地铁门控单元实时故障检测装置系统

高翔，张峰，张士文，张秀彬

地铁门控单元实时故障检测装置系统

高翔，张峰，张士文，张秀彬

随着城市轨道交通的普及，地铁运行的安全性与可靠性越来越受到关注。其中，列车门控系统是与乘客人身安全相关的一项技术保障。鉴于进口设备的贸易垄断性和技术封闭性，针对其原有技术缺陷，通过多工况下的外特性连续性能检测采样，研究并开发了一种新型的门控单元实时故障检测装置。该装置实现了地铁列车运行的实时故障检测、记录、分析与远程交互控制功能，因此，能够为地铁的繁忙运行提供了一种高可靠性的安全保障技术。

门控单元；嵌入式系统；Android应用；故障检测

0 引言

当前国内使用的地铁列车尚有相当数量系由国外进口，外商出于出口设备的贸易垄断性和技术封闭性之目的，一般不向需求方提供任何内特性参数及其故障分析与甄别技术，这就给地铁运营单位对设备安全评估带来极大的隐患。以地铁列车门控单元为例，常见的维修和保障方式主要停留于离线式的维护，即将门控单元取下后，放置在专用的故障检测平台上对其进行检测，这种维修方式延长了维修时间，不利于对故障的判断，且其关键技术多在门控单元设备提供商处，列车运营方缺乏对门控单元有效的处理手段[1]。

本文针对地铁列车门控单元的技术现状，通过多工况下的外特性连续性能检测采样，掌握门控单元的构成和运行情况、通信协议、电路结构等相关技术原理和参数的基础上，研制了一种可以随车运行记录门控单元故障的便携式设备——地铁门控单元实时故障检测装置系统。其记录下的故障信息可以供维修保障、数据收集分析以及参考用，还可通过信息交互实现远程监控。该系统基于高可靠性嵌入式系统和便携式的集散设备对列车门控单元的状态和故障参数进行检测并记录。与现有技术相比，具有实时性强、操作便捷、人机交互友好等优点，具有较强的实用价值和推广前景。

1 门控单元简介

门控单元是地铁门控系统的控制核心，负责驱动门电机开关门操作、状态检测、安全防护以及各种灯光声音提示等控制功能[2]，是一个多输入多输出的控制盒。本文所研究的门控制单元，针对于iFE公司所生产的基于RS-485/232通信协议的PMC20-110R型门控单元。其外部配置有两排16路输入输出接口，RS-232和RS-485两个通讯端口。门控单元通过两排16路的输入输出接口与外部电气设备相连，完成对列车门控系统外部的电气和机械设备的主要控制与检测功能，通过RS-485通讯接口与列车车厢内通讯总线相连，完成同其他门控单元及车厢主控设备的通讯功能。门控单元接口结构如图1suoshi ：

图1 PMC20-110R型门控单元接口

在列车正常运行中，门控单元的RS-485接口与列车车厢上的RS-485通讯总线相连，通过RS-485与列车车厢的上级控制单元通讯，其中主要的通讯内容为车门的初始化、状态信息以及车门故障信息。本文研究的主要对象就是基于RS-485通讯的相关信息，开发出以监听通讯信息为基础的在线随车故障检测系统。

2 系统总体设计

该系统由两个子系统组成：随车故障记录子系统和便携式信息查询子系统，系统结构设计方案如图2所示：

图2 系统总体设计架构图

随车故障记录子系统在不改变列车车厢原有通讯总线拓扑的情况下，挂载到通讯总线上，实时监听通讯总线上所有的通讯信息，并记录相关状态信息和故障信息，存储于系统的SD卡中。便携式信息查询子系统通过蓝牙方式可随时与随车故障记录子系统通讯，完成随车故障记录子系统的相关设置以及问询随车故障记录子系统中存储的相关记录信息，并显示在人机界面上。由于两个子系统均有便携性要求，所以均采用嵌入式系统解决方案来完成两个子系统方案的设计。

整个系统结构设计采用上位机与下位机的结构模式。作为下位机的随车故障记录子系统本身不带任何人机交互功能，仅负责数据的采集记录与通讯功能。而便携式信息查询子系统着重于提供一个良好的人机交互界面，辅之以通讯程序和相应的配置程序与下位机协调完成一个完整的测试任务。

3 随车故障记录子系统设计

随车故障记录子系统包含基于 Cortex-M 3为核心的STM 32微处理器的控制核心的硬件系统以及基于μC/OS-II嵌入式实时操作系统的软件系统。其中硬件系统还包含RS-485数据采集模块、基于SPI模式的SD卡读写模块以及蓝牙通讯模块等功能模块，对应的软件系统中配置了相应的功能任务，通过μC/OS-II实时操作系统的调度来实现具体的功能，包括工作模式选择、对RS-485数据总线上的数据采集、对采集数据进行识别、对识别后的数据进行解析翻译、基于微型 FAT文件系统的数据管理、对有关数据的记录与读取、与便携式信息查询子系统进行蓝牙通讯，通过这些任务的合理调度整合来实现其自身的完整功能。

