CN103049944B - 内燃机车运行数据记录装置 - Google Patents

Abstract

一种内燃机车运行数据记录装置，包括：主控组件，用来实现机车数据采集逻辑控制，以及数据记录、转储和通信功能；通讯组件，包括RS422/485串口电路、RS232在线调试通讯电路、以太网接口、USB接口电路；信号采集与输出组件，包括16路数字量采集电路、两路电压型模拟量采集电路、两路电流型模拟量采集电路、两路频率信号采集电路、一路模拟量输出电路以及四路数字量输出电路；驱动灯显示组件，用于显示数据记录仪运行状态；电源组件，用来为上述各电路或组件提供电源。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、操作简便、可大幅度提高产品可靠性、灵活性等性能、可通过配置扩大其适用范围等优点。

Description

内燃机车运行数据记录装置

技术领域

本发明主要涉及到领内燃机车运行控制系统领域，特指一种内燃机车运行数据记录装置。

背景技术

长期以来，国内内燃机车运行数据监控一直采用的是机车运行监控记录装置，即：通过与地面信号机实时通讯，监控机车运行状态防止机车违规行驶；以及根据机车运行状态变换激发装置记录地面信号机、机车速度、工况等数据。同时，机车运行监控记录装置还配置有显示屏进行人机交互功能。但是，传统的机车运行监控记录装置整机的功能全备，监控系统过于庞大，设备包括上载系统和地面系统，整体成本较高，而且整个系统必须覆盖全铁路系统，对于国外无地面系统配置的出口内燃机车却无法适用。

另有从业者研发了一种数据记录装置，但是其仅局限于通过RS422通信方式，并依赖第三方设备采集数据，整个结构的等级较弱，无法实现黑匣子结构的强度要求，即无法保证在机车受到撞击等意外情况下数据的安全性；且，存储容量有限，无法满足大量数据、高密度的记录要求，也无法灵活选择数据采集模式。

现有的模拟控制方式存在以下缺点：监控系统过于庞大，地上设备、车载设备，在国外很难推广。结构等级过于脆弱，无法实现黑匣子结构的强度要求。存储容量有限，无法满足大量数据、高密度的记录要求。无法灵活选择数据采集模式。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、操作简便、可大幅度提高产品可靠性、灵活性等性能、可通过配置扩大其适用范围的内燃机车运行数据记录装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种内燃机车运行数据记录装置，包括：

主控组件，用来实现机车数据采集逻辑控制，以及数据记录、转储和通信功能；

通讯组件，与主控组件相连；通讯组件包括RS422/485串口电路、RS232在线调试通讯电路、以太网接口、USB接口电路；其中，RS422/485串口电路用于与第三方设备通信，交换数据，作为通讯工作模式的数据接收通讯接口；RS232在线调试通讯电路用于在线调试；以太网接口用来与控制器或计算机相连；USB接口电路用于使用U盘对记录仪内部数据的转储；

信号采集与输出组件，与主控组件相连；信号采集与输出组件包括16路数字量采集电路、两路电压型模拟量采集电路、两路电流型模拟量采集电路、两路频率信号采集电路、一路模拟量输出电路以及四路数字量输出电路；所述电压型模拟量采集电路用来对电压类型的模拟量信号采集和处理，所述电流型模拟量采集电路用来对电流模拟量信号采集和处理，所述数字量采集电路用来对机车110V开关量输入信号的进行检测、转换，所述频率信号采集电路用来完成对机车频率量输入信号的变换，所述模拟量输出电路用来完成1路电流输出，所述数字量输出电路用来完成110V电器驱动和里程计的驱动；

驱动灯显示组件，设置于面板上，用于显示数据记录仪运行状态；

电源组件，用来为上述各电路或组件提供电源。

作为本发明的进一步改进：

所述主控组件采用CPU作为控制核心，辅以一片FPGA构成硬件电路，通过FPGA负责数据总线管理及负责IO数据采集逻辑，通过CPU负责通信管理，进行数据长短期存储、数据管理、数据下载。

所述主控组件上设置有：

电源电压监视电路，用于监测外部电源的工作状况，通知CPU进行必要的掉电保护和系统复位操作；

RTC日历时钟接口电路，用来设置RTC日历时钟电路，用于数据记录功能；RTC选用串行接口的芯片，通过I2C接入CPU，并采用大电容作为后备电池；

存储功能单元，作为CPU程序、数据的存储场所，根据功能为CPU提供需要的存储器配置；

非易失性存储器NORFLASH，用于存放引导代码、存放操作系统、应用程序代码；使用铁电存储器作为机车运行数据的缓存区；

数据库NANDFLASH，用于存储机车运行数据；

动态易失性存储器SDRAM，主要用于程序的动态加载，以及大量中间数据的暂存；SDRAM存储器数据区分为两个部分，一部分作为操作系统和应用代码的加载用，另一部分作为数据区使用。

