机车数据实时监测与处理系统的设计与实现

摘要：结合新疆用户的机车情况及生产、管理需求，确定了基于Wincon-8000 的工业控制器做系统的核心控制器平台，选用I-7000 系列工业过程控制模块做系统的输入、输出模块，根据系统的软件需求，介绍了实时数据采集与记录软件的总体结构和详细流程。主要阐述了系统的硬件构建方法和软件部分的开发过程。

关键词：机车信息；数据采集；实时监测

中图分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2008)28-0027-03

Design and Realization of the Locomotive Data Real-time Monitoring and Processing System

ZHANG Shu-ping

(College of Science & Technology ,XinJiang University,Urumqi 830049,China)

Abstract: According to the locomotivesituation 、the productionandthe management demand ofthe XlNJiang users, determined to making the system based on the Wincon-8000 industry controller the core controller Platform，selected the l一7000 series commercial controlmodule to be the system"s input、output module. Posted software demand of the real-time data monitoring system,introduced recording software of the real-time data acquisition、the general structure and the particular process on the grounds of system demand, The process of the system hardware and the design method of the system software are mainly presented.

Key words: locomotive information; data sampling; real-time monitoring

1 引言

随着现代科学技术水平的发展，现代设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度越来越高，不仅同一设备的不同部分之间可以相互联系，而且不同设备之间的关系也紧密耦合，从而在生产过程中形成一个整体。因此发展铁路系统特别是高速铁路必须解决的首要任务是研究建立保证铁路安全体系问题。而在整个铁路的安全体系中，铁路的行车安全又处于最核心的地位，对列车上的设备与系统进行监测是关系到行车安全的一项重要措施。

本文主要介绍了机车数据实时监测与处理系统的设计与实现。

2 系统硬件设计

2.1 嵌入式核心控制器与操作系统的选型

我们选择Wincon-8000嵌入式控制器作为系统的核心控制器。

Wincon-8000嵌入式控制器与其他嵌入式控制器比较具有以下优点：

1)Wincon-8000嵌入式控制器具有Inte1StrongARMCPU芯片，可以运行Windoows CE操作系统的嵌入式平台，windoows CE 具有许多优点，包括硬实时能力、很小的内核、引导速度快、深层次中断处理、确定的控制性以及低成本等：

2)Wincon-8000具有运行许多代PC-based控制软件的能力，如visua1Basic.NET，visualC#，Embedded Visual c++，scADA 软件，softpLC等等;

3)Wincon-8000嵌入式控制器也支持类似PLc的数据采集和远程控制技术。

4)Wincon-8000有一个vGA接口，允许用户用常用的LCD监视器去替代HMI显示，有USB接口允许用户连接USB存储设备或是触摸屏监视器、存储程序和数据的CF存储器 。

Wincon-8000既能提供传统PLC的优点，又能提供运行Windows的PC机的功能，是替代常规PC和PLC 的性价比最佳的选择。

从操作系统的功能强大性、兼容性、可靠性、性价比等综合因素考虑，我们选择了嵌入式Windows CE操作系统，Windows CE最大特点是其API与Win32兼容，这有利于使用Windows环境开发WincE应用，Windows CE提供给程序开发者标准Win-32API，ActiveX控件，MSMQ，COM接口，ATL和MFC(MicrosoftPoundationclassesLibrary)等熟悉的开发环境。Activesync提供台式计算机和嵌入装置之间的(网络)连接，无论是通过序列连接，还是红外线串行口或网络电缆连接。Windows CE对多媒体，通信(TCP/IP，SNMP，TAPI)，还有安全性提供内置的支持。种种的整合应用程序，包括了小型的outlook浏览器，针对小型的收信信箱的客户程序，还有小型的容许用户扩展并自定义现行的系统的Wordexpose对象和扩展应用的程序。

选择 Windows CE作为监测系统的操作系统，为我们的开发工作提供了熟悉的开发环境和丰富的软件资源,为系统的成功开发奠定了基础。

2.2 模拟量输入设备选型

按照需求分析的要求，需要采集的模拟量有:1-6电机分电流、主发电压、主发电流、水温、油温、滑油压力、燃油压力、辅助发电、蓄电池充放电流、柴油机转速15个模拟量。

综合考虑系统可靠性、高级语言支持能力及性价比等因素，我们选择台湾泓格I-7018模块作为14路模拟量的输入通道，选择I-8080模块做为柴油机转速模拟量的输入模块。系统采集的模拟量及其通道的分配见表1所示。

2.3 开关量输入、输出设备选型

根据需求分析，在此系统中我们所涉及到的开关量有：差示压力动作、水温高、固定发电、空转、主回路接地、主回路过流、卸载灯亮、故障励磁、三个开关以及四个指示灯的控制。根据各方面的权衡，我们选择了泓格ICPDAS I-8042开关量的输入模块。I-7050开关量的输入、输出模块。系统采集的开关量及其通道的分配见表2所示。

2.4 通信协议转换设备

Wincon-8000使用RS-485通信协议连接器连接各主要I/0模块，因此要求所有的I/0通道模块支持RS-485协议。考虑到目前的机车上已经安装了一套运行监测系统，称为TAX箱。TAX箱使用RS-232 串口通信协议，所以应在监测器与TAX箱之间完成RS-232到RS-485 通信协议的转换。从模块的性能、兼容性等方面的因素考虑，选择了台湾涨格的I-7520模块。