3.1 随车故障记录子系统硬件设计

随车故障记录子系统硬件部分由上文所述的四个主要模块组成。由STM 32控制模块协调控制各模块完成相应功能并负责对相关数据的处理和分析。其功能模块框图如图3所示：

图3 硬件功能模块框图

STM 32控制核心模块以ST公司的STM 32F103ZET6微控制器芯片为核心[3]，外围辅以电源电路、JTAG仿真调试电路、时钟电路、Reset电路，使STM 32微控制器芯片可以正常工作并提供完成相应功能所需要的基本条件[4]。

RS-485采集模块的设计采用Maxim公司的MAX485专用通讯芯片，将STM 32微控制器芯片中的通用同步异步收发机（USART）输出的数字逻辑电平转换为符合RS485总线协议的电气信号，并将总线上的 RS485总线信号转换为控制器芯片可以识别的信号输入到芯片中以备进行进一步的处理。

SD卡模块中，采用SPI模式对SD卡的引脚进行接线，使用3.3V的I/O电平，并在特定管脚接入上拉电阻以保证其正常工作。同时也留出接口，为以后设备升级提供可能。

蓝牙通讯模块是将标准的蓝牙信号转换为串口信号的模块[5]，开发时只需要按照串口方式操作控制，提高了开发效率，缩短了开发周期，并可以使开发人员更多的关注系统本身而不需要过多的研究通信底层知识。

3.2 随车故障记录子系统软件设计

随车故障记录子系统软件部分是基于μC/OS-II嵌入式实时操作系统平台开发的，开发过程分为操作系统移植、功能初始化模块和主体功能任务开发等步骤。其中，μC/OS-II实时操作系统为开源操作系统，仅需要对其部分文件改写之后便可移植到硬件平台上；功能初始化配置模块主要负责在μC/OS-II系统启动前对系统及外围组件完成初始化工作；主体功能任务是按照实时操作系统任务的思想，根据系统功能应用的要求进行设计，按照各自优先级及资源信号配置由μC/OS-II统一调度以实现完整的软件功能[6]。下面对功能任务部分进行详细阐述。

按照功能模块的思想，将需求不同的应用任务模块进行分块设计，核心的任务包括模式选择任务模块、监听任务模块、记录读取任务模块等。其中有些模块并非都是单一的任务，需要信息收发任务进行同步合作，所以这些模块中可能包含多个子任务或者多个功能函数。系统总体任务调度逻辑图如图4所示：

图4 系统任务调度逻辑图

3.2.1 模式选择模块

该模块负责接收便携式信息查询子系统通过蓝牙发送的模式选择指令，根据指令的不同来选择不同的工作模式。该模块由两个任务组成：指令接收任务和调度任务，两者采用互斥信号量进行配合工作。其中，“缺省指令”执行监听任务。其流程图如图5所示：

图5 模式选择任务模块流程图

3.2.2 监听模块

监听模块为本次设计中的中心模块，由监听任务、状态分析任务、SD卡写入部分共同构成。其主要功能依次为循环采集列车门控单元的RS-485总线上的数据，对数据进行筛选和读取，建立状态分析任务，对数据帧进行解析，调用SD卡写入操作，记录对应的门控单元地址信息、状态以及故障信息和时间信息。当状态备份字中数据有改动时，再次进行解析，重复上述过程。任务流程如图6所示：

图6 监听模块流程图

SD卡写入功能部分中的操作基于FatFS文件系统，可以通过w indows系统对其创建的文件直接进行操作。状态分析任务根据监听任务中得到的 RS-485端口反馈帧进行分析，对门控单元回复的自诊断信息进行解码和翻译，得到门控单元的运行状态和故障信息，达到收集和记录数据的功能。

3.2.3 记录读取模块

本任务主要负责将已经记录的状态或故障信息从SD卡的文件中读取出来并通过蓝牙发送到便携式信息查询子系统上。完成后自我销毁并将控制权交还给调度任务。同样也是基于FatFS文件系统进行相关的文件操作。

4 便携式信息查询子系统设计

便携式信息查询子系统包含安装有Android操作系统的便携移动终端设备以及运行在Android系统上的专用信息查询应用软件。本文的研究着重于开发一款兼容大部分Android系统智能移动终端的专用信息查询应用软件，仅需要将该软件安装于带有蓝牙设备的 Android智能移动终端上，就可以通过蓝牙设备与随车故障记录子系统进行通讯完成相应的功能。该Android应用包含人机界面，通过蓝牙控制模块将指令发送给随车故障记录子系统，从而进行相关功能配置，通过蓝牙控制模块完成同随车故障记录子系统通讯，数据显示与处理模块完成相应信息的显示以及对显示信息的相关处理。此处着重对应用程序后台设计进行介绍。

