基于多功能车辆总线的城市轨道交通车辆数据采集系统

李启磊 许娟红 虞君彪 沈 洁 黄凤辰 李臣明

（1.中国中车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京；2.河海大学计算机信息学院，211100，南京∥第一作者，工程师）

根据IEC61375标准，TCN（列车通信网络）适用于开式列车的数据通信。TCN 列车总线广泛应用于铁路机车车辆、动车组及城市轨道交通车辆中。我国近年来大力发展基于TCN 的列车网络产品。

TCN 列车总线一般分为两部分：用于连接各节可动态编组车辆的列车级通信网络绞线式列车总线（Twisted Train Bus，简为 WTB）以及用于连接车厢内固定设备的车辆级通信网络多功能车辆总线（Multifunctional Vehicle Bus，简为 MVB）。国内很多已运营和即将运营的地铁列车大都采用了基于MVB标准的网络控制系统。通过采集和分析处理列车运行过程中产生的各类信息，可以大大提高列车运行维护的时效性，从而有效保障列车运行安全。因此，设计一种结构简单、能够实时采集MVB 网络数据的系统具有重要意义。

本文设计了一种采集并显示MVB 网络数据的系统，该系统能实时采集车辆运行过程中的各类信息，并对这些信息进行分析、处理，最后在平板电脑上动态显示以告知司机列车当前的各种状态。

1 系统功能

车辆数据采集系统主要负责车辆状态参数、车辆安全信息及综合监测信息的采集、处理、记录、传输、转储及显示，通过通信模块将数据打包发送至地面综合应用系统，为之提供数据支持。另外，根据需要，系统接收地面服务端发送的数据请求信息，并将对应的请求数据发送至地面服务端处理。

1.1 车辆信息采集

信息采集要完成的任务是在不影响TCMS（列车控制管理系统）正常工作的前提下采集到MVB上所有信号。MVB 协议是一种基于总线的协议，每一个MVB 设备都挂接到同一根总线上。MVB协议解决总线访问冲突的办法是主从控制，即总线上有且只有一个 MVB 设备称为主设备，其它设备都为从设备。主设备控制总线的访问，从设备都是在得到主设备允许后才能访问总线。因此，本文提出的采集系统作为从设备接入至 MVB，负责从MVB读取车辆当前的运行状态数据，并将这些数据发送给主控芯片进行分析和处理。

1.2 车载信息总控

对车载信息采集、信息传输、人机交互功能的集中控制。负责对所采集的总线数据进行处理、分析，根据数据状态的变化执行不同的任务，能将数据正确地发送至地面服务端，接收地面服务端的数据请求信息并发送所请求的数据值地面服务端，能实时对地面服务端反馈的处理结果进行有效展示。

1.3 车载人机交互

通过人机交互设备，地铁车辆驾驶员可以实时、准确地获取地铁车辆当前的运行状态、出现的故障及处置方式等信息。当车辆出现故障时，根据提示信息可以迅速、快捷地对故障进行处理，提高故障处理的效率和准确性。

2 系统功能模块设计

车辆数据采集系统主要包括主控芯片模块、信息采集模块、电源模块、无线传输模块，存储模块和人机交互模块，如图1所示。

图1 数据采集系统框图

2.1 主控模块

主控模块作为系统核心部分，主要负责控制其余各模块之间的数据交互。主控模块控制信息采集模块从MVB总线采集数据并将这些数据暂存于存储模块。之后主控芯片对所采集的车辆运行数据进行分析处理，根据数据状态的变化将其中变化的数据通过通信模块发送至地面服务端处理。主控模块接收来自地面服务端的请求数据并反馈所请求的数据，接收来自地面服务端的诊断结果并发送至人机交互模块动态显示。同时，主控模块还负责将采集的所有数据发送至人机交互模块存储。

