CN111831225A - 具有数据存储及远程传输扩展设计的辅助微机测控装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机车/动车（含高铁）组列车辅助系统的辅助微机测控装置，具体为具有数据存储及远程传输扩展设计的辅助微机测控装置。解决现有辅助微机测控装置对辅助系统运行状态数据进行存储时实时性差，以及不能远程数据发送的问题。该辅助微机测控装置包括控制板卡、数字量板卡、模拟量板卡、网络板卡、背板，控制板卡、数字量板卡、模拟量板卡、网络板卡插接于背板上而实现相互之间的连接；在控制板卡上有外扩RAM芯片和非易失性FLASH芯片用于辅助系统数据的存储；还包括4G网关板卡，4G网关板卡通过天线与云服务器实现数据通信；地面控制中心设有服务器或移动终端，服务器或移动终端与云服务器通信，从云服务器下载数据。

Description

具有数据存储及远程传输扩展设计的辅助微机测控装置

技术领域

本发明涉及机车/动车（含高铁）组列车辅助系统的辅助微机测控装置，具体为具有数据存储及远程传输扩展设计的辅助微机测控装置。

背景技术

辅助微机测控装置用于对机车或动车组列车的辅助系统的控制，辅助微机测控装置除了完成对辅助系统电源的控制、实现为辅助系统供电的功能外，其另一个重要的作用就是完成对辅助系统运行状态的实时监测。这种运行状态的实时监测主要是针对辅助系统的核心装置——辅助系统电源（一般为辅助变流器），同时延伸到辅助系统的其他组成部分如负载接触器和蓄电池等。

近年来，随着铁路轨道交通的快速发展，铁路干线运行的机车和动车组（高铁）的数量和运行速度大大提高，这对运营过程中的维护工作提出了新的要求。以动车组和高铁列车为例，为了保证白天的可靠运行，维护工作只能在晚上车辆回到动车所后进行，维护时间往往只有几个小时，在几个小时内要完成列车的例行维护和可能出现的故障维修，时间显得十分紧张。当故障发生后，如果不能在有限的时间内定位故障，完成维修，将直接影响列车第二天的运行。基于这种现实困境，对机车/动车（含高铁）组列车的各系统运行状态实现远程监测、实现远程故障判断具有重要现实意义，而无线传输技术的快速发展，为这一技术实现奠定了基础。

另一方面，随着技术的发展，铁路机车/动车（含高铁）组列车向着轻量、绿色和智能的方向发展，相关设备的PHM（故障预测与健康管理）管理就是智能化的一个具体体现，其中辅助系统的智能化实现只能由辅助微机测控装置实现。要实现辅助微机测控装置的智能化，系统的数据存储和数据的远程传输是必备的基础。

现有的辅助系统的数据存储在辅助微机测控装置的内部，或者通过整车网络系统发送到车上其他设备进行存储。

对于数据存储在辅助微机测控装置自身内部的情况，一方面，受安装空间和芯片容量等因素的影响，现有辅助微机测控装置的数据存储容量有限，只能存储有限时间的数据，如果数据没有被及时下载，历史数据将丢失；另一方面，辅助微机测控装置自身的损坏也可能导致时间段内的数据丢失，不利于产品寿命周期内数据的积累。

现有机车上部分设备在数据存储周期上为1s，而控制周期为1ms甚至更低，因此数据存储周期远大于系统控制周期，数据实时性和可用性较差。而在装置存储容量受限的情况下，数据存储周期的提升和可存储的数据时间长度相矛盾。

对于将数据通过整车网络系统发送到车上其他设备进行存储的情况，同样存在存储器损坏导致数据丢失的情况。另外，受存储资源的限制的原因，这种数据存储方式侧重于对整车运行相关数据的存储，对辅助系统的数据存储难以做到全面，对于辅助系统部件相关的数据（如辅助变流器部件寿命预测相关的数据）无法做到全部存储。

建立在历史运行数据积累的大数据分析技术的应用，是未来运营过程中产品PHM、部件全生命周期研究及后续安全设计等方面工作的基础。

在维护过程中，现有的获得辅助系统的数据的另一种方法是采用本地接口下载的方式，维护人员需要到每个设备上连线后下载数据。运行过程中数据的维护只能在机车/动车（含高铁）组列车到达站点后本地下载数据，受到时间和空间的限制，不利于及时有效的分析可能出现的故障。另外，这种数据处理的方式无法适应产品PHM这种智能化的使用需要，因为在这种智能化的使用中，设备实时的运行状态数据需要发送到地面的控制中心。

