摘要：結(jié)合新疆用戶的機(jī)車情況及生產(chǎn)、管理需求，確定了基于Wincon-8000 的工業(yè)控制器做系統(tǒng)的核心控制器平臺，選用I-7000 系列工業(yè)過程控制模塊做系統(tǒng)的輸入、輸出模塊，根據(jù)系統(tǒng)的軟件需求，介紹了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與記錄軟件的總體結(jié)構(gòu)和詳細(xì)流程。主要闡述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)建方法和軟件部分的開發(fā)過程。

關(guān)鍵詞：機(jī)車信息；數(shù)據(jù)采集；實(shí)時(shí)監(jiān)測

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)28-0027-03

Design and Realization of the Locomotive Data Real-time Monitoring and Processing System

ZHANG Shu-ping

(College of Science Technology ，XinJiang University，Urumqi 830049，China)

Abstract: According to the locomotivesituation 、the productionandthe management demand ofthe XlNJiang users， determined to making the system based on the Wincon-8000 industry controller the core controller Platform，selected the l一7000 series commercial controlmodule to be the system's input、output module. Posted software demand of the real-time data monitoring system，introduced recording software of the real-time data acquisition、the general structure and the particular process on the grounds of system demand， The process of the system hardware and the design method of the system software are mainly presented.

Key words: locomotive information; data sampling; real-time monitoring

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越完善，自動化程度越來越高，不僅同一設(shè)備的不同部分之間可以相互聯(lián)系，而且不同設(shè)備之間的關(guān)系也緊密耦合，從而在生產(chǎn)過程中形成一個(gè)整體。因此發(fā)展鐵路系統(tǒng)特別是高速鐵路必須解決的首要任務(wù)是研究建立保證鐵路安全體系問題。而在整個(gè)鐵路的安全體系中，鐵路的行車安全又處于最核心的地位，對列車上的設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測是關(guān)系到行車安全的一項(xiàng)重要措施。

本文主要介紹了機(jī)車數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式核心控制器與操作系統(tǒng)的選型

我們選擇Wincon-8000嵌入式控制器作為系統(tǒng)的核心控制器。

Wincon-8000嵌入式控制器與其他嵌入式控制器比較具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)Wincon-8000嵌入式控制器具有Inte1StrongARMCPU芯片，可以運(yùn)行Windoows CE操作系統(tǒng)的嵌入式平臺，windoows CE 具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括硬實(shí)時(shí)能力、很小的內(nèi)核、引導(dǎo)速度快、深層次中斷處理、確定的控制性以及低成本等：

2)Wincon-8000具有運(yùn)行許多代PC-based控制軟件的能力，如visua1Basic.NET，visualC#，Embedded Visual c++，scADA 軟件，softpLC等等;

3)Wincon-8000嵌入式控制器也支持類似PLc的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制技術(shù)。

4)Wincon-8000有一個(gè)vGA接口，允許用戶用常用的LCD監(jiān)視器去替代HMI顯示，有USB接口允許用戶連接USB存儲設(shè)備或是觸摸屏監(jiān)視器、存儲程序和數(shù)據(jù)的CF存儲器 。

Wincon-8000既能提供傳統(tǒng)PLC的優(yōu)點(diǎn)，又能提供運(yùn)行Windows的PC機(jī)的功能，是替代常規(guī)PC和PLC 的性價(jià)比最佳的選擇。

從操作系統(tǒng)的功能強(qiáng)大性、兼容性、可靠性、性價(jià)比等綜合因素考慮，我們選擇了嵌入式Windows CE操作系統(tǒng)，Windows CE最大特點(diǎn)是其API與Win32兼容，這有利于使用Windows環(huán)境開發(fā)WincE應(yīng)用，Windows CE提供給程序開發(fā)者標(biāo)準(zhǔn)Win-32API，ActiveX控件，MSMQ，COM接口，ATL和MFC(MicrosoftPoundationclassesLibrary)等熟悉的開發(fā)環(huán)境。Activesync提供臺式計(jì)算機(jī)和嵌入裝置之間的(網(wǎng)絡(luò))連接，無論是通過序列連接，還是紅外線串行口或網(wǎng)絡(luò)電纜連接。Windows CE對多媒體，通信(TCP/IP，SNMP，TAPI)，還有安全性提供內(nèi)置的支持。種種的整合應(yīng)用程序，包括了小型的outlook瀏覽器，針對小型的收信信箱的客戶程序，還有小型的容許用戶擴(kuò)展并自定義現(xiàn)行的系統(tǒng)的Wordexpose對象和擴(kuò)展應(yīng)用的程序。

選擇 Windows CE作為監(jiān)測系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，為我們的開發(fā)工作提供了熟悉的開發(fā)環(huán)境和豐富的軟件資源，為系統(tǒng)的成功開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

