王沛東，夏 菲，趙紅衛(wèi)

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

在動車組牽引系統(tǒng)的設計和調試過程中，需要了解牽引變流器四象限整流器和逆變器的輸入輸出，包括輸入網壓、網流、變流器中間電壓和輸出控制脈沖等。而牽引控制單元中具有網壓、網流、牽引變流器中間電壓、逆變器三相電流、輔助變流器輸入電流、變壓器電流等這些關鍵物理量的測量值。對這些測量值進行實時采集，對于設計和調試牽引系統(tǒng)，監(jiān)控列車的運行狀態(tài)，分析列車運行過程中發(fā)生的故障具有十分重要的意義。

牽引變流器是牽引系統(tǒng)的核心部分。每一個牽引單元由一個牽引變流器和一個牽引控制單元（TCU），4個并聯的牽引電動機組成。每個牽引變流器主要由兩個并聯的網側四象限整流器和電機側逆變器組成［1］。四象限整流器是交流傳動系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)及基礎，它使網側獲得一個近似正弦波的電流且使其與網壓同相，網側功率因數接近于1，降低了電流的諧波含量，減少了變流裝置對電網的污染和對周圍環(huán)境的電磁干擾。整流器主電路采用的是兩相兩重整流器結構。改變兩相整流器PWM控制的方式，使PWM控制脈沖錯開一定角度，系統(tǒng)工作時就通過耦合方式在牽引變壓器一次側合成網流，達到減少網側電流諧波分量和提高系統(tǒng)容量的目的。電機側逆變器主電路采用兩電平三相橋式結構，逆變器能夠同時控制輸出電壓的幅值和頻率，使電機獲得近似正弦的交流輸入，完成電機的VVVF調速控制［2］。電機側逆變器控制并聯的4個牽引電機。

牽引控制單元需要采集網側電壓、主變壓器電流、四象限輸入電流和電機三相電流等重要模擬量用于牽引控制單元的控制，為牽引變流器等的設計和調試提供基礎。牽引控制單元專有預留一個6U板卡接口，這個接口上具有模擬量測量值和數字量測量值，其中模擬量測量值包括牽引變流器中間電壓、逆變器三相電流、輔助變流器輸入電流、網壓、變壓器電流等；數字量測量值包括全部封鎖信號、制動斬波脈沖、逆變器開關管控制脈沖及反饋信號、四象限開關管控制脈沖及反饋信號等。其中模擬量均為雙端輸入的差分信號，輸入信號范圍為±10 V，信號頻率＜1 k Hz；數字量均為TTL電平標準的數字信號，信號頻率＜1 k Hz。

為了對這些模擬量和數字量的測量值進行實時采集，設計了一種牽引控制單元數據采集系統(tǒng)，下面給出了系統(tǒng)的設計及實現方案。

1 數據采集系統(tǒng)總體方案的設計

整個數據采集系統(tǒng)由數據采集硬件板卡、嵌入式操作系統(tǒng)、數據記錄軟件、數據解析和瀏覽軟件組成。

數據采集硬件板卡采用6U單板的方式，既減小了系統(tǒng)的尺寸，又增強了系統(tǒng)的可靠性。通過底板接口引入模擬量和數字量。系統(tǒng)上電啟動后，數據記錄軟件自動運行，開始對各路模擬量和數字量進行實時采集和存儲。

數據采集模塊具有以太網和USB接口，當列車?？炕蛘哌M入維修庫后，檢修人員可以通過以太網或者USB接口將筆記本電腦與牽引控制單元數據采集系統(tǒng)連接，下載列車運行過程中記錄的采集數據。然后通過數據解析和瀏覽軟件對原始數據文件進行解析，并可以以圖形曲線的方式瀏覽各個通道、各個時刻的數據波形。

2 硬件設計方案及實現

數據采集系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用嵌入式核心板加擴展板的形式，將核心板嵌入到擴展板中，在擴展板上根據需要引出以太網、USB、VGA、鍵盤鼠標等接口。

圖1 牽引控制單元數據采集系統(tǒng)硬件框圖

2．1 模擬量采集

模擬量的采集采用單極／雙極可編程輸入AD轉換器AD7612。AD7612具有±10 V的輸入范圍，16位的分辨率，最高轉換速率為750 k Hz［3］。采取多路復用的形式，通過模擬多路開關，用一片AD7612對16個通道的雙端模擬量輸入進行采集，這樣每個模擬通道的平均采集頻率約為45 k Hz，而各個通道模擬量的信號頻率都不超過1 k Hz，可見完全能夠滿足采集的需要。

