車,； 車載監(jiān)控系統(tǒng)

?

　　搗固車是集機、電,、液于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，其運行參數(shù)多,，工作環(huán)境惡劣,，故障率高且難于排查，因此車載狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)成為搗固車必不可少的監(jiān)控設(shè)備,。但是目前國內(nèi)鐵路大型養(yǎng)路機械搗固車的電氣控制系統(tǒng)基本用的都是模擬電路,，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高,，系統(tǒng)難以在線升級,，且不便于維修，因此進(jìn)行數(shù)字化改造是其迫切的要求,。本文在傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上應(yīng)用新型的M22A系列ARM嵌入式工控模塊MiniARM9080對整車進(jìn)行現(xiàn)場實時監(jiān)控,，通過無線網(wǎng)絡(luò)把實時工況數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)上傳至上位機，實時顯示機車的工作狀況,，對異常進(jìn)行報警處理,，并完成歷史回放功能。操縱人員可根據(jù)現(xiàn)場情況,，隨時了解搗固車各部分運行狀態(tài),，及時發(fā)現(xiàn)搗固車的隱患，從而避免故障發(fā)生,。
1 系統(tǒng)概述
　　本系統(tǒng)主要分為4個功能子模塊,。(1)顯示終端人機交互模塊：負(fù)責(zé)搗固車現(xiàn)場監(jiān)控，為現(xiàn)場作業(yè)人員提供圖形化的工作參數(shù)數(shù)據(jù)參考,； (2)車載MiniARM主控模塊：負(fù)責(zé)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的采集,、處理和傳輸，并為顯示終端與服務(wù)器的通信提供橋梁,；(3)服務(wù)器：在物理上集通信服務(wù)器,、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及WEB服務(wù)器為一體， 具備遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò),、WEB服務(wù),、關(guān)系數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫等功能；(4)客戶端：通過BS和CS兩種方式為廣州鐵路集團數(shù)據(jù)監(jiān)控中心提供搗固車工作狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能,。系統(tǒng)完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。

　　系統(tǒng)的車載部分包括MiniARM主控箱,、平板監(jiān)控電腦、各個分散的CAN監(jiān)測點以及無線發(fā)送部分,，整個系統(tǒng)的工作電壓為24 V,。車載MiniARM系統(tǒng)主控模塊采用新型的M22A系列ARM嵌入式工控模塊MiniARM9080作為系統(tǒng)的控制核心，包含CAN數(shù)據(jù)采集結(jié)點,、GPS天線,、通信和控制底板、交換機,、以太網(wǎng)-CAN轉(zhuǎn)換器,、蓄電池等功能部件，實現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)采集,、GPS數(shù)據(jù)接收,、實時作業(yè)數(shù)據(jù)的處理、存儲和查詢及數(shù)據(jù)通信等功能,。車載MiniARM系統(tǒng)主控模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示,。其中虛線部分電路構(gòu)成系統(tǒng)通信與控制底板，安裝在MiniARM主控箱內(nèi),，監(jiān)控設(shè)備CAN模塊安裝在搗固車各個電氣電路箱內(nèi),，電源控制模塊負(fù)責(zé)整個車載監(jiān)控系統(tǒng)的電源管理。

?

2 MiniARM9080核心板簡介
??? MiniARM9080嵌入式工業(yè)控制模塊^[1]主要由LPC2290
??? (ARM7TDMI-S)工業(yè)級微控制器,、程序存儲器,、數(shù)據(jù)存儲器、工業(yè)級以太網(wǎng)控制器CS8900A,、可校準(zhǔn)實時時鐘以及帶256 B E2PROM的復(fù)位監(jiān)控電路組成,。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示?？偩€通過緩沖保護(hù)電路與底板連接以保證微控制器總線運行不受外界干擾,使模塊在EMC性能及穩(wěn)定性方面均有良好的表現(xiàn),。

?

