李淑英，邱瑞昌，楊 春，席海闊

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 北京市軌道交通電氣工程技術(shù)研究中心，北京　100044）

混合動(dòng)力動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控分析與實(shí)現(xiàn)

李淑英，邱瑞昌，楊 春，席海闊

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 北京市軌道交通電氣工程技術(shù)研究中心，北京100044）

混合動(dòng)力動(dòng)車(chē)組是集成了兩種不同動(dòng)力源的動(dòng)車(chē)組，可以根據(jù)運(yùn)營(yíng)路線(xiàn)及運(yùn)營(yíng)環(huán)境的變化改變其動(dòng)力提供方式。針對(duì)混合動(dòng)力動(dòng)車(chē)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以TI公司推出的數(shù)字處理器DSP28335為底層設(shè)備，建立動(dòng)車(chē)組列車(chē)網(wǎng)關(guān)與列車(chē)牽引系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)通信，利用LabVIEW語(yǔ)言開(kāi)發(fā)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)牽引系統(tǒng)的綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

混合動(dòng)力動(dòng)車(chē)組；DSP；LabVIEW；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

混合動(dòng)力動(dòng)車(chē)組是具有不同動(dòng)力輸入的動(dòng)車(chē)組，其中一種為 “25 kV接觸網(wǎng)供電+內(nèi)燃動(dòng)力包供電+鋰電池供電”，簡(jiǎn)稱(chēng)DEMU；另一種為“25 kV接觸網(wǎng)供電+鋰電池供電”，簡(jiǎn)稱(chēng)EEMU?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車(chē)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在調(diào)試運(yùn)行階段，需要采用實(shí)時(shí)性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定性高的綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。包括內(nèi)燃動(dòng)力包、鋰電池、牽引電機(jī)等各個(gè)系統(tǒng)的溫度值、接觸器開(kāi)關(guān)狀態(tài)、故障狀態(tài)等參數(shù)的觀(guān)測(cè)，實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)的采集，與中央管理單元（CCU）的通信數(shù)據(jù)交互等功能。

基于混合動(dòng)力動(dòng)車(chē)組結(jié)構(gòu)的特殊性，文中在綜合分析其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上以DEMU牽引系統(tǒng)為對(duì)象提出一種監(jiān)控方法。該方法在傳統(tǒng)的儀表測(cè)量方式上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，避免了由傳統(tǒng)儀表測(cè)量方法產(chǎn)生的影響，例如危及操作人員的人身安全、測(cè)試過(guò)程繁瑣程序復(fù)雜等。綜合監(jiān)控技術(shù)具有強(qiáng)大的采集、判斷及運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)了將網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)通信、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、波形顯示以及故障下載分析等多功能集于一體。

1　系統(tǒng)整體架構(gòu)分析

混合動(dòng)力動(dòng)車(chē)組編組方式為2動(dòng)1拖（M+T+M），圖1所示為DEMU拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主要分為5大部分，分別為接觸網(wǎng)部分（包括受電弓和變壓器）、動(dòng)力包部分（包括柴油發(fā)電機(jī)PP和鋰電池及雙向DC/DC設(shè)備BDC）四象限變流器(LC)、牽引變流系統(tǒng)（MC）以及輔助逆變器（APS）。

控制箱是將幾大部分的控制板及調(diào)理電路集成一體的裝置，為實(shí)現(xiàn)各部分的監(jiān)控，需要在控制箱中安裝監(jiān)控子系統(tǒng)和主控子系統(tǒng)。主控子系統(tǒng)主要完成相應(yīng)電氣設(shè)備的控制，監(jiān)控子系統(tǒng)主要完成對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及與中央控制單元的數(shù)據(jù)通信。本文以牽引系統(tǒng)控制箱（包括柴油動(dòng)力包PP、四象限變流器LC、牽引變流器MC、鋰電池組及雙向DC/ DC控制器BDC）為例，主要分析設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)界面及下位機(jī)控制器，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，綜合監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)與3個(gè)主控板（LC、MC、BDC）的CAN通信，同時(shí)與列車(chē)485網(wǎng)關(guān)通信，采集調(diào)理電路信號(hào)，并使用以太網(wǎng)將底層數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)界面，上位機(jī)界面采用LabVIEW語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議監(jiān)控下位機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)。

2　監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)分析設(shè)計(jì)

2.1下位機(jī)系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)作為車(chē)輛網(wǎng)關(guān)與底層主控系統(tǒng)通信的橋梁，不僅完成與車(chē)輛網(wǎng)關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，還需要為調(diào)試人員提供車(chē)輛各個(gè)相關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)信息，包括波形數(shù)據(jù)采集、故障存儲(chǔ)等工作，而下位機(jī)作為核心控制設(shè)備，因此，結(jié)構(gòu)合理的下位機(jī)設(shè)計(jì)尤為重要。如圖3所示為針對(duì)混合動(dòng)力動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)硬件控制結(jié)構(gòu)。