2.2 模擬量輸入設(shè)備選型

按照需求分析的要求，需要采集的模擬量有:1-6電機(jī)分電流、主發(fā)電壓、主發(fā)電流、水溫、油溫、滑油壓力、燃油壓力、輔助發(fā)電、蓄電池充放電流、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速15個(gè)模擬量。

綜合考慮系統(tǒng)可靠性、高級語言支持能力及性價(jià)比等因素，我們選擇臺灣泓格I-7018模塊作為14路模擬量的輸入通道，選擇I-8080模塊做為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速模擬量的輸入模塊。系統(tǒng)采集的模擬量及其通道的分配見表1所示。

2.3 開關(guān)量輸入、輸出設(shè)備選型

根據(jù)需求分析，在此系統(tǒng)中我們所涉及到的開關(guān)量有：差示壓力動作、水溫高、固定發(fā)電、空轉(zhuǎn)、主回路接地、主回路過流、卸載燈亮、故障勵(lì)磁、三個(gè)開關(guān)以及四個(gè)指示燈的控制。根據(jù)各方面的權(quán)衡，我們選擇了泓格ICPDAS I-8042開關(guān)量的輸入模塊。I-7050開關(guān)量的輸入、輸出模塊。系統(tǒng)采集的開關(guān)量及其通道的分配見表2所示。

2.4 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備

Wincon-8000使用RS-485通信協(xié)議連接器連接各主要I/0模塊，因此要求所有的I/0通道模塊支持RS-485協(xié)議?？紤]到目前的機(jī)車上已經(jīng)安裝了一套運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，稱為TAX箱。TAX箱使用RS-232 串口通信協(xié)議，所以應(yīng)在監(jiān)測器與TAX箱之間完成RS-232到RS-485 通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。從模塊的性能、兼容性等方面的因素考慮，選擇了臺灣漲格的I-7520模塊。

系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 軟件開發(fā)

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

微軟提供了兩個(gè)整合的開發(fā)環(huán)境來開發(fā)基于Windows CE 控制器的應(yīng)用程序：Visual studio.NET和eMbedded Visual C++，它們都由一套整合的窗口、工具、菜單、工具欄、目錄和其他組件組成，用來幫助我們建立、開發(fā)、測試和調(diào)試Windows CE應(yīng)用程序的?；赪incon-8000的機(jī)車數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測與處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件是在Visual studio.NET環(huán)境下開發(fā)的。開發(fā)平臺的最低硬件配置如表3所示。

表3 開發(fā)平臺的最低配置

■

3.2 軟件開發(fā)工具

Visual studio.NET整合開發(fā)環(huán)境已經(jīng)支持開發(fā)智能型裝置，使用這些工具和.NET Compact Framework 能夠建立、部署、調(diào)試、建制在個(gè)人數(shù)字助理、移動電話和其他資源受限等通過.NET Compact Framework執(zhí)行的應(yīng)用程序。Visual studio.NET 2003年版本（含）以后已經(jīng)支持應(yīng)用程序的開發(fā)者在Visual studio.NET中使用 Visual Basic.NET和Visual C#程序語言來撰寫應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序必須通過.NET Compact Framework來開發(fā)和執(zhí)行，本系統(tǒng)使用Visual C#程序語言來撰寫應(yīng)用程序，軟件開發(fā)工具如表4所示。

除要在開發(fā)用PC上安裝Windows CE軟件開發(fā)包，還要安裝SDK for wincon-8000及軟件驅(qū)動程序。程序既可以下載到硬件平臺上調(diào)試也能在使用的PC上的仿真環(huán)境中進(jìn)行調(diào)試。

3.3.1 軟件總體功能

系統(tǒng)能采集浮點(diǎn)型的8位數(shù)據(jù)，每隔50毫秒采集一次信息，每一秒將收到最后一幀監(jiān)控裝置數(shù)據(jù)傳送到終端設(shè)備形成.TXT，.BAK等文件，然后將.TXT，.BAK等文件傳送給CF卡，通過U盤將數(shù)據(jù)傳送到后臺數(shù)據(jù)處理軟件，后臺數(shù)據(jù)處理軟件的回放分析提供橫向以及縱向數(shù)據(jù)比較在內(nèi)的各種數(shù)據(jù)模式，通過曲線分析，使記錄數(shù)據(jù)可視化，真實(shí)再現(xiàn)各種運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)車的各種運(yùn)行狀態(tài)，為機(jī)車的檢修提供科學(xué)的依據(jù)，同時(shí)也可以提高機(jī)車的利用率。