　　搗固車正常作業(yè)時通過大功率整流二極管2CZ10A提供整個系統(tǒng)的工作電源,，同時也給蓄電池充電。當(dāng)搗固車停止作業(yè)時,，車載電源斷開,，系統(tǒng)轉(zhuǎn)而由蓄電池組供電。這里采用2個6-DZM-12型蓄電池串聯(lián)組成系統(tǒng)24 V蓄電池電源,，其容量達(dá)48 AH,。同時為了防止由于搗固車的長期不工作而導(dǎo)致蓄電池的“枯竭”,，設(shè)計原則是當(dāng)蓄電池組輸出電壓降到一定程度時切斷其供電電路,，從而起到保護(hù)作用，為此電路中采用1片雙電壓比較器集成芯片LM393,， 該芯片單電源工作時電源電壓范圍為 2 V～36 V,，可以滿足系統(tǒng)要求，其反相輸入端通過滑動變阻器連接到蓄電池的正極,，同相輸入端加一個參考電壓,。集成電路LM336通過變阻器能夠提供4 V～6 V之間穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓值，這里設(shè)置同相輸入端參考電壓為5 V,，并設(shè)置反相輸入端的電壓維持在15 V左右,，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時比較器反相端電壓高于同相端， 輸出管飽和,，相當(dāng)于輸出端接低電位,，此時繼電器開關(guān)閉合，系統(tǒng)獲得24 V電壓源,，隨著蓄電池組輸出電壓的下降,，LM339反相端輸出電壓也隨之下降，當(dāng)電壓值低于參考電壓時,， 比較器反轉(zhuǎn),，輸出管截止，此時繼電器斷開,，整個監(jiān)控電路24 V輸入電源切斷,，從而起到了對蓄電池組的保護(hù)作用。由于MiniARM9080需要5.0 V/3.3 V雙電源供電,，系統(tǒng)輸入電壓比較大,，這里采用開關(guān)穩(wěn)壓集成電路LM2575和低壓差線性調(diào)壓器LM1117,，可以獲得穩(wěn)定的5 V和3.3 V輸入電源。
3.2 通信接口
　　MiniARM控制板在整個系統(tǒng)通信中處于核心的位置,，既要負(fù)責(zé)實時數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送,，又要與現(xiàn)場監(jiān)控終端和遠(yuǎn)端的服務(wù)器通信，同時也是服務(wù)器和現(xiàn)場監(jiān)控終端之間相互通信的橋梁,。按照實現(xiàn)的功能和通信對象的不同,，系統(tǒng)主要建立如下4種不同的接口電路。
　　(1) 數(shù)據(jù)存儲接口：該部分主要負(fù)責(zé)實時數(shù)據(jù)的存儲,，提供服務(wù)器歷史數(shù)據(jù)的回放,，采用1片512 MB的CF卡作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，歷史數(shù)據(jù)可保存7天,。
　　(2) RS232串行接口：該部分通過1片SP3232E芯片提供2路標(biāo)準(zhǔn)的串行接口,，分別連接GPS模塊與DTU模塊。GPS模塊采用臺灣鼎天的REB-22R系列GPS數(shù)據(jù)接收模塊,。DTU模塊采用廈門桑榮公司的Saro3150PGPRS無線數(shù)據(jù)傳輸終端,，主要用來實現(xiàn)與服務(wù)器之間的無線通信。
　　(3) TCP/IP通信接口：由于MiniARM9080工控模塊內(nèi)部已經(jīng)整合了CS8900A以太網(wǎng)控制器,，因此只需外接1片網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器HR601629E芯片和相應(yīng)的匹配電阻,、高壓電容即可與外界可靠通信，這里主要實現(xiàn)與現(xiàn)場監(jiān)控的平板電腦之間的可靠通信,。
　　(4) CAN-BUS通信接口：該部分電路由帶隔離的高速CAN總線收發(fā)器模塊CTM1050,、總線ESD保護(hù)器件PESD1CAN及相應(yīng)的電阻組成，主要負(fù)責(zé)與現(xiàn)場CAN數(shù)據(jù)采集裝置的通信,。
3.3 控制及檢測電路
　　由于搗固車有作業(yè)和停止兩種不同的狀態(tài),，需要有相應(yīng)的電路來檢測狀態(tài)的改變，這里通過一個簡單的電壓采樣電路來實現(xiàn),。另外在機車工作時需要同時開啟各個功能模塊,，而在機車停止作業(yè)時部分功能模塊(如平板電腦、CAN數(shù)據(jù)采集點等)需要關(guān)閉以降低系統(tǒng)功耗,。同時為了保證GPRS通信模塊正常通信,，也需要設(shè)置相應(yīng)電路在其出現(xiàn)故障時對其進(jìn)行硬件復(fù)位，這就需要設(shè)計相應(yīng)的硬件電路來控制它們的開關(guān),。MiniARM輸出驅(qū)動能力有限,，這里采用三極管放大電路驅(qū)動繼電器來控制相應(yīng)功能模塊的工作狀態(tài)。具體的控制策略由軟件來控制實現(xiàn),。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計
　　軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分,，其核心功能是實時數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和轉(zhuǎn)發(fā),，車載監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理的實時性和并發(fā)性有較高的要求,，因此采用開放式、可裁剪,、高可靠性,、可剝奪性內(nèi)核的嵌入式實時操作系統(tǒng)μCOSII^[3]。本系統(tǒng)主程序?qū)崿F(xiàn)3個主要的C程序源文件：main.c,、train.c,、ISR.c，其中train.c主要實現(xiàn)各種功能子函數(shù),，包括格式轉(zhuǎn)換,、CAN模塊驅(qū)動、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等子函數(shù)及全局變量定義,，相當(dāng)于實現(xiàn)自定義的庫函數(shù),；ISR.c主要實現(xiàn)各類中斷子程序以及定時器,同步等功能；main.c實現(xiàn)操作系統(tǒng)μC/OSII的初始化,、系統(tǒng)的啟動及相應(yīng)的任務(wù)實現(xiàn),，在本系統(tǒng)中主要建立6個不同的任務(wù)，分別實現(xiàn)以下不同的功能：
　　Task0:主要實現(xiàn)串口初始化,，CAN實時數(shù)據(jù)采集,，GPRS通信處理算法以及同服務(wù)器之間的相互通信,。
　　Task1：負(fù)責(zé)GPS數(shù)據(jù)處理和實時數(shù)據(jù)傳輸,。
　　Task2：實現(xiàn)與平板電腦之間TCP/IP數(shù)據(jù)通信功能。
　　Task3：定時與同步控制處理,。
　　Task4：負(fù)責(zé)實時數(shù)據(jù)存儲及歷史數(shù)據(jù)提取功能的實現(xiàn)
　　Task6：電源管理模塊的軟件實現(xiàn),。
4.2 通信協(xié)議的設(shè)計
　　MiniARM主控箱除了負(fù)責(zé)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的采集外，還需要與本地的現(xiàn)場監(jiān)控平板電腦以及遠(yuǎn)端的服務(wù)器進(jìn)行通信,，處理實時數(shù)據(jù)與控制命令的傳輸,。三方通信均采用客戶端/服務(wù)器模式(C/S)，進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信,。在與平板電腦通信時,， MiniARM主控箱作為服務(wù)器，通信雙方建立可靠的TCP連接實現(xiàn)雙向通信,。在與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信時,， MiniARM主控箱作為客戶端,采用工業(yè)級外置式GPRS無線數(shù)傳模塊(DTU)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程雙向數(shù)據(jù)通信,。同時MiniARM主控箱也作為平板電腦與遠(yuǎn)端服務(wù)器通信的橋梁,。本文設(shè)計了統(tǒng)一的通信協(xié)議實現(xiàn)三方的相互通信，提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)。該協(xié)議對應(yīng)TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用層,。標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)如圖5所示,。

