CN106933155A

CN106933155A - 一种地铁车辆运行记录装置

Info

Publication number: CN106933155A
Application number: CN201710238054.5A
Authority: CN
Inventors: 杨建伟; 姚德臣; 李熙; 谢浩; 张骄; 沈超; 廉朋
Original assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Current assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2017-07-07

Abstract

本发明提供一种地铁车辆运行记录装置，该装置取牵引、制动控制电路相关节点作为记录“点”，采用磁耦合技术隔绝所有输入回路串扰问题，列车控制回路监视系统具备24路输入，用于对直流电压进行监测和跟踪记录，利用SD卡记录电压数据，PC端管理软件通过USB口，将数据读入PC端，并通过软件的显示界面对数据进行测量和分析。

Description

一种地铁车辆运行记录装置

技术领域

本发明涉及地铁车辆运行监控领域，具体涉及地铁车辆行车记录技术。

背景技术

近年来，随着列车控制网络和现场总线技术的快速发展，列车网络监控系统在地铁车辆中开始得到大量应用，能够实现对列车运行状态的监测和记录。时间记录设备能按时间和列车运行坐标位置顺序地将车辆运行速度、司控器手柄位置、司乘人员控制状况、制动风缸压力、紧急制动施加状态等与车辆安全相关的信号完整记录下来。记录的数据可用于事故时的分析和明确事故责任，最主要的是管理人员可通过每趟列车运行数据的分析及时发现一些事故隐患，做到防患于未然。

由于地铁车辆设计和制造的差异性，地铁大系统对地铁车辆部件产生的电磁干扰以及部件自身的质量和老化、人为操作失误等都将会对车辆运营安全带来威胁。因此所有车辆故障的发生，需要事件记录设备完整的记录整个过程，便于分析，从而制定有针对性的整改措施。在国内基本没有安装事件记录设备，有些记录设备只能记录一些简单的车辆信息，包括牵引指令输出、制动指令输出、速度曲线等等，不能反映出车辆部件的工作状态，适用性有限。一旦发生车辆故障，没有完整和全面的记录，检修人员不能判断各类按钮，继电器、开关等所输出和输入的信息，无法识别故障点。这样给已发生的故障和事故分析带来一定困难。目前国内外地铁车辆运营单位对此情况非常重视，认为在地铁车辆上安装地铁列车事件记录装置有助于提高科学化管理水平，正确评估地铁列车设备的性能和发生事故的真正原因。

现在国内运营中的大部分城轨列车没有安装事件记录装置，但其监控中心中一般会集成数据记录装置单元，在主机处理单元的卡槽内装有可移动的存储卡，数据记录在该卡上。目前，事件记录装置只能记录车辆的简单运行信息。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供的地铁车辆运行记录装置完善了当前记录装置记录数据少的弱点，利用磁耦隔离技术防止装置对其他地铁部件造成损坏，并能够通过扩展不断的增加监控点，可以根据用户需要及时的调整监控点。其具体采用如下技术方案：该装置包括前面板、上盖板、侧挡板、下底板、背板、采编模块、存储模块、控制模块，所述前面板安装有24V DC电源输入接头、设备开关和状态指示灯，采编模块、存储模块、控制模块均插接于所述背板，所述采编模块包括调理采集单元、磁耦隔离单元、编码发射单元、电源管理单元，所述调理采集单元通过所述磁耦隔离单元与所述编码发射单元连接，所述电源管理单元分别与所述调理采集单元和所述编码发射单元连接；

所述存储模块包括接收解码单元、数据存储单元、弹地通讯单元；

所述控制模块包括供电单元、控制软件单元、通讯单元，所述供电单元包括限流电阻、Π型滤波器、共模电感、去耦电容；

所述编码发射单元包括FPGA模块，所述FPGA模块上设置有用于接收所述调理采集单元数据的AD/DA接口、用于与所述接收解码单元进行数据传输的数据传输接口、用于与所述接收解码单元进行通讯的通讯接口；

所述接收解码单元包括FPGA控制器，FPGA控制器控制所述编码发射单元与所述接收解码单元之间的数据传输与通讯，FPGA控制器设置有异步模拟量输入接口、异步数字量输入接口、同步模拟量输入接口、高速LVDS数字输入接口。

优选地，所述控制模块与存储模块集成于一个板卡。

优选地，电源管理单元包含转配电电路、接口保护电路、充电电路、一级换流模块、二级换流模块。

优选地，所述控制软件单元具有控制软件界面，在数据采集状态下，可通过USB电缆将便携计算机与记录装置相连，在控制软件界面点击 “开始传输”按键，将存储模块的数据返回上位机，由其保存为文件存于硬盘，在控制软件界面点击 “格式化”按键，设备将存储模块中的数据删除，在控制软件界面点击 “设置时间”按键，将记录装置的内部时间同步到上位机时间。

