CN101570205B - 电动列车关键指令监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动列车关键指令监控装置。它主要由电动列车关键指令监控装置、上位机所组成；电动列车的各控制系统、按钮、继电器等逻辑信号经过逻辑信号处理模块的隔离、降压、整形以后进行锁存，然后由单片机读取；频率信号则经过频率信号处理模块的隔离、降压、整形以后进行计数、锁存，然后将频率值送至单片机；模拟信号经过模拟信号调理模块的降压、滤波以后经多路选择器送至单片机的A/D转换端口转换为数字信号；以上信号由单片机进行数据采集并连同日期和时间信息等一起保存在存贮器中；当连接到上位机以后，根据上位机发出的指令，再把相应的数据传输至上位机进行分析。通过对这些重要信号的监控，促进列车运营的有序、规范化管理。

Description

电动列车关键指令监控装置

技术领域

本发明涉及信号监控装置，特别是一种电动列车关键指令监控装置。

背景技术

地铁列车在行驶过程中，车上的各个系统必须协同工作，各种传感器、控制系统、按钮和继电器等部件也必须正常工作才能保证列车的正常运行。为此，新型的地铁列车均安装了实时监控及存贮设备，这些设备能够全程监测和存贮列车各个系统、传感器、按钮和继电器等部件的状态。根据这些存贮信息，当列车检修或发生瞬时故障时，维修人员可通过对存贮数据的回放，及时发现和定位故障点，从而缩短维修时间，提高维修的效率。

DC01型电动列车是上世纪90年代从德国引进的设备，原车配置的EVR记录系统对列车上的部分控制系统、按钮和重要传感器信号进行了监控和存贮，但由于受到带宽、速度、容量等条件的限制，列车只能记录简单的故障信息且记录数量有限，对于很多其它信号没有进行监控和存贮，如手柄信号、车门信号、制动信号、旁路信号、继电器信号、速度传感器信号、网压信号等。这就使检修人员只能通过各种指示灯来判断列车的状态，并且因为未被监控和存贮的信号出现误动作或故障时，检修人员事后无法查明故障的原因。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动列车关键指令监控装置，它主要解决上述现有系统所存在的技术问题，它能全程实时监控列车的一些未被EVR记录的重要信号，将使DC01型电动列车也能实时监控列车的一些关键指令数据和司机的操作过程，为处理一些瞬时性故障及系统性故障分析提供准确的历史数据；通过对这些重要信号的监控，也可以促进列车运营的有序、规范化管理。

为达到上述目的，本发明是这样实现的：

一种电动列车关键指令监控装置，其特征在于：它主要由关键指令监控装置、上位机所组成；该关键指令监控装置主要由单片机、实时时钟、USB控制器、电源模块、存贮器、逻辑信号处理模块、频率信号处理模块和模拟信号调理模块等组成；工作时，电动列车的各关键指令等逻辑信号经过逻辑信号处理模块的隔离、降压、整形以后进行锁存，然后由单片机读取；频率信号则经过频率信号处理模块的隔离、降压、整形以后进行计数、锁存，然后将频率值送至单片机；模拟信号经过模拟信号调理模块的降压、滤波以后经多路选择器送至单片机的A/D转换端口转换为数字信号；以上信号由单片机进行数据采集并连同日期和时间信息等一起保存在存贮器中。当连接到上位机以后，根据上位机发出的指令，再把相应的数据传输至上位机进行分析。

所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的单片机采用了ATMEL公司的ATMega128型8位机。

所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的实时时钟为监控装置提供准确的日期和时间信息，安装调试完成后，通过上位机的分析软件使实时时钟与上位机日期和时间同步；时钟芯片选用PCF8563，采用微调电容对其进行校准。

所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的存贮器采用数据FLASH存贮器保存监控数据，存贮芯片采用Atmel公司的AT45DB642D型FLASH存贮器。

