CN110262440B - 轨道车辆牵引系统用数据监控采集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轨道车辆牵引系统用数据监控采集系统及方法，所述系统包括牵引控制器和与牵引控制器连接的监控上位机；牵引控制器设有主控板卡和监控板卡，主控板卡上设有DSP和通过双口RAM与DSP进行数据传输的FPGAⅠ，监控板卡设有与FPGAⅠ通信的FPGAⅡ和与监控上位机连接的以太网模块，FPGAⅠ将直接采集的数据或接收于DSP的数据传输至FPGAⅡ，FPGAⅡ将接收的数据发送至以太网模块，以太网模块将接收的数据以以太网线或无线WiFi形式发送至监控上位机；监控上位机设有监控系统，监控系统包括发送模式选择模块、数据接收模块、数据处理模块、数据存储模块以及数据显示模块。本发明能够消除测试距离的限制,实现数据快速传输，解决了车上试验布线困难及工作量大的难题，所传数据量无需受通道数限制，可观测变量多。
Description
技术领域
本发明属于轨道车辆监控技术领域，涉及轨道车辆牵引系统监控技术，具体地说，涉及一种轨道车辆牵引系统用数据监控采集系统及方法。
背景技术
牵引系统作为轨道车辆动力之源是轨道车辆系统最核心的子系统之一，被誉为轨道交通车辆的“心脏”。牵引系统性能的好坏直接决定了轨道交通车辆的舒适性、可靠性及稳定性等，因此，装车后需要进行大量试验进行考核验证其性能。在试验阶段，需要对牵引系统在线运行状态下输入电压、输入电流、输出电流等关键模拟量以及内部相关控制变量、状态变量进行实时快速监控采集，便于对系统运行状况进行在线监控及数据回放分析。
目前，牵引系统数据快速监控采集通常以下两种方式进行数据监控采集。第一种方式是采用示波器的方式，虽然可以高采样率监控相关部分变量，但需要增加高压隔离电压探头、电流探头等。此种方式引线困难，需要高压引入到车内，存在一定的安全隐患，且只能监控到电压、电流等外部变量，牵引系统内部变量无法监控，可用性非常局限。第二种方式是采用数据记录仪的方式，控制器内部主控CPU板卡将需要观测的数据通过特定协议快速传给专用数模转换板卡，专用板卡将数字量转换为一定范围内的模拟量，模拟量通过长的屏蔽线缆接到车厢内。再通过专用转换板卡将线缆上各模拟量通道转换成独立的带BNC接头通道，以便于连接到数据记录仪上进行数据监控采集。此种方式虽可快速在线实时监控采集，但数据经历了数转模，再模转数两次转换，且经过长导线传输，易受干扰，其精确度难以保证。还受限于模拟量通道数量，同一时刻只能监控部分变量。而且现场布线困难，不易操作，所需仪器价格昂贵且沉重，现场携带极其不便。
发明内容
本发明针对现有牵引系统数据监控采集时存在的布线困难等上述问题，提供了一种轨道车辆牵引系统用数据监控采集系统及方法，能够消除测试距离的限制，解决了车上试验布线困难及工作量大的难题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种轨道车辆牵引系统用数据监控采集系统，包括牵引控制器和与所述牵引控制器连接的监控上位机；
所述牵引控制器设有主控板卡和监控板卡，所述主控板卡上设有DSP和通过双口RAM与所述DSP进行数据传输的FPGAⅠ，所述监控板卡设有与所述FPGAⅠ通信的FPGAⅡ和与所述监控上位机连接的以太网模块，FPGAⅠ将直接采集的数据或接收于DSP的数据传输至FPGAⅡ，FPGAⅡ将接收的数据发送至以太网模块，以太网模块将接收的数据以以太网线或无线WiFi形式发送至监控上位机；
所述监控上位机设有监控系统，所述监控系统包括：
发送模式选择模块，用于选取需监控的牵引系统及数据发送模式；
设有数据接收缓存区的数据接收模块，用于实时接收以太网模块发送的数据，将接收的数据依次放入数据接收缓存区，并记录相应的位置；
设有数据处理缓存区的数据处理模块，当数据接收缓存区的数据多余处理的数据时,用于对数据进行解析处理，并将解析后的数据放入数据处理缓存区；
数据存储模块，用于实时存储数据处理模块处理后的数据；
数据显示模块，用于实时显示数据处理模块处理后的数据。