本发明具有如下有益效果：

（1）由于地铁大系统对地铁车辆部件容易产生电磁干扰，利用磁耦隔离技术，使得记录装置仅接受信息的输入，而不会数据回流，造成对其他部件的干扰与损坏。

（2）能够通过扩展不断的增加监控点，可以根据用户需要及时的调整监控点。

（3）作为一个独立的记录单元，增加了事件记录装置的工作稳定性，可以长时间带电工作。增加了事件记录装置的数据存储量，可以记录大量的信息数据，便于故障的分析。

附图说明

图1 是本发明的结构设计图。

图2是本发明的结构爆炸图。

图3 是本发明的模块组成图。

图4 是编码发射单元结构图。

图5 是电源管理单元原理框图。

图6 是接收解码单元原理框图。

图7 接口保护电路原理图。

图8 是数据回读界面。

具体实施方式

地铁车辆运行记录装置硬件结构包括前面板1、侧挡板2、上盖板3、下底板5、采编模块6，前面板1安装有24V DC电源输入接头、设备开关和状态指示灯，控制模块与存储模块集成于一个板卡4，背板7用于安装板卡4和采编模块6。各挡板之间采用螺栓可靠连接，背板与前挡板之间采用螺栓固定，板卡和采编模块直接插入背板，实现可插拔式结构。如图1和2所示。

地铁车辆运行记录装置的地铁事件的数据记录通过采编（SCP）部分、存储（DSP）部分、控制（DCP）部分三大部分实现，各部分的组成、连接及传输关系如图3所示。

（一）采编（SCP）部分：

（1）调理采集单元-ASU（Adjust Sample Unit）；

AD芯片采用AD公司的“24 Channel DAS with 12-Bit, Bipolar Input,Simultaneous Sampling ADC AD7606” 芯片，它具有24通道的输入，由于设计的一个编码发射单元-CEU可以连接多个调理采集单元-ASU，并且所有的连接通道均可同步采集，所以需要设计多个AD芯片的“CONVST、RESET、RANGE、RD/CLK、CS、BYTE SEL”等管腿需要连接在一起，由FPGA统一控制，所以需要在相应的部分加上驱动，驱动选择放在调理采集单元-ASU上，采用74HC07芯片即可。将启动采集的CONVSTA和CONVSTB连接到一起，由FPGA统一控制。

（2）编码发射单元-CEU（Code Emisit Unit）；

编码发射单元-CEU：完成对调理采集单元-ASU的各个信号的采集、编码和传输、与存储（DSP）部分的通讯，如图4所示。

（2.1）供电部分

表1 供电芯片

序号	芯片型号	供电部分	供电电流	备注
					1	LM 117-1.2	FPGA内核	0.1A
2	LM 117-2.5	PLL锁相环	0.1A
					3	LM 117-3.3	数字接口	0.05A

（2.2） FPGA选择

选型：ALTERA 公司的EP3C10E144型号的FPGA芯片。

管教分配：EP3C10E144型号的FPGA共144个管腿，可用作输入输出设置的为96个管腿。

表2 FPGA芯片

序号	接口	管腿数量	备注
				1	与调理采集单元的AD芯片接口	不公用：5*8=40
2	通讯接口	2
				3	数据传输接口	4
4	备用	10
						合计：66

（2.3）编码设计

以200Hz作为采样的基准频率，其他采样频率均由其分频得出，这样就可以保证所有板的所有通道之间互相同步。

设置一个计数器，由200Hz触发，初始值为0，计数步长为5，计数值超过999时清0。这个计数器的计数值即是一个相对时钟，单位是微秒。

单块采集板的一个采样点数据组成一个采样帧，其格式为：

表3 采样帧

帧头：为固定值0xEB90。发送时从高位开始发。

板号：采集板的序号。

帧序号：FPGA每发送一帧此序号都会加1，超过255则清0。用于检验是否丢帧。

相对时间：以微秒为单位的时间。用于数据解析时，不同板之间的数据同步。

（3）电源管理单元-PMU（Power Management Unit）。

电源管理单元PMU（Power Management Unit）为整个事件记录装置提供供电解决方案。电源管理的设计比较灵活，应随着数据记录装置的使用场合及供电环境而变化，但从原理上说，电源管理单元包含转配电电路、接口保护电路、充电电路、一级换流模块、二级换流模块组成，如图5所示。

为确保瞬时高压脉冲不会影响本组件的正常工作，同时切断瞬时高压脉冲电路耦合或空间耦合路径，避免其从本组件串入其他线路，采用磁隔离技术。

磁耦均带有25KV/us的瞬态共模抑制能力，且能够在电压差峰值560V的环境下正常工作。磁耦器件可提供5000Vrms/min及6000V/10sec的电压隔离保护，多种型号的磁耦带有±15KV的ESD保护。事件记录装置同时具备开关量和模拟量的采集功能。由于模拟量的采集接入电压较高，采用降压的策略进行模拟电压量的采集记录，同时为保证高低电压的转换成标准的线性的关系，采用磁藕隔离技术。磁耦可有效的消除与光耦合器相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题。

