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1 引言
目前，機車是我國鐵路運輸中的牽引動力，其質量的優劣直接關系著鐵路運輸組織的好壞，因此，提高機車質量和運用效率，同時降低維修成本，一直是機務工作的重要組成部分。
狀態修以機車的實際運用情況為依據，以故障監測診斷技術為基礎，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應用為基礎的狀態修制度可帶來顯著的經濟效益。
隨著科學技術的發展，單一參數閾值比較的機車監測方法正開始向全息化、智能化監測方法過渡，監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測系統發展。當前，機車的監測診斷也呈現出如下一些特點。
(1) 在監測系統結構上，以分布監測代替集中監測、以網絡化監測系統替代微機集中監測系統。監測系統網絡化是計算機網絡技術在機車監測中的具體應用，也是當代設備監測技術發展的必然趨勢。
(2) 在監測方式上，以實時的在線監測替代定期監測和巡回監測。
(3) 在監測參數上，以多參數、大容量監測替代單參數監測。
(4) 在軟件設計上，以多任務系統替代單任務系統。
(5) 在監測的內容上，從平穩運行監測到非平穩的狀態監測發展。
(6) 在系統功能上，由監測、診斷逐步向監測一診斷一預報治理和管理一體化的方向發展，診斷方法向智能化、快捷化、靈敏化方向發展，診斷方式向現場診斷和遠程診斷相結合的方向發展。
因此，運算速度快、圖像色彩豐富、數據存儲容量大、數據網絡傳輸、智能計算處理是未來機車監測診斷設備發展必須具備的條件。本設計提出了一種基于ARM的車載監測故障系統便是符合此發展趨勢的故障診斷系統。
2 ARM嵌入式技術
嵌入式系統是指以應用為核心，以計算機技術為基礎、軟硬件可裁減，以及適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴格要求的專用計算機系統。
在相對比較復雜的嵌入式應用中，嵌入式操作系統的應用顯得越來越重要和必要。將嵌入式操作系統引入到嵌入式系統中，能對嵌入式系統的開發產生極大的推動作用，特別是在一些實時性要求較高的場合，沒有操作系統的支持是不可以想象的。運行操作系統可以執行多任務操作。此外由于操作系統的移植，網絡通訊變得方便快捷。
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，片內外圍豐富，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于整個系統的設計小型化，方便特定應用，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，因此也大幅度縮短了產品的開發周期，使得功能更強大。此外可以根據具體的應用進行應用軟件升級更改，而硬件電路無需變動。ARM體系結構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備。
ARM芯片獲得了許多實時操作系統（Real TimeOperating System）供應商的支持，比較知名的有：Windows CE，Linux，pSOS，VxWorks，Mucleus，EPOC，uCOS，BeOS等。
3 基于ARM的車載監測診斷系統
3.1 系統的整體設計
整個系統包括車載監測記錄部分和地面分析處理部分。車載部分主要以參數實時記錄為主，輔以主要參數的趨勢分析與報警，而有關機車故障預報、趨勢分析、質量狀態評估等都由地面系統完成。總體結構如圖1所示。
圖1 監測系統整體結構
車載部分為車載ARM嵌入式系統，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，通過傳感器、測試電路、輔助設備與通信接口獲得機車運行中的電機參數、電氣參數、軸溫、故障信息、振動和壓力參數。下位機為安裝有中心數據庫的PC服務器，建立專家系統進行數據處理與統計分析。
3.2 車載ARM嵌入式系統的硬件組成ARM嵌入式系統的硬件框圖如圖2所示。
圖2 硬件結構框圖
AT91RM9200是信息檢測的核心。AT91RM9200是基于ARM Thumb的ARM920T工業級微處理器，是一個真正的片上系統，它內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）處理器包括內帶16KB的數據Cache（高速緩沖存儲器），16KB指令Cache，寫緩沖區，全功能的MMU（Memory Management Unit，存儲器管理單元）。此外，AT91RM9200內部還包括16KB的SRAM和128KB的ROM，具有外部總線接口（EBI），支持SDRAM、靜態存儲器、Burst Flash及NAND Flash等。