圖1　混合動(dòng)力動(dòng)車(chē)組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig．1　Topology structure of DEMU

圖2　網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．2　The structure of network monitoring system

圖3　網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖Fig．3　Hardware design of network monitoring and control system

本監(jiān)控系統(tǒng)底層核心芯片采用了TI公司推出的DSP28335微處理器。DSP28335是一種高性能的32位CPU，其處理功能強(qiáng)大，片上外設(shè)豐富［1］。DSP28338提供3個(gè)SCI模塊，為監(jiān)控板與車(chē)輛485網(wǎng)關(guān)通信提供接口。同時(shí)，芯片內(nèi)部集成的增強(qiáng)型CAN模塊，與CAN2．0B標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，有效保證監(jiān)控板與另外3個(gè)控制板之間的數(shù)據(jù)通信。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS12CR887的作用是為系統(tǒng)提供時(shí)間，記錄列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中故障發(fā)生的時(shí)間。FM24CL64是基于I2C總線(xiàn)的外設(shè)鐵電存儲(chǔ)器，其容量為64K，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，F(xiàn)M24CL64將故障代碼及時(shí)間點(diǎn)存入芯片，供調(diào)試人員分析和研究。以太網(wǎng)芯片控制器采用SMSC公司生產(chǎn)的LAN91C111，該芯片是專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的第三代快速以太網(wǎng)控制器，支持 IEEE802．3/802．u-100Base-Tx/ 10Base-T規(guī)范，具有可編程、CRC校驗(yàn)、同步或異步工作方式，且具有低功耗CMOS設(shè)計(jì)和小尺寸等特點(diǎn)，是設(shè)計(jì)嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口的良好選擇［2］。控制板數(shù)據(jù)及485網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)界面，同時(shí)上位機(jī)界面參數(shù)也可以通過(guò)以太網(wǎng)控制參數(shù)運(yùn)行。FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，其作用是為時(shí)鐘芯片、RAM、以太網(wǎng)提供時(shí)序。

2.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、故障判斷、數(shù)據(jù)交互和以太網(wǎng)傳輸?shù)炔糠?，在主程序設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮任務(wù)調(diào)度問(wèn)題，將任務(wù)分成幾個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在485通信和CAN通信主要完成與相應(yīng)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，定時(shí)判斷是否接收到新數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)計(jì)數(shù)10次以上無(wú)通信數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)將重新啟動(dòng)相應(yīng)功能。監(jiān)控板通過(guò)判斷CAN傳輸數(shù)據(jù)中的故障代碼確定控制系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障，如果出現(xiàn)故障，則獲取時(shí)鐘芯片的實(shí)時(shí)時(shí)間，將故障代碼及時(shí)間組合成故障信息保存在I2C外設(shè)電鐵存儲(chǔ)芯存儲(chǔ)器FM24CL64中。波形采集采用2K頻率，將采集到的波形數(shù)據(jù)按照堆棧形式存入波形數(shù)組，和網(wǎng)絡(luò)傳輸常規(guī)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，通過(guò)以太網(wǎng)通信模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控界面。以太網(wǎng)傳輸協(xié)議采用簡(jiǎn)潔性較高的UDP協(xié)議，每幀最多可傳輸1478字節(jié)。整個(gè)程序流程圖如圖4所示。

圖4　下位機(jī)軟件流程圖Fig．4　Software flow pattern of lower system

為了使系統(tǒng)外部擴(kuò)展芯片正常工作，監(jiān)控系統(tǒng)中的FPGA需要對(duì)其進(jìn)行時(shí)序控制，為外設(shè)映射分配擴(kuò)展區(qū)域地址空間。DSP2833x系列的XINTF的3個(gè)區(qū)域都具有獨(dú)立的片選信號(hào)，當(dāng)一個(gè)區(qū)域被訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，相應(yīng)地片選信號(hào)首先被拉到低電平［3］。本系統(tǒng)中的各個(gè)外設(shè)均映射到外部擴(kuò)展區(qū)域0中，各地址映射區(qū)域如表1所示。

表1　外設(shè)芯片映射地址Tab.1　Peripheral chip map

3　上位機(jī)設(shè)計(jì)

3.1LabVIEW監(jiān)控界面分析

基于LabVIEW語(yǔ)言的監(jiān)控界面通過(guò)以太網(wǎng)與下層監(jiān)控板進(jìn)行通信，由于系統(tǒng)復(fù)雜程度高，數(shù)據(jù)量龐大，文中對(duì)監(jiān)控界面提出以下幾個(gè)方面要求。

1）數(shù)據(jù)通信量齊全：監(jiān)控界面必須實(shí)時(shí)刷新底層設(shè)備的所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)，反映設(shè)備狀態(tài)，以便調(diào)試人員作出合理的控制策略和及時(shí)的故障判斷［4］。

