基于FPGA的空调显示设定器数据记录方案设计

田 地

（西安中车永电捷通电气有限公司，陕西西安，710016）

基于FPGA的空调显示设定器数据记录方案设计

田 地

（西安中车永电捷通电气有限公司，陕西西安，710016）

针对CRH2型动车组空调故障数据记录改进要求，设计了空调显示设定器记录48小时空调运行数据整体方案，详细介绍了FPGA软件实现方法，对空调系统进行长时试验，其结果表明数据记录正确，满足设计要求。

空调；FPGA；数据存储；FLASH

0 引言

动车组以其节能环保、速度快、乘坐舒适等优点得到人们的一致认可，已成为旅客出行的首选，与传统电力机车相比，动车组车厢内空气流通性好温度舒适。这些都依赖于车辆空调系统；随着车辆运行时间的延长，尤其在夏季空调连续制冷，对压缩机、变频器等部件是一种严酷考验，空调机组部件出现故障在所难免，为快速准确查找故障原因，及时解决问题，记录空调运行数据尤为关键。

CRH2型动车组空调故障数据记录于车下空调控制装置中，下载故障数据时，需打开车厢下侧裙板，耗时费力。本方案选择在空调显示设定器（车厢电气柜内）内存储运行数据（变频器电压电流值、各接触器状态等），数据由空调控制装置上传至空调显示设定器，设计记录48小时运行数据，需要下载数据时，在车厢内相应电器柜连接电脑即可下载，省去了拆裙板步骤，更为人性化，1名检修人员即可完成。

1 系统方案

空调显示设定器核心控制器采用XILINX-SPARTAN6-FPGA，外围使用FLASH用来存储空调运行数据，通过RS232接口与PC连接，使用上位机进行数据下载。

FPGA采用硬件处理技术，可以反复编程，能兼顾速度和灵活性，并能并行处理多路信号，因空调显示设定器同时连接2台空调控制装置与列车网络控制装置，对数据处理的实时性要求较高，FPGA的并行处理能满足以上要求。Nand-flash存储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储。

2 软件实现过程

软件实现对空调控制装置上传数据的采样，采样数据的存储，实时运行数据的读取等功能。具体可分为：数据采样模块、命令管理模块、FLASH接口模块。如图1所示。

图1 软件结构

2.1 故障采样模块

空调显示设定器通过RS232接口同时与2台空调控制装置交换数据，单台空调控制装置每次上传24字节数据，两台共48字节，每15s采样一次数据，加上时间信息共54字节存入RAM中，因为FLASH读写按页操作，每页512个字节，因此设置RAM深度为512字节。当RAM存储满486字节后，向FLASH管理模块发送存储数据命令，将数据存入FLASH相应地址。程序采用状态机实现，状态转移如图2所示。

图2 故障采样状态转移

图3 FLASH地址与数据管理状态转移

2.2 FLASH数据与地址管理模块

项目 FLASH选用三星K9F280U0C，容量16MByte，每页512Byte，当FPGA数据缓存至一页的数据量时，存储一页数据，每页有效数据为486Byte=9*54Byte，每15s采样一次数据，因此每一页记录时长为9*15s=135s=2.25分钟。依照设计要求存储48小时数据共需要48*60/2.25=1280页=45块。共需FLASH容量1280*512=655Kbyte，满足要求。

FLASH的操作主要有读、写、擦除。读与擦除命令通过RS232接口连接电脑上位机进行下达，写命令由故障采集模块下达，当采集数据达到1页数据量时，下达写命令。

系统初始上电后，FLASH数据与地址处理模块先找到下次要写入数据的页地址，具体做法为从第0页开始读取判断，直到1280页，读到某页数据全为FF时，表示此页为将要写入的页。开始等待命令，得到写命令时，写完一页数据后，页地址加一，判断是否为下一个块的起始地址，是则擦除下一块。得到读取命令时，从当前页地址逐次减一页读取，读完第0页数据后，返回1280页读取，这样读出的数据保证时间从最近到48小时以前。得到擦除命令时，从第0块开始擦除至45块。具体操作流程图如图3所示。

2.3 FLASH接口模块

FlASH接口操作模块根据FLASH读写擦除时序写入相应命令实现操作。以读取数据为例，先输入命令，写地址，读数据，在WE,RE低电平时更换数据，在上升沿提取数据。

3 验证

连接空调显示设定器与空调装置，连续运行一个月，空调显示设定器能可靠准确记录空调运行状态，包括室内温度、压缩机用逆变器运行频率、压缩机压力、外气温度等信息。通过上位机制作EXCEL表格（图4），方便用户查看分析。实验表明，本方案达到设计要求。

VVVF运于电流20169 81733429.4 41 49 16 30.2 120 41 20169 81733129.4 41 49 16 30.2 120 41 20169 817333429.4 41 49 16 30.2 120 41年 月日时分秒室内温度VVVF运行电流逆变器频率外气温度温度传感器ROM版本

4 结语

本文依据动车组用空调系统故障调查需要，创新性的提出了在空调显示设定器内存储空调运行数据的方案，解决了以往车下下载的劣势，节省时间与人力。方案以FPGA为主控芯片，搭配NAND FLASH可存储48小时空调运行数据，试验结果表明，本方案满足设计需求，下一步可继续缩短采样时间，提高记录时长。

［1］陈明文，连帅军，周建国.基于FPGA的FLASH控制器系统［J］.电子科技，2008.

［2］李槐生．基于FPGA的NANDFLASH控制器［M］．科技之友，2011．

A FPGA-based schematic design of data logging for air conditioner display setter

Tian Di
(CRRC xi’an YongeJieTong Electric Co.,Ltd.,xi’an Shaanxi,710016)

In order to improve the scheme of CRH2 air conditioning fault data, the air conditioning display setter is designed,which can record the running datas of the air conditioning and analyze the overall plans within 48 hours.In addition,the FPGA software implementation method is introduced in detail in this article.Through the long-term test of the air conditioning system, the results show that the data recorded correctly, so meet the design requirements.

air conditioning;FPGA;data save;FLASH