发明内容

本发明提供一种具有数据存储及远程传输扩展设计的辅助微机测控装置，旨在：（1）设计辅助微机测控装置的数据存储系统，实现辅助系统运行状态数据的实时存储，提高存储数据的可用性和有效性。（2）设计辅助微机测控装置远程数据发送功能，实现数据的远程发送，为运行状态和故障数据下载提供支持，解决本地接口下载空间和时间受限的问题，提高机车/动车（含高铁）组列车辅助系统的维护效率，保障机车/（含高铁）组列车可靠、安全运营。

本发明是采用如下技术方案实现的：针对机车/动车组（高铁）列车辅助系统智能化的需求，本发明设计了微机辅助测控装置的数据存储和远程传输功能，实现辅助系统数据实时存储与远程发送，提高维护效率保障机车/动车组（高铁）列车可靠、安全运行。需要说明的是，辅助微机测控装置完成整个辅助系统的相关控制功能，本发明中只阐述数据存储与远程发送相关功能。本发明方案的具体设计如下：

（1）辅助微机测控装置实现对机车/动车组（高铁）列车辅助系统控制，安装在辅助变流柜内部。本发明的数据存储和数据远程传输设计作为辅助微机测控装置的功能一部分，基于辅助微机测控装置实现。

（2）辅助微机测控装置的数字量板卡和模拟量板卡采集辅助系统的运行状态信息，这些状态信息包含系统各位置的电压电流、温度信号、压力信号以及接触器/断路器状态反馈等数字量。

（3）辅助微机测控装置的控制板卡采用DSP+FPGA设计，FPGA实现模拟量和数字量等系统运行状态数据的采集和初步处理，然后将数据通过总线传输到DSP芯片。

（4）在辅助微机测控装置控制板卡上有外扩RAM芯片和非易失性FLASH芯片用于系统数据的存储。

（5）DSP处理接收到的辅助系统状态信息，并结合从网络通信获得的指令信息完成对辅助系统的运行控制。在控制过程中，DSP一直存储控制过程中所涉及的数据到DSP外扩RAM中。这些数据包括接收到的状态信息、指令信息和控制运算产生的中间信息（如故障信息）。为了确保数据的有效性和可用性，这种数据存储按照DSP控制中断进行，RAM写满后从前面覆盖存储。

（6）DSP中设置数据记录触发机制（一般为故障触发），当数据记录被触发后，DSP将RAM中存储的数据存入FLASH中。

（7）辅助微机测控装置内部设计有4G网关板卡，集成4G网关通信和定位功能，4G网关板卡通过辅助微机测控装置的背板与DSP板连接，以CAN通信实现数据传输。

（8）4G网关板卡对外有接口，通过该接口及通讯线缆与安装在车体上的通信天线连接，4G网关板卡通过天线与云服务器实现数据通信。

（9）地面控制中心设有服务器，该服务器可以与云服务器通信，通过云服务器接收辅助微机测控装置发出的实时数据。

（10）开发移动终端软件，该软件安装在移动笔记本计算机构成移动终端，可以从云服务器下载数据。

（11）服务器和移动终端的使用采用注册和登录验证机制，以确保信息安全。

本发明技术方案带来的有益效果：

1．片外RAM+片外Flash存储器的使用，为辅助微机测控装置提供了数据存储的有效保障。配合软件设计中的数据存储机制，每个控制中断对系统状态进行存储，存储频率确保了故障发生前后系统状态数据的实时记录。按照本发明示例设计，每次数据存储容量为1MB，总共可存8191条数据，在中断频率为1.5kHz时，存储数据时间为5.5s，时间长度满足数据分析需要。

2．远程数据存储的设计，为系统远程数据传输、数据下载提供了可能，使得系统维护实现了远程化。基于远程数据下载及分析，打破了机车故障判断的时间和空间的限制，可以有效提高维护效率，提升产品的可用性、可靠性。

3．远程数据传输为辅助系统提供智能化奠定了基础，地面控制中心通过网络实时监控辅助系统的运行状态，为系统的PHM等功能的开展提供了支撑。

4．专业技术人员在地面控制中心就可以对辅助系统的状态及数据进行实时监控与分析，有效减少了时间和经济成本。

5．通过远程数据传输，系统的数据可以实时存储在地面控制中心，确保了数据存储保障，有效避免了数据丢失以及现场下载数据的维护工作量。

6．网关板通信的注册包和地面服务器终端的注册机制和密码登录的使用设计确保了系统数据的安全。

附图说明

图1为本发明所述的辅助微机测控装置的架构图；

图2为DSP外扩RAM的硬件设计图；

图3为DSP外扩FLASH的硬件设计图；

图4为DSP数据存储软件流程图；

图5为本发明所述的辅助微机测控装置实现数据的远程无线传输示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

