文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.015
中文引用格式： 陳桂平，賀德強，譚文舉，等. 基于Linux+ARM的列控設備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2016，42(12)：58-61.
英文引用格式： Chen Guiping，He Deqiang，Tan Wenju，et al. Design of data acquisition system for train monitoring and control equipment[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：58-61.
0 引言
監(jiān)測與控制是保障列車行車安全行之有效的方法，我國現(xiàn)役列車基本配備了多種監(jiān)測控制設備與系統(tǒng)（以下簡稱列控設備），其中最具代表性的是LKJ 2000型列車運行監(jiān)控記錄裝置、TAX2型機車安全信息綜合監(jiān)測裝置以及列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（TCMS）。現(xiàn)階段這些車載設備在列車行車過程中容易形成信息孤島，監(jiān)測與控制信息只在本裝置或本系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)，列車檢修部門、機務段或者鐵路局信息中心難以獲得列車運行時實時的機車狀態(tài)信息、安全信息與監(jiān)測信息，不利于列車實時狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。對此，唐國平針對列控設備數(shù)據(jù)分散的情況，利用列車既有的有線、無線網(wǎng)絡，設計了LAIS列車運行狀態(tài)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)LKJ2000、TAX2等設備數(shù)據(jù)的整合[1]；張啟平在唐國平研究的基礎上，對LAIS列車運行狀態(tài)信息系統(tǒng)進行了整合改進，使其更加符合鐵道部信息化總體規(guī)劃的要求[2]；文獻[3，4]針對在線列車監(jiān)測與控制信息共享不足，利用車載信息采集技術和通信技術，實現(xiàn)了機車安全信息（數(shù)據(jù)來源于LKJ、TAX）、狀態(tài)信息與監(jiān)測信息的整合。
上述系統(tǒng)結構復雜，對列車監(jiān)測與控制信息的采集環(huán)節(jié)沒有給出具體的采集方法與設計方案。本文通過分析車載TAX2、TCMS設備輸出數(shù)據(jù)格式以及電氣接口工作原理，通過改進UDP協(xié)議，使其支持擁塞控制方法來提高網(wǎng)絡傳輸過程中的網(wǎng)絡利用率。從硬件和軟件兩方面，設計了基于嵌入式Linux+ARM9的多通道串口列車監(jiān)測與控制設備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[5，6]，旨在對車載TAX2、TCMS設備的數(shù)據(jù)進行集中化采集處理，為機車遠程監(jiān)測與故障診斷的列控設備數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)提供解決方案。
1 系統(tǒng)原理分析
1.1 系統(tǒng)原理簡介
結合列控設備的電氣接口原理及數(shù)據(jù)報文格式，分析列控設備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理，系統(tǒng)原理圖如圖1。為解決列控設備接口電氣特性差異以及減輕數(shù)據(jù)服務器的處理負擔，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的列控設備數(shù)據(jù)采集端與數(shù)據(jù)服務器接收端之間設計一個在系統(tǒng)中起著列控設備與數(shù)據(jù)服務器通信互聯(lián)關鍵作用的數(shù)據(jù)通信板。數(shù)據(jù)通信板作為一個特殊的網(wǎng)絡節(jié)點，在系統(tǒng)中的作用如下：
(1)系統(tǒng)對LKJ2000的采集數(shù)據(jù)主要為TAX數(shù)據(jù)，采用RS485總線通信方式，波特率為28.8 kb/s[7]。TAX數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)通信板完成RS485協(xié)議到UDP/IP協(xié)議的轉換，通過以太網(wǎng)發(fā)送到車載數(shù)據(jù)服務器，完成一次TAX數(shù)據(jù)的采集；