2）通信可靠性高：由于控制系統(tǒng)操作的對(duì)象大部分為高壓設(shè)備，必須保證監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，避免突發(fā)的事故。

3）實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)：監(jiān)控界面除了能反應(yīng)系統(tǒng)數(shù)字量和模擬量之外，還必須能實(shí)時(shí)體現(xiàn)電流電壓量波形。

4）操作簡(jiǎn)單：監(jiān)控界面應(yīng)該避免繁瑣的操作程序，以簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)為目的，方便現(xiàn)場(chǎng)操作。

3.2LabVIEW監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

根據(jù)以上要求，文中采用LabVIEW語(yǔ)言設(shè)計(jì)了功能較為齊全的監(jiān)控界面，其功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　監(jiān)控界面軟件流程圖Fig．5　Software flow pattern of monitoring interface

監(jiān)控主界面主要包括常規(guī)數(shù)據(jù)顯示、故障顯示、波形顯示、故障下載和測(cè)試模式幾個(gè)部分［5］。進(jìn)入監(jiān)控界面后，啟動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控板將以0．5 s/幀的速率向界面發(fā)送常規(guī)數(shù)據(jù)，包括所有相關(guān)的數(shù)字量和模擬量。打開(kāi)波形顯示功能，界面將AD采集的波形數(shù)據(jù)包分線(xiàn)程處理，反映到虛擬示波器上。在系統(tǒng)調(diào)試階段，調(diào)試人員可以使用測(cè)試模式，將參數(shù)打包通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送至監(jiān)控板，監(jiān)控板啟用CAN模式功能將參數(shù)指令轉(zhuǎn)發(fā)到各控制板中。由于在調(diào)試的過(guò)程中，監(jiān)控板已經(jīng)將故障信息存入I2C外設(shè)電鐵存儲(chǔ)芯片F(xiàn)M24CL64中，若要查看已經(jīng)緩存的故障信息，只需啟用故障信息下載功能，故障信息即從緩存芯片中讀取出來(lái)，上傳至界面，并以TXT文本形式保存在PC機(jī)中［6］。

4　實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果

1）常規(guī)數(shù)據(jù)如圖6所示。

2）故障顯示如圖7所示。

3）故障下載如圖8所示。

4）測(cè)試模式如圖9所示。

5　結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了混合動(dòng)力動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控分析與設(shè)計(jì)過(guò)程，經(jīng)過(guò)在實(shí)際裝置上的調(diào)試運(yùn)用，監(jiān)控系統(tǒng)底層工作穩(wěn)定，通信可靠性高，上位機(jī)界面友好、軟件性能強(qiáng)、運(yùn)行速度快、波形顯示實(shí)時(shí)性能良好。采用以太網(wǎng)傳輸機(jī)制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，相對(duì)于采用測(cè)量方式及示波器安裝操作等繁瑣過(guò)程，本文所提出的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作、且實(shí)時(shí)性能良好，對(duì)軌道交通車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控有重要借鑒意義。

圖6　常規(guī)數(shù)據(jù)Fig．6　Routine data

圖7　故障顯示Fig．7　Faults display

圖8　故障下載Fig．8　Download faults

圖9　測(cè)試模式Fig．9　Test pattern

［1］符曉，朱洪順．TMS320F2833xDSP應(yīng)用開(kāi)發(fā)與實(shí)踐［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2013．

［2］胡俐蕊．嵌入式以太網(wǎng)控制器LAN91C111及其應(yīng)用［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2005（5）．

［3］劉陵順，高艷麗．TMS320F28335DSP原理及開(kāi)發(fā)編程［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011．

［4］吳佐民．新型能饋式牽引供電系統(tǒng)嵌入式監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械與電子，2010（9）:34-37．

［5］徐碩．基于LABVIEW的能饋式牽引供電裝置監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)［J］．電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（14）:30-34．

［6］劉君華，郭會(huì)軍，趙向陽(yáng)，等．基于LabVlEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2003．

The analysis and implementation of DEMU network monitoring

LI Shu-ying，QIU Rui-chang，YANG Chun，XI Hai-kuo
（Beijing Engineering Research Center of Electric Rail Transportation，The School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

DEMU is integrated with two different power，It can change its power providing way according to the change of power line and operation environment．According to the structural characteristics of DEMU this paper design a network monitoring system，this system uses TI company's digital processor DSP28335 as the underlying equipment，establish network communication system between train gateway and train traction system，apply LabVIEW language to develop the upper computer monitoring system，realizes the comprehensive monitoring of DEMU．

DEMU；DSP；LabVIEW；network monitoring system

TP274

A

1674－6236（2016）01-0117-04

2015-04-10稿件編號(hào)：201504111

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAG21Q00）；國(guó)家自然科學(xué)基金（U1134204，51307006）

李淑英(1989—)，女，廣西南寧人，碩士研究生。研究方向：車(chē)輛通信與監(jiān)控技術(shù)。