机车微机控制系统架构设计

姚 欢，齐向东

（太原科技大学电子信息工程学院，太原030024）



机车微机控制系统架构设计

姚 欢，齐向东

（太原科技大学电子信息工程学院，太原030024）

摘 要：为了提升机车控制性能和效率，提出一种应用于机车的微机网络控制系统。该系统以微机控制装置为核心，利用LonWorks网络将微机显示屏、机车监控主机、远程监控等装置组成具有冗余功能的网络结构。其中微机控制装置以飞思卡尔公司的MK60N512VMD100为主处理器、Echelon公司的Neuron芯片为从处理器，它们之间通过令牌传递协议进行并行通信；机车远程监控装置采用卫星和GPRS双通信模式与地面监控中心进行通信。通过对微机网络控制系统的研究与设计，完成了该系统的软硬件构架，相比传统通信方式，可以简化结构，提高机车通信的可靠性。

关键词：微机控制；LonWorks网络；网络监控

机车微机控制系统是机车重要的组成部分，对它的研究一直是铁路上极其关注的课题。目前铁路行业中新型高速机车发展迅速，列车的运行状态和故障信息需要有快速准确的判断和处理，传统的机车微机网络控制技术已经不能很好地适应。应用了LonWorks现场总线技术的机车微机控制系统可实现一车内多节点通信，从而可以有效地减少物理硬件和繁琐的硬件维护，更加便于操作人员对系统的监测，使系统更为可靠、安全、高效，更好地发挥铁路行业的优势。机车微机控制系统是一个多处理器控制系统，它所能控制的范围很广，包括机车的空转检测、柴油机状态检测、恒功率控制及其它控制功能，并协调机车各部分的运行，实现机车的特性控制。文章以两动一拖动车组为对象，对基于LonWorks的列车微机控制网络进行相应的硬件和软件设计，使之具备完成复杂的测控、处理任务的能力和机车远程监控功能。

1 微机网络控制系统拓扑结构

机车微机网络控制系统是一个多处理器控制系统，分为机车控制和重联控制两级结构。机车控制级负责管理、控制机车各个部分，实现机车牵引、制动特性控制以及机车逻辑控制，还可实现机车故障诊断处理；重联控制级的作用是实现首尾两台动力机车之间的数据通信。重联级和机车级都采用LonWorks总线通信，为提高可靠性，微机及显示系统均采用双套冗余设计。微机网络控制系统的结构如图1所示。

图1 机车微机网络控制系统结构Fig.1 Locomotive computer network control system architecture

1.1 微机显示器IDU

微机显示屏IDU是机车上常用设备，是网络控制系统的终端设备，同时具备显示和设置功能，常提供有LonWorks、RS485、CAN等多种接口。它可向车辆驾驶员和维护人员提供车辆综合信息、各设备的工作状态以及车辆故障信息。同时驾驶员可以通过IDU设置车辆的必要信息，例如轮径值、列车重量、站点等。微机显示器IDU还具有USB接口，可方便的将故障信息转存到地面进行分析、统计。

1.2 机车监控主机LKJ2000

机车监控主机是确保列车行车安全的监测装置。它可以对列车速度、进出站信号、轮对空转等信息进行监控，对车辆运行参数、事故状态等信息进行记录，并能够分析、整理所记录的列车运行数据，并以直观的运行曲线和各种报表形式再现列车运行全过程，它是机车管理和事故分析强有力的工具。同时为其配备一个专用的液晶监控屏，可以更加直观地显示各类信息。

1.3 轴温检测装置

选用数字温度传感器DS18B20作为车轴温度检测器件，它能够在读出被测温度后根据用户要求进行简单的编程，并可以分别在93.75 ms和750 ms内实现9到12位的数字量温度转换。并且DS18B20输入输出信号仅需要一根口线（单线接口）即可传输信息，总线本身也可以向DS18B20供电，而无需额外电源。所以采用DS18B20作为轴温检测装置可使系统更加安全可靠，且结构简单。

2 微机控制装置的设计

机车微机控制装置是控制系统的核心，负责协调及管理机车各控制子部件。微机控制装置以微处理器MK60N512VMD100为核心，可以连接机车各部分的数字I/ O、模拟I/ O，处理频率量信息，以及连接通讯等外围设备。为了提高系统可靠性，控制柜内装有两台相同的微机控制装置，互为冷备份，其中一台故障时，可以通过一个外置的转换开关转换。微机控制装置的硬件结构框图如图2所示。

