基于ARM及C#语言的城轨能馈式供电系统综合监控技术研究与实现

金海军，田 蓓，许晓梦，徐 硕，刘志刚

（北京交通大学 电气工程学院，北京 100044）

城市轨道交通供电系统为城轨车辆的运行提供电力，是城市轨道交通运输系统安全可靠运行的关键设备和重要保障，所以监控其运行参数并实时掌握其工作状态非常重要。基于能量反馈式牵引供电系统的综合监控系统，是目前国内较为先进的交流传动的监控方法之一[1]。该监控系统基于新型牵引供电系统的特性，采用以太网通讯技术和虚拟仪器技术，并使用ARM及C#语言，通过虚拟仪器界面取代过去的监控方式，实现了对新型能馈式牵引供电系统的可靠实时监控。

文中研究的能馈式牵引供电系统综合监控技术可以保障牵引供电系统的正常运行，对能馈式牵引供电系统动态过程中的各个电气参数，温度值及开关量等进行测量、传输、显示、存储及故障诊断，方便用户观察分析数据。克服了传统的仪表测量带来的不良影响，如干扰PWM整流器的正常运行、危及操作人员的人身安全，测试过程繁琐程序复杂等问题。该能馈式牵引供电系统的综合监控技术的主要特征是，具有强大的控制、存储、运算、逻辑判断能力，及自动操作等新能力，并且在监控的准确度、灵敏度、自动化程度、使用能力及解决监控技术问题的深度和广度方面有很大提升。

1 系统整体方案介绍

能馈式供电系统的综合监控主要是由外围数据源设备、底层ARM数据采集部分、串行通信接口转换模块，PC上位机监控软件，数据库存储5个模块组成。

其中，底层ARM系统负责对于监控设备的实时数据采集，经过串行接口转换模块与PC机通信接口相连。上位机基于C#语言的监控系统使用串口和以太网协议将所有采集数据汇总进行显示以及分析等，同时从数据采集卡接收数据波形，利用外围数据库进行数据存储，便于调用分析，进而完成对整个系统的综合监控以及故障诊断。

2 底层硬件设计

本监控系统底层处理器采用了TI公司推出的AM3359微处理器。AM3359在图像、图形处理、外设和诸如EtherCAT和 PROFIBUS的工业接口选项方面进行了增强，支持通用存储器（NAND，NOR，SRAM，等）支持高达 16 位 ECC，支持最多2个端口的10/100/1000以太网交换机，串口包括：2个控制器局域网端口 （CAN）6个 UART，2个 McASPI，2个 McSPI和3个I2C端口，具有良好的通信功能。

综合监控系统平台中以AM3359微处理器为核心，移植了Ubuntu Linux操作系统作为下位机，采用LabVIEW作为监控界面的PC作为上位机，通过数据采集结点采集能馈式牵引供电系统相应的数据量和模拟量，以ARM板中NAND Flash作为存储单元存贮采集到的数据，并通过串口和网口传输以上数据到上位机进行处理和故障诊断，从而实现了对于管轨牵引供电系统的实时监控。综合监控系统的总体架构如图1所示。

图1 综合监控系统总体架构Fig.1 Overall architecture of integrated monitoring systems

AM3359处理器针对工控领域产品对多串口，多网卡应用有针对性的优化和增强。支持6个串口，2个以太网，并能方便对网口和串口的扩展。串行接口是计算机与外围数据源设备之间进行数据交换的重要介质。本平台中的核心处理器AM3359采用的是USB调试串口，是由USB信号线先经过USB2412集线控制IC再经过串口接口IC FT2232L转换成UART信号。

本监控系统中ARM芯片应用TI公司的Cortex-A8系列AM3359芯片设计了一个嵌入式Linux系统。串口通信设计了4路RS232，2路RS485，实现两台PC间的安全稳定通信。监控系统通过主控单元采集变流器各监控量信息，并通过SPI串口通信的方式以1 s的周期传输给ARM处理器，从而完成短距离、周期性的监控数据的传输。

监控平台的以太网通信以TCP/IP为通讯协议，将从控制单元得到的电压，电流等数据通过以太网的方式传送给上位机的监控界面。TCP网络没变成是目前比较通用的方式，主要采用C/S模式，即服务器（S）、客户端（C）模式，服务器模式创建一个服务程序，等待客户端用户的连接，接收到用户的连接请求后，根据用户的请求进行处理；客户端模式则根据目的服务器的地址和端口进行连接，向服务器发送请求并对服务器的响应进行数据处理[2-3]。本文中ARM充当客户端的角色，对上位机进行访问。具体的TCP/IP通信流程图如图2所示。