所有单元或组件均安装于作为全金属密闭外壳的盒体内，所述主控组件的CPU安装于CPU板上，所述电源组件安装于IO板上，所述CPU板和IO板均安装于盒体的内腔中；CPU板与IO板分上、下层并通过接地螺栓固定，散热铜片紧贴电源组件和盒体的内侧壁安装。

所述盒体上设置有铝盖，所述铝盖的外表面上设有若干条凹凸槽。

所述主控组件上还设有：

电源电压监视电路，用于监测外部电源的工作状况，通知CPU进行必要的掉电保护和系统复位操作；

RTC日历时钟接口电路，设置RTC日历时钟电路，用于数据记录等功能；

存储功能单元，存储器子系统作为CPU程序、数据的存储场所，根据功能为CPU提供需要的存储器配置；

非易失性存储器NORFLASH，配置16MB的NORFLASH，用于存放引导代码、存放操作系统、应用程序代码；使用128KB的铁电存储器作为机车运行数据的缓存区；

数据库NANDFLASH，用于存储机车运行数据；

动态易失性存储器SDRAM，主要用于程序的动态加载，以及大量中间数据的暂存，容量为32M字节；所述SDRAM存储器数据区分为两个16M的部分，一部分作为操作系统和应用代码的加载用，另一部分作为数据区使用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的数据记录装置结构简单，可以适时记录、保存机车运行时的重要数据，具有高IP等级、体积小、成本低等优点，以保证在机车事故特殊情况下数据的安全；本发明进一步提供数据下载端口和数据分析软件，可对机车运行的历史数据进行系统的分析。

2、本发明的数据记录装置，可以应用于没有监控系统的内燃机车铁路系统，从而实现机车运行数据的存储与分析。

3、本发明的数据记录装置，以性能稳定的CPU为控制核心，综合实现了的IO数据采集、通信和存储、下载等功能，充分体现了数字电路设计灵活、扩展性好、升级换代容易、产品维护工作量小等优势，可以最大程度地在不更改硬件电路的前提下充分满足用户的需求。

附图说明

图1是本发明内燃机车运行数据记录装置的组成框架示意图。

图2是本发明具体应用实例中电源组件的示意图。

图3是本发明具体应用实例中通信组件的示意图。

图4是本发明具体应用实例中盒体上铝盖的俯视结构示意图。

图5是本发明具体应用实例中面板上接口的布置示意图。

图6是本发明具体应用实例中盒体内部的布置示意图。

图7是本发明具体应用实例中电压型模拟量采集电路的示意图。

图8是本发明具体应用实例中电流型模拟量采集电路的示意图。

图9是本发明具体应用实例中数字量采集电路的示意图。

图10是本发明具体应用实例中频率信号采集电路的示意图。

图11是本发明具体应用实例中模拟量输出电路的示意图。

图12是本发明具体应用实例中数字量输出电路的示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的内燃机车运行数据记录装置，包括电源组件1、通讯组件、驱动灯显示组件、主控组件、信号采集与输出组件。主控组件是本发明内燃机车运行数据记录仪的主控部分，主要功能有：实现机车数据采集逻辑等控制，以及数据记录、转储和通信功能；作为装置中总线的主控制器，用来实现所有外围单元的数据交换。本实施例中，主控组件采用32位ColdFire5235CPU作为控制核心，辅以一片FPGA构成硬件电路，由FPGA负责数据总线管理及负责IO数据采集逻辑；CPU负责通信管理，进行数据长短期存储、数据管理、数据下载。本发明上可以应用VxWorks实时多任务操作系统。目前，主控组件上（即硬件电路板上）主要配置的资源包括：程序存储、数据存储、通用串口扩展、调试应用下载接口、任务状态指示等等。其中：

1、电源电压监视电路：用于监测外部电源的工作状况，通知CPU进行必要的掉电保护和系统复位等操作。

2、RTC日历时钟接口电路：设置RTC日历时钟电路，用于数据记录等功能。RTC选用串行接口的芯片，通过I2C接入CPU，采用大电容作为后备电池。

3、存储功能单元：存储器子系统作为CPU程序、数据的存储场所，根据功能为CPU提供需要的存储器配置。

4、非易失性存储器NORFLASH：配置16MB的NORFLASH，用于存放引导代码、存放操作系统、应用程序代码。各代码以文件系统格式存放，方便更新。引导代码调试完成后，经FPGA设置引导代码FLASH的写保护。另外，使用128KB的铁电存储器作为机车运行数据的缓存区。