2.1 主处理器MK60N512VMD100及其外围

本设计中的主处理器MK60N512VMD100是飞思卡尔公司开发的Kinetis系列的高性能单片机，它具有一个完全统一编址的寄存器空间。本系统要进行并行通信、温度信息处理等机车控制，对程序和数据存储量要求高，所以有必要外接紫外线可擦除EPROM存储器来扩展存储空间。

图2 微机控制装置硬件结构框图Fig.2 Block diagram of the computer control hardware devices

低压检测和系统复位电路可以有效减少程序假死的等待时间和低压对器件的损害。本设计选用看门狗芯片X25045，当达到程序设定的超时响应时间时，看门狗芯片可复位主处理器，在掉电时，芯片还可保存系统运行状态与运行数据。此外它还具有电压检测功能，当VCC低于正常值时，可以使主处理器一直处于复位状态，直到电压正常为止。

信号总线包括数字量I/ O，模拟量I/ O，励磁控制，频率输入，远程监控等信号线，监测并控制着机车上各部分设备的运行。其中励磁控制可通过改变PWM输出脉冲，从而调节牵引发电机输出的电压、功率；频率输入信号可检测牵引电动机、冷却风机等的转速。

2.2 从处理器Neuron芯片及其外围

神经元芯片是由Echelon公司为LonWorks技术研发的芯片，它集控制、通讯、I/ O支持为一体。该芯片主要用于与LonWorks网络的通信，可用作节点处理器，也可作为其他控制器的接口，本设计选用3150芯片作为从处理器。

由于3150芯片中并未集成ROM，所以需要外接存储器来存放程序和数据。3150芯片至少需要三个存储空间来满足LonWorks网络的需求：两个非易失性存储器分别用来存储神经元芯片固件和存储配置及应用信息；一个可读可写存储器用于存储数据缓存。

神经元芯片的Service电路用于节点的配置、安装和维护，可以诊断神经元芯片固件状态信息。芯片上的Service引脚既可以输入也可以输出：输出时，连接一个低压接通的LED灯，当LED灯常亮则表示该节点未下载应用程序或芯片已损坏；当LED灯以0.5 Hz频率闪烁则表示该节点处于未配置状态。用作输入时，可用来控制神经元芯片发送一个自己的ID网络管理信息。

时钟电路使用外接晶振提供10 MHz频率的时钟信号。复位电路主要用于在上电时产生复位操作。

2.3 收发器及其电路

两台机车头的微机控制装置通过LonWorks网络相互连接，其中收发器是关键部件。收发器是连接神经元芯片与LonWorks网络的接口，它根据网络拓扑结构和传输介质的不同有不同类型。本设计选用带变压隔离的自由拓扑型双绞线收发器FTT-10A，网络拓扑结构是总线型结构。

FTT-10A收发器主要由一个差分曼彻斯特编码器和一个隔离变压器组成。采用5 V电源供电，其中NET-A、NET-B是两个无极性的网络接口，RXD、TXD是数据接收和发送接口，T1、T2用来提供钳位和瞬时电压保护。收发器的最大传输速率可达78 kbps。图3为收发器接口电路图。

图3 收发器接口电路Fig.3 Transceiver interface circuit

图3中收发器外围电路主要用于提高电磁兼容性。D1和D2的作用是保持引脚T1和T2的电压稳定，在电源不稳定时进行钳位。D3和D4是用来保持信号双绞线之间的电位差，以防网络电平有震荡。C1主要用来防止高频干扰，C2用来静电释放缓冲，C3和C4用来防止网络上的干扰。

2.4 主从处理器通信连接

Neuron芯片的11个I/ O引脚有34种可选工作模式，选用其中的并行I/ O（Parallel I/ O）工作模式进行主、从处理器之间的通信，其通信速率可达3.3 Mbps.Neuron芯片作为从处理器，选择其工作在从B方式，进行握手联络来控制指令执行。此时Neuron芯片相当于主处理器的两个存储映像I/ O设备，即读写数据寄存器和状态寄存器，主、从处理器之间的数据通讯正是通过主处理器对这两个寄存器的访问来实现的。主、从处理器并行通信接口如图4.