（1）架构介绍

图1为本发明涉及到的辅助微机测控装置的架构图，需要说明的是，本发明中不涉及到的其他功能硬件板卡在图中未画出。由图可知，装置中数据存储及远程数据传输所用到的硬件板卡包括控制板卡、数字量板卡、模拟量板卡、网络板卡和4G网关板卡。其中，数字量板卡、模拟量板卡和网络板卡是数据的来源，模拟量板卡和数字量板卡将辅助微机测控装置外部输入的电压电流、温度以及开关状态等模拟信号转换为数字量送入控制板卡的FPGA芯片，由FPGA进行初步的处理，DSP芯片根据设计的软件控制中断对FPGA处理过的数据进行读取；网络板卡和机车网络系统实现MVB通信，然后以CAN通信的方式与DSP进行数据传输。DSP作为辅助微机测控装置的核心控制器件，接收到网络指令和辅助系统状态信号后实现整个辅助系统运行的控制和状态检测，并执行数据的存储功能，将数据存储到RAM和Flash。同时，DSP与4G网关板卡进行通信，将关心的数据信息发送到网关板卡，网关板卡通过天线发送到云服务器，经过云服务器实现和地面控制中心服务器或移动终端的通信。

（2）数据处理及存储

如上所述，辅助微机测控装置的存储功能主要在DSP控制板中实现，存储介质为DSP外扩RAM和外扩Flash。DSP外扩RAM的硬件设计如图2所示。

RAM芯片选用CY7C1051DV33，RAM的存储空间是512K×16bit，程序在每次中断时将控制过程中所涉及的数据存入RAM。RAM分成了8192行，每行64×16bit（64个字）；每次中断存入一行，未存满一行按照一行来算(未用满的作为记录变量的备用)，下次存入下一行；此RAM记满则从头开始覆盖记录。这里需要指出的是，DSP与FPAG的数据交换以及控制也是按照中断频率进行，因此按照中断频率将数据存储于RAM中达到了数据存储的最大频率，确保了所存储数据的可用性。

RAM中存储的数据在装置掉电后无法保留，只是数据存储的中间介质，非易失性FLASH芯片中的数据掉电后能够继续保持，因此片外Flash才是数据存储设计的最终存储介质。DSP外扩FLASH的设计，如图3所示：

FLASH芯片为N25Q00AA，容量1Gb，采用的是Extended SPI，4-BYTE ASSRESS模式。DSP软件中设计了执行数据记录的触发机制，这种触发机制可以根据数据存储的实际需要进行设计，下面以最常见的故障触发机制对数据存储进行说明。当故障触发故障存储，DSP将RAM中的数据按照：故障前N1+故障本条+故障后N2条（N1+N2=8191），一次性将RAM中的数据搬移到FLASH中。

基于上述存储器的数据存储功能由DSP软件控制完成，下面结合流程图就故障触发机制下数据存储控制软件的设计做出说明。

数据存储软件在控制中断中被调用，流程图如图4所示。软件定义状态机sLog，含图中4个状态。软件初始在LOG_RUN状态下运行，每个中断（本发明的中断为1.5kHz）更新一次RAM中的数据，然后对是否进行记录进行判断。如果记录条件被触发，状态机跳转到LOG_ERR，给计数器ErrCntr清零。在LOG_ERR状态下，每个中断依然更新一次RAM中的数据，并对数据更新次数ErrCntr进行递增计数。当更新次数达到设计值N2时，状态机跳转到LOG_SAVE开始将RAM中数据存储到Flash。在LOG_SAVE中，首先更新RAM中数据信息，然后将数据信息写入Flash（该信息数据信息为当前系统时间及系统状态信息，用以记录数据存储的时间）。完成数据信息的存储后，状态机跳转到LOG_SAVING，并分别将存储触发条件触发前后的RAM中的数据写入Flash中。数据全部写入Flash后，状态机跳转到LOG_RUN，并将ErrFlg标志位清零，等待下一次存储。

（3）数据远程传输设计

实现远程数据传输功能的系统部件为4G网关板卡（简称网关板），该板卡实现数据的远程无线传输。下面结合图5就具体功能实现说明如下：

A.ACU电源板通过背板与4G网关板卡连接，为4G网关板卡提供所需的24V电源；

B.4G网关板卡通过背板与主控板卡连接，与DSP控制芯片进行CAN通信；

C.4G网关板卡实现CAN通信与4G通信的转换，将通过CAN通信接收到的数据通过4G通信发送到云服务器；

D.4G网关板卡装有SIM卡，4G网关板卡通过SIM卡实现与云服务器的数据通信。

E.4G网关板的配有通信天线，该天线安装在车体上，通过通信线缆与网关板卡连接，网关板卡设计有天线线缆接口；

F.4G网关板通过天线与云服务器通过4G通信方式实现通信；

G.4G网关板卡具有GSP定位功能，用于确定设备的位置信息；

H.地面控制中心服务器与云服务器实现互联网通信，接收、下载数据；

I.移动终端安装与云服务器实现互联网通信，接收、下载数据；

J.控制中心和服务器可以通过云服务器下发指令，下载主控板卡Flash中的数据；需要明确的是，基于运行安全的考虑，微机测控装置对数据的下载响应是在系统非运行状态（上电待机状态），辅助系统运行时不接受数据下载指令；

