韓竺秦

大型養(yǎng)路機(jī)械車(chē)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

韓竺秦

（韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

為解決大型養(yǎng)路機(jī)械中信號(hào)采集和處理的需求，設(shè)計(jì)了多通道多模式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以SAM9X35為核心，以大容量DDR2為數(shù)據(jù)緩存，將采集到的數(shù)據(jù)采用CAN總線傳至上位機(jī)，下位機(jī)模塊可以進(jìn)行在線升級(jí).整體方案包括系統(tǒng)電源管理模塊的方案，CAN通信接口電路以及下位機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多任務(wù)性，采用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理程序.

教車(chē)載系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；CAN總線；μC/OS-II

近幾年隨著我國(guó)鐵路的幾次大提速，鐵路運(yùn)力的負(fù)擔(dān)越來(lái)越重，針對(duì)鐵路的維護(hù)和檢修就顯得非常重要，對(duì)鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械的作業(yè)實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)的采集帶來(lái)了比較大的困難.我國(guó)大型鐵路養(yǎng)路機(jī)械是集機(jī)械架構(gòu)、電氣控制、液壓和氣動(dòng)控制于一體的設(shè)備，機(jī)械機(jī)構(gòu)復(fù)雜，電氣控制難度非常大，運(yùn)行參數(shù)多，工作環(huán)境惡劣.這就導(dǎo)致了大型養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備在工作中故障率增高且難于排查，我國(guó)大養(yǎng)機(jī)械的采集模塊大部分是采購(gòu)?qiáng)W地利的普拉塞爾公司、美國(guó)PG和HARSCO公司已有的采集設(shè)備并進(jìn)行改造，造價(jià)高，沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán).不能夠進(jìn)行在線升級(jí)，且不便于維護(hù).因此進(jìn)行對(duì)車(chē)載工況數(shù)據(jù)采集模塊的國(guó)產(chǎn)化以及在線升級(jí)需求及其迫切.

采用嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使大型養(yǎng)路機(jī)械的工況數(shù)據(jù)采集模塊化、網(wǎng)絡(luò)化［1］.該系統(tǒng)是由下位機(jī)的車(chē)載終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)終端控制系統(tǒng)組成.下位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)工況數(shù)據(jù)采集,通過(guò)模塊的處理之后，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線上傳到上位機(jī).上位機(jī)接收到下位機(jī)數(shù)據(jù)，對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，通過(guò)顯示終端把數(shù)據(jù)顯示到人機(jī)界面［1］.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械數(shù)據(jù)采集裝置是集ARM嵌入式技術(shù)、傳感技術(shù)、CAN-BUS總線和數(shù)據(jù)采集于一體鐵路機(jī)械專(zhuān)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).該系統(tǒng)采用新型的ARM嵌入式工業(yè)控制模塊SAM9G45作為系統(tǒng)的控制器，用CAN總線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)采集模塊（模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊）采集到的數(shù)據(jù).實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)采集功能.

大型養(yǎng)路機(jī)械A(chǔ)RM主控板上位機(jī)模塊的硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.圖中虛線方框部分構(gòu)成了主控系統(tǒng)通信與控制，整個(gè)主控板安裝在大型養(yǎng)路機(jī)械車(chē)的司機(jī)室主控箱內(nèi).司機(jī)室主控箱包括用以連接GPRS模塊的串行接口，以太網(wǎng)絡(luò)接口，CAN-BUS總線接口等接口電路，還包括主電源管理系統(tǒng)模塊，擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等.本設(shè)計(jì)的上位機(jī)模塊是將上述單元模塊集成到單獨(dú)一塊印制在電路板上，這樣不僅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性，而且符合采集模塊可更換的要求，同時(shí)方便安裝.

下位機(jī)CAN數(shù)據(jù)采集模塊分別安裝在機(jī)車(chē)的各個(gè)分散的電氣箱內(nèi)，用來(lái)采集大型養(yǎng)路機(jī)械機(jī)車(chē)各個(gè)部件的工作參數(shù)和狀態(tài)參數(shù).各個(gè)電氣箱之間用CAN-BUS總線連接在一起.采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CANBUS總線發(fā)送到上位機(jī)，并通過(guò)上位機(jī)的顯示終端顯示現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)狀況指示，操作人員通過(guò)指示信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè).下位機(jī)的大型養(yǎng)路機(jī)械數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及CAN-BUS總線通信共同構(gòu)成了大型養(yǎng)路機(jī)械通用的終端采集系統(tǒng)［2，4］.

