高速動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺的設(shè)計(jì)與優(yōu)化探究

摘 要：為了研發(fā)更完善的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，需要先開發(fā)軟件設(shè)計(jì)平臺，具備軟件開發(fā)平臺，可以對牽引傳動(dòng)系統(tǒng)加以優(yōu)化。基于此，本文先研究了軟件開發(fā)平臺設(shè)計(jì)，后提出了開發(fā)平臺的優(yōu)化。通過牽引傳動(dòng)系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺的研發(fā)，推動(dòng)我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為高速動(dòng)車組的應(yīng)用提供基礎(chǔ)條件，為高速動(dòng)車組運(yùn)行提供保障。

關(guān)鍵詞：高速動(dòng)車組；牽引傳動(dòng)系統(tǒng)；軟件開發(fā)平臺

引言：在我國高速動(dòng)車組中，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)是其中最關(guān)鍵的技術(shù)，是動(dòng)力系統(tǒng)的重要構(gòu)成，通過轉(zhuǎn)換單向交流電為三相交流電，讓驅(qū)動(dòng)牽引系統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)行，制動(dòng)工況下，讓牽引電機(jī)工作處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，節(jié)省了大量電能。因此，研究牽引傳動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)軟件平臺，有助于推動(dòng)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的完善，保證高速動(dòng)車組的穩(wěn)定運(yùn)行，并減少能源消耗。

一、高速動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺的設(shè)計(jì)

（一）開發(fā)平臺構(gòu)成

開發(fā)平臺主要包括上位機(jī)開發(fā)環(huán)境以及下位機(jī)內(nèi)核兩部分。上位機(jī)軟件開發(fā)使用功能圖連續(xù)編寫方式，連續(xù)功能作為一種圖形化編程語言，和功能塊圖的區(qū)別在于，可以展示隸屬資源以及任務(wù)，被工業(yè)控制工作中廣泛使用。應(yīng)用軟件包括CFC文件，根據(jù)軟件功能對其劃分，方便于軟件進(jìn)行調(diào)試以及維護(hù)。同時(shí)創(chuàng)建全局變量文件，用來對全局變量定義，全局變量包括時(shí)間類型、浮點(diǎn)類型、整型、字符串等多種。上位機(jī)軟件經(jīng)過編譯后形成代碼，在下位機(jī)中保存。

下位機(jī)使用x86CPU，使用QNX的操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)是搶占式硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以保障任務(wù)被實(shí)時(shí)調(diào)度[1]。下位機(jī)周期任務(wù)對上位機(jī)軟件進(jìn)行運(yùn)行，對功能塊進(jìn)行分配調(diào)度。下位機(jī)內(nèi)核使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘硬件作為調(diào)度周期，基礎(chǔ)調(diào)度周期依據(jù)任務(wù)周期值，經(jīng)過信號量，讓阻塞狀態(tài)任務(wù)轉(zhuǎn)換到就緒狀態(tài)，保證實(shí)時(shí)進(jìn)行任務(wù)。周期任務(wù)安排的優(yōu)先級別根據(jù)操作系統(tǒng)優(yōu)先級別實(shí)現(xiàn)，保證對周期任務(wù)進(jìn)行合理安排，保證任務(wù)具有較小抖動(dòng)。啟動(dòng)下位機(jī)內(nèi)核后，先應(yīng)用軟件在內(nèi)存中，解釋器需要解釋執(zhí)行應(yīng)用程序。上位機(jī)對平臺代碼進(jìn)行編譯并不包含功能塊，只包括實(shí)例執(zhí)行。下位機(jī)內(nèi)核包含功能塊代碼，執(zhí)行實(shí)例時(shí)，根據(jù)實(shí)例類型跳轉(zhuǎn)代碼入口，對功能塊代碼進(jìn)行執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)特殊功能。

（二）生成及執(zhí)行代碼

連續(xù)功能圖作為一種變成語言，生成執(zhí)行代碼將其轉(zhuǎn)換成IL語言，作為國際網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中一種特定編程原因，是一種匯編語言，由指令構(gòu)成。每條指令占據(jù)一行，操作符和操作數(shù)構(gòu)成指令。用于調(diào)用功能塊、連接器以及全局變量等，CFC文件轉(zhuǎn)換成IL語言，按照IL語言生成代碼。編譯器按照功能塊順序轉(zhuǎn)換，讀取變量并使用LD進(jìn)行替代，給全局變量和連接器賦值使用ST替代，功能塊使用CAL指令替代，使用JMP指令跳轉(zhuǎn)，將CFC1轉(zhuǎn)變?yōu)镮L語言。

轉(zhuǎn)換語言后，編譯器展開語法和詞法分析，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o關(guān)代碼。無關(guān)代碼同IL語言相近，將ST指令和LD質(zhì)量依據(jù)操作數(shù)細(xì)分，執(zhí)行指令時(shí)獲得操作數(shù)數(shù)據(jù)。代碼包含程序數(shù)據(jù)、代碼段以及實(shí)例數(shù)據(jù)等，代碼段屬于可執(zhí)行代碼，包含轉(zhuǎn)換后代碼。解釋器讀取代碼操作數(shù)和操作符，進(jìn)行執(zhí)行。功能塊實(shí)例包括數(shù)據(jù)段，數(shù)據(jù)段保存實(shí)例全部變量值以及連接器。

