介紹了一種大型搗固車工作狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹車載主監(jiān)控模塊的硬件設(shè)計(jì)及相關(guān)的軟件實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)應(yīng)用新型的M22A系列嵌入式工控模塊MiniARM9080構(gòu)建硬件平臺(tái)，內(nèi)嵌實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-II，實(shí)現(xiàn)對(duì)搗固車多個(gè)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

搗固車是集機(jī)、電、液于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，其運(yùn)行參數(shù)多，工作環(huán)境惡劣，故障率高且難于排查，因此車載狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)成為搗固車必不可少的監(jiān)控設(shè)備。但是目前國(guó)內(nèi)鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械搗固車的電氣控制系統(tǒng)基本用的都是模擬電路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，系統(tǒng)難以在線升級(jí)，且不便于維修，因此進(jìn)行數(shù)字化改造是其迫切的要求。本文在傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上應(yīng)用新型的M22A系列ARM嵌入式工控模塊MiniARM9080對(duì)整車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過無線網(wǎng)絡(luò)把實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，實(shí)時(shí)顯示機(jī)車的工作狀況，對(duì)異常進(jìn)行報(bào)警處理，并完成歷史回放功能。操縱人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，隨時(shí)了解搗固車各部分運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)搗固車的隱患，從而避免故障發(fā)生。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要分為4個(gè)功能子模塊。（1）顯示終端人機(jī)交互模塊：負(fù)責(zé)搗固車現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員提供圖形化的工作參數(shù)數(shù)據(jù)參考； （2）車載MiniARM主控模塊：負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，并為顯示終端與服務(wù)器的通信提供橋梁；（3）服務(wù)器：在物理上集通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及WEB服務(wù)器為一體，具備遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)、WEB服務(wù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)等功能；（4）客戶端：通過BS和CS兩種方式為廣州鐵路集團(tuán)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心提供搗固車工作狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。系統(tǒng)完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)的車載部分包括MiniARM主控箱、平板監(jiān)控電腦、各個(gè)分散的CAN監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及無線發(fā)送部分，整個(gè)系統(tǒng)的工作電壓為24 V。車載MiniARM系統(tǒng)主控模塊采用新型的M22A系列ARM嵌入式工控模塊MiniARM9080作為系統(tǒng)的控制核心，包含CAN數(shù)據(jù)采集結(jié)點(diǎn)、 GPS天線、通信和控制底板、交換機(jī)、以太網(wǎng)-CAN轉(zhuǎn)換器、蓄電池等功能部件，實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)采集、GPS數(shù)據(jù)接收、實(shí)時(shí)作業(yè)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和查詢及數(shù)據(jù)通信等功能。車載MiniARM系統(tǒng)主控模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中虛線部分電路構(gòu)成系統(tǒng)通信與控制底板，安裝在MiniARM主控箱內(nèi)，監(jiān)控設(shè)備 CAN模塊安裝在搗固車各個(gè)電氣電路箱內(nèi)，電源控制模塊負(fù)責(zé)整個(gè)車載監(jiān)控系統(tǒng)的電源管理。

2 MiniARM9080核心板簡(jiǎn)介

MiniARM9080嵌入式工業(yè)控制模塊［1］主要由LPC2290

（ARM7TDMI-S）工業(yè)級(jí)微控制器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)控制器CS8900A、可校準(zhǔn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及帶256 B E2PROM的復(fù)位監(jiān)控電路組成。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示?？偩€通過緩沖保護(hù)電路與底板連接以保證微控制器總線運(yùn)行不受外界干擾，使模塊在EMC性能及穩(wěn)定性方面均有良好的表現(xiàn)。

MiniARM工業(yè)控制模塊將ARM最小系統(tǒng)、以太網(wǎng)控制器、CAN/USB控制器、電子硬盤（Disk on Board）等設(shè)備高度集成于小巧的模塊之上，支持10 Mb/s以太網(wǎng)（工業(yè)級(jí)）、2路CAN通信、CF卡接口、A/D轉(zhuǎn)換、低功耗RTC等功能。并直接以固件的形式提供穩(wěn)定的FAT文件系統(tǒng)、TCP-IP /CAN-BUS/USB/Modbus協(xié)議棧以及穩(wěn)健的？滋C/OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，為車載監(jiān)控系統(tǒng)主控模塊的設(shè)計(jì)提供了完整的解決方案。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源管理模塊設(shè)計(jì)

