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1 引言
目前，機車是我國鐵路運輸中的牽引動力，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系著鐵路運輸組織的好壞，因此，提高機車質(zhì)量和運用效率，同時降低維修成本，一直是機務(wù)工作的重要組成部分。
狀態(tài)修以機車的實際運用情況為依據(jù)，以故障監(jiān)測診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，減少了過剩維修，機車的運用率也得以顯著提高，因此以故障診斷技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)的狀態(tài)修制度可帶來顯著的經(jīng)濟效益。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單一參數(shù)閾值比較的機車監(jiān)測方法正開始向全息化、智能化監(jiān)測方法過渡，監(jiān)測手段也從依靠人的感官和簡單儀器向精密電子儀器及以計算機為核心的監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展。當前，機車的監(jiān)測診斷也呈現(xiàn)出如下一些特點。
(1) 在監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，以分布監(jiān)測代替集中監(jiān)測、以網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)替代微機集中監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機車監(jiān)測中的具體應(yīng)用，也是當代設(shè)備監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
(2) 在監(jiān)測方式上，以實時的在線監(jiān)測替代定期監(jiān)測和巡回監(jiān)測。
(3) 在監(jiān)測參數(shù)上，以多參數(shù)、大容量監(jiān)測替代單參數(shù)監(jiān)測。
(4) 在軟件設(shè)計上，以多任務(wù)系統(tǒng)替代單任務(wù)系統(tǒng)。
(5) 在監(jiān)測的內(nèi)容上，從平穩(wěn)運行監(jiān)測到非平穩(wěn)的狀態(tài)監(jiān)測發(fā)展。
(6) 在系統(tǒng)功能上，由監(jiān)測、診斷逐步向監(jiān)測一診斷一預(yù)報治理和管理一體化的方向發(fā)展，診斷方法向智能化、快捷化、靈敏化方向發(fā)展，診斷方式向現(xiàn)場診斷和遠程診斷相結(jié)合的方向發(fā)展。
因此，運算速度快、圖像色彩豐富、數(shù)據(jù)存儲容量大、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、智能計算處理是未來機車監(jiān)測診斷設(shè)備發(fā)展必須具備的條件。本設(shè)計提出了一種基于ARM的車載監(jiān)測故障系統(tǒng)便是符合此發(fā)展趨勢的故障診斷系統(tǒng)。
2 ARM嵌入式技術(shù)
嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為核心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁減，以及適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。
在相對比較復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用中，嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用顯得越來越重要和必要。將嵌入式操作系統(tǒng)引入到嵌入式系統(tǒng)中，能對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)產(chǎn)生極大的推動作用，特別是在一些實時性要求較高的場合，沒有操作系統(tǒng)的支持是不可以想象的。運行操作系統(tǒng)可以執(zhí)行多任務(wù)操作。此外由于操作系統(tǒng)的移植，網(wǎng)絡(luò)通訊變得方便快捷。
嵌入式的微處理器都具有高性能、高集成度、低功耗、低成本、小體積等特點，同時，片內(nèi)外圍豐富，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于整個系統(tǒng)的設(shè)計小型化，方便特定應(yīng)用，如嵌入式32位芯片ARM。ARM嵌入式芯片不僅處理速度達到幾十兆指令，而且有流水線的功能，使處理速度遠遠大于普通單片機。嵌入式芯片有豐富的在片外圍電路，需要開發(fā)人員考慮的外部電路大大減少。更重要的由于能移植操作系統(tǒng)，因此也大幅度縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，使得功能更強大。此外可以根據(jù)具體的應(yīng)用進行應(yīng)用軟件升級更改，而硬件電路無需變動。ARM體系結(jié)構(gòu)的芯片所支持的最大尋址空間為4GB，故可支持大容量存儲設(shè)備。