5、数据库NANDFLASH：用于存储机车运行数据，容量为512MB。

6、动态易失性存储器SDRAM：主要用于程序的动态加载，以及大量中间数据的暂存，容量为32M字节。SDRAM存储器数据区分为两个16M的部分，一部分作为操作系统和应用代码的加载用，另一部分作为数据区使用。在操作系统和应用代码加载完成以后，将前一部分数据区设置成只读代码段，防止运行出错造成代码段的破坏。尝试热启动后跳过操作系统和应用代码的重新加载过程，加快系统的热启动速度。

在本实施例中，本发明中所使用的具体存储方式为：采用一片128KB的铁电闪存和一片512MBNAND闪存，NAND闪存作为数据存储介质，其特点为容量大，但读写速度较慢，它的最小操作单位为Page，一个Page有2K数据内容，也就是说NAND闪存的数据以2K为单位。铁电闪存，其特点为数据读写速度较快，但容量较小，适合作为数据存储的缓存，将实时数据暂时存储在铁电闪存中，累计达到2K后，执行转储命令，将数据转存至NAND闪存中，完成一个数据存储的周期。

如图3所示，本实施例中，通讯组件包括RS422/485串口电路、RS232在线调试通讯电路、以太网接口、USB接口电路；其中，RS422/485串口电路用于与第三方设备通信，交换数据，作为通讯工作模式的数据接收通讯接口。RS232在线调试通讯电路用于在线调试，可通过通讯实时在线调试软件。以太网接口（例如为100M）则用来与控制器或计算机相连，控制器可采用CPU内部的控制器，作为外部网络接口或调试、机车运行数据下载等接口，如接口为RJ45接口。USB接口电路应用于U盘对记录仪内部数据的转储，只需插上U盘，便可自动下载数据，并由LED灯指示下载进程。本发明由于采用了RS422/485串口电路，可以很方便地通过计算机串口通讯实现程序下载和程序在线故障诊断功能，从而不需要拆卸装置就可以完成在线故障诊断和程序下载升级功能。本发明具有两种工作模式可供选择，通信模式和IO采集模式。

由上可知，本发明利用通讯组件具有两种可选方式：通信方式或者IO信号采集方式，实时进行机车运行数据的采集，将数据长期进行存储；提供以太网口或是USB优盘下载到PC机，以图表、波形视图方式对行车状态进行安排分析和事故分析，并能以文件形式存档。即本发明可以通过软件升级的方式应对用户提出的不同的新需求，灵活性高，可以通过面板上的连接器由串口、以太网下载程序，进行升级或更换程序等操作，同时也可以通过串口与电脑通讯很方便进行现场故障在线诊断、调试等操作。

本发明的下载提供了两种方式：第一种方式，通过USB接口进行优盘下载。优盘插入USB接口后，装置自动识别优盘，并将NAND闪存中的数据全部下载入优盘。第二种方式，通过以太网接口FTP下载。利用网线和移动电脑设备下载，打开数据分析软件中的数据下载窗口，可选择时间范围下载数据。

本发明的信号采集与输出组件包括16路数字量采集电路、两路电压型模拟量采集电路、两路电流型模拟量采集电路、两路频率信号采集电路、一路模拟量输出电路以及四路数字量输出电路，此设计可以方便以后用户提出不同需求的时候灵活变化，这种变化不需要改动任何硬件电路而只需要重新定义接口、升级软件即可。

电源组件1，主要是用来为本发明装置各部分电路或组件提供电源。如图2所示，本实施例中，电源组件1由蓄电池提供直流110V的电压，由一个开关电源P1通过DC/DC变换为直流5V（典型值），输入输出地隔离。该电源供整个装置模拟电路和部分数字电路使用。经过DC/DC开关电源P3把直流5V变成直流12V（典型值），供电给光耦隔离驱动电路。开关电源P2把直流5V变换成直流±15V供电给电路板上运算放大器，直流5V的地和直流±15V的地通过两个磁珠连接在一起。由开关电源芯片P4实现直流5V隔离变成直流5V，提供串口通讯隔离电源。

驱动灯显示组件，共设有8个LED灯，设置于面板上，用于显示数据记录仪运行状态，可显示电源状态、数据存储状态以及系统工作是否正常等，方便用户和技术支持人员在现场第一时间了解装置的工作状况以及快速定位故障信息等。除此之外，还可根据客户功能不同需求，修改软件即可。