上位機(jī)進(jìn)行編譯時(shí)，無法獲得全局變量和絕對地址，由于平臺代碼段的地址關(guān)聯(lián)操作數(shù)是地址在程序數(shù)據(jù)以及實(shí)例數(shù)據(jù)的偏移量。下位機(jī)執(zhí)行時(shí)要依據(jù)程序數(shù)據(jù)偏移量，獲得數(shù)據(jù)段變量以及連接器所歸屬的功能塊實(shí)例數(shù)據(jù)以及類型。依照功能塊實(shí)例數(shù)據(jù)地址和功能塊偏移，獲取變量值以及連接器值。調(diào)用功能塊和訪問變量類似，代碼保存CAL指令和功能塊偏移量，讀取數(shù)據(jù)段偏移量功能塊類型，通過查找功能塊程序獲得函數(shù)入口地址，從而對功能塊代碼進(jìn)行執(zhí)行。經(jīng)過逐條解釋代碼完成執(zhí)行無關(guān)代碼。CFC應(yīng)用程序給出多任務(wù)順序，設(shè)定執(zhí)行順序是先CFC1、CFC2，執(zhí)行調(diào)度周期時(shí)，再執(zhí)行全部功能模塊。

（三）監(jiān)視調(diào)試功能

完成軟件編寫后，要先經(jīng)過測試和調(diào)試之后才能正式使用。測試功能塊代碼是經(jīng)過平臺開發(fā)環(huán)境進(jìn)行。應(yīng)用程序測試和調(diào)試要求完全正確的代碼。測試應(yīng)用程序還需要。要強(qiáng)制設(shè)置變量值和連接器值，對變量和連接器展開全局觀察，要求在線讀寫連接器和變量。上位機(jī)保存全局變量和連接器CFC，數(shù)據(jù)段上出現(xiàn)偏移量上位機(jī)將信息傳遞給下位機(jī)。下位機(jī)內(nèi)核審查需要讀寫絕對地址，讀寫結(jié)果使用以太網(wǎng)對上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，完成測試調(diào)試軟件工作。

二、高速動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺的優(yōu)化

優(yōu)化數(shù)據(jù)傳遞效果，在輸出連接器向輸入連接器傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，解釋器使用ST指令和LD指令實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過LD指令執(zhí)行讀取連接器數(shù)值，需要經(jīng)過數(shù)據(jù)段得到基地址以及偏移量，并在累加器上保存[2]。執(zhí)行ST指令，加工數(shù)據(jù)段基地址和偏移量寫入累加器和輸入連接器絕對地址，保證數(shù)據(jù)完整傳遞。傳遞數(shù)據(jù)要求解釋器可以多次讀取數(shù)據(jù)和代碼段。為了讓效率得到提升，需要將數(shù)據(jù)指令翻譯成TDD指令。執(zhí)行程序前先使用偏移量計(jì)算獲得絕對地址，經(jīng)過TDD指令，將數(shù)據(jù)從源地址傳遞給目標(biāo)地址。TDD指令為無關(guān)代碼，要經(jīng)過解釋器實(shí)現(xiàn)解釋執(zhí)行，進(jìn)而將TDD指令在內(nèi)存中儲存，將指令翻譯到機(jī)器碼之后，執(zhí)行代碼，跳轉(zhuǎn)到代碼入口地址即可。

和傳遞數(shù)據(jù)類似，優(yōu)化功能塊函數(shù)要使用同等方法，調(diào)用功能塊執(zhí)行時(shí)向讀取代碼指令，查找功能塊保存，根據(jù)功能塊類型找到功能塊函數(shù)入口地址，跳轉(zhuǎn)函數(shù)入口地址。執(zhí)行程序前，向使用上述方法，計(jì)算出功能塊函數(shù)入口地址，使用C指令，調(diào)用函數(shù)。進(jìn)一步翻譯C指令為機(jī)器碼。

結(jié)論：綜上所述，本文提出研發(fā)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺，通過軟件開發(fā)平臺的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，建設(shè)一套完善有序的軟件開發(fā)平臺，為傳動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)和完善提供基礎(chǔ)。針對平臺代碼執(zhí)行提出將無關(guān)代碼轉(zhuǎn)變?yōu)橛嘘P(guān)代碼，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳遞、調(diào)用函數(shù)以及執(zhí)行代碼方式，讓代碼執(zhí)行效率得到提升。通過對平臺的優(yōu)化，有效提升代碼執(zhí)行效率，為牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)以及調(diào)試提供平臺支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]李英，侯紅學(xué)，王鐵成，等.高速動(dòng)車組用大功率牽引集成單元的地面性能試驗(yàn)研究[J].鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2018（07）：40-42+44+8.

[2]田子思. 基于任務(wù)剖面的高速動(dòng)車組牽引變流器功率器件壽命評估[D].西南交通大學(xué)，2018.

作者簡介：

周培慧（1983-），男，漢族，湖南株洲人，本科，助理工程師，研究方向：現(xiàn)從事軟件開發(fā)方面的工作.