应用于地铁车辆的数据记录系统

曾桂珍，金 意

（华东交通大学现代教育技术中心，江西南昌330013）

随着国内符合列车通信网络（train communication network，TCN）标准的地铁车辆广泛地应用，行车安全问题越来越受到人们的关注，对TCN地铁车辆的维护是保证车辆行车安全的重要条件，车辆维护人员需要通过记录设备对地铁车辆运行过程进行监测和记录，以方便对车辆运行故障进行快速准确的定位及处理。

TCN标准定义了两种用于列车车载数据通信的现场总线：多功能列车总线（multifunction vehicle bus，MVB）和绞线式列车总线（wire train bus，WTB）。MVB 总线是快速的过程控制优化的总线。目前国外地铁车辆已完全实现了基于MVB总线的数据记录设备，而国内还没有具有自主研发的应用于地铁车辆的MVB总线数据记录设备［1-2］。

该文的MVB 总线数据记录系统包括数据记录设备和PC监控计算机，其数据记录设备符合IEC61375-1标准的MVB四类设备，具有256 M字节的数据存贮空间，其通过车辆的MVB网络总线实时获取车辆运行数据并存储下来，通过以太网接口传输到PC 监控计算机，以数据列表和图表等方式进行显示［3］。其系统结构如图1所示。

图1 MVB总线数据记录系统结构图Fig.1 Structure diagram of MVB bus data recording system

1 数据记录设备硬件结构及组成

如图2所示的一种基于ARM9核微处理器的MVB总线数据记录设备，包括核心处理器 ①、外围配置电路 ② 和总线接口电路 ③。核心处理器是以32位ARM9处理器为核心。其中ARM9处理器选用Atmel公司的32位处理器AT91SAM9260，它内嵌ARM926EJ-S核，带8 K字节指令和8 K字节数据的高速缓存。工作频率为180 MHz，处理速度为200 MIPS。具有扩展总线接口EBI、SDRAM 控制器和静态内存（包括NAND Flash和Compact Flash），因为上述的外围配置是通过DMA方式访问的，所以具有对片内/外的内存最大访问速度。

图2 系统硬件结构图Fig.2 Structure of system hardware

外围配置电路包括实时时钟、FLASH器件、SDRAM器件和电源管理电路。实时时钟选用DALLAS公司的DS1629芯片，与核心处理器通过I2C总线进行通信，提供万年历时间；FLASH器件选用AMD公司的AM29LV160 芯片，为核心处理器提供系统程序和应用程序的存贮介质；SDRAM 器件选用MT48LC4M16A2芯片，为核心处理器提供所有程序的运行空间；电源管理电路选用TPS75233和TPS75225芯片，分别为核心处理器提供3.3 V工作电压和2.5 V内核电压。

总线接口电路包括RAM、MVBC协议控制器、MVB桥电路、以太网物理收发器、USB主接口、FPGA、CAN协议控制器、CAN收发器、RS232收发器和RS485收发器。RAM选用BS62LV4006器件，用来存贮核心处理器与MVBC协议控制器相互交换的通信数据；MVBC协议控制器选用Siemens公司的MVBCS1芯片，具有MVB 四类设备功能；MVB 桥电路是以RS485 协议控制器和光耦隔离器件为核心的，选用MAX3088和6N137芯片，具有RS485差分信号收发及电气隔离功能；以太网物理收发器选用LXT971ALE器件，提供MAC物理介质；USB主接口为标准的U盘双层物理接口；RS232收发器和RS485收发器分别选用MAX232和MAX3088。以上的总线接口电路为核心处理器提供了MVB、以太网、USB、CAN、RS232和RS485总线接口。

2 数据记录设备软件结构及组成

MVB总线分析设备嵌入了系统软件、工程应用软件和MVB网络诊断软件。其中所述的系统软件包括单元所使用的操作系统、板级支持包、MVB协议栈和驱动软件包；工程应用软件是面向应用程序开发的软件，简称为OpenPCS软件，支持IEC61131-3标准所规定的所有功能；MVB网络诊断软件是MVB网络系统的诊断分析软件，主要完成IEC61375标准规定的MVB总线管理功能，用于诊断和分析MVB网络运行情况。