本发明的内燃机车运行数据记录装置中所有部件均安装于一盒体2内，盒体2采用铸铝盒体，即采用铸铝全金属密闭外壳，整体结构强度高，防尘、防腐性能好，电磁干扰屏蔽性好。盒体2内的空间布置合理，整体结构十分紧凑，还预留有可用于升级的扩展空间，可以针对不同工作环境做改型。由于本发明的结构采用了金属化全密闭的结构，因此电磁屏蔽性能良好，机械强度大，可靠性大大提高。

如图6所示，本发明中主控组件的CPU安装于CPU板3上，电源组件1安装于IO板4上，CPU板3和IO板4均安装于盒体2的内腔中。CPU板3与IO板4分层并通过接地螺栓5固定，电源组件1、铸铝盒体2的内侧壁涂上导热硅脂后，将散热铜片6用螺丝紧贴电源组件1和铸铝盒体2的内侧壁安装，通过铝盒散热，由于散热面积变大，因此整体散热性能十分良好。本实施例中，CPU板3与IO板4为两块单板并分上、下层安装，需要先将下层CPU板3安装完成后，再安装上层IO板4以及散热铜片6，然后将对外插头一一对应安装在IO板4的插座上，最后安装盒体2上的铝盖7；当然，在其他实施例中，也可以采用插件模式，在盒体1内安装导轨，单板以插件的模式安装。同时，由于本发明大量采用了表面贴器件，减小了产品的体积，提高产品可靠性，为用户节省了宝贵的机车上的安装空间。

如图4所示，本实施例中，盒体2上铝盖7的外表面上设有若干条凹凸槽8，凹凸槽8的设计增大了铝盖7和空气接触的表面积，充分增大了本发明装置中位于盒体2内部电子元器件发热的散热面积，有效降低了密闭模块内部电子元器件的表面温度和结温，进而极大的提高了系统的可靠性。

本实施例中，整个电路各个部分的放电间隙都超过相关标准，设计时仔细考虑绝缘，使用了特制的绝缘零件，保证即使由不同熟练程度工人来组装也可以生产出可靠绝缘性的产品。把电磁兼容性提到相当高的要求：整个产品接缝紧密，并且采用迷宫结构进而大大提高屏蔽性能，各个金属部分之间接触面都做了导电处理，通过一系列试验验证了产品可以适应各种机车中的电磁环境。盒体2的底部安装孔有无油漆部分，通过安装能够保证本装置的保护地和机车系统地良好可靠地接地，提高了本装置的EMC（电磁兼容性）要求。

如图5所示，本实施例中，本发明的运行数据记录装置上设置有多种用户接口，以供用户下载以及工作状态的实时显示。

如图7所示，本实施例中，电压型模拟量采集电路包括两路电压(0-10V)两种类型的模拟量信号采集和处理，具体包括依次相连的电压型模拟量信号输入端、滤波整形单元、12位A/D转换单元，该12位A/D转换单元的输出端与主控组件中的CPU总线接口相连。

如图8所示，本实施例中，电流型模拟量采集电路包括两路电流（4-20mA）模拟量信号采集和处理，具体包括依次相连的电流型模拟量信号输入端、电流采样单元、运算放大单元、12位A/D转换单元，该12位A/D转换单元的输出端与主控组件中的CPU总线接口相连。

如图9所示，本实施例中，数字量采集电路负责机车110V开关量输入信号的检测、转换，其具体包括依次相连的开关量输入单元、限流限压单元、光电隔离单元、整形滤波单元，该整形滤波单元的输出端与主控组件中的CPU总线接口相连。从开关量输入单元输入的信号，经过限流限压、光电隔离和滤波整形后送CPU总线接口，由主控板完成对各路数字输入信号的读取。数字量采集单元包括16路数字量输入通道，各110V输入通道使用了几个不同的地，可供客户灵活选择，设置主电路保护措施。其中，IN1-IN8的110V地为GGG1，IN9-IN14的110V地为GGG2，IN15、IN16的110V地为GGG3。

如图10所示，本实施例中，频率信号采集电路用来完成对机车频率量输入信号的变换，其具体包括依次相连的信号接口单元、滤波整形单元、比较单元、光电隔离单元、整形输出单元，该整形输出单元的输出端与主控组件中的CPU总线接口相连。采集的频率量信号经过滤波、整形、比较、光电隔离后送到CPU板3。

