劉 正，黃巧巧，楊家樂（. 南京南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司，江蘇 南京 0000；.青島海能電氣有限公司，山東 青島 66000）

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基于無線通訊的地鐵車輛數(shù)據(jù)采集終端實(shí)現(xiàn)

劉 正1，黃巧巧2，楊家樂1
（1. 南京南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000；2.青島海能電氣有限公司，山東 青島 266000）

目前地鐵車輛各系統(tǒng)地面試驗(yàn)在靜調(diào)環(huán)節(jié)中仍是測(cè)試過程復(fù)雜、測(cè)試信號(hào)量大的一項(xiàng)工作，為提高地鐵車輛的靜態(tài)調(diào)試的準(zhǔn)確性，減少工作量，提高效率，文章根據(jù)當(dāng)前地鐵車輛生產(chǎn)測(cè)試要求，結(jié)合現(xiàn)代嵌入式技術(shù)，無線通信技術(shù)及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)設(shè)計(jì)并介紹了基于無線通訊的地鐵車輛數(shù)據(jù)采集終端原理及實(shí)現(xiàn)，此設(shè)計(jì)有效地提高了地鐵車輛各系統(tǒng)地面試驗(yàn)在靜調(diào)環(huán)節(jié)中的調(diào)試效率及測(cè)試精度。

嵌入式技術(shù)；無線通信；現(xiàn)場(chǎng)總線；數(shù)據(jù)采集

在現(xiàn)代工業(yè)中，多路數(shù)據(jù)采集已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制及檢測(cè)等場(chǎng)合，并扮演著重要的角色，隨著工業(yè)綜合自動(dòng)化程度的不斷提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成為其中不可缺少的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。隨著地鐵車輛控制系統(tǒng)的不斷完善，控制線路不斷增加，控制邏輯也越來越復(fù)雜，被測(cè)信號(hào)數(shù)量寵大，單一的指令信號(hào)燈顯示和手動(dòng)測(cè)量存在的弊端越來越明顯，尤其隨著地鐵多品種并行生產(chǎn)，地鐵編組增加，車輛之間距離加長(zhǎng)，迫切需要更高效、更自動(dòng)化的集中控制手段；針對(duì)以上需求，此設(shè)計(jì)采用嵌入式控制技術(shù)，以高性能工業(yè)32位ARM處理器為核心，同時(shí)搭載不同的數(shù)據(jù)采集板可實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵車輛上的多路數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)的采集，存儲(chǔ)，處理，顯示及無線傳輸共享測(cè)試數(shù)據(jù)；人機(jī)交互窗口采用5.6寸觸摸屏，友好的交互界面，操作方便，各項(xiàng)采集數(shù)據(jù)一目了然；具有無線通信功能，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)數(shù)據(jù)采集終端構(gòu)成無線測(cè)試網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；載有RS485擴(kuò)展接口，可方便用于進(jìn)行系統(tǒng)功能擴(kuò)展或用來與外部RS485設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。載有RS232接口，可用于連接計(jì)算機(jī)。

1　數(shù)據(jù)采集終端總體構(gòu)成［1-2］

無線數(shù)據(jù)采集終端主要有信號(hào)采集板、數(shù)據(jù)采集接口板、CPU主控制板、人機(jī)交互界面、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元及RS485、RS232外部擴(kuò)展單元構(gòu)成。其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整體硬件結(jié)構(gòu)采用主控制板插接信號(hào)采集板的方式，用戶可跟據(jù)實(shí)際采集的信號(hào)類型及信號(hào)數(shù)量來插接各種類型的信號(hào)采集板；并結(jié)合軟件中的用戶系統(tǒng)設(shè)置靈活配制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)最大96路開關(guān)量信號(hào)或48路輸出控制信號(hào)及8路模擬量信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)無線傳輸給上位機(jī)；主控制板共有6個(gè)采集板接口，每個(gè)采集接口均可插接一個(gè)開關(guān)量采集板或一個(gè)開關(guān)量輸出控制板，其中因主控制板功能端口分配問題，若需要模擬量采集，則只能將采集板插入第6個(gè)接口，其它接口均不支持模擬量采集，且每個(gè)主控板最多只能插接一個(gè)模擬量采集板。數(shù)據(jù)采集終端采用獨(dú)立的開關(guān)電源供電，輸出紋波系數(shù)小，抗干擾能力強(qiáng)，主控制系統(tǒng)為3.3 V電源，人機(jī)交互接口及模擬量采集部分，采用5 V電源，其中在采集終端的操作面板上為用戶預(yù)留出24 V電源輸出，以方便協(xié)助外部信號(hào)測(cè)試。采集終端的面板示意圖如圖2所示。