圖1 主控模塊的硬件結(jié)構(gòu)

1.2硬件設(shè)計(jì)

通用的終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對(duì)整個(gè)機(jī)車(chē)工況數(shù)據(jù)的采集.其采集系統(tǒng)硬件電路的優(yōu)良會(huì)直接對(duì)各個(gè)部位數(shù)據(jù)的采集和功能實(shí)現(xiàn)與控制受到很大影響.不僅要保持正常工作，終端數(shù)據(jù)采集模塊的工作的穩(wěn)定性以及在復(fù)雜工況下的抗干擾性也是設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮到的一個(gè)重要因素［2］.終端數(shù)據(jù)采集模塊的處理器均采用Atmel SAM9X35.外圍添加一些必要的功能電路來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)CAN總線和上位機(jī)通信，每一個(gè)車(chē)載模塊都有一個(gè)模塊專(zhuān)有的ID號(hào)，自身帶有故障檢測(cè)功能，采集模塊一旦發(fā)生故障，施工人員可以直接在線更換通用采集模塊.該通用模塊的主要硬件部分如下.

1.2.1 電源管理系統(tǒng)

參照大型養(yǎng)路機(jī)械電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，蓄電池為機(jī)車(chē)控制電路系統(tǒng)的主電源，其規(guī)格參數(shù)為24 V,200 A·h.在實(shí)際使用中經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，主蓄電池能產(chǎn)生穩(wěn)定且大功率的直流電源［3］，其電壓值為27.5 V±5%.因此本設(shè)計(jì)直接利用車(chē)載蓄電池電源作為數(shù)據(jù)采集終端的工作電源，以達(dá)到最優(yōu)化最合理的電源管理.

直接利用大型養(yǎng)路機(jī)械機(jī)車(chē)電氣系統(tǒng)中蓄電池電源供電，不會(huì)對(duì)大養(yǎng)機(jī)械機(jī)車(chē)的電氣控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響（見(jiàn)圖2），采用IQ18050電源模塊作為整個(gè)機(jī)車(chē)控制電路的電源管理模塊.

圖2 系統(tǒng)的電源管理模塊

IQ18050電源模塊有非常寬的輸入范圍，達(dá)到9～36 V，輸出電壓紋波非常小，電壓能穩(wěn)定在5 V，該電源通過(guò)外圍處理電路進(jìn)行一些升壓和降壓可變換5 V、3.3 V、1.8 V給MCU和一些低功耗的芯片供電.采用美信及凌力爾特的電源管理方案將5 V電源轉(zhuǎn)化為±10 V、±15 V、36 V、24 V分別給傳感器供電.該電源管理方案具有欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)以及過(guò)熱保護(hù)功能，輸出電壓的紋波較小，符合技術(shù)要求.

1.2.2 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)有兩路CAN接口，分別是CANIN和CANOUT.CANIN和CANOUT接口在硬件電路的設(shè)計(jì)上是完全一致，在這里只選擇一路CAN總線接口電路方案做詳細(xì)介紹.為了提高CAN接口的性能和抗干擾能力，設(shè)計(jì)采用全差分傳輸方式對(duì)CAN總線通信節(jié)點(diǎn)實(shí)施有效的電氣隔離［1，4］，應(yīng)用如圖3所示的CAN接口電路.采用ADI公司的ADM3053的隔離式區(qū)域網(wǎng)絡(luò)物理層的CAN收發(fā)器模塊，該模塊還提供隔離電源，能夠保證CAN總線在收到工況以及電壓紋波的干擾下能夠通信，符合設(shè)計(jì)要求.

圖3 CAN接口電路

1.2.3 數(shù)據(jù)采集功能模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由控制電路、開(kāi)關(guān)電源、信號(hào)處理電路、高壓隔離電路、模擬量采集、開(kāi)關(guān)量采集等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載工況數(shù)據(jù)的采集.養(yǎng)路機(jī)械機(jī)車(chē)數(shù)據(jù)采集模塊采用CAN總線通訊接口，符合CAN2.0B協(xié)議規(guī)范.設(shè)計(jì)了通用DI模塊、小電流的DO模塊(帶高速正交計(jì)數(shù))，大電流的DO和AO共用模塊（帶PWM），小電流的AO模塊，AI模塊等采集模塊.實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)采集以及各種開(kāi)關(guān)量、電磁閥、比例閥信號(hào)的控制.硬件原理如圖4所示.

圖4 模塊原理框圖

（1）模擬量輸入AI模塊

AI功能模塊用于采集模擬量輸入信號(hào).AI模塊是8路全差分輸入具有18位分辨率.轉(zhuǎn)換誤差小于1 mV，可以單端或差分選擇.具有4種不同的模擬量輸入范圍，模塊在工作時(shí)，將8路輸入的電壓信號(hào)或者電流信號(hào)經(jīng)ADG1211實(shí)現(xiàn)電壓電流輸入選擇、分別接ADG1204多路選擇開(kāi)關(guān)(如圖5所示)，經(jīng)過(guò)選擇之后的信號(hào)需要加上一個(gè)開(kāi)關(guān)電容濾波，送給AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7634，模數(shù)轉(zhuǎn)換之后經(jīng)光耦隔離模塊送入微處理器SAM9X35，再通過(guò)CAN總線將輸入的模擬量信號(hào)傳輸?shù)街骺卦O(shè)備.可以實(shí)現(xiàn)電流電壓可選的8路全差分輸入的高分辨率通用AI模塊.