采用芯片级变压器技术传输信号，消除光耦传输时的器件损耗。器件内部基本不存在损耗，正常工作条件下至少达到50年工作寿命。磁耦能够在低功耗的条件下实现150Mbps的高速数据隔离，光耦鲜有如此高的传输速率，实现同样高的传输速度，磁耦比光耦有着更高的性价比。磁耦芯片内部含有施密特电路，能够对输入输出的电路滤波整形。磁耦基于芯片级变压器传输原理，信号传输时几乎不存在能量损耗，因此能以极低的功耗实现高度的数据隔离。相同速率下，其功耗仅为光耦的1/10~1/6。磁隔离技术是通过采用晶圆级工艺直接在片上制作直径约500um的变压器来实现的。利用此平面变压器的独特特征以及一些创新的电路设计，磁隔离产品可以在不影响性能的前提下，在一个封装内集成许多不同的特性与功能。磁耦采用的标准封装：SOIC-8、SOIC_W-16及SOIC_W-20等。磁耦的小体积及多种通道配置，是电路设计更加简洁，应用更加灵活。集成的多种接口收发器使得接口隔离电路集成度更高，线路连接大大减少。

（二）存储（DSP）部分：

（1）接收解码单元-RDU （Receive Decode Unit）；

接收单元的接口与编码发射单元的接口对应，由FPGA控制器控制接收与解码功能。其原理与编码发射单元正好相反，接收解码后的数据送给存储单元存储记录。如图6所示。

模拟量和数字量同时采集记录：所有待测信号，均按模拟量进行采集，在数字域与门限比较，将数字量转变为开关量。这样做具有以下优点：（1）可以灵活设置开关量门限；（2）任意路输入信号都可以选择采集方式。

（2）数据存储单元-DSU （Data Save Unit）；

采用混合编码与接收解码技术，能极大的缩减存储单元的数量，使存储单元独立成一个部分，便于对其进行防护与操作。但必须解决的技术就是单存储单元的高速存储技术。

存储单元目前多数选择电子盘，因为其具有体积小、读写速度高、存储容量大的特点。由于电子盘具有写入速度不均匀的特性，采用CPU定时写入的方式不能提高电子盘的写入速度。为此，采用以下方式：选用TI公司的TMS320F28335PGFA控制芯片作为CPU处理器，该CPU具有DMA数据传输控制器。增加FIFO读写方式的“大容量缓存RAM”。首先，采用CPU的DMA传输方式，把数据由“双口RAM” 传输到“大容量缓存RAM”；然后， CPU采用“查询“的方式，将“大容量缓存RAM”中的数据写入到电子盘。

所谓“查询”方式，即：当CPU程序启动存储后，CPU不断扫描电子盘是否处于BUSY状态，判断是否可以进行写操作。只要电子盘的写状态位有效，就立即将缓存的数据写入电子盘。这样，不管电子盘的写入速度是处于高峰还是低谷，都可以及时写入数据，解决了CPU的写入速度与电子盘存入速度不均匀的矛盾。

任意时刻数据下载技术：事件记录装置的数据下载支持高速USB 3.0，同时USB接口可为事件记录装置进行供电。这样，可保证24路7*24小时的数据（2GB），在6分钟之内全部下载完成，也可保证事件记录装置在列车未供电的情况下，进行数据下载，并及时分析。

（三）控制（DCP）部分：

（1）供电单元；

为了防止短路、断路等对设备电源产生影响，所以对供电部分要求具有过流、过压的要求。如图7所示。

R1：为限流电阻；

L1、C1、C2：组成Π型滤波器，可以滤除高压高频的干扰；

L2、L3：为共模电感，可以消除共模干扰；

C3、C4：成对并联使用的去耦电容，可以滤除较大频段的干扰（350Hz～10MHz）；

D1：过压保护；

表4 供电电路元器件选型表

序号	标号	型号	厂家
				1	R1	RJ57-1W-2Ω±5%	718厂
2	C1	CBB20-AC400VDC630V-0.1uF	718厂
				3	L1	HYL3482 6.8uH	798厂
4	C2	CT41-1206-2R1-50V-104-K-N-B	北元六
				5	L2 L3	HYL3481 680uH	798厂
6	C3	JCAK 63V-22UF±10%	718厂
				7	C4	CT41-1206-2R1-50V-104-K-N-B	北元六
8	D1	1.5KE33CA	873厂

