李啟磊 許娟紅 虞君彪 沈 潔 黃鳳辰 李臣明

（1.中國中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京；2.河海大學(xué)計算機信息學(xué)院，211100，南京∥第一作者，工程師）

根據(jù)IEC61375標(biāo)準(zhǔn)，TCN（列車通信網(wǎng)絡(luò)）適用于開式列車的數(shù)據(jù)通信。TCN 列車總線廣泛應(yīng)用于鐵路機車車輛、動車組及城市軌道交通車輛中。我國近年來大力發(fā)展基于TCN 的列車網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。

TCN 列車總線一般分為兩部分：用于連接各節(jié)可動態(tài)編組車輛的列車級通信網(wǎng)絡(luò)絞線式列車總線（Twisted Train Bus，簡為 WTB）以及用于連接車廂內(nèi)固定設(shè)備的車輛級通信網(wǎng)絡(luò)多功能車輛總線（Multifunctional Vehicle Bus，簡為 MVB）。國內(nèi)很多已運營和即將運營的地鐵列車大都采用了基于MVB標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。通過采集和分析處理列車運行過程中產(chǎn)生的各類信息，可以大大提高列車運行維護的時效性，從而有效保障列車運行安全。因此，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、能夠?qū)崟r采集MVB 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)具有重要意義。

本文設(shè)計了一種采集并顯示MVB 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時采集車輛運行過程中的各類信息，并對這些信息進行分析、處理，最后在平板電腦上動態(tài)顯示以告知司機列車當(dāng)前的各種狀態(tài)。

1 系統(tǒng)功能

車輛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負責(zé)車輛狀態(tài)參數(shù)、車輛安全信息及綜合監(jiān)測信息的采集、處理、記錄、傳輸、轉(zhuǎn)儲及顯示，通過通信模塊將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至地面綜合應(yīng)用系統(tǒng)，為之提供數(shù)據(jù)支持。另外，根據(jù)需要，系統(tǒng)接收地面服務(wù)端發(fā)送的數(shù)據(jù)請求信息，并將對應(yīng)的請求數(shù)據(jù)發(fā)送至地面服務(wù)端處理。

1.1 車輛信息采集

信息采集要完成的任務(wù)是在不影響TCMS（列車控制管理系統(tǒng)）正常工作的前提下采集到MVB上所有信號。MVB 協(xié)議是一種基于總線的協(xié)議，每一個MVB 設(shè)備都掛接到同一根總線上。MVB協(xié)議解決總線訪問沖突的辦法是主從控制，即總線上有且只有一個 MVB 設(shè)備稱為主設(shè)備，其它設(shè)備都為從設(shè)備。主設(shè)備控制總線的訪問，從設(shè)備都是在得到主設(shè)備允許后才能訪問總線。因此，本文提出的采集系統(tǒng)作為從設(shè)備接入至 MVB，負責(zé)從MVB讀取車輛當(dāng)前的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給主控芯片進行分析和處理。

1.2 車載信息總控

對車載信息采集、信息傳輸、人機交互功能的集中控制。負責(zé)對所采集的總線數(shù)據(jù)進行處理、分析，根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)的變化執(zhí)行不同的任務(wù)，能將數(shù)據(jù)正確地發(fā)送至地面服務(wù)端，接收地面服務(wù)端的數(shù)據(jù)請求信息并發(fā)送所請求的數(shù)據(jù)值地面服務(wù)端，能實時對地面服務(wù)端反饋的處理結(jié)果進行有效展示。

1.3 車載人機交互

通過人機交互設(shè)備，地鐵車輛駕駛員可以實時、準(zhǔn)確地獲取地鐵車輛當(dāng)前的運行狀態(tài)、出現(xiàn)的故障及處置方式等信息。當(dāng)車輛出現(xiàn)故障時，根據(jù)提示信息可以迅速、快捷地對故障進行處理，提高故障處理的效率和準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

車輛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括主控芯片模塊、信息采集模塊、電源模塊、無線傳輸模塊，存儲模塊和人機交互模塊，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

2.1 主控模塊

主控模塊作為系統(tǒng)核心部分，主要負責(zé)控制其余各模塊之間的數(shù)據(jù)交互。主控模塊控制信息采集模塊從MVB總線采集數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)暫存于存儲模塊。之后主控芯片對所采集的車輛運行數(shù)據(jù)進行分析處理，根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)的變化將其中變化的數(shù)據(jù)通過通信模塊發(fā)送至地面服務(wù)端處理。主控模塊接收來自地面服務(wù)端的請求數(shù)據(jù)并反饋所請求的數(shù)據(jù)，接收來自地面服務(wù)端的診斷結(jié)果并發(fā)送至人機交互模塊動態(tài)顯示。同時，主控模塊還負責(zé)將采集的所有數(shù)據(jù)發(fā)送至人機交互模塊存儲。

