0 引言

    監(jiān)測(cè)與控制是保障列車行車安全行之有效的方法，我國(guó)現(xiàn)役列車基本配備了多種監(jiān)測(cè)控制設(shè)備與系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱列控設(shè)備），其中最具代表性的是LKJ 2000型列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置、TAX2型機(jī)車安全信息綜合監(jiān)測(cè)裝置以及列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（TCMS）?，F(xiàn)階段這些車載設(shè)備在列車行車過(guò)程中容易形成信息孤島，監(jiān)測(cè)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(jī)務(wù)段或者鐵路局信息中心難以獲得列車運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)的機(jī)車狀態(tài)信息、安全信息與監(jiān)測(cè)信息，不利于列車實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。對(duì)此，唐國(guó)平針對(duì)列控設(shè)備數(shù)據(jù)分散的情況，利用列車既有的有線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了LAIS列車運(yùn)行狀態(tài)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)LKJ2000、TAX2等設(shè)備數(shù)據(jù)的整合^[1]；張啟平在唐國(guó)平研究的基礎(chǔ)上，對(duì)LAIS列車運(yùn)行狀態(tài)信息系統(tǒng)進(jìn)行了整合改進(jìn)，使其更加符合鐵道部信息化總體規(guī)劃的要求^[2]；文獻(xiàn)[3，4]針對(duì)在線列車監(jiān)測(cè)與控制信息共享不足，利用車載信息采集技術(shù)和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車安全信息（數(shù)據(jù)來(lái)源于LKJ、TAX）、狀態(tài)信息與監(jiān)測(cè)信息的整合。

    上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)列車監(jiān)測(cè)與控制信息的采集環(huán)節(jié)沒(méi)有給出具體的采集方法與設(shè)計(jì)方案。本文通過(guò)分析車載TAX2、TCMS設(shè)備輸出數(shù)據(jù)格式以及電氣接口工作原理，通過(guò)改進(jìn)UDP協(xié)議，使其支持擁塞控制方法來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)利用率。從硬件和軟件兩方面，設(shè)計(jì)了基于嵌入式Linux+ARM9的多通道串口列車監(jiān)測(cè)與控制設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)^[5，6]，旨在對(duì)車載TAX2、TCMS設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中化采集處理，為機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷的列控設(shè)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(jiǎn)介

    結(jié)合列控設(shè)備的電氣接口原理及數(shù)據(jù)報(bào)文格式，分析列控設(shè)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(shè)備接口電氣特性差異以及減輕數(shù)據(jù)服務(wù)器的處理負(fù)擔(dān)，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的列控設(shè)備數(shù)據(jù)采集端與數(shù)據(jù)服務(wù)器接收端之間設(shè)計(jì)一個(gè)在系統(tǒng)中起著列控設(shè)備與數(shù)據(jù)服務(wù)器通信互聯(lián)關(guān)鍵作用的數(shù)據(jù)通信板。數(shù)據(jù)通信板作為一個(gè)特殊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在系統(tǒng)中的作用如下：

    (1)系統(tǒng)對(duì)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(zhuǎn)換，通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到車載數(shù)據(jù)服務(wù)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(fù)雜多樣的要求，數(shù)據(jù)通信板設(shè)計(jì)兩種類型接口用來(lái)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(jī)車的TCMS數(shù)據(jù)采集；預(yù)留1路RS422通信接口，用于HXD2型機(jī)車TCMS或其他設(shè)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(wù)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(wù)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^(guò)程中由于缺乏擁塞控制機(jī)制易發(fā)生丟包與時(shí)延。文獻(xiàn)[8-9]提出一種基于UDP協(xié)議的改進(jìn)協(xié)議，通過(guò)速率調(diào)整策略實(shí)現(xiàn)UDP的可靠擁塞控制。下面介紹UDP擁塞控制具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

    (1)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

    定義預(yù)期接收時(shí)間(ET)和發(fā)送時(shí)間(ST)的差值與發(fā)送時(shí)間之比為擁塞值diff：

    由網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)劃分的網(wǎng)絡(luò)擁塞等級(jí)如表1所示，用于檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。其中，α為低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載上限，常取值2%；β為網(wǎng)絡(luò)輕度擁塞下限，常取值4%。