圖1　數(shù)據(jù)采集終端總體構(gòu)成

圖2　采集終端的面板示意圖

1.1數(shù)據(jù)采集單元

1.1.1開關(guān)量采集單元

每個(gè)采集終端通過接口設(shè)置最多可插接6個(gè)開關(guān)量采集單元，每個(gè)開關(guān)量采集單元可采集16路數(shù)字信號(hào)，共檢測(cè)96路開關(guān)量信號(hào)，每一路均可以通過采集板上的跳線設(shè)置來采集外部輸入的直流24 V、110 V及交流220 V等不同的電壓信號(hào)，通過光耦進(jìn)行隔離，并將此電壓信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為CPU可檢測(cè)的

3.3V開關(guān)量信號(hào)。其電路原理如圖3所示。

圖3　開關(guān)量采集原理圖

1.1.2開關(guān)量輸出控制單元

每個(gè)采集終端通過接口設(shè)置最多可插接6個(gè)開關(guān)量輸出控制單元，每個(gè)開關(guān)量輸出控制單元可提供8路有源或無源硬接點(diǎn)控制，共可以提供48路接點(diǎn)控制，每個(gè)輸出控制單元可以通過跳線設(shè)置為有源控制接點(diǎn)或無源控制接點(diǎn)；若工作于有源控制接點(diǎn)模式，可設(shè)置輸出24 V或110 V電壓，每一路輸出接點(diǎn)及每個(gè)輸出單元的輸出電壓均可通過人機(jī)界面或上位機(jī)來控制。此部分電路通過一大功率驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803來驅(qū)動(dòng)，其電路原理如圖4所示。

圖4　接點(diǎn)控制原理圖

1.1.3模擬量采集單元

每個(gè)采集終端通過接口設(shè)置可插接1個(gè)模擬量采集單元，共采集8路4～20 mA的電流信號(hào)，此部分用于檢測(cè)地鐵車輛上的壓力傳感器的輸出；其采集原理為將4～20 mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.496～2.48 V的電壓信號(hào)送CPU進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并換算為實(shí)際壓力值。

STM32的ADC單元為12位分辨率，轉(zhuǎn)換精度高，最高工作頻率為14 MHz，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 μs，此設(shè)計(jì)ADC單元工作于12 MHz，采樣周期為293.5 個(gè)ADC周期，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為3.7 μs，其轉(zhuǎn)換速度已符合采集要求，并采用DMA將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)直接讀取，提高轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的處理速度。為提高采樣精度，采集電路采用高精度儀表放大器AD623，ADC參考電壓采用獨(dú)立的基準(zhǔn)電源，電壓精度小于1%，由TL431構(gòu)成；實(shí)測(cè)模擬量采集誤差小于1%，可達(dá)到應(yīng)用要求。其采集電路及ADC基準(zhǔn)電源原理如圖5所示。

1.2CPU主控制單元

主控制單元采用32位高性能的ARM處理器，主芯片為STM32F103ZET6，其內(nèi)核為Cortex-M3，最高工作頻率為72 MHz，負(fù)責(zé)控制整個(gè)設(shè)備的工作流程，包括開關(guān)量、模擬量采集，接點(diǎn)輸出控制，現(xiàn)場(chǎng)總線通信，無線數(shù)據(jù)傳輸，人機(jī)界面處理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖5　采集電路及ADC基準(zhǔn)電源原理圖

1.3人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面采用5.6寸的觸摸屏，主控制芯片為RA8875，分辨率為640×480，色彩深度為65 K色，16位色彩，內(nèi)建幾何圖形加速繪圖引擎，內(nèi)建DDRAM，內(nèi)存容量為758 kB，提供可調(diào)整大小的文字寫入光標(biāo)功能，支持漢字字庫，內(nèi)建4線式觸控面板控制器，觸摸屏為電阻屏，此屏通過SPI總線與STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最大通信速率為2 MHz。

1.4無線通信模塊

無線通信模塊采用上海桑博電子科技有限公司開發(fā)的SM5X系列工業(yè)級(jí)數(shù)傳電臺(tái)，其發(fā)射功率為500 mW，可靠傳輸距離＞2 000 m（BER=10-3/9 600 bps）；使用完全覆蓋全球的ISM頻段工作頻率，符合ISM頻段通信標(biāo)準(zhǔn)，無需申請(qǐng)頻點(diǎn)，載頻頻率在650 MHz左右；提供多個(gè)信道通信，可通過設(shè)置軟件進(jìn)行更改使用信道；為半雙工無線通信，實(shí)時(shí)收發(fā)通信；高抗干擾能力和低誤碼率：GFSK調(diào)制方式，采用高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾的能力，在信道誤碼率為10-3時(shí)，可得到實(shí)際誤碼率10-7～10-8。提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議。自動(dòng)過濾掉空中產(chǎn)生的噪音信號(hào)及假數(shù)據(jù)（所發(fā)即所收）。