后台应用程序主要负责通过蓝牙与随车故障记录子系统进行信息交流，向随车故障记录子系统发送相关指令和接受随车故障记录子系统发送的信息并显示。分为蓝牙功能模块、指令按键设置、数据显示模块。其功能框图如图7所示：

图7 后台程序功能框图

该部分的所有功能均围绕蓝牙通讯模块来实现，系统工作时，通过查找设备按钮向周围发出会话请求，周围设备接收到会话请求后给出回复，完成连接后，将这个外部设备实例化到程序中的蓝牙设备对象以供后面的程序调用。

5 系统测试与验证

测试采用模拟对象运行环境测试的方法，即采用一种基于半实物仿真技术的测控平台来为门控单元提供一个模拟的正常运行环境，让门控单元在这种环境下运行，挂载本系统对其进行故障记录，来完成对本系统的测试。

该实验的检测对象是内部安全继电器故障、电机驱动电路故障以及输出口A8短路的PMC20-110R型门控单元。根据已知的门控单元通信协议，通过随车故障记录仪的监听和解析，将不同编码对应的信息翻译成便于理解的故障信息，再将故障信息通过蓝牙发送至便携式信息查询子系统，得到了正确的故障检测结果，验证了本系统对此型号门控单元检测的有效性。显示结果如图8所示：

图8 随车故障记录仪工作界面

图中左半部分为用户操作部分，包含功能按钮和蓝牙元件地址列表。右半部分为检测信息显示部分，通过一个带下拉滑块的文本视图来显示信息。在显示框中，“Monitoring!”表示系统正在进行监听，当检测到有重大故障时会显示“Major Fault”和具体故障信息，本次实验采用的故障门控系统的具体故障均有显示和记录，可以为判断故障和维修提供依据。

6 结论

本文所提供的一种基于嵌入式系统的地铁门控单元实时故障检测装置系统，包含一个挂载在车辆门控系统总线上的监测子系统和一个Android便携设备的查询子系统，可实现对门控单元在线故障监测与记录的功能。在列车运行过程中，随车故障记录子系统实时记录门控单元所有的列车控制信号和状态变化。便携式信息查询子系统随时与随车故障记录子系统通过蓝牙连接，对列车门控单元的实时状态和故障信息进行查看，或者查询已保存的历史记录。因此，一旦列车出现故障，系统能够在实时记录的基础上实现与营运人员的远程信息交互以保障故障的事实排除。通过实验验证了该系统工作的正确性，可正确反映和记录门控单元的故障信息，并为门控单元故障检测和维修提供技术支持和理论积累。

[1] 张天军，崔凤钊，殷培强. 城市轨道车辆可移动式试验台研制[J]. 铁道车辆，2012，50(10): 36-37.

[2] 李亚东.南京地铁车辆门控制器功能及常见故障初探[J].现代城市轨道交通,2009,(4):40-42.

[3] ARM Cortex-M 3 Technical Reference Manual. ARM Lim ited,2006.

[4] 喻金钱,喻斌.STM 32F系列ARM Cortex-M 3核微控制器开发与应用[M].北京:清华大学出版社,2011.

[5] 鲁新灵,简伟,刘肖亨,等.基于BlueCore芯片的蓝牙串行端口适配器和耳麦的实现[J].军事通信技术,2003,24(1):17-20.

[6] 周航慈.基于嵌入式实时操作系统的程序设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.

[7] 上海申通地铁公司. 车辆门控系统资料. 2003.

A Real Time Fault Detection System for M etro Door Control Unit

Gao Xiang, Zhang Feng, Zhang Shiwen, Zhang Xiubin
(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

With the popularization of the city metro system, the safety and reliability of train vehicle cause more and more attention. Door control unit is a technical guarantee for passengers’ safety. Because of the monopoly trading powers and the blockade on new techniques of imported equipment, this paper designs a real time fault detection system for metro door control units, which can detect external characteristics and continuation properties under multi conditions. The system realizes the functions of real time fault detection, logging, analysis and interactive remote control for metro while running, which can provide high reliable safety insurance for metro’s busy running.

Door Control Unit; Embedded System; Android App; Fault Detection

G642

A

2014.04.25）

高 翔（1990-），男，上海交通大学电子信息与电气工程学院，硕士研究生，研究方向：电子信息工程、微机控制系统、电工理论与新技术，上海，200240

张 峰（1968-），男，博士，上海交通大学电子信息与电气工程学院，教授，博士生导师，研究方向：电工理论与新技术、轨道交通电气自动化、电力电子，上海，200240

张士文（1976-），男，博士研究生，上海交通大学电子信息与电气工程学院，讲师，研究方向：电工理论与新技术、微机控制系统，上海，200240

张秀彬（1946-），男，福州人，上海交通大学电子信息与电气工程学院，教授、博士生导师；研究方向：电子信息与系统工程、电气工程与自动化、模式识别与智能控制，上海，200240

1007-757X(2014)11-0041-03