ARM芯片獲得了許多實時操作系統(tǒng)（Real TimeOperating System）供應(yīng)商的支持，比較知名的有：Windows CE，Linux，pSOS，VxWorks，Mucleus，EPOC，uCOS，BeOS等。
3 基于ARM的車載監(jiān)測診斷系統(tǒng)
3.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計
整個系統(tǒng)包括車載監(jiān)測記錄部分和地面分析處理部分。車載部分主要以參數(shù)實時記錄為主，輔以主要參數(shù)的趨勢分析與報警，而有關(guān)機車故障預(yù)報、趨勢分析、質(zhì)量狀態(tài)評估等都由地面系統(tǒng)完成。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
車載部分為車載ARM嵌入式系統(tǒng)，采用了ATMEL公司的AT91RM9200芯片（屬于ARM9系列），移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過傳感器、測試電路、輔助設(shè)備與通信接口獲得機車運行中的電機參數(shù)、電氣參數(shù)、軸溫、故障信息、振動和壓力參數(shù)。下位機為安裝有中心數(shù)據(jù)庫的PC服務(wù)器，建立專家系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析。
3.2 車載ARM嵌入式系統(tǒng)的硬件組成ARM嵌入式系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。
圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖
AT91RM9200是信息檢測的核心。AT91RM9200是基于ARM Thumb的ARM920T工業(yè)級微處理器，是一個真正的片上系統(tǒng)，它內(nèi)部集成了各種豐富的外圍功能模塊和標準接口，為各種性能、大計算量的嵌入式應(yīng)用提供了一種靈活的性價比高的解決方案，時鐘頻率為180MHz，運算速度可以達到200MIPS。工作溫度在-40~75℃。
AT91RM9200（PQFP封裝）處理器包括內(nèi)帶16KB的數(shù)據(jù)Cache（高速緩沖存儲器），16KB指令Cache，寫緩沖區(qū)，全功能的MMU（Memory Management Unit，存儲器管理單元）。此外，AT91RM9200內(nèi)部還包括16KB的SRAM和128KB的ROM，具有外部總線接口（EBI），支持SDRAM、靜態(tài)存儲器、Burst Flash及NAND Flash等。
AT91RM9200微控制器提供的系統(tǒng)外設(shè)包括：增強的時鐘發(fā)生器和電源管理控制器；具有4個可編程的外部時鐘信號；系統(tǒng)定時器包括定時中斷、看門狗和第二計數(shù)器；具有調(diào)試單元、兩線UART，并且支持調(diào)試通信通道；擁有7個外部中斷源和1個快速中斷源；4個32位的PIO（Programmed Input/Output，可編程輸入/輸出）控制器，多達122條可編程的I/O線，每條I/O線具有輸入變化中斷和漏極開路電容；具有20個通道的外圍數(shù)據(jù)控制器（PDC），2個3通道的定時/計數(shù)器（TC），SPI（串行外圍接口），I2S（一種串行數(shù)字音頻總線協(xié)議），USB主、從接口及1個10/100M以太網(wǎng)控制器等。豐富的片內(nèi)外圍極大簡化了系統(tǒng)的設(shè)計。
由于它內(nèi)部集成了完整ARM920T的內(nèi)核，帶有MMU功能，可以移植嵌入式Linux操作。內(nèi)核采用1.8V供電，外設(shè)采用3.3V供電。同時還帶有標準的usb口控制器，可以同PC機進行串行通訊。內(nèi)部自帶的看門狗定時器WDT可提供預(yù)定標準時間范圍。
在系統(tǒng)中，AT91RM9200外擴了8MB 線性flash 存儲器AT49GBV1614A，內(nèi)部存放啟動代碼U-boot、程序代碼（包括Linux內(nèi)核、驅(qū)動程序及應(yīng)用程序）、常量表及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)。FLASH存儲器的數(shù)據(jù)寬度為16位，并映射AT91RM9200的NCS0。
由兩片16位數(shù)據(jù)寬度的HY57V281620并聯(lián)為32位數(shù)據(jù)寬度的32MB SDRAM存儲系統(tǒng)，用于設(shè)置程序堆棧和存放各種變量，映射到AT91RM9200的NCS1。AT91RM9200在片內(nèi)具有獨立的SDRAM刷新控制邏輯，可方便地與SDRAM接口。
地面PC機的通訊采用USB口完成。USB速度快，設(shè)備安裝和配置容易，易于擴展，能夠采用總線供電。USB總線提供最大達5V電壓，500mA電流，非常有效，使用靈活。