圖5 ADG1204多路選擇開(kāi)關(guān)

（2）模擬量輸出模塊

模擬量輸出（AO）模塊實(shí)現(xiàn)8路模擬量輸出，芯片采用ADI公司的AD5422的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，如圖6所示，AO模塊可以實(shí)現(xiàn)電流或電壓輸出可選的模式：電壓輸出范圍±10 V驅(qū)動(dòng)電磁閥，24 V輸出直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備中的比例閥，電流輸出4～20 mA.

圖6 AD5422模擬量輸出模塊

2 軟件設(shè)計(jì)

大型養(yǎng)路機(jī)械數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)基于μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，將應(yīng)用程序根據(jù)模塊、實(shí)時(shí)性、復(fù)雜程度劃分為多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)，可以大大提高處理器的使用率和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性［4-5］.

數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，它是在實(shí)現(xiàn)低等采集模塊配置的基礎(chǔ)上進(jìn)行采集的，優(yōu)先級(jí)僅次于底層采集模塊配置程序，即與車(chē)載電腦通信的程序，此任務(wù)也與機(jī)車(chē)是否工作有關(guān)，機(jī)車(chē)不工作時(shí)，不進(jìn)行作業(yè)參數(shù)的采集.本程序包括數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理，將所有的數(shù)據(jù)采集完之后，存儲(chǔ)在數(shù)組中，存儲(chǔ)是按模擬量、數(shù)字量、脈沖量的順序進(jìn)行存儲(chǔ)，然后根據(jù)模塊類(lèi)型進(jìn)行預(yù)處理，處理完成后，按照時(shí)間要求，發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)到上位機(jī)［6］.

采集程序流程圖如圖7所示，在每一種車(chē)型上各類(lèi)型模塊數(shù)量不一，所占字節(jié)也不盡相同，因此需要根據(jù)配置信息判斷模擬量、數(shù)字量和脈沖量在數(shù)組中的起始位置.采集時(shí)，模擬量、數(shù)字量和脈沖量并不是按序號(hào)遞增順序排列，ID號(hào)是可以隨意指定的.

同一類(lèi)型模塊采集數(shù)據(jù)指令程序相同，采集到的時(shí)間根據(jù)下位機(jī)采集模塊的類(lèi)型發(fā)送指令，再根據(jù)ID號(hào)發(fā)出采集數(shù)據(jù)信息，將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)組中，進(jìn)行預(yù)處理之后就通過(guò)CAN發(fā)送到上位機(jī).

圖7 模塊數(shù)據(jù)采集流程

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的大型養(yǎng)路機(jī)械數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)的整體方案包括系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)以及各個(gè)終端采集模塊設(shè)計(jì)方案和工作原理，完成了系統(tǒng)電源管理模塊，CAN通信接口電路以及下位機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì).并進(jìn)行了硬件調(diào)試，在實(shí)驗(yàn)室條件下，模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，實(shí)現(xiàn)了基本功能.根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多任務(wù)性，采用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理程序.

［1］顏劍.基于CAN總線和虛擬儀器技術(shù)的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2007.

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［4］武小平，吳炳廉.基于μCOS-Ⅱ的短信控制信息采集系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2011，31（2）：29-31.

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The design of vehicle data acquisition system on large maintenance machine

HAN Zhu-Qin
（Schoolof Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University Shaoguan 512005,Guangdong,China）

To resolve the signal sampling and processing in Large track maintenance machine,the paper designed a multi-channel and multi-mode data acquisition system,which used SAM9X35 as the core,which had a large capacity DDR2 as data cache,transmitted acquisition data to upper-computer by CAN-BUS.The slave computer module can be upgraded online.This paper introduced the overall design,including Power management and CAN communications interface circuits and slave computer data sampling module.According to the complexity and multiple tasks of the system,the real-time operating systemμC/OS-II is adopted in the software platform,developing the procedure of data acquisition and preprocessing.

locomotive system；data acquisition；CAN-bus；μC/OS-II

TP274+.2

A

1007-5348（2014）04-0035-05

（責(zé)任編輯：李婉）

2013-12-11

韓竺秦（1982-），男，甘肅白銀人，韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院教師，碩士，主要從事自動(dòng)化控制與智能檢測(cè)方面的研究.