进一步的，还包括交换机，所述以太网模块与所述交换机直接连接，所述交换机与设于所述监控上位机内部的以太网网卡通过以太网线或无线WiFi进行数据传输。
优选的，所述FPGAⅠ和FPGAⅡ均设有Linkport接口，所述FPGAⅠ的Linkport接口与所述FPGAⅡ的Linkport接口连接，所述FPGAⅠ与FPGAⅡ之间通过Linkport通信协议进行通信。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种轨道车辆牵引系统用数据监控采集方法，其具体步骤为：
主控板卡上的DSP在定时器中断中按照固定频率将需要观测的数据通过双口RAM传输至主控板卡上的FPGAⅠ；
主控板卡上的FPGAⅠ将其直接采集的数据或接收于DSP的数据通过Linkport通信协议传输至监控板卡上的FPGAⅡ；
监控板卡上的FPGAⅡ与监控板卡上的以太网模块进行实时数据交互，以太网模块将接收于FPGAⅡ的数据以数据包的形式发送至监控上位机；
监控上位机以以太网线或者无线WiFi形式接收数据包并发送至监控上位机内的监控系统，监控系统对数据包进行接收、解析缓存处理，并对处理后的数据进行存储，同时以波形的形式进行显示。
优选的，监控系统对数据接收、处理、存储、显示采用四线程并发同步运行的方式，所述四线程为：
数据接收线程，用于负责实时接收数据，将接收的数据依次放入数据接收存储区，并记录相应的位置；
数据处理线程，用于负责当接收缓存区的数据多于处理的数据时，进行数据解析处理，并将解析后的数据放入数据处理缓存区；
数据存储线程，用于负责将解析处理后数据实时存储，便于后续回放分析；
数据显示线程，用于负责将处理后的数据进行实时显示，同时进行显示通道选择、通道配置、分辨率选择和分屏显示。
优选的，所述发送的数据包包括包头、包命令、包尾、数据、时间ID和IP地址。
优选的，根据监控上位机请求模式的不同，选取需监控的牵引系统及数据发送模式，所述数据发送模式包括普通模式和高速模式；普通模式下，FPGAⅡ只转发DSP中的数据，数据点间隔50us；高速模式下，FPGAⅡ只发送自身采集的数据，数据点间隔为10us。
优选的，监控上位机通过IP地址选取需要监控的牵引系统。
优选的，发送的数据根据监控上位选取的需要监控的牵引系统进行数据发送模式的实时在线切换。
优选的，监控系统存储的数据离线导入监控上位机进行回放测量分析。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
(1)本发明监控采集系统结构简单合理，重量轻、体积小，便于携带，无需将监控采集数据变量经过数模、模数转换，直接将DSP内部的数字量数据或FPGA直接采集的数据变量通过以太网或无线WiFi传输，消除了测试距离的限制，实现数据快速传输,解决了车上试验布线困难、工作量大、成本高的问题。
(2)本发明通过以太网或无线WiFi传输数据，传输的数据未经过数模、模数转换的处理，精确度更高，保证了数据传输的快速性、精确性和抗扰性；本发明通过IP地址选取需要监控的整列车不同牵引系统，所传数据量无需受通道数限制，可观测变量多。
(3)本发明监控上位机的数据接收、处理、存储、显示采用四线程并发同步运行方式，提升了整体处理性能，整个数据传输过程延时控制在几个ms以内，传输速度快。
(4)本发明选取被测牵引系统、监控数据和波形处理全部在监控上位机完成，能够监测整列车牵引系统，且省去了在转接板上插拔各通道连接线的过程，操作更方便。
附图说明
图1为本发明实施例整列车数据传递流程图；
图2为本发明实施例牵引控制器内部数据传递流程图；
图3为本发明实施例监控系统四线程并发执行示意图；
图4为本发明实施例监控系统数据接收缓存区写入示意图；
图5为本发明实施例监控系统数据处理缓存区写入示意图。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
参见图1、图2，本发明实施例提供了一种轨道车辆牵引系统用数据监控采集系统，包括n,n≥1个牵引控制器1(即下位机)和与所述牵引控制器连接的监控上位机2；
