王萌

摘? 要：為保障列車(chē)運(yùn)行安全，該文對(duì)鐵路貨車(chē)軸溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，在采集通道接口防護(hù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的通道選擇、濾波、AD轉(zhuǎn)換和電絕緣等功能，保障數(shù)據(jù)采集的可靠性。為解決溫度測(cè)量和傳感器的故障檢測(cè)問(wèn)題，該研究對(duì)模擬輸入子系統(tǒng)和信號(hào)處理子系統(tǒng)進(jìn)行深入設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)鐵路貨車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和處理功能，并利用FPGA設(shè)計(jì)完成多功能車(chē)輛總線(xiàn)控制器MVBC編解碼模塊。最后，通過(guò)對(duì)溫度信號(hào)處理子系統(tǒng)、MVBC總線(xiàn)控制器編解碼模塊的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：軸溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；采集處理；MVBC編解碼功能；電路；電源

中圖分類(lèi)號(hào)：U270.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）08-0114-04

Abstract： In order to ensure the safety of train operation， this paper designs and verifies the real-time monitoring system of axle temperature of railway freight cars. On the basis of collecting channel interface protection， it realizes the functions of channel selection， filtering， AD conversion， electrical insulation and so on， so as to ensure the reliability of data acquisition. In order to solve the problem of temperature measurement and sensor fault detection， the analog input subsystem and signal processing subsystem are designed deeply， so as to realize the data acquisition and processing function of railway freight car axle temperature monitoring equipment， and the MVBC codec module of multi-function vehicle bus controller is designed by FPGA. Finally， the system of temperature signal processing subsystem and MVBC bus controller codec module is verified to achieve the desired results.

Keywords： axle temperature real-time monitoring system; acquisition and processing; MVBC coding and decoding function; circuit; power supply

軸承作為連接輪對(duì)的關(guān)鍵構(gòu)件，在工作條件苛刻、長(zhǎng)期負(fù)荷大的情況下，稍有磨損就會(huì)嚴(yán)重危及行車(chē)的安全性。軸承在使用中因磨損、腐蝕或劃傷而產(chǎn)生的接觸表面變形，摩擦增加導(dǎo)致軸承的溫度異常上升，可能會(huì)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。另外，由于運(yùn)行環(huán)境和載重等客觀條件的變化，導(dǎo)致了軸承的使用壽命不均勻性。根據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在鐵路貨車(chē)故障調(diào)查結(jié)果中，有30%的列車(chē)故障原因都在于軸承溫度異常，所以，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸溫變化尤為重要。

1? 采集處理功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1? 模擬輸入子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

模擬輸入子系統(tǒng)的主要功能是獲取溫度傳感器的溫度及診斷信息，進(jìn)而將準(zhǔn)確判斷軸承溫度情況。首先，需要明確模擬輸入子系統(tǒng)的功能和預(yù)期的性能要求。確定需要模擬的輸入信號(hào)類(lèi)型和范圍，以及需要支持的接口和通信協(xié)議。其次，根據(jù)需求選擇適合的模擬輸入設(shè)備，例如模擬電壓源、模擬電流源、可變電阻等?？紤]設(shè)備的分辨率、采樣率、精度和穩(wěn)定性等因素。最后，根據(jù)所選設(shè)備的要求設(shè)計(jì)模擬輸入電路，包括濾波電路、放大電路和保護(hù)電路等。確保電路設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠，能夠滿(mǎn)足輸入信號(hào)質(zhì)量和接口要求。并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)8路溫度信號(hào)和8路故障信號(hào)進(jìn)行通道選擇及對(duì)濾波、AD轉(zhuǎn)換、電絕緣等進(jìn)行處理，最后完成子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.2? 接口防護(hù)設(shè)計(jì)