2．2 數字量采集

40路數字量通過帶輸出使能的電平位移總線開關接到PCI接口的16位數據總線上，共分為3組，前兩組均為16位，第3組為8位，各組數字量的切換通過FPGA來控制。

2．3 緩存及接口

數據采集系統(tǒng)通過一片Xilinx公司的XC3S200 FPGA實現對采集到的模擬量和數字量的緩存，并與PCI接口芯片PCI 9054進行接口，使得采集到的模擬量和數字量經過緩存后通過PCI總線傳送給中央處理單元。ADC的多路選通以及電平位移總線開關的片選等控制信號也由FPGA來實現。FPGA也給出幾個LED指示燈的控制信號，以指示電源、ADC、存儲器等的工作狀態(tài)。

2．4 中央處理單元

中央處理單元為一個嵌入式核心板，具有PCI、IDE、以太網、USB、VGA、鍵盤鼠標等多種接口。將此核心固定在擴展板上，并通過擴展板將USB、VGA、以太網、鍵盤鼠標等接口引出。中央處理單元通過PCI接口芯片PCI 9054與FPGA進行接口。

2．5 系統(tǒng)存儲設備及外圍接口

系統(tǒng)的存儲方案采取存儲盤和系統(tǒng)盤分開的方式，以保證系統(tǒng)的可靠性和數據存儲的安全性。采用一片容量為1G的Chip Disk作為系統(tǒng)盤，采用一個容量為16G的CF卡作為存儲盤；系統(tǒng)預留FLASH IDE的接口，以便為以后擴展更大的存儲容量做準備。通過擴展板引出USB、VGA、以太網、鍵盤鼠標等接口。其中以太網接口用于下載數據，而VGA和鍵盤鼠標接口則用于系統(tǒng)調試。

3 軟件設計方案及實現

牽引控制單元數據采集系統(tǒng)的軟件由操作系統(tǒng)、驅動軟件、數據記錄軟件，數據解析和瀏覽軟件組成。

3．1 操作系統(tǒng)和驅動軟件

數據采集板卡上運行有操作系統(tǒng)。嵌入式 Windows XP（Windows XP Embedded），Windows XP Embedded是組件化的操作系統(tǒng)，包含近12 000個獨立組件，內置約9 000個設備驅動程序，軟硬件兼容性相當突出。Windows XP Embedded構建在已通過驗證的Windows 2000代碼庫基礎之上，采用與 Windows XP Professional完全相同的二進制代碼。因此在 Windows 2000／XP桌面操作系統(tǒng)下的驅動和應用程序都可以不加修改地遷移到Windows XP Embedded上來。所需的工作僅僅是在操作系統(tǒng)映像中選擇加入相應的支持組件，大大降低了驅動和應用程序的開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期。作為一款嵌入式操作系統(tǒng)，Windows XP Embedded既保持了 Windows 2000／XP桌面操作系統(tǒng)的兼容性，又增加了系統(tǒng)可裁剪，高度可定制及增強寫過濾等特性，避免了體積龐大等問題。因此在這里選取Windows XP Embedded作為數據采集板卡上的操作系統(tǒng)。

數據采集板卡的驅動包括驅動主體文件以及動態(tài)和靜態(tài)鏈接庫文件。通過驅動程序，能夠快速把數據采集模塊集成到基于Windows的應用環(huán)境，屏蔽了實際的硬件系統(tǒng)，通過驅動提供的API函數接口，用戶可以方便快捷地面對應用的開發(fā)，也可使應用系統(tǒng)具有較好的移植性。