按照搗固車電氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)［2］，搗固車在正常作業(yè)情況下能產(chǎn)生穩(wěn)定且大功率的直流電源，其電壓值為27.5 V±5 %，輸出電流達(dá)3.5 A，因此可以直接利用這部分電源作為系統(tǒng)的工作電源。采用如圖4所示的電路來負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的電源管理。

搗固車正常作業(yè)時(shí)通過大功率整流二極管2CZ10A提供整個(gè)系統(tǒng)的工作電源，同時(shí)也給蓄電池充電。當(dāng)搗固車停止作業(yè)時(shí)，車載電源斷開，系統(tǒng)轉(zhuǎn)而由蓄電池組供電。這里采用2個(gè)6-DZM-12型蓄電池串聯(lián)組成系統(tǒng)24 V蓄電池電源，其容量達(dá)48 AH。同時(shí)為了防止由于搗固車的長(zhǎng)期不工作而導(dǎo)致蓄電池的“枯竭”，設(shè)計(jì)原則是當(dāng)蓄電池組輸出電壓降到一定程度時(shí)切斷其供電電路，從而起到保護(hù)作用，為此電路中采用1片雙電壓比較器集成芯片LM393， 該芯片單電源工作時(shí)電源電壓范圍為 2 V～36 V，可以滿足系統(tǒng)要求，其反相輸入端通過滑動(dòng)變阻器連接到蓄電池的正極，同相輸入端加一個(gè)參考電壓。集成電路LM336通過變阻器能夠提供4 V～6 V之間穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓值，這里設(shè)置同相輸入端參考電壓為5 V，并設(shè)置反相輸入端的電壓維持在15 V左右，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)比較器反相端電壓高于同相端， 輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位，此時(shí)繼電器開關(guān)閉合，系統(tǒng)獲得24 V電壓源，隨著蓄電池組輸出電壓的下降，LM339反相端輸出電壓也隨之下降，當(dāng)電壓值低于參考電壓時(shí)，比較器反轉(zhuǎn)，輸出管截止，此時(shí)繼電器斷開，整個(gè)監(jiān)控電路24 V輸入電源切斷，從而起到了對(duì)蓄電池組的保護(hù)作用。由于MiniARM9080需要5.0 V/3.3 V雙電源供電，系統(tǒng)輸入電壓比較大，這里采用開關(guān)穩(wěn)壓集成電路LM2575和低壓差線性調(diào)壓器LM1117，可以獲得穩(wěn)定的5 V和3.3 V輸入電源。

3.2 通信接口

MiniARM控制板在整個(gè)系統(tǒng)通信中處于核心的位置，既要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，又要與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端和遠(yuǎn)端的服務(wù)器通信，同時(shí)也是服務(wù)器和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端之間相互通信的橋梁。按照實(shí)現(xiàn)的功能和通信對(duì)象的不同，系統(tǒng)主要建立如下4種不同的接口電路。

（1） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口：該部分主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，提供服務(wù)器歷史數(shù)據(jù)的回放，采用1片512 MB的CF卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，歷史數(shù)據(jù)可保存7天。

（2） RS232串行接口：該部分通過1片SP3232E芯片提供2路標(biāo)準(zhǔn)的串行接口，分別連接GPS模塊與DTU模塊。GPS模塊采用臺(tái)灣鼎天的REB- 22R系列GPS數(shù)據(jù)接收模塊。DTU模塊采用廈門桑榮公司的Saro3150PGPRS無線數(shù)據(jù)傳輸終端，主要用來實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器之間的無線通信。

（3） TCP/IP通信接口：由于MiniARM9080工控模塊內(nèi)部已經(jīng)整合了CS8900A以太網(wǎng)控制器，因此只需外接1片網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器HR601629E芯片和相應(yīng)的匹配電阻、高壓電容即可與外界可靠通信，這里主要實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的平板電腦之間的可靠通信。

（4） CAN-BUS通信接口：該部分電路由帶隔離的高速CAN總線收發(fā)器模塊CTM1050、總線ESD保護(hù)器件PESD1CAN及相應(yīng)的電阻組成，主要負(fù)責(zé)與現(xiàn)場(chǎng)CAN數(shù)據(jù)采集裝置的通信。