PT100是由Pt制成的電阻型溫敏元件，具有良好的電氣性能、耐振動(dòng)、耐壓、測(cè)量范圍廣、精度高和電阻率高等特點(diǎn)。在實(shí)際的工程中，通常采用測(cè)得的電壓來(lái)求出電阻率R，以此來(lái)求取其溫度值。PT100測(cè)量的測(cè)量方法有3種，分別是兩線(xiàn)制、三線(xiàn)制和四線(xiàn)制，RL代表線(xiàn)電阻器，RRTD代表PT100。二線(xiàn)制接線(xiàn)方法雖然簡(jiǎn)便，但是不能完全克服因?qū)Ь€(xiàn)阻而引起的測(cè)量錯(cuò)誤；采用三線(xiàn)法可以有效地減少導(dǎo)線(xiàn)的干擾，但是測(cè)量的準(zhǔn)確率不高；采用四線(xiàn)制接法，需要更多的電線(xiàn)，但是采用2個(gè)引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流，另外2個(gè)引腳輸出試驗(yàn)電壓能夠徹底將引線(xiàn)阻力排除，測(cè)量準(zhǔn)確性顯著提升。出于對(duì)多種因素的考慮，本設(shè)計(jì)最終選擇了PT100四線(xiàn)制聯(lián)接方案。PT100鉑電阻器符合JBT/8622—1997《工業(yè)鉑熱電阻技術(shù)條件及分度表》標(biāo)準(zhǔn)。在測(cè)量條件下，PT100電阻值與溫度存在密切聯(lián)系，二者呈線(xiàn)性關(guān)系，所以通過(guò)采集PT100電阻值兩端電壓差值測(cè)量相應(yīng)的溫度是可以實(shí)現(xiàn)的[1]，如圖1所示。

1.3? 通道選擇設(shè)計(jì)

在信號(hào)采集后有16路溫控信號(hào)和16路故障信號(hào)，需要對(duì)32路信號(hào)進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換。在設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)板尺寸、設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)的冗余性等因素，選用8路數(shù)字信號(hào)共用一路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，共需4路模擬轉(zhuǎn)換器。因此，本研究采用CD4051BCMTC型數(shù)字控制模擬電子開(kāi)關(guān)，完成了8路通道的多路復(fù)用，如圖2所示。

1.4? 模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)量精度要求為：在-15～105 ℃范圍內(nèi)，其測(cè)量誤差不超過(guò)0。當(dāng)溫度低于-15 ℃或超過(guò)105 ℃時(shí)，其測(cè)量結(jié)果的偏差不得超過(guò)2 ℃。為此，本設(shè)計(jì)對(duì)PT100鉑電阻器自身誤差及硬件線(xiàn)路誤差進(jìn)行了測(cè)量。在-50～250 ℃的環(huán)境下，可按不同的溫度進(jìn)行采集。ADC必須具有10分辨率以上的數(shù)字轉(zhuǎn)換器。因此，必須選用12分辨率的ADC。此外，由于ADC采樣速率較低，所以該設(shè)計(jì)方案的最低采樣速率只有31.25 kHz。此外，設(shè)計(jì)方案中選擇TI公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，芯片型號(hào)為ADS8328I，核心參數(shù)為16位分辨率，2通道模擬輸入端口，完全符合該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，該電路圖如圖3所示。

2? MVBC編解碼模塊設(shè)計(jì)

2.1? MVB通信原理及設(shè)備分類(lèi)

2.1.1? MVB通信原理

MVB（Multifunction Vehicle Bus）是一種用于鐵路車(chē)輛內(nèi)部各個(gè)子系統(tǒng)之間的通信協(xié)議，其基于串行通信方式，采用主從結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信。下面是關(guān)于MVB通信原理的詳細(xì)介紹。MVB的主要組成部分包括用層、控制層和網(wǎng)絡(luò)層。由于網(wǎng)絡(luò)層是一個(gè)抽象的概念，所以這里就先說(shuō)一下網(wǎng)絡(luò)層。在MVB中，應(yīng)用程序可以和服務(wù)器端或者客戶(hù)端進(jìn)行交互。應(yīng)用程序在服務(wù)器端運(yùn)行需要與客戶(hù)交互，然后請(qǐng)求從其他服務(wù)處獲取響應(yīng)結(jié)果并發(fā)送給用戶(hù)，在客戶(hù)端運(yùn)行的時(shí)候需要與服務(wù)器進(jìn)行交互，這樣就實(shí)現(xiàn)了MVB中的信息交流。在MVB中傳輸消息的時(shí)候一般采用HTTP協(xié)議或TCP協(xié)議進(jìn)行傳送，因?yàn)镠TTP協(xié)議是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)（open system），所以消息是以廣播形式在服務(wù)器上發(fā)布。

MVB通信采用幀格式傳輸數(shù)據(jù)。每個(gè)幀由幀頭、數(shù)據(jù)域和幀尾組成。幀頭包含同步信息和總線(xiàn)管理信息，用于維持通信同步和管理數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)域中包含實(shí)際的應(yīng)用數(shù)據(jù)。幀尾用于標(biāo)識(shí)幀傳輸結(jié)束。幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得數(shù)據(jù)傳輸可靠，并具有一定的錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正能力。