?

　　該通信協(xié)議的設(shè)計借鑒GPS數(shù)據(jù)通信NEMA0183^[4]標(biāo)準(zhǔn)的思想，同時又結(jié)合了系統(tǒng)本身的設(shè)計要求,。該協(xié)議由幀首部,、協(xié)議數(shù)據(jù)部分、幀尾部3個字段組成,，其中幀頭由三個字節(jié)的字符串“＄＄＄”來表示,，數(shù)據(jù)長度部分共16位，表示從消息ID開始到校驗碼之前的數(shù)據(jù)長度,，以字節(jié)為單位,；消息ID表征本幀數(shù)據(jù)在通信系統(tǒng)中實現(xiàn)的功能；終端ID是標(biāo)識本系統(tǒng)的惟一的ID號,；YNA字段代表本幀是否需要回復(fù),，當(dāng)其值為0時表示不需要回復(fù)，為1時需要回復(fù),。協(xié)議數(shù)據(jù)部分是長度可變的字段,，其長度最小為1個字節(jié)，包含的內(nèi)容根據(jù)消息ID的不同有很大的改變,，除包含真正的數(shù)據(jù)外,，還包括消息序列號、各數(shù)據(jù)量的個數(shù)以及填充字段等信息,。校驗和部分可采用CRC等校驗手段,，由于TCP通信能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕@里只需要確保發(fā)送端DTU數(shù)據(jù)發(fā)送的正確性,，因此采用簡單的累加校驗和的方式,，校驗數(shù)據(jù)為消息ID到校驗碼之前的數(shù)據(jù)部分；最后以字符串“END”作為本數(shù)據(jù)包的幀尾,。
4.3 無線通信可靠性設(shè)計
　　車載監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的通信基于中國移動GPRS網(wǎng)絡(luò),，采用工業(yè)級外置式GPRS無線數(shù)傳模塊(DTU)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，保證其通信的可靠性和穩(wěn)定性是本系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵,。雖然TCP通信基于可靠的連接,，能夠保證服務(wù)器接收數(shù)據(jù)的正確性，但不能保證由于GPRS信道本身原因引起的數(shù)據(jù)丟失及錯誤,。另外,，DTU模塊受外界干擾而導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理錯誤或者死機等情況也是影響數(shù)據(jù)通信可靠性和穩(wěn)定性的重要因素。為此從DTU模塊的角度出發(fā),，設(shè)計了相應(yīng)的控制策略,，其控制流程如圖6所示,。