所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的电源模块为专用的DC-DC转换器，用于将列车上110V直流电源转换为5V直流电源；为适应110V电源的波动，该DC-DC模块输入电压范围为72～144VDC，为监控装置提供了隔离、稳定和宽范围的电源供应。

所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的USB控制器采用单芯片USB至UART桥接芯片CP2102。

所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的逻辑信号处理模块由于电动列车的控制系统、按钮、继电器等逻辑信号均是110V直流信号，而监控装置工作电压为5V，所以需要将输入信号降压、隔离、整形以后送至单片机进行采集。

所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的逻辑信号处理模块的频率信号电压范围为0～15V，需先要进行降压、隔离、整形处理。为减轻单片机的工作负担和提高频率计算的准确性，采用硬件定时计数器的方式对频率信号进行计数并计算频率，该频率值被锁存之后由单片机进行读取；具体方法为：用计数芯片CD4040对频率信号进行计数，由单片机的16位定时器提供精确的1秒信号，每秒锁存并读取一次频率值；读取完成后复位CD4040，使其重新开始从0计数。

所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的模拟信号处理模块在四路模拟信号中，只有两路共地，而这两路与其它两路之间互不共地；根据这一特点，在信号调理时采用差分信号的处理方法；首先将各路电压调整至0～5V的范围，然后由模拟多路器选择其中的一路作跟随和滤波处理，最后送至单片机的A/D转换器，在单片机控制下将模拟信号转换成数字信号，并保存到存储器中。

附图说明

图1是本发明电动列车关键指令监控装置的结构示意图。

图2是本发明装置中单片机的结构示意图。

图3是本发明装置的逻辑信号降压/隔离/整形原理图。

图4是本发明装置的模拟信号的调理原理图。

图5是本发明电动列车关键指令监控装置的软件流程示意图。

具体实施方式

请参阅图1，它是本发明电动列车关键指令监控装置的结构示意图。如图所示：该装置以嵌入式计算机作为监控系统和存贮器的核心，结合外围电路实现相应功能。电动列车关键指令监控装置主要由单片机、实时时钟、USB控制器、电源模块、存贮器、逻辑信号处理模块、频率信号处理模块和模拟信号调理模块等组成。

工作时，电动列车的各控制系统、按钮、继电器等逻辑信号经过逻辑信号处理模块的隔离、降压、整形以后进行锁存，然后由单片机读取；频率信号则经过频率信号处理模块的隔离、降压、整形以后进行计数、锁存，然后将频率值送至单片机；模拟信号经过模拟信号调理模块的降压、滤波以后经多路选择器送至单片机的A/D转换端口转换为数字信号；以上信号由单片机进行数据采集并连同日期和时间信息等一起保存在存贮器中。当连接到上位机以后，根据上位机发出的指令，再把相应的数据传输至上位机进行分析。

以下对该装置中的具体部件进行详细描述：

(1)单片机

单片机是监控装置的核心部件，由它完成数据采集、存贮、与上位机通信等重要功能。单片机采用了ATMEL公司的ATMega128型8位机，其外形和引脚如图2所示。该单片机采用先进的RISC结构，具有丰富的片上资源。在存贮器方面，具有128K字节片上Flash程序存贮器，足以存放监控装置的下位机程序；4k字节EEPROM存贮器，可以存放一些重要的设置参数；4K字节数据存贮器，在数据采集和通信过程中可以作为缓存使用。在外围接口方面，该单片机具有SPI接口、UART接口、I2C接口、JTAG接口等，为扩展外设提供了丰富、灵活的方式；还具有8位和16位定时器、模数转换器(ADC)、PWM、看门狗(WatchDog)功能等。此外，该单片机共有53条可编程I/O接口，为监控装置功能的扩展提供了空间。