(2)為滿足不同車型TCMS系統(tǒng)總線復雜多樣的要求，數(shù)據(jù)通信板設計兩種類型接口用來采集TCMS數(shù)據(jù)：1路基于HDLC（High-level Data Link Control）協(xié)議的通信接口用于HXD3型機車的TCMS數(shù)據(jù)采集；預留1路RS422通信接口，用于HXD2型機車TCMS或其他設備的數(shù)據(jù)采集。采集的TCMS數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)通信板完成協(xié)議處理，最后經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)送到車載數(shù)據(jù)服務器。
1.2 UDP擁塞控制
系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信板與數(shù)據(jù)服務器之間的通信采用UDP協(xié)議，該協(xié)議在數(shù)據(jù)量大傳輸?shù)倪^程中由于缺乏擁塞控制機制易發(fā)生丟包與時延。文獻[8-9]提出一種基于UDP協(xié)議的改進協(xié)議，通過速率調整策略實現(xiàn)UDP的可靠擁塞控制。下面介紹UDP擁塞控制具體實現(xiàn)過程。
(1)檢測網(wǎng)絡狀態(tài)
定義預期接收時間(ET)和發(fā)送時間(ST)的差值與發(fā)送時間之比為擁塞值diff：
由網(wǎng)絡狀態(tài)劃分的網(wǎng)絡擁塞等級如表1所示，用于檢測網(wǎng)絡狀態(tài)。其中，α為低網(wǎng)絡負載上限，常取值2%；β為網(wǎng)絡輕度擁塞下限，常取值4%。
(2)調整發(fā)送速率
在網(wǎng)絡狀態(tài)檢測結束之后，判斷網(wǎng)絡處于何種狀態(tài)，采用A-AIAD速率調整的方法改變網(wǎng)絡狀態(tài)。在UDP協(xié)議網(wǎng)絡傳輸中，傳輸速率在一定區(qū)間范圍[Rmin，Rmax]內(nèi)變化，其中Rmin為UDP可接受速率下限，Rmax為目標速率。則在擁塞避免階段，發(fā)送速率可表示為：
2 系統(tǒng)軟硬件設計
2.1 硬件設計
數(shù)據(jù)通信板作為系統(tǒng)的核心部件，硬件設計原理如圖2所示，按功能可將硬件電路分為核心處理器模塊、以太網(wǎng)傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、調試模塊、供電模塊以及狀態(tài)指示模塊等其他輔助模塊。
核心處理器采用基于Freescale i.MX287系列的ARM926EJ-S內(nèi)核高性能處理器，其主頻最高可達454 MHz。基于i.MX287核心板內(nèi)部集成10/100 Mb/s以太網(wǎng)MAC，通過外擴PHY以太網(wǎng)收發(fā)器DP83848K，并采用HR601680作為以太網(wǎng)的網(wǎng)絡隔離器接入以太網(wǎng)。數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)接口電氣特性的不同可分為1路RS485接口、1路HDLC接口、1路RS422接口以及1路RS232接口，其中HDLC接口電路是通過在核心處理器的D0～D7引腳與控制引腳外接增強型串行通信控制器Z85230，從而使其在數(shù)據(jù)鏈路層支持HDLC協(xié)議數(shù)據(jù)的收發(fā)[10]。供電模塊負責電源供給，為保證元器件正常工作與系統(tǒng)穩(wěn)定運行，采取了加入穩(wěn)壓二極管以及過流保護保險絲等措施。此外，為了提高RS485數(shù)據(jù)采集模塊的穩(wěn)定性，采用基于DCR010505U電源隔離芯片的穩(wěn)壓電路為RSM3485HT供電；狀態(tài)指示模塊加入了LED燈用來指示通信板的工作狀態(tài)，即電源狀態(tài)、程序運行狀態(tài)、TAX2通信狀態(tài)、TCMS通信狀態(tài)、以太網(wǎng)通信狀態(tài)。
2.2 軟件框架設計
根據(jù)TAX、TCMS數(shù)據(jù)采集的要求，數(shù)據(jù)通信板采用多協(xié)議數(shù)據(jù)轉換設計以滿足異構網(wǎng)絡之間的通信要求[11]。軟件框架如圖3所示，包括硬件層、操作系統(tǒng)層和應用層，還可具體分為硬件層、驅動層、核心層、接口層、應用層和數(shù)據(jù)層。
硬件層主要提供通信板與其他設備通信的電氣接口，包括1個以太網(wǎng)接口和4個串口。其中i.MX287核心板的數(shù)據(jù)總線D0～D7與控制總線外接Z85230，實現(xiàn)基于HDLC協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)操作。
