TAN3型內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄儀的研制

謝小婷　尚青

摘? ?要：介紹了內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄儀的整體研制方案。詳細(xì)介紹了記錄儀的結(jié)構(gòu)、嵌入式架構(gòu)、信號(hào)處理方式、軟件設(shè)計(jì)方案以及儲(chǔ)存方案，可以滿足出口內(nèi)燃機(jī)車的裝車需求，根據(jù)不同國(guó)家對(duì)記錄數(shù)據(jù)的需求，配合外部傳感器信號(hào)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，以在事故或是故障發(fā)生時(shí)提供分析的數(shù)據(jù)。目前該記錄儀已在出口加蓬內(nèi)燃機(jī)車上批量應(yīng)用，反饋良好。

關(guān)鍵詞：TAN3型內(nèi)燃機(jī)車? 數(shù)據(jù)運(yùn)行? 記錄儀

中圖分類號(hào)：U262.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（c）-0109-03

當(dāng)前國(guó)內(nèi)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)，多是通過(guò)安全監(jiān)控記錄裝置記錄機(jī)車車輛線路運(yùn)行數(shù)據(jù)。但近年來(lái)，內(nèi)燃機(jī)車的出口量逐年增加，特別是在一些第三世界國(guó)家，這些國(guó)家的鐵路發(fā)展較為落后，沒(méi)有完善的鐵路監(jiān)控系統(tǒng)，研究建立保證鐵路安全體系的問(wèn)題便成為了必須解決的首要任務(wù)，因此出口內(nèi)燃機(jī)車必須安裝數(shù)據(jù)記錄儀，由它對(duì)機(jī)車上的設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)重要運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠存儲(chǔ)，以供當(dāng)機(jī)車發(fā)生事故等突發(fā)事件時(shí)進(jìn)行故障分析。

1? 主要功能及技術(shù)特點(diǎn)

市場(chǎng)現(xiàn)有數(shù)據(jù)記錄儀類似產(chǎn)品分有兩種：安全監(jiān)控記錄裝置以及通過(guò)通信方式接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)記錄儀。前種按照鐵標(biāo)《TB/T2765-1996列車運(yùn)行安全監(jiān)控記錄裝置技術(shù)要求》要求，系統(tǒng)龐大，功能齊全，具備監(jiān)控功能、記錄功能和顯示功能。對(duì)于出口機(jī)車來(lái)說(shuō)，成本較高，也不符合國(guó)外的鐵路系統(tǒng)的配置。后者，不具備獨(dú)立的工作模式，依托于第三者設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，如果第三者設(shè)備發(fā)生故障或是機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中通信受到干擾出錯(cuò)，那么記錄的數(shù)據(jù)無(wú)法保證準(zhǔn)確可靠。

TAN3型內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄儀具有如下主要功能及技術(shù)特點(diǎn)。

（1）獨(dú)立工作模式。TAN3型記錄儀采用獨(dú)立工作模式，不依靠第三方設(shè)備，確保數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。

（2）兼容性好?？刹杉盘?hào)類型齊全，信號(hào)通道數(shù)量充足，可適用于不同車型、不同國(guó)家的要求。

（3）采用POWER PC作為系統(tǒng)CPU。該處理器主頻為150MHz，基于ColdFire平臺(tái)，采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)WxWorks及其文件系統(tǒng)，使記錄儀具備了系統(tǒng)管理能力，有效提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性和整體運(yùn)算能力。

（4）可快速、方便轉(zhuǎn)儲(chǔ)。以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)儲(chǔ)，可直接對(duì)接計(jì)算機(jī)。

（5）可分兩種時(shí)間方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。為便于數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)分兩種時(shí)間模式存儲(chǔ)：短期存儲(chǔ)可記錄短時(shí)間內(nèi)密度較大的數(shù)據(jù);長(zhǎng)期存儲(chǔ)可記錄長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)密度較小的數(shù)據(jù)。