(2)实时时钟

实时时钟为监控装置提供准确的日期和时间信息。安装调试完成后，可通过上位机的分析软件使实时时钟与上位机日期和时间同步。

时钟芯片选用PCF8563，采用微调电容对其进行校准，校准后的时钟准确度可保证年误差不超过6分钟(每月不超过30秒钟)。

(3)高精度定时器模块

利用单片机自带的16位定时器/计数器，为频率计数器、A/D转换器和单片机提供精确的时钟信号。

(4)存贮器

为了实现大容量数据的掉电贮存，采用数据FLASH存贮器(即闪存)保存监控数据，存贮芯片采用Atmel公司的AT45DB642D型FLASH存贮器，该存贮器每片容量为64M bits(8M bytes)，可采用SPI接口或并器的方式，最高时钟可达66MHz。

电动列车关键指令监控装置总存贮容量为24M bytes，可保存3天的信息量，超过3天以后自动滚动覆盖以前的数据。

(5)电源模块

电源模块为专用的DC-DC转换器，用于将列车上110V直流电源转换为5V直流电源。为适应110V电源的波动，该DC-DC模块输入电压范围为72～144VDC，为监控装置提供了隔离、稳定和宽范围的电源供应。

(6)USB控制器

USB控制器采用单芯片USB至UART桥接芯片CP2102。该芯片集成USB收发器，接口符合全速USB2.0规范，传输速率可达12Mbps，采用串口方式时最高可达1Mbps。内部集成了时钟电路、复位电路、电压调节器及EEPROM等资源，无需外接其它器件，使用方便，可靠性高。采用USB接口后监控装置与上位机的连接也更为简单，具有很好的通用性。

(7)逻辑信号处理模块

由于控制系统、按钮、继电器等逻辑信号均是110V直流信号，而监控装置工作电压为5V，所以需要将输入信号降压、隔离、整形以后送至单片机进行采集。

(8)频率信号处理模块

频率信号电压范围为0～15V，因此也需先要进行降压、隔离、整形处理。为减轻单片机的工作负担和提高频率计算的准确性，采用硬件定时计数器的方式对频率信号进行计数并计算频率，该频率值被锁存之后由单片机进行读取。具体方法为：用计数芯片CD4040对频率信号进行计数，由单片机的16位定时器提供精确的1s秒信号，每秒锁存并读取一次频率值。读取完成后复位CD4040，使其重新开始从0计数。

(9)模拟信号处理模块

在四路模拟信号中，只有两路共地，而这两路与其它两路之间互不共地。根据这一特点，在信号调理时采用差分信号的处理方法。首先将各路电压调整至0～5V的范围，然后由模拟多路器选择其中的一路作跟随和滤波处理，最后送至单片机的A/D转换器，在单片机控制下将模拟信号转换成数字信号，并保存到存储器中。

(10)电动列车关键指令监控装置的软件

电动列车关键指令监控装置的软件主要实现监控装置初始化、实时监控及数据采集、与上位机通信完成相关任务等功能。其中与上位机通信部分实时性要求较高，因此数据接收采用中断方式来实现，而实时监控及数据采集采用查询方式。

(11)上位机软件

上位机软件负责与电动列车关键指令监控装置的通讯、数据读取与回放等功能，共分为8个模块，分别是：读取电动列车关键指令监控装置的信息；设置列车编号；设置电动列车关键指令监控装置的时间；检查电动列车关键指令监控装置的连接状态；清除电动列车关键指令监控装置的数据；电动列车关键指令监控装置的自检；读取电动列车关键指令监控装置的数据；数据波形回放。

本发明的关键技术还包括：

(1)输入信号的隔离与处理

输入信号包括逻辑信号、车速信号和模拟信号三种。由于车速信号的频率不是很高，不超过1.2kHz，所以可以采用与逻辑信号相同的隔离处理电路，如图3所示。输入信号经限流、分压后经光电耦合器隔离，然后经整形后送至单片机。