（2）控制软件单元；

事件记录装置与电脑通过USB进行连接，提供事件记录装置硬件设备在Vista、Win7、Win8、Win8.1、Win XP等环境下的各种驱动。

数据读取界面包括数据传输、数据擦除、时间设定，如图8所示。数据传输：在采集状态下，可通过USB电缆将便携计算机与行车记录装置相连，在控制软件界面点击 “开始传输”按键，设备将存储于设备内部存储器中的数据返回上位机，由其保存为文件存于硬盘。数据擦除：在采集状态下，可通过USB电缆将便携计算机与行车记录装置相连，在控制软件界面点击 “格式化”按键，设备将存储于设备内部存储器中的数据删除。时间设定：在采集状态下，可通过USB电缆将便携计算机与行车记录装置相连，在控制软件界面点击 “设置时间”按键，将设备内部时间同步到上位机时间。

数据回放：事件记录装置实现7天循环覆盖存储，记录的数据容量为2GB。可以通过点击“选取曲线”选择需对比显示的信号曲。可以在右上角下拉菜单中选择缩放倍数，对所有信号进行同步缩放。若只需观察一路信号，可以通过鼠标直接在曲线上操作。

事件记录装置技术指标如下：

（1）采集通道：24路；

（2）每路电压输入：0～150V DC；

（3）18路记录高低电平信号：当采集的电压值为77 ~136V时，认为系统工作正常，记录为1，当采集的电压值不在77~136V之间时，认为系统工作不正常，记录为0；

（4）6路记录模拟电压值；

（5）测量精度：优于0.5V；

（6）每路输入均采用电压隔离技术，不会对列车的其他信号产品干扰；

（7）每路采样率：10 Hz、20 Hz、50 Hz、100 Hz、200Hz，程控分档可设；

（8）设备内置16GB存储卡，可连续记录7天，然后循环覆盖记录；

（9）记录时间：系统内置绝对时间时钟；

（10）系统供电：24V DC±20%；

（11）信号输入可抗峰值为1500V的脉冲电压，持续时间1s；

（14）系统工作方式：设备上电，开始记录；设备断电，停止记录；

（15）通讯接口：USB接口，每台设备下载全部数据的时间约6分钟；

事件记录装置完成常态测试：

（1）精度测试：使用高精度信号源标定每个测量通道，测量误差小于0.5V。

（2）记录容量测试：根据原理分析和7天连续加电测试，事件记录装置在200Hz采样率、6路模拟量和18路开关量的条件下可存储7天测量数据。

（3）高压脉冲测试：信号输入接口接入1500V/1s高压信号，采样值为AD最大值。试验后测试设备运行正常。

事件记录装置完成的试验内容：

表5 环境适应性试验内容

环境适应性试验结论：通过对试验数据分析，事件记录装置在环境试验中均工作正常，性能稳定。振动试验条件达到《IEC61373:2010机车车辆设备冲击振动试验》中的功能随机振动试验条件。冲击试验条件达到《IEC61373:2010机车车辆设备冲击振动试验》中的冲击试验条件。

事件记录装置电磁干扰性试验内容：（1）天线谐波和乱真输出辐射发射；（2）电缆注入传导敏感度；（3）电源线传导发射；（4）电场辐射发射。

电磁干扰性试验结论：事件记录装置的电磁兼容试验按照GJB151A标准执行，该标准覆盖《GB/T 24338.4:2009 轨道交通电磁兼容第3.2部分机车车辆设备》中要求试验条件要求。在GJB151A的标准条件下，事件记录装置工作正常，性能稳定。

Claims

1.一种地铁车辆运行记录装置，该装置包括前面板、上盖板、侧挡板、下底板、背板、采编模块、存储模块、控制模块，所述前面板安装有24V DC电源输入接头、设备开关和状态指示灯，采编模块、存储模块、控制模块均插接于所述背板，其特征在于，

所述采编模块包括调理采集单元、磁耦隔离单元、编码发射单元、电源管理单元，所述调理采集单元通过所述磁耦隔离单元与所述编码发射单元连接，所述电源管理单元分别与所述调理采集单元和所述编码发射单元连接；

2.如权利要求1所述的一种地铁车辆运行记录装置，其特征在于，

所述控制模块与存储模块集成于一个板卡。

3.如权利要求1所述的一种地铁车辆运行记录装置，其特征在于，

电源管理单元包含转配电电路、接口保护电路、充电电路、一级换流模块、二级换流模块。

4.如权利要求4所述的一种地铁车辆运行记录装置，其特征在于，

所述控制软件单元具有控制软件界面，在数据采集状态下，可通过USB电缆将便携计算机与记录装置相连，在控制软件界面点击 “开始传输”按键，将存储模块的数据返回上位机，由其保存为文件存于硬盘，在控制软件界面点击 “格式化”按键，设备将存储模块中的数据删除，在控制软件界面点击 “设置时间”按键，将记录装置的内部时间同步到上位机时间。