2.2 車輛信息采集模塊

MVB信號采集設(shè)備如同一個普通MVB 從設(shè)備一樣工作。不過與普通MVB 從設(shè)備不同的是，它是一個完全被動的設(shè)備，不能干擾 MVB 的正常運行。不管這個采集設(shè)備是否存在該總線上，MVB將以完全同樣的方式運行。所以，該采集設(shè)備只是接收并保存所有通過 MVB 的數(shù)據(jù)，不發(fā)出任何數(shù)據(jù)。而且它不存在于 MVB 主設(shè)備的周期輪詢表里，它不需要分配 MVB 地址，因此，它對于整條總線是透明的。采集模塊框圖如圖2所示，采集模塊作為從設(shè)備接入MVB并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至信號檢測與傳輸模塊。

圖2 車載綜合信息采集模塊框圖

2.3 電源模塊

車輛綜合信息采集、監(jiān)測與傳輸系統(tǒng)的供電方案采用車載電源為主、充電電池為輔的方式，保證不間斷供電，如圖3所示。

圖3 電源模塊框圖

2.4 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用無線射頻的方式與地面系統(tǒng)通信，CDMA（碼分多址）無線公網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋好，抗多徑干擾、抗衰落性能好，尤其是越區(qū)軟切換，不易掉線的優(yōu)點，因此該系統(tǒng)中快速移動下的通信方式主要采用CDMA 網(wǎng)絡(luò)。

2.5 人機交互模塊

主控芯片根據(jù)所采集的信號狀態(tài)是否變化將數(shù)據(jù)分為變化數(shù)據(jù)和非變化數(shù)據(jù)。一方面，主控芯片發(fā)送變化數(shù)據(jù)至地面服務(wù)端診斷處理，當(dāng)出現(xiàn)故障時，地面服務(wù)端將故障信息及處置方式發(fā)送至本系統(tǒng)，由主控模塊控制該信息發(fā)送至人機交互模塊并動態(tài)顯示以方便駕駛?cè)藛T及時處理故障；另一方面，人機交互模塊需要對采集的所有數(shù)據(jù)進行冗余備份。本文使用平板電腦作為車載人機交互模塊，該模塊需向司機展示故障告警、運行狀態(tài)、操作方式和回傳指令等信息，通過人機交互界面司機可查看列車狀態(tài)信息及故障處理方法等，同時平板電腦還作為大容量存儲設(shè)備暫存所有的車輛運行數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計

3.1 電源電路設(shè)計

電源電路通過USB（通用串行總線）接口供電，首先經(jīng)過電容和電感濾波后一端接到MVB 網(wǎng)卡芯片電源輸入端，為MVB網(wǎng)卡芯片提供工作所需的5 V 電壓，另一端先經(jīng)過電容濾波，經(jīng)由電壓轉(zhuǎn)換芯片降壓，再經(jīng)過電容濾波后接到微控制器、網(wǎng)卡芯片、地址鎖存器芯片及存儲芯片的電源輸入端，為其提供3.3V 工作電源。其電路圖見圖4。

圖4 系統(tǒng)電源電路圖

3.2 主控電路設(shè)計

在系統(tǒng)主控電路中，MVB 信號采集模塊采用大連海天科技的SSMV21CD 型號網(wǎng)卡。該網(wǎng)卡支持4 096個過程變量端口（源端口或宿端口，16位～256位可配置），通過PC104與主控芯片連接。主控芯片采用Atmel公司生產(chǎn)的ATxmega128A1型號的微處理器控制數(shù)據(jù)的采集和處理。該型號的微處理器具有性能好、功耗低、外圍豐富等特點，CPU（中央處理器）的性能指標(biāo)達到每秒處理百萬級的機器語言指令數(shù)，并允許優(yōu)化功耗和處理速度。存儲芯片使用BS62LV1603EI型號。該芯片容量為2 M，具有功耗低、電源自動調(diào)節(jié)等優(yōu)點。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

車輛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖

5 試驗

為驗證各個硬件模塊單元以及系統(tǒng)整體是否實現(xiàn)了設(shè)計方案中的功能，在車輛環(huán)境下組建測試系統(tǒng)，主要對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信能力進行測試。發(fā)送數(shù)據(jù)至地面服務(wù)端（見圖6），地面服務(wù)端接收數(shù)據(jù)（見圖7），地面服務(wù)端包括數(shù)據(jù)解析和車輛狀態(tài)顯示，解析數(shù)據(jù)后在地面顯示端顯示車輛狀態(tài)（見圖8）。在本次試驗中，在地鐵列車司機臺按下左側(cè)門全部開門按鈕，通過圖8可以看出，車門區(qū)域顯示綠色表示門打開，灰色表示門關(guān)閉，試驗結(jié)果符合預(yù)期。因此，本文所設(shè)計的系統(tǒng)方案能夠正常工作，地面服務(wù)端將采集的數(shù)據(jù)進行分析，最終將車載信息進行顯示，能夠滿足實際的應(yīng)用需求。

圖6 數(shù)據(jù)發(fā)送

圖7 數(shù)據(jù)接收數(shù)

圖8 地面服務(wù)端顯示圖

6 結(jié)語

本文介紹了一種基于MVB的城市軌道交通車輛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面能通過采集總線數(shù)據(jù)實時地獲取列車運行的各種狀態(tài)，另一方面，通過對采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理，為后續(xù)的故障診斷提供基礎(chǔ)；同時還可以實時地顯示車輛的故障信息及處理方式，為維護人員及時、有效地解決故障提供保障，縮短了故障處置時間，提高了車輛安全性能。

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