（6）結(jié)構(gòu)等級(jí)高。結(jié)構(gòu)為全密封，IP等級(jí)65，可確保惡劣環(huán)境下，記錄儀的安全可靠工作。

2? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TAN3型內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄儀作為機(jī)車運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)記錄裝置，重要程度不亞于飛機(jī)上通用的“黑匣子”。在重大事故或故障發(fā)生時(shí)，不可避免車體會(huì)發(fā)生損傷，在這種情況下，記錄儀的結(jié)構(gòu)要求顯得尤為重要，必須要保證內(nèi)部的存儲(chǔ)芯片不可損壞，并且盡可能記錄到最后的數(shù)據(jù)，以供分析。

3? 硬件功能設(shè)計(jì)

硬件功能由記錄儀內(nèi)部?jī)蓧K單板實(shí)現(xiàn)：IO單板和CPU單板。

3.1 CPU板

CPU單板作為內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄儀的核心功能模塊。單板以32位微處理器POWER PC為CPU，主要完成機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與調(diào)用、與以太網(wǎng)接口驅(qū)動(dòng)下載數(shù)據(jù);另外配合一塊FPGA 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集邏輯控制功能;記錄用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用一片512M非易失性器件Nand flash，因而在無(wú)需外部電池情況下也可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期可靠保存;以CPU單板為核心，配置I/O板外圍模塊組成一個(gè)軟硬件平臺(tái)，通過(guò)不同配置，可方便實(shí)現(xiàn)各種機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、記錄。CPU單板安裝在數(shù)據(jù)記錄儀盒體內(nèi)的下層。硬件功能框圖見(jiàn)圖1。

3.2 IO板

IO板內(nèi)部功能模塊依次為：電源模塊、頻率量輸入模塊、數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸出模塊。主要負(fù)責(zé)對(duì)外電氣接口，采集外部各種信號(hào)，以及輸出外部驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出。配合CPU板組成一個(gè)硬件平臺(tái)。I/O板位于數(shù)據(jù)記錄儀的上層。硬件框圖見(jiàn)圖2。

4? 軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)

內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄儀基于ColdFire平臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車運(yùn)行信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)（見(jiàn)圖3）。

4.1 輸入輸出信號(hào)處理

（1）頻率信號(hào)采集。

對(duì)0.5Hz — 10KHz的速度信號(hào)進(jìn)行采集、處理。

（2）模擬信號(hào)采集。

FPGA全權(quán)控制AD轉(zhuǎn)換的控制輸入時(shí)序，并且將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果存入預(yù)定的地址，CPU只從FPGA中的雙口RAM中讀取A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。

需要采集的模擬量有4個(gè)直流信號(hào)，通道之間的選擇由FPGA控制，4個(gè)通道循環(huán)依次進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成一次4個(gè)通道的轉(zhuǎn)換周期為0.5ms，用于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換空間共8個(gè)字節(jié)。

（3）數(shù)字量采集。

需要采集的數(shù)字量共有16路，通過(guò)數(shù)據(jù)總線D15-D0從外部讀入，數(shù)據(jù)位的‘1和‘0分別表示相應(yīng)數(shù)字量通道的高低電平。數(shù)據(jù)采集的周期為0.5ms，用于用于存儲(chǔ)數(shù)字量的空間共2個(gè)字節(jié)。

（4）數(shù)字量輸出。

CPU將需要輸出的數(shù)字量存入雙口RAM中，F(xiàn)PGA定時(shí)將數(shù)據(jù)取出并發(fā)送給輸出端口。

需要輸出的數(shù)字量共有3路，當(dāng)某一路需要高電平時(shí)，向相應(yīng)的數(shù)據(jù)總線位輸出‘1，反之，輸出‘0。數(shù)據(jù)輸出的周期為0.5ms，用于存儲(chǔ)數(shù)字量的空間共1個(gè)字節(jié)。

（5）模擬量輸出。

CPU將需要輸出的數(shù)據(jù)存入雙口RAM中，F(xiàn)PGA定時(shí)將數(shù)據(jù)取出，并控制DA轉(zhuǎn)換的時(shí)序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量，通過(guò)對(duì)外接口輸出。