图4 从B模式下并行I/ O接口Fig.4 Parallel I/ O interface of slave B mode

工作在从B工作方式时，Neuron芯片将使用全部的I/ O引脚，其中I/ O0到I/ O7是8根双向数据线，与主处理器的8位双向I/ O数据端口相连，进行数据传输。其中当芯片作为数据寄存器输出时，IO0引脚是数据线的最低位；在作为状态寄存器输出时，该引脚则用作主、从处理器的握手信号位HS.HS信号由从处理器发出，作用是将从处理器的忙闲状态告诉主处理器。而I/ O8到I/ O10引脚接收三个控制信号，作用分别是片选、读写选择、寄存器选择，与主机处理过后的控制信号相连接。

2.5 微机控制装置并行通信的软件设计

微机控制装置并行通信主要是指主处理器MK60N512VMD100与从处理器Neuron芯片之间的通信。主处理器会把数据传到从处理器，从处理器再把收到的数据发送到LonWorks网络上，同时从处理器还通过控制信号来控制主处理器。

主、从处理器之间的数据传递采用令牌传递（Token Passing）协议，可以提高通信可靠性，防止总线冲突。令牌是指包含控制信息的帧。同一条总线可以连接多个设备，但同一时间只能有一个设备向总线写数据，而令牌的作用是决定哪一个设备拥有发送数据的权利。

如图5，Neuron芯片复位后，主处理器将持有令牌。当主处理器有待发送数据，则将数据发送给从处理器，并且将令牌传递给从处理器；如果没有待发送数据，则直接将令牌传递给从处理器，从处理器也是同理的。

图5 令牌传递协议过程Fig.5 Process of token passing protocol

为防止数据的错误传输，并确保主、从处理器都已准备好，当有一方设备复位时，双方必须重新同步。主、从处理器任何一方的复位都会触发另一方的复位，从而达到同步的目的。当Neuron芯片复位后，拥有令牌的主处理器会向从处理器发送同步命令，从处理器收到后则会回送应答同步命令，若从处理器没有响应，主处理器会一直发送同步命令，直到收到应答同步命令后，双方才算建立同步。

而对于唯一性问题，1999年， Mischler和Wennberg首先在硬势和角截断条件下得到了一个最优的结果，即如果初值质量和能量有限， 能量保持守恒的解一定是唯一的[8].但是Wenenberg通过具体的例子表明方程存在能量增加的解[9].Toscani和Villani利用概率空间里的一个距离在麦克斯韦势、非角截断条件下得到了解的唯一性[10].最近，Desvillettes和Mouhot在初值满足一定条件下，在硬势及非角截断情形下得到了解的唯一性[3，11].

3 列车远程监控系统的设计

列车远程监控系统的作用是将列车的行车状态、地理位置等信息发送到地面监控中心，并由地面监控中心根据收到的信息进行分析、回馈控制，从而达到提高列车安全性的目的。列车监控系统由车载系统、通信链路和地面监控中心三个部分组成。其系统结构如图6所示。

3.1 车载部分

车载部分最主要的功能是对列车各类信息的采集，包括列车的固有信息（如列车号），列车实时动态信息（如车速），列车的位置信息（如经纬度），以及列车的车况信息（如油温、轴温）。此外车载部分还要能够将已有信息整理、发送，并接收地面监控中心发来的信息。车载部分的组成包括：车载主控制器、GPS定位模块、各类传感器、信息采集卡、通信模块及供电电源。车载系统结构图如图7.

图6 列车监控系统结构图Fig.6 Train supervision system architecture diagram

图7 车载系统结构图Fig.7 Block diagram of locomotive loaded System

车载主控制器：车载系统的核心部件，它的作用是协调管理系统中的各个子模块，同时处理采集到的各类信息。车载主控制器采用的工作方式是轮询，过程如下：它先检查通信终端是否已工作，确保通信终端处于开启状态；之后再检查数据通讯接收缓冲区里是否有新收到的控制信号，如果有则立即读取并处理；最后检查发送缓冲区是否有采集的信息滞留，如果有则将其发送。

采集卡、传感器：作用是采集列车的各类信息，并将模拟信号转变成数字信号发送给车载主控制器。

GPS定位模块：通过卫星被动定位的方式，采集列车的经纬度、高度、方向角、速度等信息。

通信终端：它是车载系统和通信链路的接口。一方面它将主控制器处理后的车载信息发送出去，另一方面接收由地面监控中心发来的控制命令，并传递给主控制器。通信终端包括卫星终端和GPRS终端。卫星终端利用北斗系统的信息通信功能，实现数据传输。GPRS终端为备用通信方式，在卫星无法通信时启用。

虽然北斗卫星兼具定位和通讯双重功能，不需要其他通讯系统辅助，但是北斗卫星的定位方式是主动式，需要较高费用，而GPS是免费的被动定位，所以系统采用的是GPS定位、北斗卫星通信相结合的方式。

3.2 通信链路

列车采集到的各类监控信息从车载系统传递到地面监控中心的过程中，通信链路中的通信方式的选择是及其重要的。目前，可应用于列车的无线通信方式主要有以下几种：GSM、CDMA、GPRS以及同步卫星通信。前三种通信方式在偏远地区受地形、基站等方面的影响，覆盖范围有限，所以更多的是采用同步卫星通信方式，只在卫星无信号且GPRS有信号时启用GPRS传输数据。