此無線模塊載有單片射頻集成電路及高性能單片處理器，通過UART與STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通信波特率為9 600 bps，數(shù)據(jù)格式為8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，無校驗(yàn)位，1位結(jié)束位。

無線通信的應(yīng)用層通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU協(xié)議，可進(jìn)行CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)，保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性；每臺(tái)數(shù)據(jù)采集終端均可通過此協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行主從數(shù)據(jù)交換，從而可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，可方便搭建無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，理論上最大可支持255個(gè)采集終端連入無線網(wǎng)絡(luò)。

1.5FRAM存儲(chǔ)單元

存儲(chǔ)單元用于保存用戶設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)，如設(shè)備通信地址，每個(gè)采集接口的工作模式，以便在下次開機(jī)時(shí)自動(dòng)載入系統(tǒng)參數(shù)；還可用于暫存大量的連續(xù)采樣時(shí)的數(shù)據(jù)。此存儲(chǔ)單元采用FRAM，芯片型號(hào)為FM24CL64，為64位的非易失性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)容量為8 192×8位，可無限次地進(jìn)行讀寫，掉電后數(shù)據(jù)可保持10年，相對(duì)于傳統(tǒng)的EEPROM或其它非易失性存儲(chǔ)器，F(xiàn)RAM具有系統(tǒng)可靠性更高，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，最大的特點(diǎn)是FM24CL64以總線速度進(jìn)行寫操作時(shí)，無須延時(shí)，讀寫速度更快。總線速度最高可達(dá)1MHz，可滿足采集數(shù)據(jù)時(shí)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，采用兩線串行協(xié)議IIC總線與STM32，以總線速度400 kHz速率進(jìn)行通信。

1.6外部通信擴(kuò)展口

此數(shù)據(jù)采集終端預(yù)留RS458總線接口及RS232口，方便進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展和上位機(jī)通信。

2　程序流程

軟件采用C語言程序編寫，基于ST公司集成庫STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0開發(fā)［3-5］。程序流程圖如圖6所示。

圖6　程序流程圖

3　操作界面示例

操作界面示意圖如圖7、圖8所示。

圖7　主窗口界面及開關(guān)量采集數(shù)據(jù)顯示頁

圖8　模擬量采集數(shù)據(jù)顯示頁

4　結(jié)論

通過試驗(yàn)測(cè)試，此數(shù)據(jù)采集終端工作穩(wěn)定，對(duì)軟件界面響應(yīng)速度快，對(duì)高速、大量數(shù)據(jù)的處理實(shí)時(shí)性較高。模擬量采集精度及速度符合應(yīng)用要求，實(shí)測(cè)無線通信穩(wěn)定，通信應(yīng)答速度快，沒有出現(xiàn)漏幀或其它通信異常。

實(shí)際應(yīng)用表明此采集終端配合上位機(jī)服務(wù)器軟件可有效地減小地鐵車輛各系統(tǒng)地面試驗(yàn)在靜調(diào)環(huán)節(jié)中的復(fù)雜程度，提高測(cè)試精度，改善測(cè)試環(huán)境，實(shí)現(xiàn)地鐵車輛調(diào)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、處理及備案，很好地提高了調(diào)試過程中的自動(dòng)化程度。

［1］南車集團(tuán).CGJ056-42-J3.工藝文件［R］. 2012.

［2］南車集團(tuán).PM05600-371-000000.電氣原理圖［R］. 2012.

［3］意法半導(dǎo)體（中國(guó)）投資有限公司. STM32技術(shù)參考手冊(cè)中文翻譯第10版［R］. 2010.

［4］Modbus協(xié)議規(guī)范_修改稿［R］. 1997.

［5］STM32F10x_StdPeriph_Driver_3.5.0外設(shè)集成庫手冊(cè)［R］. 2011.

Metro Vehicle Data Acquisition Terminal Based on Wireless Communication

Liu Zheng1， Huang Qiaoqiao2， Yang Jiale1
（1. CSR Nanjing Puzhen Co.， Ltd. Nanjing 210000， China； 2. Qingdao HaiNeng Electric Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China）

At present testing process of system ground test of metro vehicles in the static transfer link was complicated， with large amount of test signal. In order to improve the accuracy of tatic debugging， reduce workload and improve efficiency， therefore according to the current metro vehicle production test requirements， combined with modern embedded technology， wireless communication technology and industrial site bus communication technology， this paper introduced principle and the design of metro vehicle data acquisition terminal based on wireless communication principle. This design could effectively improve the testing efficiency and precision of the system ground test of metro vehicles in the static transfer links.

embedded technology； wireless communication； field bus； data acquisition

U270.1+4

A

1672-9889（2016）02-0098-04

劉正（1980-），男，江蘇南京人，工程師，主要從事軌道交通車輛制造方面的工作。

（2015-12-25）