配置AT91RM9200串口的相應(yīng)的寄存器，使串口可以處于RS485模式，然后可以通過串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當USART工作485模式時，它可以按照同步或者異步方式配置工作，和機車微機柜和軸溫卡建立通信。
為了便于進行數(shù)據(jù)分析，在測試過程中系統(tǒng)需要提供標準時鐘信號。AT91RM9200是一款工業(yè)級具有低功耗的日歷實鐘，減少電路設(shè)計，增加了芯片的可靠性，可以為系統(tǒng)提供精確的時間基準。
A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用TLV2548芯片，該芯片分辨率為12位，轉(zhuǎn)換精度為1LSB，CPU通過SPI口訪問，A/D模擬量輸入通道為8路。通過NCPS0片選該芯片，外圍電流轉(zhuǎn)電壓電路可以實現(xiàn)4路的電流輸入和4路電壓輸入。
3.3 車載ARM嵌入系統(tǒng)的軟件架構(gòu)
車載ARM嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。車載系統(tǒng)內(nèi)嵌Linux操作系統(tǒng)，在此平臺上有監(jiān)測記錄主程序。監(jiān)測記錄主程序（SS8Lmis.image）完成子系統(tǒng)的基本功能，主要包括通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、壓縮存儲模塊、人機接口模塊、轉(zhuǎn)儲模塊及抗干擾模塊。
(1) 通信程序模塊
該模塊功能是與微機柜、軸溫卡建立通信，接收數(shù)據(jù)。經(jīng)過考察，確定了通信協(xié)議，波特率為28 800Kbps/s，傳送的命令數(shù)據(jù)的第九位恒為“1”，而使傳送的應(yīng)答數(shù)據(jù)的第九位恒為“0”。
(2) 人機接口模塊
用于操作和顯示本系統(tǒng)的工作狀態(tài)，參數(shù)趨勢報警顯示等。系統(tǒng)按鍵很少，顯示意義明確，操作非常簡單。
(3) 壓縮存儲模塊
經(jīng)過特殊的數(shù)學(xué)算法，確保合理接收通信數(shù)據(jù)。并采用壓縮型的存儲變量，同樣數(shù)據(jù)信息使用存儲空間減少為正常的一半。
圖3 車載ARM嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)
(4) 轉(zhuǎn)儲程序模塊
該模塊將已存儲在Flash的數(shù)據(jù)通過USB轉(zhuǎn)儲方式轉(zhuǎn)儲到地面微機中，以便為地面專家系統(tǒng)所用。
(5) 數(shù)據(jù)采集模塊
該模塊實時采集記錄本系統(tǒng)新增的機車質(zhì)量狀態(tài)參數(shù)，如振動參數(shù)，壽命統(tǒng)計參數(shù)，并在所監(jiān)測的參數(shù)進行趨勢報警。
(6) 抗干擾程序模塊
在硬件上抗干擾功能基礎(chǔ)上，增加了軟件抗干擾功能。確保系統(tǒng)在出現(xiàn)死機情況下，也能自動復(fù)位啟機，繼續(xù)監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)并追加到原來的數(shù)據(jù)文件，無需人員看護操作。
系統(tǒng)應(yīng)用軟件基于嵌入式Linux平臺，嵌入式Linux平臺包含以下幾類文件：
• 引導(dǎo)加載程序。U-boot將內(nèi)核映像從Flash讀到RAM，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點去運行，開始啟動操作系統(tǒng)。
• 內(nèi)核。Linux內(nèi)核主要包括進程調(diào)度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口、進程間通信等系統(tǒng)。
• 文件系統(tǒng)。包括根文件系統(tǒng)RAMDISK和建立于存儲設(shè)備的JFFS2文件系統(tǒng)。
• 驅(qū)動程序。A/D驅(qū)動程序、LCD驅(qū)動、USB驅(qū)動以及串口驅(qū)動，主要監(jiān)測所要驅(qū)動的硬件設(shè)備是否存在和能否正常工作，在初始化的時候被調(diào)用。
軟件由U-boot自動處理程序，先運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)（包括內(nèi)核、文件系統(tǒng)和驅(qū)動程序，再運行SS8Lmis.imgge（監(jiān)測記錄主程序）。
4 結(jié)語
采用ARM技術(shù)開發(fā)的車載監(jiān)控設(shè)備功能完備、性能可靠、價格低廉,十分適合現(xiàn)場監(jiān)測。可以預(yù)見，這種方案在機車監(jiān)控診斷領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，而且具有開發(fā)周期短的特點。使用ARM和嵌入式Linux操作系統(tǒng)開發(fā)車載機車監(jiān)控設(shè)備是未來監(jiān)控設(shè)備的發(fā)展趨勢。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號