需要輸出的模擬量有1路，數(shù)據(jù)輸出周期為0.5ms，用于存儲(chǔ)的空間共2個(gè)字節(jié)。

4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)使用一塊大小為512MB的NAND FLASH作為運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，另外使用了128KB的鐵電存儲(chǔ)器作為運(yùn)行數(shù)據(jù)的緩存區(qū)。FPGA內(nèi)部建立兩個(gè)獨(dú)立的雙口RAM1和雙口RAM2。每相應(yīng)間隔時(shí)間采集一次數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在雙口RAM1中，當(dāng)每次采集周期，I/O數(shù)據(jù)采集完成， FPGA將雙口RAM1中的數(shù)據(jù)經(jīng)由CPU數(shù)據(jù)總線存儲(chǔ)到FRAM中。當(dāng)FRAM中的數(shù)據(jù)達(dá)到一定量后， FPGA將FRAM中的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)部雙口RAM2作為緩存，寫入NAND FLASH。如果寫入成功，則將FRAM的相應(yīng)數(shù)據(jù)地址釋放，可存儲(chǔ)新的數(shù)據(jù);否則重新存儲(chǔ)未成功寫入的數(shù)據(jù)，此時(shí)NAND FLASH的存儲(chǔ)地址為新地址，直到成功為止。

為保證掉電數(shù)據(jù)能順利存儲(chǔ)入NAND FLASH中，供優(yōu)盤讀取，每次得電，F(xiàn)PGA首先都要將FRAM中的數(shù)據(jù)寫入NAND FLASH，此時(shí)數(shù)據(jù)下載不可用。

4.3 存儲(chǔ)有效時(shí)間

CPU單板提供512M的NAND FLASH永久存儲(chǔ)器，以及512K的鐵電存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)緩存器，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)外部IO數(shù)據(jù)的采集，一幀數(shù)據(jù)為20個(gè)字節(jié)。

將NAND FALSH分為兩部分：

500M的空間為短期存儲(chǔ)空間。負(fù)責(zé)存儲(chǔ)0.02s一次的數(shù)據(jù)。可存儲(chǔ)6d的數(shù)據(jù)。計(jì)算如下：

500×1024×1024÷（20×50×60×60×24）=6.6d

10M的空間為長(zhǎng)期存儲(chǔ)空間。負(fù)責(zé)存儲(chǔ)20s一次的數(shù)據(jù)?？纱鎯?chǔ)4個(gè)月的數(shù)據(jù)。計(jì)算如下：

10×1024×1024÷（20×3×60×24）=121d≈4個(gè)月

4.4 數(shù)據(jù)下載特點(diǎn)

（1）以太網(wǎng)口下載數(shù)據(jù)方式。

記錄儀配置了以太網(wǎng)口作為用戶下載數(shù)據(jù)的另外一種方式，可通過(guò)網(wǎng)線的直接連接計(jì)算機(jī)，通過(guò)訪問(wèn)IP地址下載數(shù)據(jù)，以提供更高的速度以及便捷。同樣為確保只有授權(quán)人員可下載數(shù)據(jù)，配置有用戶名密碼，非授權(quán)人員不可隨意操作。

5? 結(jié)語(yǔ)

本文給出了內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄儀的一種設(shè)計(jì)方案，主要運(yùn)用于出口型內(nèi)燃機(jī)車，在國(guó)外沒(méi)有監(jiān)控系統(tǒng)的情況下，實(shí)時(shí)記錄機(jī)車運(yùn)行的重要參數(shù)，作為事故等突發(fā)事件分析的重要依據(jù)，滿足了當(dāng)今鐵路系統(tǒng)的安全行車要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 李宜芳，鄧福軍，李祥麗.機(jī)車記錄分析儀的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[J].內(nèi)燃機(jī)車，2007（6）：47-48.

[2] 邢亮，黃暉，田丹.機(jī)載系統(tǒng)NANDFlash存儲(chǔ)技術(shù)[J].航空計(jì)算技術(shù)，2014，44（1）：123-125，130.

[3] 李茹華，孟遠(yuǎn)文，孟玉發(fā)，等.出口烏茲別克斯坦調(diào)車機(jī)車數(shù)據(jù)記錄裝置設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2015，28（2）：7-8.