图2 TCP/IP通信流程图Fig.2 TCP/IPcommunication flow chart

3 上位机软件设计

综合监控技术的核心为上位机软件设计，通过串口和以太网接口与数据采集通信，完成设备实时数据的接收，然后做适当数据处理和分析后，进行各个功能的正常工作。本上位机软件是在Windows操作系统下Visual Studio 2005.NET编程环境中使用C#语言编程完成。

C#语言是一种安全、稳定、简单的，由C和C++衍生出来的面向对象的编程语言。它在继承C和C++强大功能的同时去掉了一些它们的复杂特性（例如没有宏以及不允许多重继承）。C#综合了VB简单的可视化操作和C++的高运行效率，以其强大的操作能力、优雅的语法风格、创新的语言特性和便捷的面向组件编程的支持成为.NET开发的首选语言[4-5]。

本文使用C#编程环境中的Serial Port类来实现串口通信功能，使用Thread类来完成多线程编程，数据库模块采用广泛使用的SQL Server 2000来存储数据。Serial Port类为应用程序提供了通过串口收发数据的简便方法，具有功能强大、通信快速、实时性好等特点[6]。图3为监控软件的系统结构流程图。

3.1 软件通信设计

本监控系统中根据数据类型的不同及数据的多少主要由串口和以太网进行底层ARM和上位机的通信。串口通信协议根据连接的具体设备进行不同的选取，本设计中主要有MODBUS协议和制定的串口协议。以太网协议则使用经典的TCP/IP，实现服务器和客户端之间的通信。

3.2 SQL数据库

图3 监控软件系统流程图Fig.3 Flow chart of the monitoring software system

后台数据库选用 Microsoft SQL 2000，SQL Server是由Microsoft开发和推广的关系数据库管理系统（DBMS），它是基于5QL客户/服务器（C/S）模式的数据库系统。图形化的界面使数据库管理更加简洁、灵活，同时又具有丰富的编程接口，为用户从事程序开发提供了更多的方便。

本监控系统在SQL数据库中主要存储中间计算量及故障数据量，在其中共建立了7个数据表，分别为SCADA接口数据表、查询数据、告警记录、故障显示、通道设置、信号记录及用户，这些表中的信息与前端显示界面中的数据相互对应，整个数据库的大小可达到10G。在需要调用数据进行分析时，可实时对SQL进行访问，读取数据库中的值，上层界面也可根据数据库中数据的分析结果对底层进行相应的控制。

4 实验调试结果

1）运行状态

2）波形显示

3）控制设置（模拟参数）

图4 串口制定协议结构Fig.4 Serial protocol architecture

图5 MODBUS协议结构Fig.5 MODBUSprotocol architecture

图6 SQL数据库故障显示数据表Fig.6 The failure display data sheet in SQL database

图7 运行状态Fig.7 Running state

图8 波形显示Fig.8 Waveform display

图9 波形回放Fig.9 Waveform playback

4）控制设置（状态参数）

图10 参数设置Fig.10 Parameter setting

5）故障显示

图11 故障显示Fig.11 Fault display

5 结 论

文中介绍了基于ARM和C#进行的能馈式牵引供电装置监控软件的设计过程，实现了多目标、多功能和多选项卡的图形用户界面，用户可以在界面上完成数据输入、运行状态监控、波形显示、控制设置以及故障显示等全部工作。软件具有用户界面友好、软件性能强、运行速度快、易于移植、开发研制的周期短等优点。通过对软件平台，具体功能以及通信协议的介绍，体现了软件的整体设计思想以及突出优势。

[1]王磊，刘志刚，赵雷廷，等.新型城轨牵引供电系统监测平台研究[J].电测与仪表，2009，46（8）:50-55.WANG Lei，LIU Zhi-gang，ZHAO Lei-ting，et al.Research on a novel monitoring platform for traction supply of urban rail transportation system[J].Electrical Measurement&Instrumentation，2009，46（8）:50-55.

[2]宋敬彬，孙海滨.Linux网络编程[M].1版.北京:清华大学出版社，2010:202-207.

[3]范鹏.基于MPC8260的嵌入式网络通信平台的研究[D].天津:天津大学，2004.

[4]李叶妮，江小霞，林少芬.基于C#技术的船舶监控管理系统的设计[J].船舶工程，2008，30（2）:42-44.LI Ye-ni，JIANG Xiao-xia，LIN Shao-fen.Design of the marine monitoring and management system based on C#technology[J].Marine engineering，2008，30（2）:42-44.

[5]陈建华.一种基于C#的SQL服务器安全的监控方法[J].重庆工商大学学报：自然科学版，2012，29（5）:73-75.CHEN Jian-hua.A SQL server security monitoring method based on C#[J].Chongqing Technol Business Univ：Nat Sci Ed，2012，29（5）:73-75.

[6]张立香.C#语言中方法的参数[J].中国科技纵横，2011（1）:83-83.ZHANG Li-xiang.Method parameters in c#language[J].Science and Technology of China，2011（1）:83-83.