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)據分散的情況，利用列車既有的有線、無線網絡，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絡傳輸過程中的網絡利用率。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)據采集系統(tǒng)^[5，6]，旨在對車載TAX2、TCMS設備的數(shù)據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)據報文格式，分析列控設備數(shù)據采集系統(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)據服務器的處理負擔，在數(shù)據采集系統(tǒng)的列控設備數(shù)據采集端與數(shù)據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)據服務器通信互聯(lián)關鍵作用的數(shù)據通信板。數(shù)據通信板作為一個特殊的網絡節(jié)點，在系統(tǒng)中的作用如下：

    (1)系統(tǒng)對LKJ2000的采集數(shù)據主要為TAX數(shù)據，采用RS485總線通信方式，波特率為28.8 kb/s^[7]。TAX數(shù)據由數(shù)據通信板完成RS485協(xié)議到UDP/IP協(xié)議的轉換，通過以太網發(fā)送到車載數(shù)據服務器，完成一次TAX數(shù)據的采集；

    (2)為滿足不同車型TCMS系統(tǒng)總線復雜多樣的要求，數(shù)據通信板設計兩種類型接口用來采集TCMS數(shù)據：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)據采集。采集的TCMS數(shù)據由數(shù)據通信板完成協(xié)議處理，最后經以太網發(fā)送到車載數(shù)據服務器。

1.2 UDP擁塞控制

    系統(tǒng)的數(shù)據通信板與數(shù)據服務器之間的通信采用UDP協(xié)議，該協(xié)議在數(shù)據量大傳輸?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：

    由網絡狀態(tài)劃分的網絡擁塞等級如表1所示，用于檢測網絡狀態(tài)。其中，α為低網絡負載上限，常取值2%；β為網絡輕度擁塞下限，常取值4%。

    (2)調整發(fā)送速率

    在網絡狀態(tài)檢測結束之后，判斷網絡處于何種狀態(tài)，采用A-AIAD速率調整的方法改變網絡狀態(tài)。在UDP協(xié)議網絡傳輸中，傳輸速率在一定區(qū)間范圍[R_min，R_max]內變化，其中R_min為UDP可接受速率下限，R_max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、以太網傳輸模塊、數(shù)據采集模塊、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內核高性能處理器，其主頻最高可達454 MHz。基于i.MX287核心板內部集成10/100 Mb/s以太網MAC，通過外擴PHY以太網收發(fā)器DP83848K，并采用HR601680作為以太網的網絡隔離器接入以太網。數(shù)據采集模塊根據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)據鏈路層支持HDLC協(xié)議數(shù)據的收發(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)、以太網通信狀態(tài)。

2.2 軟件框架設計

    根據TAX、TCMS數(shù)據采集的要求，數(shù)據通信板采用多協(xié)議數(shù)據轉換設計以滿足異構網絡之間的通信要求^[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個以太網接口和4個串口。其中i.MX287核心板的數(shù)據總線D0～D7與控制總線外接Z85230，實現(xiàn)基于HDLC協(xié)議數(shù)據收發(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)內核、根文件系統(tǒng)和設備驅動，設備驅動包括1個以太網驅動和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)據緩存。數(shù)據緩存區(qū)緩存采集到LKJ2000的TAX數(shù)據或者TCMS數(shù)據，最后根據數(shù)據類型完成對數(shù)據的處理轉發(fā)。

2.3 軟件工作流程設計

    在網絡系統(tǒng)中，利用數(shù)據寄存機制將兩層網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)了異構網絡間的通信。本系統(tǒng)的數(shù)據通信板在以太網網絡層作為UDP客戶端talker，數(shù)據服務器作為UDP監(jiān)聽端listener，在數(shù)據采集過程中以數(shù)據通信板作為以太網主機，使用UDP協(xié)議與車載數(shù)據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，完成串口和以太網的接口映射；

    (2)針對設備IP初始化Socket，建立數(shù)據通信板與數(shù)據服務器的UDP連接；

    (3)Socket連接成功后，讀取數(shù)據緩存區(qū)中的數(shù)據包，判斷數(shù)據類型，調用相應的數(shù)據處理函數(shù)：

    ①若數(shù)據為HDLC數(shù)據，調用HDLCtoEthTask任務函數(shù)，將緩存區(qū)的HDLC數(shù)據處理封裝為UDP/IP協(xié)議數(shù)據并將其轉發(fā)到以太網。

    ②若為UART1數(shù)據，調用485toEthTask函數(shù)，先將緩存區(qū)中的RS485數(shù)據解封裝，再將其封裝成符合UDP/IP協(xié)議以太網數(shù)據報文類型，以及完成后續(xù)的隊列數(shù)據處理和轉發(fā)。

    ③UART2的數(shù)據處理與UART1數(shù)據的處理方式相似。

3 系統(tǒng)測試與分析

    為了驗證數(shù)據采集系統(tǒng)的功能完整性與可靠性，對TAX2、TCMS數(shù)據進行仿真采集測試。本文以南寧機務段某HXD3c為試驗對象，對TAX數(shù)據采集過程中的數(shù)據波形如圖5所示，TCMS數(shù)據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。通過數(shù)據比對，統(tǒng)計得出數(shù)據采集正確率為100%。如圖5所示，用示波器監(jiān)視TAX數(shù)據采集過程中傳輸狀態(tài)數(shù)據波形，數(shù)據包波形穩(wěn)定無毛刺，驗證了數(shù)據通信板協(xié)議轉換的可靠性。通過TCMS數(shù)據采集分析和TAX2通信示波器波形捕捉試驗，表明數(shù)據采集系統(tǒng)功能完整，數(shù)據采集準確、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)據采集仿真測試的實驗中表現(xiàn)出了較高的數(shù)據采集效率與準確率，滿足列車TAX2、TCMS的數(shù)據采集要求。該系統(tǒng)在列控設備數(shù)據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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