3.3 地面监控中心

监控中心是列车各类运行信息的汇聚点，主要完成对列车运行信息的接收、处理，以及将控制信息发送给列车的工作。监控中心可划分为：通信层、数据层、中间层和监控端，它们在物理上可集合在一台计算机上。

通信层：通信层充当着通信接口的角色，它连接着通信链路与地面监控中心，其中与数据通讯有关的通信协议就包含在通信层中。通信层是与数据层相连的，它们之间的信息交换是通过数据访问接口来实现的。

数据层：数据层用于存储车载系统与监控中心的通讯数据信息。

中间层：中间层连接着用户终端监控端和其余各层，它的主要完成的功能是处理大批量事务、信息传递以及网络通信。数据的访问及校验等工作是在中间层执行的，而且客户端与数据库之间没有数据的直接交换，而是都与中间层进行了连接，双方的数据交换必须经过中间层。这样，中间层就起到了隔离数据与用户的作用，这使得数据库服务器的占用率大幅的降低，从而提高了系统的可靠性和维护性。

4 结 论

微机网络控制系统已成为现代机车上不可或缺的组成部分，机车与机车之间、机车与地面监控中心之间经由通信网络传输数据并进行信息交换，从而实现了对机车的监测与控制。文章重点对核心部件微机控制装置进行设计，以单片机MK60N512VMD100为主处理器，神经元芯片为从处理器，构建了应用LonWorks网络的控制装置，能够方便的与机车中其他设备进行信息共享。最后以无线通信技术作为依托，设计了列车远程监控系统，为机车可靠运行提供了保障。

参考文献：

［1］ 胡汉春.机车电传动与控制［M］.北京：中国铁道出版社，2012.

［2］ 凌志浩.从神经元芯片到控制网络［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

［3］ 李勇.基于LonWorks的列车通信网络及智能单元的研究［D］.北京：北京交通大学，2007.

［4］ 刘春明，郭成.列车远程实时监控系统设计［J］.铁路信息化，2007，30（1）：43-46.

［5］ 吕西波，殷玉枫，高崇仁，等.基于物联网技术的塔式起重机无线远程监控系统［J］.太原科技大学学报，2012，33（5）：362-366.

［6］ 任文毅，刘智聪.DF11G型客运内燃机车微机控制系统设计［J］.机车电传动，2004（3）：5-7.

［7］ 卢云波.基于LonWorks技术的列车电气综合控制系统的研究［D］.成都：西南交通大学，2005.

［8］ 杨志仁，王雪梅，倪文波.基于LonWorks技术的列车通信网络［J］.测控技术，2000，19（6）：13-15.

［9］ 魏继超，梁晋，罗中.基于卫星移动通信的列车远程监控系统的设计与实现［J］.铁道通信信号，2004，40（8）：8-10.

［10］ 李晓群.LonWorks技术在DF7G型调车机车上的应用［J］.内燃机车，2006（11）：30-31.

［11］ 何晓明，李孝文.Neuron 3150的并行I/ O接口对象及其应用［J］.测控技术，2000，19（6）：50-52.

［12］ 刘春明，梁晋，贾平.基于北斗卫星通信平台的电力机车远程实时监控系统［J］.铁道机车车辆，2005，25（6）：40-43.

［13］ 佘龙华，赵春霞.磁悬浮列车的GPRS远程无线移动监控［J］.测控技术，2006，25（2）：69-70.

Architecture Design of Locomotive Microcomputer Control System

YAO Huan，QI Xiang-dong
（School of Electronic and Information Engineering，Taiyuan University of Science & Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract：In order to improve performance and efficiency of locomotive control，a network control system based on microcomputer was proposed.The microcomputer control device is the core of the system，and put display screen，monitor host and remote monitor device are integrated to form a network structure with redundancy function.The computer control device uses Freescale′s MK60N512VMD100 as main processor and uses Echelon′s Neuron chip as slave processor.The remote monitor device uses satellite and GPS to communicate with the ground control center.Compared with traditional means of communication，the system has simple structure and high reliability of communication.

Key words：microcomputer control，LonWorks network，network monitoring

中图分类号：TP2

文献标志码：A

doi：10.3969/ j.issn.1673 -2057.2016.03.005

文章编号：1673 -2057（2016）03 -0186 -06

收稿日期：2015-11-06

作者简介：姚欢（1990 -），男，硕士研究生，主要研究方向为智能电网技术。