AT91RM9200微控制器提供的系統外設包括：增強的時鐘發生器和電源管理控制器；具有4個可編程的外部時鐘信號；系統定時器包括定時中斷、看門狗和第二計數器；具有調試單元、兩線UART，并且支持調試通信通道；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個通道的外圍數據控制器（PDC），2個3通道的定時/計數器（TC），SPI（串行外圍接口），I2S（一種串行數字音頻總線協議），USB主、從接口及1個10/100M以太網控制器等。豐富的片內外圍極大簡化了系統的設計。
由于它內部集成了完整ARM920T的內核，帶有MMU功能，可以移植嵌入式Linux操作。內核采用1.8V供電，外設采用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。內部自帶的看門狗定時器WDT可提供預定標準時間范圍。
在系統中，AT91RM9200外擴了8MB 線性flash 存儲器AT49GBV1614A，內部存放啟動代碼U-boot、程序代碼（包括Linux內核、驅動程序及應用程序）、常量表及一些在系統掉電后需要保存的用戶數據。FLASH存儲器的數據寬度為16位，并映射AT91RM9200的NCS0。
由兩片16位數據寬度的HY57V281620并聯為32位數據寬度的32MB SDRAM存儲系統，用于設置程序堆棧和存放各種變量，映射到AT91RM9200的NCS1。AT91RM9200在片內具有獨立的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串口的相應的寄存器，使串口可以處于RS485模式，然后可以通過串口發送和接收數據。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。
為了便于進行數據分析，在測試過程中系統需要提供標準時鐘信號。AT91RM9200是一款工業級具有低功耗的日歷實鐘，減少電路設計，增加了芯片的可靠性，可以為系統提供精確的時間基準。
A/D數模轉換芯片采用TLV2548芯片，該芯片分辨率為12位，轉換精度為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，外圍電流轉電壓電路可以實現4路的電流輸入和4路電壓輸入。
3.3 車載ARM嵌入系統的軟件架構
車載ARM嵌入式系統軟件結構如圖3所示。車載系統內嵌Linux操作系統，在此平臺上有監測記錄主程序。監測記錄主程序（SS8Lmis.image）完成子系統的基本功能，主要包括通信模塊、數據采集模塊、壓縮存儲模塊、人機接口模塊、轉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，接收數據。經過考察，確定了通信協議，波特率為28 800Kbps/s，傳送的命令數據的第九位恒為“1”，而使傳送的應答數據的第九位恒為“0”。
(2) 人機接口模塊
用于操作和顯示本系統的工作狀態，參數趨勢報警顯示等。系統按鍵很少，顯示意義明確，操作非常簡單。
(3) 壓縮存儲模塊
經過特殊的數學算法，確保合理接收通信數據。并采用壓縮型的存儲變量，同樣數據信息使用存儲空間減少為正常的一半。
圖3 車載ARM嵌入式系統軟件架構
(4) 轉儲程序模塊
該模塊將已存儲在Flash的數據通過USB轉儲方式轉儲到地面微機中，以便為地面專家系統所用。
(5) 數據采集模塊
該模塊實時采集記錄本系統新增的機車質量狀態參數，如振動參數，壽命統計參數，并在所監測的參數進行趨勢報警。
(6) 抗干擾程序模塊
在硬件上抗干擾功能基礎上，增加了軟件抗干擾功能。確保系統在出現死機情況下，也能自動復位啟機，繼續監測記錄數據并追加到原來的數據文件，無需人員看護操作。
系統應用軟件基于嵌入式Linux平臺，嵌入式Linux平臺包含以下幾類文件：
• 引導加載程序。U-boot將內核映像從Flash讀到RAM，然后跳轉到內核的入口點去運行，開始啟動操作系統。
• 內核。Linux內核主要包括進程調度、內存管理、虛擬文件系統、網絡接口、進程間通信等系統。
• 文件系統。包括根文件系統RAMDISK和建立于存儲設備的JFFS2文件系統。
• 驅動程序。A/D驅動程序、LCD驅動、USB驅動以及串口驅動，主要監測所要驅動的硬件設備是否存在和能否正常工作，在初始化的時候被調用。
軟件由U-boot自動處理程序，先運行嵌入式Linux操作系統（包括內核、文件系統和驅動程序，再運行SS8Lmis.imgge（監測記錄主程序）。
4 結語
采用ARM技術開發的車載監控設備功能完備、性能可靠、價格低廉,十分適合現場監測。可以預見，這種方案在機車監控診斷領域具有很好的應用前景，而且具有開發周期短的特點。使用ARM和嵌入式Linux操作系統開發車載機車監控設備是未來監控設備的發展趨勢。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號