MVB通信中只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制總線(xiàn)的同步和管理。從節(jié)點(diǎn)根據(jù)主節(jié)點(diǎn)的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。主節(jié)點(diǎn)通過(guò)廣播方式向所有從節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，從節(jié)點(diǎn)根據(jù)命令信息進(jìn)行相應(yīng)的操作。這種主從通信方式實(shí)現(xiàn)了各個(gè)子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作，并確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2.1.2? MVB設(shè)備分類(lèi)

MVB設(shè)備可以分為以下5個(gè)類(lèi)別。

1類(lèi)設(shè)備：傳送諸如一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)裝置的裝置狀況和處理資料，用作從裝置參加通信。

2類(lèi)設(shè)備：能夠傳輸設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，收發(fā)過(guò)程數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)，可以通過(guò)總線(xiàn)配置，但是無(wú)法進(jìn)行程序控制，比如溫度報(bào)警器[2]。

3類(lèi)設(shè)備：除了以上2種裝置的全部資料通信功能外，還可以提供使用者程式的功能。

4類(lèi)設(shè)備：除了具備上述第2類(lèi)和第3類(lèi)設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)和性能外，還添加了一些總線(xiàn)管理的函數(shù)，例如總線(xiàn)管理器、網(wǎng)絡(luò)管理器，以及連接列車(chē)總線(xiàn)與車(chē)流總線(xiàn)的網(wǎng)關(guān)。

5類(lèi)設(shè)備：在加入TCN網(wǎng)關(guān)的同時(shí)，還應(yīng)具有以上各類(lèi)設(shè)備的全部性能。

2.2? 解碼模塊設(shè)計(jì)

所有的裝置都要經(jīng)過(guò)MVBC總線(xiàn)控制器來(lái)訪問(wèn) MVB總線(xiàn)， MVBC總線(xiàn)控制器與實(shí)體和功能裝置無(wú)關(guān)，提供總線(xiàn)上的各種裝置之間的通信， MVBC則是 MVB鏈路的函數(shù)，提供過(guò)程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的可變界面。MVBC編碼和譯碼的主要功能是按照IEC61375-1《鐵路電氣設(shè)備列車(chē)總線(xiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)》的要求，完成 MVBC的編碼和譯碼，為 MVBC的最終實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。本文將從以下幾個(gè)方面簡(jiǎn)單地闡述該設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

MVB幀譯碼處理包含開(kāi)始比特的探測(cè)、開(kāi)始的邊界判斷、終止的邊界判斷、曼徹斯特取樣、譯碼、 CRC檢查、串行和變換等，最后確定的資料存儲(chǔ)到緩沖中，然后再由主控單元接受。總線(xiàn)控制器由2個(gè)譯碼單元組成，用于檢測(cè) MVB總線(xiàn)的信任線(xiàn)和冗余線(xiàn)，總線(xiàn)控制器從信任線(xiàn)中接受冗余線(xiàn)，并利用該信號(hào)來(lái)探測(cè)信任線(xiàn)與冗余線(xiàn)之間的轉(zhuǎn)換[3]。

2.2.1? 起始位檢測(cè)設(shè)計(jì)

按照IEC61375-1的要求，高電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)在125～541 ns，默認(rèn)值為333 ns。

初始位置探測(cè)：在取樣速率為24 MHz時(shí)，高電平采樣點(diǎn)數(shù)為3～13個(gè)。在總線(xiàn)處于閑置的情況下，利用24 MHz取樣速率，將總線(xiàn)的資料連續(xù)地輸入到移動(dòng)寄存器，如果shift_register的6分辨率以下的數(shù)值顯示“111_000”，則表明已偵測(cè)到了一個(gè)有效幀起始位，極大地改善了有效的幀起始位的辨識(shí)速率，并且可以在防止因干擾而產(chǎn)生誤差的情況下，改善該信號(hào)的錯(cuò)誤行為見(jiàn)表1[4]。

2.2.2? 解碼器頂層設(shè)計(jì)

采用由頂向下的設(shè)計(jì)思路，將所有以上的模塊結(jié)合起來(lái)最終實(shí)現(xiàn)解碼功能，解碼器接口信號(hào)見(jiàn)表2。

2.3? 編碼模塊設(shè)計(jì)

2.3.1? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)FIFO設(shè)計(jì)

FIFO包含2個(gè)部件：16位X16位的FIFO緩沖幀的數(shù)據(jù)FIFO，以及一個(gè)由使用者限定的8位X16位的CRC檢查序列FIFO。本文利用Xilinx ISE14.7的綜合開(kāi)放開(kāi)發(fā)軟件——核心引擎，實(shí)現(xiàn)了IP內(nèi)核的產(chǎn)生。

2.3.2? CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)設(shè)計(jì)