对于四路模拟信号，由于信号之间不共地，因此采用差分信号的处理方法，首先将各路电压调整至0～5V的范围，然后由模拟多路器选择其中的一路作跟随和滤波处理，最后送至单片机的A/D转换器，在单片机控制下将模拟信号转换成数字信号，并保存到存储器中。信号调理原理如图4所示。

(2)电动列车关键指令监控装置的软件设计

电动列车关键指令监控装置的软件即单片机执行软件，为保证其可靠性，编制软件时采用模块化的设计方法，开发软件采用IAR+ICC AVR+AVR Stdudio三种软件联合调试与仿真。使用ICC AVR生成单片机的硬件驱动程序，利用IAR开发平台编写各功能模块并进行编译，该开发平台支持C++代码，生成的代码可靠性高，代码量小，执行效率高，能够保证单片机运行的稳定性。软件流程如图7所示。

监控装置上电以后首先进行I/O端口、定时器、中断、通信端口等硬件的初始化，并对列车编号、存储空间进行统计和分配。

主程序运行过程中，定时器每0.1秒(10Hz)中断一次，为信号监控提供时钟基准。每次中断以后立即将监控标志位置位，通知主程序开始数据采集。一旦监控标志置位，单片机首先将32路逻辑信号和频率信号锁存，同时启动A/D转换器，逐一将4路模拟信号转换为数字信号并作缓存。待A/D转换完成后读取锁存的逻辑信号和频率信号，并连同模拟信号一同存入存储器。

在主程序中，单片机还不断查询通信标志，该标志由负责数据接收的中断模块设置，当收到上位机的指令时，中断模块就会设置该标志。一旦上位机发出通信请求，单片机就会根据相应指令执行相应的数据传输或设置的任务。电动列车关键指令监控装置的软件流程如图5所示。

(3)上位机软件设计

上位机软件主要负责与电动列车关键指令监控装置的通讯、数据读取与回放等功能，具体包括读取电动列车关键指令监控装置的信息、设置列车编号、设置电动列车关键指令监控装置的时间、检查电动列车关键指令监控装置的连接状态、清除电动列车关键指令监控装置的数据、电动列车关键指令监控装置的自检、读取电动列车关键指令监控装置的数据、数据波形回放等。其中数据回放功能要求能够选择全部或部分通道的指定时间范围的数据进行回放，对回放波形能够执行放大、缩小等操作。

上位机软件采用Borland C++Builder编写，数据回放功能使用该开发环境自带的Chart控件实现，该控制能够方便地实现波形的放大、缩小、局部放大等功能，不仅能够满足技术要求，而且程序界面友好，使用简单。

(4)电动列车关键指令监控装置的抗干扰设计

考虑到列车上具有众多的电源、控制、通信和记录等电子设备，电磁环境复杂，监控装置必须具有很好的电磁兼容性能。为此，设计时从下几个方面入手采取了严格的电磁兼容措施：

其一是采用全屏蔽外壳。监控装置的外壳采用整体式铝合金型材，两侧端盖固定后没有缝隙；输入接口采用圆形金属接插件通过螺母固定在端盖上，USB接口也与端盖帖合。安装时通过螺栓固定在列车上与“地”相连的金属支架上，因而保证壳体良好的屏蔽性能，可以有效地防止来自外部对监控装置的干扰。

其二是电源隔离。为了保证监控装置电源的稳定，电源模块采用了隔离式DC-DC转换器，使监控装置内部电路与列车110V电源完全隔离，从而可以有效地防止来自电源或地线端的可能干扰。

其三是去耦设计。在每个逻辑信号的输入端均加去耦电容，该电容一方面防止来自电源对监控装置的干扰，同时也防止监控装置通过电源线对外部电路的干扰。电路板上的每片集成电路的电源端也都有去耦电容，电动列车关键指令监控装置内部地线与列车“地”端也加去耦电容。