操作系統(tǒng)層為通信板的硬件和軟件資源的使用與運行提供管理和控制方案，主要包括Linux系統(tǒng)啟動引導文件U-Boot、操作系統(tǒng)內(nèi)核、根文件系統(tǒng)和設備驅動，設備驅動包括1個以太網(wǎng)驅動和4個串口驅動。Linux系統(tǒng)上電配置完成后，初始化硬件，加載驅動，為應用程序運行提供必要的服務和相應接口。
應用層提供實現(xiàn)通信板功能的應用程序，主要完成數(shù)據(jù)緩存。數(shù)據(jù)緩存區(qū)緩存采集到LKJ2000的TAX數(shù)據(jù)或者TCMS數(shù)據(jù)，最后根據(jù)數(shù)據(jù)類型完成對數(shù)據(jù)的處理轉發(fā)。
2.3 軟件工作流程設計
在網(wǎng)絡系統(tǒng)中，利用數(shù)據(jù)寄存機制將兩層網(wǎng)絡間的通信事件分解為兩個分時異步事件進行處理，形式上表現(xiàn)為完成異構總線間的通信協(xié)議轉換，實質上實現(xiàn)了異構網(wǎng)絡間的通信。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信板在以太網(wǎng)網(wǎng)絡層作為UDP客戶端talker，數(shù)據(jù)服務器作為UDP監(jiān)聽端listener，在數(shù)據(jù)采集過程中以數(shù)據(jù)通信板作為以太網(wǎng)主機，使用UDP協(xié)議與車載數(shù)據(jù)服務器建立通信鏈接，其工作流程如圖4所示。具體步驟如下：
(1)讀取配置文件，完成串口和以太網(wǎng)的接口映射；
(2)針對設備IP初始化Socket，建立數(shù)據(jù)通信板與數(shù)據(jù)服務器的UDP連接；
(3)Socket連接成功后，讀取數(shù)據(jù)緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)包，判斷數(shù)據(jù)類型，調用相應的數(shù)據(jù)處理函數(shù)：
①若數(shù)據(jù)為HDLC數(shù)據(jù)，調用HDLCtoEthTask任務函數(shù)，將緩存區(qū)的HDLC數(shù)據(jù)處理封裝為UDP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)并將其轉發(fā)到以太網(wǎng)。
②若為UART1數(shù)據(jù)，調用485toEthTask函數(shù)，先將緩存區(qū)中的RS485數(shù)據(jù)解封裝，再將其封裝成符合UDP/IP協(xié)議以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報文類型，以及完成后續(xù)的隊列數(shù)據(jù)處理和轉發(fā)。
③UART2的數(shù)據(jù)處理與UART1數(shù)據(jù)的處理方式相似。
3 系統(tǒng)測試與分析
為了驗證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能完整性與可靠性，對TAX2、TCMS數(shù)據(jù)進行仿真采集測試。本文以南寧機務段某HXD3c為試驗對象，對TAX數(shù)據(jù)采集過程中的數(shù)據(jù)波形如圖5所示，TCMS數(shù)據(jù)采集的部分結果如表2所示。
由表2可以清晰地看到TCMS系統(tǒng)的每個網(wǎng)絡節(jié)點上的狀態(tài)量及操作量，這些操作量與狀態(tài)量能為機車的故障診斷提供重要事實依據(jù)。通過數(shù)據(jù)比對，統(tǒng)計得出數(shù)據(jù)采集正確率為100%。如圖5所示，用示波器監(jiān)視TAX數(shù)據(jù)采集過程中傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)波形，數(shù)據(jù)包波形穩(wěn)定無毛刺，驗證了數(shù)據(jù)通信板協(xié)議轉換的可靠性。通過TCMS數(shù)據(jù)采集分析和TAX2通信示波器波形捕捉試驗，表明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能完整，數(shù)據(jù)采集準確、高效與可靠。
4 結語
基于列控設備的特點，針對性地設計了一套高效、準確的列控設備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了多種列控設備相互獨立、數(shù)據(jù)不集中的問題。在系統(tǒng)設計方面比以往的系統(tǒng)顯得更加輕量化，易于開發(fā)與后期維護。在數(shù)據(jù)采集仿真測試的實驗中表現(xiàn)出了較高的數(shù)據(jù)采集效率與準確率，滿足列車TAX2、TCMS的數(shù)據(jù)采集要求。該系統(tǒng)在列控設備數(shù)據(jù)采集方面具有重要的參考價值和廣泛的使用前景。
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