如图11所示，本实施例中，模拟量输出电路用来完成1路0-20mA电流输出，其具体包括依次相连的12位D/A转换单元、运放隔离单元、电流转换单元，12位D/A转换单元与主控组件中的CPU总线接口相连。

如图12所示，本实施例中，数字量输出电路用来完成110V电器驱动和里程计的驱动，其具体包括依次相连的光电隔离单元、滤波驱动单元、MOS管驱动单元、过压抑止单元，该光电隔离单元与主控组件中的CPU总线接口相连。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种内燃机车运行数据记录装置，其特征在于，包括：

主控组件，用来实现机车数据采集逻辑控制，以及数据记录、转储和通信功能；

通讯组件，与主控组件相连；通讯组件包括RS422/485串口电路、RS232在线调试通讯电路、以太网接口、USB接口电路；其中，RS422/485串口电路用于与第三方设备通信，交换数据，作为通讯工作模式的数据接收通讯接口；RS232在线调试通讯电路用于在线调试；以太网接口用来与控制器或计算机相连；USB接口电路用于使用U盘对记录仪内部数据的转储；

信号采集与输出组件，与主控组件相连；信号采集与输出组件包括16路数字量采集电路、两路电压型模拟量采集电路、两路电流型模拟量采集电路、两路频率信号采集电路、一路模拟量输出电路以及四路数字量输出电路；所述电压型模拟量采集电路用来对电压类型的模拟量信号采集和处理，所述电流型模拟量采集电路用来对电流模拟量信号采集和处理，所述数字量采集电路用来对机车110V开关量输入信号的进行检测、转换，所述频率信号采集电路用来完成对机车频率量输入信号的变换，所述模拟量输出电路用来完成1路电流输出，所述数字量输出电路用来完成110V电器驱动和里程计的驱动；

驱动灯显示组件，设置于面板上，用于显示数据记录仪运行状态；

电源组件，用来为上述各电路或组件提供电源；

所述主控组件采用CPU作为控制核心，辅以一片FPGA构成硬件电路，通过FPGA负责数据总线管理及负责IO数据采集逻辑，通过CPU负责通信管理，进行数据长短期存储、数据管理、数据下载；

所述主控组件上设置有：

电源电压监视电路，用于监测外部电源的工作状况，通知CPU进行必要的掉电保护和系统复位操作；

RTC日历时钟接口电路，用来设置RTC日历时钟电路，用于数据记录功能；RTC选用串行接口的芯片，通过I2C接入CPU，并采用大电容作为后备电池；

存储功能单元，作为CPU程序、数据的存储场所，根据功能为CPU提供需要的存储器配置；

非易失性存储器NORFLASH，用于存放引导代码、存放操作系统、应用程序代码；使用铁电存储器作为机车运行数据的缓存区；

数据库NANDFLASH，用于存储机车运行数据；

动态易失性存储器SDRAM，主要用于程序的动态加载，以及大量中间数据的暂存；SDRAM存储器数据区分为两个部分，一部分作为操作系统和应用代码的加载用，另一部分作为数据区使用。

2.根据权利要求1所述的内燃机车运行数据记录装置，其特征在于，所有单元或组件均安装于作为全金属密闭外壳的盒体内，所述主控组件的CPU安装于CPU板上，所述电源组件安装于IO板上，所述CPU板和IO板均安装于盒体的内腔中；CPU板与IO板分上、下层并通过接地螺栓固定，散热铜片紧贴电源组件和盒体的内侧壁安装。

3.根据权利要求2所述的内燃机车运行数据记录装置，其特征在于，所述盒体上设置有铝盖，所述铝盖的外表面上设有若干条凹凸槽。

4.根据权利要求1所述的内燃机车运行数据记录装置，其特征在于，所述主控组件上还设有：

电源电压监视电路，用于监测外部电源的工作状况，通知CPU进行必要的掉电保护和系统复位操作；

RTC日历时钟接口电路，设置RTC日历时钟电路，用于数据记录等功能；

存储功能单元，存储器子系统作为CPU程序、数据的存储场所，根据功能为CPU提供需要的存储器配置；

非易失性存储器NORFLASH，配置16MB的NORFLASH，用于存放引导代码、存放操作系统、应用程序代码；使用128KB的铁电存储器作为机车运行数据的缓存区；

数据库NANDFLASH，用于存储机车运行数据；

动态易失性存储器SDRAM，主要用于程序的动态加载，以及大量中间数据的暂存，容量为32M字节；所述SDRAM存储器数据区分为两个16M的部分，一部分作为操作系统和应用代码的加载用，另一部分作为数据区使用。