3.3.2 軟件總體設(shè)計(jì)堅(jiān)持的原則

本系統(tǒng)軟件在設(shè)計(jì)時(shí)堅(jiān)持以下原則：

1)界面美觀友好、用戶易操作。

2)本系統(tǒng)所涉及的基礎(chǔ)信息盡量以參數(shù)表的形式進(jìn)行維護(hù)，系統(tǒng)做到靈活性強(qiáng)。

3)系統(tǒng)采用C/S模式設(shè)計(jì)，包括分析程序和備份程序獨(dú)立于分析程序。

4)考慮到系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，保證系統(tǒng)有較高的運(yùn)行效率。

3.3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集軟件完成機(jī)車運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲與轉(zhuǎn)發(fā)。其軟件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示 。

■

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的采集、開關(guān)量的采集、模擬量的采集、看門狗的啟用、系統(tǒng)信息幾個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

3.3.4 地面分析系統(tǒng)軟件

地面分析系統(tǒng)軟件主要完成數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)分析等，總體數(shù)據(jù)流程如圖4所示。地面分析系統(tǒng)的功能框架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

項(xiàng)目在設(shè)計(jì)思路上進(jìn)行了創(chuàng)新，改變了傳統(tǒng)的總線與數(shù)據(jù)采集板的電路設(shè)計(jì)思想，而采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將各個(gè)采集通道分別隔離，并預(yù)留足夠的通道備用，信號相近的通道組成模塊，模塊之間、模塊與主控單元之間通過總線方式連接，保證了各通道、各模塊和主控單元的獨(dú)立性，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展、升級，適應(yīng)機(jī)車各種型號的傳感器信息的接入以及方便故障檢修處理。數(shù)據(jù)采集記錄器前端從儀表端子接線獲取信號，接線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，模擬量輸入、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出和驅(qū)動電路分別由相互隔離的通道組成不同的模塊，模塊采用雙看門狗電路設(shè)計(jì)，具有較高的可靠性，接口部分阻抗大，對外圍電路沒有影響，主控單元采用緊湊型嵌入式控制系統(tǒng)，操作系統(tǒng)為Windows CE，支持VGA、Ethernet、UsB、鍵盤、鼠標(biāo)、閃存等，主控單元每1秒鐘采集并記錄一次數(shù)據(jù)，F(xiàn)lash盤可存儲40小時(shí)數(shù)據(jù)，通過UsB進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，方便快捷。裝置具有安全導(dǎo)向功能，通過面板上的指示燈可觀察、判斷裝置的好壞及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄情況。整套裝置功耗小，符合鐵道部電子產(chǎn)品裝車標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目開發(fā)的產(chǎn)品在哈密機(jī)務(wù)段的列車上進(jìn)行了運(yùn)行， 達(dá)到了預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。系統(tǒng)運(yùn)行后采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)如下：

0649，0.0638，0.0367，0.0372，0.038，0.0378，255，62.5，0，0，0，0，0，0，0.0，“2006-01-2216:55:35”，“5051”，

0.0141，0.0132，0.0302，0.0147，0.1002，0.0708，1，1，0.0119，0.1237，0.0649，0.0637，0.0366，0.0372，0.038，0.0378，255，625，0，0，0，0，0，0，0.0，“2006-01-2216:55:36”，“5051”，

0.0141，0.0132，0.0302，0.0147，0.1002，0.0708，1，1，0.012，0.1238，0.0649，0.0638，0.0367，0.0372，0.0381，0.0378，255，65.34091，0，0，0，0，0，0，0.0，“2006-01-22 16:55:37”，“5051”

0.0141，0.0132，0.0302，00148，O.1002，0.0708，1，1，0.0119，0.1237，0.0648，0.0637，0.0368，0.0373，0.0381，0.0378，255，62.5，0，0，0，0，0，0，0.0，“2006-01-22 16:55:38”，“5051”

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)嚴(yán)格按照鐵路產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，在性能與可靠性方面處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不僅為鐵路高速運(yùn)輸提供了強(qiáng)有力的安全保障，同時(shí)也為鐵路安全運(yùn)輸管理提供了正確的分析依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Doulas Boling.Microsoft Windows CE[M].北京:北京大學(xué)出版社，1999.

[2] 胡虛懷，鄭若忠. Windows CE的結(jié)構(gòu)與特征分析[J].電腦技術(shù)信息，2000，(1):4-6.

[3] 過曉冰，伍衛(wèi)國，劉敏.Windows CE及其開發(fā)工具[J].計(jì)算機(jī)工程，2000，(9):33-34.

[4] 陳寧，熊光澤.Windows CE及其思考[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，1999，(12):49-53.

[5] 姜山，程君實(shí).Windows CE的實(shí)時(shí)行分析[J].測控技術(shù)，2000，(1):22-24.

[6] 王魯南.基于Windows CE的文件處理[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2000，(7):7-8.

[7] 劉大鵬，馬孝江.基于Windows CE的嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)時(shí)性分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2002，(1):41-43.