系统的硬件总体结构如图1所示。

3 软件开发

3.1 软件开发环境

微软提供了两个整合的开发环境来开发基于Windows CE 控制器的应用程序：Visual studio.NET和eMbedded Visual C++，它们都由一套整合的窗口、工具、菜单、工具栏、目录和其他组件组成，用来帮助我们建立、开发、测试和调试Windows CE应用程序的。基于Wincon-8000的机车数据实时监测与处理系统的数据采集软件是在Visual studio.NET环境下开发的。开发平台的最低硬件配置如表3所示。

表3 开发平台的最低配置

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3.2 软件开发工具

Visual studio.NET整合开发环境已经支持开发智能型装置，使用这些工具和.NET Compact Framework 能够建立、部署、调试、建制在个人数字助理、移动电话和其他资源受限等通过.NET Compact Framework执行的应用程序。Visual studio.NET 2003年版本（含）以后已经支持应用程序的开发者在Visual studio.NET中使用 Visual Basic.NET和Visual C#程序语言来撰写应用程序，这些应用程序必须通过.NET Compact Framework来开发和执行，本系统使用Visual C#程序语言来撰写应用程序，软件开发工具如表4所示。

除要在开发用PC上安装Windows CE软件开发包，还要安装SDK for wincon-8000及软件驱动程序。程序既可以下载到硬件平台上调试也能在使用的PC上的仿真环境中进行调试。

3.3.1 软件总体功能

系统能采集浮点型的8位数据，每隔50毫秒采集一次信息，每一秒将收到最后一帧监控装置数据传送到终端设备形成.TXT,.BAK等文件，然后将.TXT,.BAK等文件传送给CF卡，通过U盘将数据传送到后台数据处理软件，后台数据处理软件的回放分析提供横向以及纵向数据比较在内的各种数据模式，通过曲线分析，使记录数据可视化，真实再现各种运行状态下机车的各种运行状态，为机车的检修提供科学的依据，同时也可以提高机车的利用率。

3.3.2 软件总体设计坚持的原则

本系统软件在设计时坚持以下原则：

1)界面美观友好、用户易操作。

2)本系统所涉及的基础信息尽量以参数表的形式进行维护，系统做到灵活性强。

3)系统采用C/S模式设计，包括分析程序和备份程序独立于分析程序。

4)考虑到系统数据量大的特点，保证系统有较高的运行效率。

3.3.3 数据采集系统软件

现场数据采集软件完成机车运行时的实时数据的采集、处理、存储与转发。其软件功能结构如图2所示 。

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图2 数据采集系统软件功能结构图

现场数据采集系统主要由柴油机转速的采集、开关量的采集、模拟量的采集、看门狗的启用、系统信息几个部分组成。数据采集系统程序设计流程图如图3所示。

3.3.4 地面分析系统软件

地面分析系统软件主要完成数据存储、数据提取、数据分析等，总体数据流程如图4所示。地面分析系统的功能框架结构如图5所示。

4 系统运行结果

项目在设计思路上进行了创新，改变了传统的总线与数据采集板的电路设计思想，而采用模块化设计思想，将各个采集通道分别隔离，并预留足够的通道备用，信号相近的通道组成模块，模块之间、模块与主控单元之间通过总线方式连接，保证了各通道、各模块和主控单元的独立性，便于系统的扩展、升级，适应机车各种型号的传感器信息的接入以及方便故障检修处理。数据采集记录器前端从仪表端子接线获取信号，接线标准规范，模拟量输入、开关量输入、开关量输出和驱动电路分别由相互隔离的通道组成不同的模块，模块采用双看门狗电路设计，具有较高的可靠性，接口部分阻抗大，对外围电路没有影响，主控单元采用紧凑型嵌入式控制系统，操作系统为Windows CE，支持VGA、Ethernet、UsB、键盘、鼠标、闪存等，主控单元每1秒钟采集并记录一次数据，Flash盘可存储40小时数据，通过UsB进行转录，方便快捷。装置具有安全导向功能，通过面板上的指示灯可观察、判断装置的好坏及数据转录情况。整套装置功耗小，符合铁道部电子产品装车标准。项目开发的产品在哈密机务段的列车上进行了运行， 达到了预计的设计目标。系统运行后采集的部分数据如下：

0649，0.0638，0.0367，0.0372，0.038，0.0378，255，62.5，0，0，0，0，0，0，0.0，“2006-01-2216:55:35”，“5051”，

0.0141，0.0132，0.0302，0.0147，0.1002，0.0708，1，1，0.0119，0.1237，0.0649，0.0637，0.0366，0.0372，0.038，0.0378，255，625，0，0，0，0，0，0，0.0，“2006-01-2216:55:36”，“5051”，

0.0141，0.0132，0.0302，0.0147，0.1002，0.0708，1，1，0.012，0.1238，0.0649，0.0638，0.0367，0.0372，0.0381，0.0378，255，65.34091，0，0，0，0，0，0，0.0，“2006-01-22 16:55:37”，“5051”

0.0141，0.0132，0.0302，00148，O.1002，0.0708，1，1，0.0119，0.1237，0.0648，0.0637，0.0368，0.0373，0.0381，0.0378，255，62.5，0，0，0，0，0，0，0.0，“2006-01-22 16:55:38”，“5051”

5 结束语

本系统严格按照铁路产品的设计要求进行设计与生产，在性能与可靠性方面处于国内领先水平。系统的实现不仅为铁路高速运输提供了强有力的安全保障，同时也为铁路安全运输管理提供了正确的分析依据。

参考文献：

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