(5)电动列车关键指令监控装置的可靠性设计与数据安全

监控装置固定于车辆控制台内，随列车一起运行，工作环境和条件复杂，这就要求它能够在恶劣的气象和环境条件下正常工作。为此除了前述的各种抗干扰手段之外，还在材料和工艺上采取了以下提高监控装置可靠性的措施：

a电路板在加工、焊接完成之后进行了三防处理，使其适应各种恶劣的工作条件。

b所有电源线和信号线均使用低烟无卤阻燃线，以适应列车的安全要求。

c电源部分采用双重保护，其输入端安装了保险丝，而输出端具有短路保护功能，一方面保护了监控装置不被损坏，同时也保证了监控装置不会影响到列车电源和其它设备的正常运行。

为了保证监控数据的安全性，数据保存在非易失性的FLASH(闪存)中，在监控装置掉电的情况下数据也不会丢失，从而有效保证监控数据的安全性。

综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种电动列车关键指令监控装置，其特征在于：它主要由关键指令监控装置、上位机所组成；该关键指令监控装置主要由单片机、实时时钟、USB控制器、电源模块、存贮器、逻辑信号处理模块、频率信号处理模块和模拟信号调理模块组成；工作时，电动列车的各控制系统、按钮、继电器逻辑信号经过逻辑信号处理模块的隔离、降压、整形以后进行锁存，然后由单片机读取；频率信号则经过频率信号处理模块的隔离、降压、整形以后进行计数、锁存，然后将频率值送至单片机；模拟信号经过模拟信号调理模块的降压、滤波以后经多路选择器送至单片机的A/D转换端口转换为数字信号；以上信号由单片机进行数据采集并连同日期和时间信息一起保存在存贮器中；当连接到上位机以后，根据上位机发出的指令，再把相应的数据传输至上位机进行分析。

2.根据权利要求1所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的单片机采用了ATMEL公司的ATMega128型8位机。

3.根据权利要求1所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的实时时钟为监控装置提供准确的日期和时间信息，安装调试完成后，通过上位机的分析软件使实时时钟与上位机日期和时间同步；时钟芯片选用PCF8563，采用微调电容对其进行校准。

4.根据权利要求1所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的存贮器采用数据FLASH存贮器保存监控数据，存贮芯片采用Atmel公司的AT45DB642D型FLASH存贮器。

5.根据权利要求1所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的电源模块为专用的DC-DC转换器，用于将列车上110V直流电源转换为5V直流电源；为适应110V电源的波动，该DC-DC模块输入电压范围为72～144VDC，为监控装置提供了隔离、稳定和宽范围的电源供应。

6.根据权利要求1所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的USB控制器采用单芯片USB至UART桥接芯片CP2102。

7.根据权利要求1所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的逻辑信号处理模块由于电动列车的控制系统、按钮、继电器逻辑信号均是110V直流信号，而监控装置工作电压为5V，所以需要将输入信号降压、隔离、整形以后送至单片机进行采集。

8.根据权利要求1所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的逻辑信号处理模块的频率信号电压范围为0～15V，需先要进行降压、隔离、整形处理，为减轻单片机的工作负担和提高频率计算的准确性，采用硬件定时计数器的方式对频率信号进行计数并计算频率，该频率值被锁存之后由单片机进行读取；具体方法为：用计数芯片CD4040对频率信号进行计数，由单片机的16位定时器提供精确的1秒信号，每秒锁存并读取一次频率值；读取完成后复位CD4040，使其重新开始从0计数。

9.根据权利要求1所述的电动列车关键指令监控装置，其特征在于：所述的模拟信号处理模块在四路模拟信号中，只有两路共地，而这两路与其它两路之间互不共地；根据这一特点，在信号调理时采用差分信号的处理方法；首先将各路电压调整至0～5V的范围，然后由模拟多路器选择其中的一路作跟随和滤波处理，最后送至单片机的A/D转换器，在单片机控制下将模拟信号转换成数字信号，并保存到存储器中。

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