    (2)調(diào)整發(fā)送速率

    在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測(cè)結(jié)束之后，判斷網(wǎng)絡(luò)處于何種狀態(tài)，采用A-AIAD速率調(diào)整的方法改變網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。在UDP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸中，傳輸速率在一定區(qū)間范圍[R_min，R_max]內(nèi)變化，其中R_min為UDP可接受速率下限，R_max為目標(biāo)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(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

    數(shù)據(jù)通信板作為系統(tǒng)的核心部件，硬件設(shè)計(jì)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(diào)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(dá)454 MHz?；趇.MX287核心板內(nèi)部集成10/100 Mb/s以太網(wǎng)MAC，通過(guò)外擴(kuò)PHY以太網(wǎng)收發(fā)器DP83848K，并采用HR601680作為以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)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(guò)在核心處理器的D0～D7引腳與控制引腳外接增強(qiáng)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(fù)責(zé)電源供給，為保證元器件正常工作與系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，采取了加入穩(wěn)壓二極管以及過(guò)流保護(hù)保險(xiǎn)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(lái)指示通信板的工作狀態(tài)，即電源狀態(tài)、程序運(yùn)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(shè)計(jì)

    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(zhuǎn)換設(shè)計(jì)以滿足異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用層，還可具體分為硬件層、驅(qū)動(dòng)層、核心層、接口層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層。

    硬件層主要提供通信板與其他設(shè)備通信的電氣接口，包括1個(gè)以太網(wǎng)接口和4個(gè)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(shí)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(yùn)行提供管理和控制方案，主要包括Linux系統(tǒng)啟動(dòng)引導(dǎo)文件U-Boot、操作系統(tǒng)內(nèi)核、根文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)包括1個(gè)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)和4個(gè)串口驅(qū)動(dòng)。Linux系統(tǒng)上電配置完成后，初始化硬件，加載驅(qū)動(dòng)，為應(yīng)用程序運(yùn)行提供必要的服務(wù)和相應(yīng)接口。

    應(yīng)用層提供實(shí)現(xiàn)通信板功能的應(yīng)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(duì)數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)發(fā)。

2.3 軟件工作流程設(shè)計(jì)

    在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，利用數(shù)據(jù)寄存機(jī)制將兩層網(wǎng)絡(luò)間的通信事件分解為兩個(gè)分時(shí)異步事件進(jìn)行處理，形式上表現(xiàn)為完成異構(gòu)總線間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的通信。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信板在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層作為UDP客戶端talker，數(shù)據(jù)服務(wù)器作為UDP監(jiān)聽(tīng)端listener，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中以數(shù)據(jù)通信板作為以太網(wǎng)主機(jī)，使用UDP協(xié)議與車載數(shù)據(jù)服務(wù)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(duì)設(shè)備IP初始化Socket，建立數(shù)據(jù)通信板與數(shù)據(jù)服務(wù)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(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理函數(shù)：

    ①若數(shù)據(jù)為HDLC數(shù)據(jù)，調(diào)用HDLCtoEthTask任務(wù)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(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)。

    ②若為UART1數(shù)據(jù)，調(diào)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(bào)文類型，以及完成后續(xù)的隊(duì)列數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)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(cè)試與分析

    為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能完整性與可靠性，對(duì)TAX2、TCMS數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真采集測(cè)試。本文以南寧機(jī)務(wù)段某HXD3c為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)TAX數(shù)據(jù)采集過(guò)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(jié)果如表2所示。

    由表2可以清晰地看到TCMS系統(tǒng)的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的狀態(tài)量及操作量，這些操作量與狀態(tài)量能為機(jī)車的故障診斷提供重要事實(shí)依據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)，統(tǒng)計(jì)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(guò)程中傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)波形，數(shù)據(jù)包波形穩(wěn)定無(wú)毛刺，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)通信板協(xié)議轉(zhuǎn)換的可靠性。通過(guò)TCMS數(shù)據(jù)采集分析和TAX2通信示波器波形捕捉試驗(yàn)，表明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能完整，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、高效與可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

    基于列控設(shè)備的特點(diǎn)，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了一套高效、準(zhǔn)確的列控設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了多種列控設(shè)備相互獨(dú)立、數(shù)據(jù)不集中的問(wèn)題。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面比以往的系統(tǒng)顯得更加輕量化，易于開(kāi)發(fā)與后期維護(hù)。在數(shù)據(jù)采集仿真測(cè)試的實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出了較高的數(shù)據(jù)采集效率與準(zhǔn)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(shè)備數(shù)據(jù)采集方面具有重要的參考價(jià)值和廣泛的使用前景。

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