K.4G网关板卡通信具有注册包和心跳包，注册包用于身份识别，心跳包判断在线情况；地面控制中心和移动终端的上位机软件的解析协议对注册包和心跳包进行解析。

L.地面控制中心和移动终端的上位机软件的使用采用注册及密码登录机制，以确保通信的安全。

Claims (9)

1.一种具有数据存储及远程传输扩展设计的辅助微机测控装置，包括控制板卡、数字量板卡、模拟量板卡、网络板卡、背板，控制板卡、数字量板卡、模拟量板卡、网络板卡插接于背板上而实现相互之间的连接；控制板卡采用DSP+FPGA设计，FPGA实现模拟量和数字量系统运行状态数据的采集和初步处理，然后将数据传输到DSP芯片；其特征在于，在控制板卡上有外扩RAM芯片和非易失性FLASH芯片用于辅助系统数据的存储；在控制过程中，DSP一直存储控制过程中所涉及的数据到DSP外扩RAM中，这种数据存储按照DSP控制中断进行，RAM写满后从前面覆盖存储；DSP中设置数据记录触发机制，当数据记录被触发后，DSP将RAM中存储的数据存入FLASH中；

还包括4G网关板卡，4G网关板卡集成4G通信和定位功能，4G网关板卡通过背板与DSP连接，以CAN通信实现数据传输；4G网关板卡对外有接口，通过该接口及通讯线缆与安装在车体上的通信天线连接，4G网关板卡通过天线与云服务器实现数据通信；地面控制中心设有服务器或移动笔记本计算机，服务器或移动笔记本计算机与云服务器通信，从云服务器下载数据。

2.根据权利要求1所述的具有数据存储及远程传输扩展设计的辅助微机测控装置，其特征在于，服务器和移动笔记本计算机的使用采用注册和登录验证机制。

3.根据权利要求1或2所述的具有数据存储及远程传输扩展设计的辅助微机测控装置，其特征在于，RAM芯片选用CY7C1051DV33，RAM的存储空间是512K×16bit， RAM分成了8192行，每行64×16bit；每次中断存入一行，未存满一行按照一行来算。

4.根据权利要求3所述的具有数据存储及远程传输扩展设计的辅助微机测控装置，其特征在于，FLASH芯片为N25Q00AA，容量1Gb，采用的是Extended SPI，4-BYTE ASSRESS模式。

5.根据权利要求4所述的具有数据存储及远程传输扩展设计的辅助微机测控装置，其特征在于，DSP中设置的数据记录触发机制为故障触发机制。

6.根据权利要求5所述的具有数据存储及远程传输扩展设计的辅助微机测控装置，其特征在于，当故障触发故障存储，DSP将RAM中的数据按照：故障前N1+故障本条+故障后N2条，N1+N2=8191，一次性将RAM中的数据搬移到FLASH中。

7.根据权利要求6所述的具有数据存储及远程传输扩展设计的辅助微机测控装置，其特征在于，故障触发机制下，DSP数据存储控制软件在控制中断中被调用，其流程为：

软件定义状态机sLog，状态机sLog含LOG_RUN、LOG_ERR、LOG_SAVE、LOG_SAVING四个状态；软件初始在LOG_RUN状态下运行，每个中断更新一次RAM中的数据，中断频率为1.5kHz，然后对是否进行记录进行判断；如果记录条件被触发，状态机跳转到LOG_ERR，给计数器ErrCntr清零；在LOG_ERR状态下，每个中断依然更新一次RAM中的数据，并对数据更新次数ErrCntr进行递增计数；当更新次数达到设计值N2时，状态机跳转到LOG_SAVE开始将RAM中数据存储到FLASH，在LOG_SAVE中，首先更新RAM中数据信息，然后将数据信息写入FLASH；完成数据信息的存储后，状态机跳转到LOG_SAVING，并分别将存储触发条件触发前后的RAM中的数据写入FLASH中；数据全部写入FLASH后，状态机跳转到LOG_RUN，并将ErrFlg标志位清零，等待下一次存储。

8.根据权利要求7所述的具有数据存储及远程传输扩展设计的辅助微机测控装置，其特征在于，4G网关板卡通信具有注册包和心跳包，注册包用于身份识别，心跳包判断在线情况。

9.根据权利要求8所述的具有数据存储及远程传输扩展设计的辅助微机测控装置，其特征在于，地面控制中心和移动终端的上位机软件的解析协议对注册包和心跳包进行解析。

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