所述牵引控制器1设有主控板卡3和监控板卡4，所述主控板卡3上设有DSP5和通过双口RAM与所述DSP5进行数据传输的FPGAⅠ6，所述监控板卡设有与所述FPGAⅠ6通信的FPGAⅡ7和与所述监控上位机2连接的以太网模块8，FPGAⅠ6将直接采集的数据或接收于DSP5的数据传输至FPGAⅡ7，FPGAⅡ7将接收的数据发送至以太网模块8，以太网模块8将接收的数据以以太网线或无线WiFi形式发送至监控上位机2；
所述监控上位机2设有监控系统9，所述监控系统9包括：
发送模式选择模块，用于选取需监控的牵引系统即数据发送模式；
设有数据接收缓存区的数据接收模块，用于实时接收以太网模块发送的数据，将接收的数据依次放入数据接收缓存区，并记录相应的位置；
设有数据处理缓存区的数据处理模块，当数据接收缓存区的数据多余处理的数据时,用于对数据进行解析处理，并将解析后的数据放入数据处理缓存区；
数据存储模块，用于实时存储数据处理模块处理后的数据；
数据显示模块，用于实时显示数据处理模块处理后的数据。
上述数据监控采集系统还包括交换机10，所述以太网模块8与所述交换机10直接连接，所述交换机10与设于所述监控上位机2内部的以太网网卡11通过以太网或无线WiFi进行数据传输。具体地，以太网模块与FPGAⅡ进行实时数据交互，以太网模块将接收于FPGAⅡ的数据以数据包的形式直接发送至交换机，交换机向监控上位机发送数据包，监控上位机通过以太网网卡以太网线或无线WiFi的形式接收交换机发送的数据包，从而实现牵引控制器与监控上位机之间的数据传输。
由于现有牵引控制器监控板卡和主控板卡间通过牵引控制器背板连接，直接通过双口RAM传输数据存在应的不稳定性。本发明实施例上述数据监控采集系统中，所述FPGAⅠ和FPGAⅡ均设有Linkport接口，所述FPGAⅠ的Linkport接口与所述FPGAⅡ的Linkport接口连接，所述FPGAⅠ与FPGAⅡ之间通过Linkport通信协议进行通信，保证数据在主控板卡和监控板卡之间传输的快速稳定性。
本发明实施例上述数据监控采集系统，控制核心采用DSP+FPGA架构，全部位于主控板卡上，DSP负责牵引控制算法执行，FPGA主要负责外部数据采集、PWM脉冲发生等。DSP在定时器中断中按照固定频率将需要观测的数据写入双口RAM，FPGAⅠ以更快的速度从双口RAM中读取数据。FPGAⅠ除了转发DSP中数据，FPGAⅠ也可以直接将自身采集的数据以更快的速度发送，便于对外部变量更精确的观测分析，且发送数据可以根据监控上位机中发送模式选择模块的选择进行实时在线切换。数据通过以太网线或无线WiFi传输数据，消除了测试距离的限制，解决了车上试验布线困难、工作量大的问题，数据直接通过以太网传输，可观测变量增多，未经过数模、模数转换的处理，精确度更高。
本发明另一实施例提供了一种轨道车辆牵引系统用数据监控采集方法，其具体步骤为：
S1、主控板卡上的DSP在定时器中断中按照固定频率将需要观测的数据通过双口RAM传输至主控板卡上的FPGAⅠ。
S2、主控板卡上的FPGAⅠ将其直接采集的数据或接收于DSP的数据通过Linkport通信协议传输至监控板卡上的FPGAⅡ。通过Linkport通信协议完成主控板卡上的FPGAⅠ与监控板卡上的FPGAⅡ的数据传输，与现有直接通过双口RAM传输数据存在不稳定性相比，采用Linkport通信协仪进行数据传输，保证了数据在板卡件传输的稳定性。
S3、监控板卡上的FPGAⅡ与监控板卡上的以太网模块进行实时数据交互，以太网模块将接收于FPGAⅡ的数据以数据包的形式发送至监控上位机。具体地，为了保证数据传输的可靠性、实时性，发送的数据包括包括包头、包命令、包尾、数据、时间ID和IP地址。
S4、监控上位机以以太网线或者无线WiFi形式接收数据包并发送至监控上位机内的监控系统，监控系统对数据包进行接收、解析缓存处理，并对处理后的数据进行存储，同时以波形的形式进行显示。