2.2 车辆信息采集模块

MVB信号采集设备如同一个普通MVB 从设备一样工作。不过与普通MVB 从设备不同的是，它是一个完全被动的设备，不能干扰 MVB 的正常运行。不管这个采集设备是否存在该总线上，MVB将以完全同样的方式运行。所以，该采集设备只是接收并保存所有通过 MVB 的数据，不发出任何数据。而且它不存在于 MVB 主设备的周期轮询表里，它不需要分配 MVB 地址，因此，它对于整条总线是透明的。采集模块框图如图2所示，采集模块作为从设备接入MVB并将采集的数据发送至信号检测与传输模块。

图2 车载综合信息采集模块框图

2.3 电源模块

车辆综合信息采集、监测与传输系统的供电方案采用车载电源为主、充电电池为辅的方式，保证不间断供电，如图3所示。

图3 电源模块框图

2.4 无线传输模块

无线传输模块采用无线射频的方式与地面系统通信，CDMA（码分多址）无线公网具有网络覆盖好，抗多径干扰、抗衰落性能好，尤其是越区软切换，不易掉线的优点，因此该系统中快速移动下的通信方式主要采用CDMA 网络。

2.5 人机交互模块

主控芯片根据所采集的信号状态是否变化将数据分为变化数据和非变化数据。一方面，主控芯片发送变化数据至地面服务端诊断处理，当出现故障时，地面服务端将故障信息及处置方式发送至本系统，由主控模块控制该信息发送至人机交互模块并动态显示以方便驾驶人员及时处理故障；另一方面，人机交互模块需要对采集的所有数据进行冗余备份。本文使用平板电脑作为车载人机交互模块，该模块需向司机展示故障告警、运行状态、操作方式和回传指令等信息，通过人机交互界面司机可查看列车状态信息及故障处理方法等，同时平板电脑还作为大容量存储设备暂存所有的车辆运行数据。

3 系统电路设计

3.1 电源电路设计

电源电路通过USB（通用串行总线）接口供电，首先经过电容和电感滤波后一端接到MVB 网卡芯片电源输入端，为MVB网卡芯片提供工作所需的5 V 电压，另一端先经过电容滤波，经由电压转换芯片降压，再经过电容滤波后接到微控制器、网卡芯片、地址锁存器芯片及存储芯片的电源输入端，为其提供3.3V 工作电源。其电路图见图4。

图4 系统电源电路图

3.2 主控电路设计

在系统主控电路中，MVB 信号采集模块采用大连海天科技的SSMV21CD 型号网卡。该网卡支持4 096个过程变量端口（源端口或宿端口，16位～256位可配置），通过PC104与主控芯片连接。主控芯片采用Atmel公司生产的ATxmega128A1型号的微处理器控制数据的采集和处理。该型号的微处理器具有性能好、功耗低、外围丰富等特点，CPU（中央处理器）的性能指标达到每秒处理百万级的机器语言指令数，并允许优化功耗和处理速度。存储芯片使用BS62LV1603EI型号。该芯片容量为2 M，具有功耗低、电源自动调节等优点。

4 系统软件设计

车辆数据采集系统中数据处理的流程如图5所示。

图5 系统数据处理流程图

5 试验

为验证各个硬件模块单元以及系统整体是否实现了设计方案中的功能，在车辆环境下组建测试系统，主要对系统的数据通信能力进行测试。发送数据至地面服务端（见图6），地面服务端接收数据（见图7），地面服务端包括数据解析和车辆状态显示，解析数据后在地面显示端显示车辆状态（见图8）。在本次试验中，在地铁列车司机台按下左侧门全部开门按钮，通过图8可以看出，车门区域显示绿色表示门打开，灰色表示门关闭，试验结果符合预期。因此，本文所设计的系统方案能够正常工作，地面服务端将采集的数据进行分析，最终将车载信息进行显示，能够满足实际的应用需求。

图6 数据发送

图7 数据接收数

图8 地面服务端显示图

6 结语

本文介绍了一种基于MVB的城市轨道交通车辆数据采集系统。该系统一方面能通过采集总线数据实时地获取列车运行的各种状态，另一方面，通过对采集的数据进行分析和处理，为后续的故障诊断提供基础；同时还可以实时地显示车辆的故障信息及处理方式，为维护人员及时、有效地解决故障提供保障，缩短了故障处置时间，提高了车辆安全性能。

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