在該功能模塊中，CRC檢查模塊與上文的CRC校驗(yàn)?zāi)K是一樣的，其由該數(shù)據(jù)傳輸控制單元來(lái)進(jìn)行CRC校驗(yàn)碼的運(yùn)算，并為該幀組提供CRC校驗(yàn)碼。

2.3.3? 數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)計(jì)

該數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)：在上行消息解析模塊已經(jīng)將從屬幀的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到該FIFO中的時(shí)候，該傳輸控制器在未激活的情況下，跳出到該源裝置的幀間時(shí)間計(jì)數(shù)狀態(tài)（T_SOURCE）。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性很高，當(dāng)譯碼器接收到一個(gè)有效的主幀時(shí)，如果沒(méi)有時(shí)限，則在若干個(gè)時(shí)鐘循環(huán)中，編碼器將會(huì)在若干個(gè)時(shí)鐘循環(huán)中傳送一個(gè)從幀[4]。因此，在此添加一個(gè)狀態(tài)來(lái)對(duì)T_SOURCE的時(shí)刻進(jìn)行控制，這個(gè)狀態(tài)被一致地設(shè)定為3 us（在48 MHz的時(shí)鐘中，對(duì)144次進(jìn)行了計(jì)數(shù)）。START_READY被用于降低總線(xiàn)的振鈴，在發(fā)射一個(gè)激活的幀前，將RS485的輸出啟動(dòng)端提前125 ns，然后在48 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率上恰好6個(gè)時(shí)鐘循環(huán)，然后進(jìn)入從幀開(kāi)始的分割狀態(tài)（TX_SSD）。在這種情況下，波特率計(jì)數(shù)器被啟用，發(fā)射時(shí)時(shí)鐘3 MHz （由于曼徹斯特編碼后，數(shù)據(jù)的容量是原先的2倍，以3 MHz的速率傳輸，剛好可以達(dá)到1.5 Mbps）[5]。

3? 系統(tǒng)驗(yàn)證

3.1? 采集及通信功能驗(yàn)證

通常，當(dāng)測(cè)試板卡的A和B通道各自的8路信號(hào)是正確狀態(tài)下，陪測(cè)軟件上的A和B通道的8路信號(hào)應(yīng)該顯示相應(yīng)的數(shù)字，且所有的故障碼信息顯示均為正常，故障燈呈綠色。當(dāng)接線(xiàn)正常時(shí)，打開(kāi)試樣的電源，將100 Ω的PT100溫度計(jì)輸入到檢測(cè)軟件中，分別檢測(cè)A、B通道各8個(gè)通道的溫度狀態(tài)信息和診斷狀態(tài)信息，并將其顯示為正常狀態(tài)，溫度值顯示是對(duì)的，但是有錯(cuò)誤，必須進(jìn)行下一階段的校正。研究表明，該系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)與期望的一致，證明AI板采集和通信功能正常。

3.2? MVBC編解碼模塊驗(yàn)證

Bus_rx代表解碼的時(shí)間序列，而tx_clk代表傳輸信號(hào)的時(shí)鐘頻率。tx_en則是發(fā)送使能的信號(hào)，與此同時(shí)，bus_tx1指代編碼的時(shí)序。向編碼模塊發(fā)送了數(shù)據(jù)F_code=0xC時(shí)，結(jié)果顯示設(shè)備地址為0x511以及一個(gè)長(zhǎng)達(dá)256 bit的數(shù)據(jù)：0x1122…55AA。這一仿真結(jié)果與預(yù)期的理論值完全一致。

4? 結(jié)束語(yǔ)

軸溫監(jiān)測(cè)裝置具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸溫變化對(duì)軸承運(yùn)行狀況判斷及保障列車(chē)運(yùn)行安全均具有非常積極的意義。在我國(guó)初次引入動(dòng)車(chē)組時(shí)，不同車(chē)型的動(dòng)車(chē)組所使用的軸溫檢測(cè)系統(tǒng)并沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這為設(shè)備的維護(hù)、管理、升級(jí)等標(biāo)準(zhǔn)化工作帶來(lái)了一定的難度。本研究對(duì)模擬輸入子系統(tǒng)和信號(hào)處理子系統(tǒng)進(jìn)行了深入的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了鐵路貨車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和處理功能，并利用FPGA設(shè)計(jì)完成了多功能車(chē)輛總線(xiàn)控制器 MVBC 編解碼模塊。最后通過(guò)對(duì)溫度信號(hào)處理子系統(tǒng)、MVBC總線(xiàn)控制器編解碼模塊的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期效果。

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