具体地，为了保证数据传输的效率，参见图3，监控系统对数据接收、处理、存储、显示采用四线程并发同步运行的方式，提升整体处理性能，参见图2，从DSP发送到实际显示，延时控制在几ms内。所述四线程为：
(1)数据接收线程，用于负责实时接收数据，将接收的数据依次放入数据接收存储区，并记录相应的位置。
具体地，数据接收线程具有最高的线程优先级，数据接收线程不会被其他线程影响，能够有效降低数据接收的丢包率。为了减少读取次数，有效缩短读取数据所花费的时间，采用定时读取网卡数据的方式。参见图4，将从网卡读取的数据放入数据接收缓存区，在D1到Dn的N个数据缓存区中按接收顺序循环依次写入，并实时记录数据接收指针位置Pt_I和数据接收包数Y1，接收包数Y1自动加1。即当Y1>N时，执行完前N包数据后，后Y1-N包数据覆盖掉初始数据，循环执行。
(2)数据处理线程，用于负责当接收缓存区的数据多余处理的数据时，进行数据解析处理，并将解析后的数据放入数据处理缓存区。
具体地，当从数据接收缓存区读取数据时，实时记录数据处理指针位置Pt_O和数据接收包数Y2，处理包数Y2自动加1。数据处理采用了双数据处理缓存区连续写入的方式。参见图5，两个地址连续且大小都为L的数据处理缓存区M1和M2。接收的数据经过解析之后，同时写入M1和M2。当写入的数据小于L时，可直接从M2区中读取当前数据；当写入的数据大于L时，写满M1和M2之后，继续从M1和M2的起始地址写入，覆盖原有数据，不断循环执行。M1和M2的最新数据指针位置为X1和X2，则在M1和M2上，仍然存在连续地址的数据，即地址从X1+1到X2的部分，长度为L。因此，当数据长度超L后，放置在数据处理缓存区的数据，一定存在长度为L且地址连续的数据可供读取。连续地址的数据，可减少实际执行代码量及对内存的开支，极大的提高了存储和显示速度。
(3)数据存储线程，用于负责将解析处理后数据实时存储，便于后续回放分析。
(4)数据显示线程，用于负责将处理后的数据进行实时显示，同时进行显示通道选择、通道配置、分辨率选择和分屏显示。
本发明实施例上述方法中，主控板卡上的FPGAⅠ发送数据至监控板卡上的FPGAⅡ时，根据监控上位机监控请求模式的不同，通过IP地址选取需要监控的牵引系统，发送的数据根据监控上位机选取的需要监控的牵引系统进行数据发送模式的实时在线切换，所述数据发送模式包括普通模式和高速模式；普通模式下，FPGAⅡ只转发DSP中的数据，数据点间隔50us；高速模式下，FPGAⅡ只发送自身采集的数据，数据点间隔为10us。
具体地，发送的数据采用16位二进制数据，普通模式通道数为50，高速模式通道数为10，数据包时间间隔为1ms，两种数据发送模式下传输每包数据数据量参见表1。
表1
| 模式 | 普通模式 | 高速模式 |
| 数据包时间间隔 | 1ms | 1ms |
| 通道数 | 50 | 10 |
| 数据采样时间 | 50us | 10us |
| 每包数据量 | 50×20×16bit | 10×100×16bit |
其中，每个数据包的有效数据长度＝通道数×每个通道在采用时间内存储的数据个数×二进制数据位数。
本发明上述方法的一优选实施方案中，监控系统存储的数据离线导入监控上位机进行回放测量分析，便于牵引系统运行中出现问题的解决。通过回放测量分析能够实现对数据进行测量、局部放大，各个通道可进行加、减、乘、除、开方、平方等运算，并将运算后的结果以波形的形式显示，各通道也可以进行FFT分析等。
本发明上述法，直接将DSP内部的数字量数据或FPGA直接采集的数据变量通过以太网或无线WiFi传输，消除了测试距离的限制，解决了车上试验布线困难、工作量大、成本高的问题。本发明监控上位机数据接收、处理、存储、显示采用四线程并发同步运行方式，提升了整体处理性能，整个数据传输过程延时控制在几个ms以内，传输速度快。
上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种轨道车辆牵引系统用数据监控采集系统，其特征在于，包括牵引控制器和与所述牵引控制器连接的监控上位机；