其中MVB协议栈是系统软件的核心软件，其结构示意图如图3所示。用户过程数据发送任务通过应用层调用过程链路层服务程序，把应用数据报文转化成链路报文帧，并传送到物理总线上，而用户过程数据接收任务的过程相反；用户监视任务通过应用层调用监视链路层服务程序，通过不同的功能需求激活不同的链路服务，并将监视报文帧传送到物理总线上；用户消息数据是在呼叫方和应答方建立连接后，进行数据包传输。其呼叫和应答过程如下：用户应用消息通过呼叫任务调用应用层接口，进行各种配置和表操作，再在会话层和传送层接口中构造TCB块的内容、网络地址，然后在网络层中进行查表操作，得到网络地址到链路地址的映射，并调用网络层和链路层的接口函数，最后在链路层加入链路头，将消息放入协议控制器的发送队列中，并发送到物理总线。用户应用消息的应答处理过程相反［4］。

图3 系统软件结构图Fig.3 Structure chart of system software

3 PC机监控软件界面功能

PC机监控软件采用Borland C++编写。监控软件的功能示意图如图4，运行记录文件包含两种类型的数据：一般运行数据和重要运行数据。当打开运行记录文件后，运行数据列表中分别有两种数据的列表显示，这两种列表对应着不同的数据曲线。故障数据记录文件中既包括实际运行故障数据，也包括司机操作状态数据，实际运行故障数据记录车辆各设备发生故障时的信息，司机操作状态数据包括司机进行重要操作时的信息。打开故障数据记录文件后故障信息和操作信息分别显示在不同的列表中，也对应着不同的汇总曲线。数据记录设备记录的累积数据记录文件、试运行记录文件及满载率记录文件打开后分别以不同的数据列表形式显示出来，这些数据从不同的侧面反映车辆的运行情况，为车辆的调试人员、管理人员提供有效的依据。下面是对重要运行数据曲线界面和故障诊断列表界面的说明［5］。

图4 软件功能示意图Fig.4 Schematic diagram of software function

图5为重要运行数据曲线，该界面显示车辆运行时的变量曲线，通过该界面用户1次同时最多可以查看10条曲线，可以进行曲线的拖动、放大、缩小等操作，同时曲线界面具有双游标功能，用于指示各曲线变量的值及对应时间值。

表1为2011年1月3日等级为3的车辆故障诊断数据列表，该列表详细列出了车辆发生的故障信息，包括发生故障的日期时间、设备、发生解除、故障名称、故障描述等信息及故障发生时的网压、速度等环境信息。对故障的描述信息是专家经验的总结，是对发生故障原因及解决措施的合理指导，极大地提高了车辆维护人员的工作效率。故障诊断信息列表提供了不同类型的排序及汇总操作，方便维护人员快速的从整体上了解车辆的故障发生情况［6-8］。

图5 重要运行数据曲线Fig.5 Important operation data curve

表1 故障诊断列表Fig.1 Fault diagnosis list

5 结论

讨论了一种基于地铁车辆的MVB总线数据记录系统的结构及功能，并详细描述了该系统在某地铁车辆运行中的成功应用。应用的结果表明：通过该MVB总线数据记录设备车辆维护人员能够很好的了解地铁车辆的运行情况，结合运行中产生的故障数据和预先建立的车辆故障诊断描述产生的故障数据报表加快了车辆维护人员对车辆运行故障的分析判断，提高了车辆运行故障的判断维护的效率；同时该系统也为车辆调试人员、管理人员也提供了非常有用的车辆运行信息，为他们的决策过程提供有力的参考。

［1］黄采伦，樊晓平，陈特放.列车故障在线诊断技术及应用［M］.北京：国防工业出版社，2006：48-61.

［2］JONATHAN W VALVANO.嵌入式微计算机系统实时接口技术［M］.北京：机械工业出版社，2003：40-68.

［3］沈忠红.广州地铁车辆故障诊断系统［J］.机车电传动，2000，12（4）：26-29.

［4］于跃，姜悦礼，吴健，等.基于TCN的大功率交流传动机车网络控制系统［J］.内燃机车，2010，442（12）：34-36.

［5］方宗顺，胡强，赵英凯，等.基于Web的实时信息集成系统开发与应用［J］.工业控制计算机，2003，16（2）：12-14.

［6］聂畅.西门子列车网络控制系统在广州地铁中的应用［J］.电力机车与城轨车辆，2010，33（1）：25-26.

［7］陶生桂.城市轨道车辆电力传动系统及其控制的发展［J］.电力机车技术，2001，24（3）：26-32.