?

??? 首先車載監(jiān)控系統(tǒng)通過DTU周期性地向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送測試心跳包，發(fā)送周期為240 s,，遠(yuǎn)程服務(wù)器收到該心跳包后立即發(fā)送一條回復(fù)消息,，監(jiān)控系統(tǒng)判斷在30? s內(nèi)是否收到服務(wù)器的回復(fù)消息，如果收到回復(fù),，則一次完整的測試通信狀況流程結(jié)束,，此時通信正常，監(jiān)控系統(tǒng)等待下一個發(fā)送周期再次發(fā)送測試心跳包,；否則監(jiān)控系統(tǒng)將轉(zhuǎn)為出錯處理,，此時系統(tǒng)將立即重發(fā)一個測試心跳包并進(jìn)入下一個30 s回復(fù)消息等待周期。如果重發(fā)超過3次沒收到任何回復(fù)消息,，通常以將DTU斷電5 s方式硬復(fù)位DTU保證其工作的正常性,，這樣可防止系統(tǒng)因DTU本身的故障而引起的通信問題。但同時也要考慮另外一個故障源——GPRS無線信道,，比如搗固車在山洞里面作業(yè)的情況,。此時由于通信信號的原因?qū)餌TU的頻繁開關(guān)硬復(fù)位，為了避免這一情況,，系統(tǒng)在監(jiān)測到重發(fā)次數(shù)超過3次時,，先判斷距離上一次的復(fù)位時間是否超過一定的時間間隔，如果超過(這里設(shè)置為1 800 s),，則進(jìn)行DTU硬復(fù)位操作,。另外，系統(tǒng)在正常通信的情況下也會因為偶然的因素導(dǎo)致個別的通信測試失敗,，但整個系統(tǒng)仍然處于正常的工作狀態(tài),，這時采用如下機制：在第1次出現(xiàn)重發(fā)狀況時，設(shè)定1個定時器,，定時時間為1小時,，當(dāng)定時時間到時再判斷,，如果重發(fā)次數(shù)不超過3次,，則表示通信正常并重發(fā)計數(shù)值清零。當(dāng)然系統(tǒng)在DTU硬復(fù)位時也需要清除定時器以及重發(fā)計數(shù)器,，來保證下一次通信的正常判斷,。通過以上的控制策略，并經(jīng)實踐證實,，基本上能保證通信的最大可靠性,。
　　本文研究設(shè)計的車載監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到實用化的階段，目前已經(jīng)在廣鐵集團08-32型搗固車上試運行半年,，系統(tǒng)整體設(shè)計已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的功能和可靠性要求,，對提高車輛的維修質(zhì)量、檢修效率，推行經(jīng)濟高效,、先進(jìn)合理的預(yù)知維修制式有著極大的促進(jìn)作用,。

參考文獻(xiàn)
[1]?廣州致遠(yuǎn)電子有限公司.M9020-N20/M9080-N20產(chǎn)品用戶手冊. 2007-05.
[2] ?韓志青,唐定全. 抄平起撥道搗固車[M]. 北京:中國鐵道出版社, 2004.
[3] ?LABROSES J. 嵌入式實時操作系統(tǒng)[M]. 邵貝貝,譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2003.
[4] ?何香玲,鄭鋼. GPS通信的 NEMA協(xié)議及定位數(shù)據(jù)的提取.計算機應(yīng)用與軟件, 2004,21(12).