所述牵引控制器设有主控板卡和监控板卡，所述主控板卡上设有DSP和通过双口RAM与所述DSP进行数据传输的FPGAⅠ，所述监控板卡设有与所述FPGAⅠ通信的FPGAⅡ和与所述监控上位机连接的以太网模块，FPGAⅠ将直接采集的数据或接收于DSP的数据传输至FPGAⅡ，FPGAⅡ将接收的数据发送至以太网模块，以太网模块将接收的数据以以太网线或无线WiFi形式发送至监控上位机；
所述监控上位机设有监控系统，所述监控系统包括：
发送模式选择模块，用于选取需监控的牵引系统及数据发送模式；
设有数据接收缓存区的数据接收模块，用于实时接收以太网模块发送的数据，将接收的数据依次放入数据接收缓存区，并记录相应的位置；
设有数据处理缓存区的数据处理模块，当数据接收缓存区的数据多于处理的数据时,用于对数据进行解析处理，并将解析后的数据放入数据处理缓存区，
所述数据处理缓存区设置有两个，且解析后的数据连续写入双数据处理缓存区；
数据存储模块，用于实时存储数据处理模块处理后的数据；
数据显示模块，用于实时显示数据处理模块处理后的数据；
且所述监控系统对数据接收、处理、存储、显示采用四线程并发同步运行的方式。
2.如权利要求1所述的轨道车辆牵引系统用数据监控采集系统，其特征在于，还包括交换机，所述以太网模块与所述交换机直接连接，所述交换机与设于所述监控上位机内部的以太网网卡通过以太网线或无线WiFi进行数据传输。
3.如权利要求1或2所述的轨道车辆牵引系统用数据监控采集系统，其特征在于，所述FPGAⅠ和FPGAⅡ均设有Linkport接口，所述FPGAⅠ的Linkport接口与所述FPGAⅡ的Linkport接口连接，所述FPGAⅠ与FPGAⅡ之间通过Linkport通信协议进行通信。
4.一种轨道车辆牵引系统用数据监控采集方法，其特征在于，其具体步骤为:主控板卡上的DSP在定时器中断中按照固定频率将需要观测的数据通过双口RAM传输至主控板卡上的FPGAⅠ；
主控板卡上的FPGAⅠ将其直接采集的数据或接收于DSP的数据通过Linkport通信协议传输至监控板卡上的FPGAⅡ；
监控板卡上的FPGAⅡ与监控板卡上的以太网模块进行实时数据交互，以太网模块将接收于FPGAⅡ的数据以数据包的形式发送至监控上位机；
监控上位机以以太网线或者无线WiFi形式接收数据包并发送至监控上位机内的监控系统，监控系统对数据包进行接收、解析缓存处理，并对处理后的数据进行存储，同时以波形的形式进行显示；
监控系统对数据接收、处理、存储、显示采用四线程并发同步运行的方式，所述四线程为：
数据接收线程，用于负责实时接收数据，将接收的数据依次放入数据接收存储区，并记录相应的位置；
数据处理线程，用于负责当接收缓存区的数据多于处理的数据时，进行数据解析处理，并将解析后的数据放入数据处理缓存区；
数据存储线程，用于负责将解析处理后数据实时存储，便于后续回放分析；数据显示线程，用于负责将处理后的数据进行实时显示，同时进行显示通道选择、通道配置、分辨率选择和分屏显示。
5.如权利要求4所述的轨道车辆牵引系统用数据监控采集方法，其特征在于，所述发送的数据包包括包头、包命令、包尾、数据、时间ID和IP地址。
6.如权利要求5所述的轨道车辆牵引系统用数据监控采集方法，其特征在于，根据监控上位机请求模式的不同，选取需监控的牵引系统及数据发送模式，所述数据发送模式包括普通模式和高速模式；普通模式下，FPGAⅡ只转发DSP中的数据，数据点间隔50us；高速模式下，FPGAⅡ只发送自身采集的数据，数据点间隔为10us。
7.如权利要求6所述的轨道车辆牵引系统用数据监控采集方法，其特征在于，监控上位机通过IP地址选取需要监控的牵引系统。
8.如权利要求6所述的轨道车辆牵引系统用数据监控采集方法，其特征在于，发送的数据根据监控上位机选取的需要监控的牵引系统进行数据发送模式的实时在线切换。
9.如权利要求4所述的轨道车辆牵引系统用数据监控采集方法，其特征在于，监控系统存储的数据离线导入监控上位机进行回放测量分析。
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