3．2 數據記錄軟件

數據記錄軟件記錄采集到的16路模擬量和40路數字量值，并以二進制文件形式存儲。

數據記錄軟件的程序流程圖如圖2所示。

為了節(jié)省存儲空間，提高存儲效率，將采集到的數據直接以二進制的格式存儲。把數據寫入二進制文件并存儲到特定的路徑下，其中模擬量和數字量分開存儲在不同的文件。16個模擬通道連續(xù)存儲在相應的模擬量文件中，由于AD分辨率為16位，因此在每個采樣周期內16個模擬通道占32個字節(jié)的存儲空間；40路數字通道也連續(xù)存儲在相應的數字量文件中，在每個采樣周期內40個數字通道占5個字節(jié)的存儲空間。二進制文件的命名格式為：年－月－日－時－分－秒－數據類型，其中數據類型“A”表示模擬量，“D”表示數字量。以2010－11－20－17－31－39－A．dat為例，表示此文件從2010年11月20日17時31分39秒開始記錄，記錄的是模擬量。對于記錄模擬量的文件，當文件大小超過5 MB后，即關閉此文件，自動創(chuàng)建新的文件，繼續(xù)記錄模擬量數據。

圖2 數據記錄軟件程序流程圖

將數據記錄軟件所在路徑加入操作系統(tǒng)注冊表，做成開機自動運行的形式。把數據采集板卡插入牽引控制單元機箱中相應的板卡插槽，當牽引控制單元上電后，數據采集板卡啟動，數據記錄軟件自動開始運行。

為了避免數據采集板卡頻繁掉電導致操作系統(tǒng)崩潰，將Windows XP Embedded操作系統(tǒng)做成寫保護的形式，當重新上電后系統(tǒng)自動恢復，這樣就保證了系統(tǒng)長期運行的穩(wěn)定性。

3．3 數據解析和瀏覽軟件

數據記錄完畢后，可以通過以太網接口，以網上鄰居的方式將數據下載下來，以供離線解析、瀏覽和分析之用。

數據采集系統(tǒng)對數據記錄時，是將多個通道數據放在一個二進制文件中進行存儲的。因此將數據下載到主機后，應將各通道的數據分離出來，以便于查看和分析。

根據數據記錄時約定的格式，通過數據解析和瀏覽軟件對原始的二進制記錄文件進行解析。在程序中選擇一個或多個原始的二進制文件，點擊“轉換文件”按鈕，開始數據轉換。開始轉換后，程序自動在原始文件所在目錄下為每個通道建立一個文件夾，然后將此通道的數據存放在相應的目錄下。轉換后的文件為txt格式的文本文件。

對于數據的瀏覽，采用TeeChart圖表控件對各通道的數據進行曲線繪制，以便于直觀地對數據進行瀏覽和分析。TeeChart控件支持用戶繪圖和打印，支持2D和3D效果，支持縮放和滾動，是集成化的設計工具，只要很少的代碼就可以做成復雜、漂亮的圖表。

圖3 逆變器U、V、W三相電流測量值的曲線圖

數據解析和瀏覽軟件的曲線繪制界面可以同時查看多個通道的數據，這樣就可以對同一時刻多個通道的數據進行對比和分析。

4 系統(tǒng)試驗與功能驗證

為了驗證牽引控制單元數據采集系統(tǒng)的硬件和軟件功能，對其進行了試驗驗證。首先對數據進行記錄，記錄30 min后通過以太網對數據進行了下載。然后通過數據解析和瀏覽軟件對原始數據進行解析和瀏覽。圖3為逆變器U、V、W三相電流測量值的曲線圖，從圖中可以看到三相電流為頻率相同的正弦波，并且具有固定的相位差，從圖中右側17：35：20時刻的豎線處可以

圖4為牽引變流器中間電壓測量值，以及兩個四象限整流器的電流測量值對應的曲線圖?？梢妰蓚€四象限整流器的電流均為頻率50 Hz的標準正弦波，牽引變流器的中間電壓測量值為平穩(wěn)的直流電壓。

圖4 牽引變流器中間電壓及四象限電流測量值

5 結束語

針對牽引控制單元中關鍵物理量的采集，設計和實現了一個數據采集系統(tǒng)，整個系統(tǒng)包括采集模塊硬件、嵌入式操作系統(tǒng)、數據記錄軟件、數據解析和瀏覽軟件。本系統(tǒng)能夠對牽引控制單元中的關鍵數據進行實時采集和存儲，并且能夠非常方便地下載，進行離線數據解析和圖形化瀏覽。

［1］黃濟榮．電力牽引交流傳動與控制［M］．北京：機械工業(yè)出版社，1999．

［2］陳伯時，陳敏遜．交流調速系統(tǒng)［M］．北京：機械工業(yè)出版社，1998．

［3］Analog Devices．AD7612 Datasheet［M］．2006：1－32．