3.3 控制及檢測(cè)電路

由于搗固車有作業(yè)和停止兩種不同的狀態(tài)，需要有相應(yīng)的電路來檢測(cè)狀態(tài)的改變，這里通過一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓采樣電路來實(shí)現(xiàn)。另外在機(jī)車工作時(shí)需要同時(shí)開啟各個(gè)功能模塊，而在機(jī)車停止作業(yè)時(shí)部分功能模塊（如平板電腦、CAN數(shù)據(jù)采集點(diǎn)等）需要關(guān)閉以降低系統(tǒng)功耗。同時(shí)為了保證GPRS通信模塊正常通信，也需要設(shè)置相應(yīng)電路在其出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)其進(jìn)行硬件復(fù)位，這就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路來控制它們的開關(guān)。MiniARM輸出驅(qū)動(dòng)能力有限，這里采用三極管放大電路驅(qū)動(dòng)繼電器來控制相應(yīng)功能模塊的工作狀態(tài)。具體的控制策略由軟件來控制實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，其核心功能是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，車載監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和并發(fā)性有較高的要求，因此采用開放式、可裁剪、高可靠性、可剝奪性內(nèi)核的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOSII［3］。本系統(tǒng)主程序?qū)崿F(xiàn)3個(gè)主要的C程序源文件：main.c、train.c、ISR.c，其中train.c主要實(shí)現(xiàn)各種功能子函數(shù)，包括格式轉(zhuǎn)換、CAN 模塊驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等子函數(shù)及全局變量定義，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)自定義的庫(kù)函數(shù)；ISR.c主要實(shí)現(xiàn)各類中斷子程序以及定時(shí)器，同步等功能；main.c實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)μC/OSII的初始化、系統(tǒng)的啟動(dòng)及相應(yīng)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)，在本系統(tǒng)中主要建立6個(gè)不同的任務(wù)，分別實(shí)現(xiàn)以下不同的功能：

Task0：主要實(shí)現(xiàn)串口初始化，CAN實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，GPRS通信處理算法以及同服務(wù)器之間的相互通信。

Task1：負(fù)責(zé)GPS數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

Task2：實(shí)現(xiàn)與平板電腦之間TCP/IP數(shù)據(jù)通信功能。

Task3：定時(shí)與同步控制處理。

Task4：負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及歷史數(shù)據(jù)提取功能的實(shí)現(xiàn)

Task6：電源管理模塊的軟件實(shí)現(xiàn)。

4.2 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

MiniARM主控箱除了負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集外，還需要與本地的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控平板電腦以及遠(yuǎn)端的服務(wù)器進(jìn)行通信，處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與控制命令的傳輸。三方通信均采用客戶端/服務(wù)器模式（C/S），進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。在與平板電腦通信時(shí)， MiniARM主控箱作為服務(wù)器，通信雙方建立可靠的TCP連接實(shí)現(xiàn)雙向通信。在與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信時(shí)， MiniARM主控箱作為客戶端，采用工業(yè)級(jí)外置式GPRS無線數(shù)傳模塊（DTU），通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程雙向數(shù)據(jù)通信。同時(shí)MiniARM主控箱也作為平板電腦與遠(yuǎn)端服務(wù)器通信的橋梁。本文設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)三方的相互通信，提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)。該協(xié)議對(duì)應(yīng)TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用層。標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

該通信協(xié)議的設(shè)計(jì)借鑒GPS數(shù)據(jù)通信NEMA0183［4］標(biāo)準(zhǔn)的思想，同時(shí)又結(jié)合了系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)要求。該協(xié)議由幀首部、協(xié)議數(shù)據(jù)部分、幀尾部3個(gè)字段組成，其中幀頭由三個(gè)字節(jié)的字符串“＄＄＄”來表示，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度部分共16位，表示從消息ID開始到校驗(yàn)碼之前的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，以字節(jié)為單位；消息ID表征本幀數(shù)據(jù)在通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的功能；終端ID是標(biāo)識(shí)本系統(tǒng)的惟一的ID號(hào)；YNA字段代表本幀是否需要回復(fù)，當(dāng)其值為0時(shí)表示不需要回復(fù)，為1時(shí)需要回復(fù)。協(xié)議數(shù)據(jù)部分是長(zhǎng)度可變的字段，其長(zhǎng)度最小為1個(gè)字節(jié)，包含的內(nèi)容根據(jù)消息ID的不同有很大的改變，除包含真正的數(shù)據(jù)外，還包括消息序列號(hào)、各數(shù)據(jù)量的個(gè)數(shù)以及填充字段等信息。校驗(yàn)和部分可采用CRC等校驗(yàn)手段，由于TCP通信能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，這里只需要確保發(fā)送端DTU數(shù)據(jù)發(fā)送的正確性，因此采用簡(jiǎn)單的累加校驗(yàn)和的方式，校驗(yàn)數(shù)據(jù)為消息ID到校驗(yàn)碼之前的數(shù)據(jù)部分；最后以字符串 “END”作為本數(shù)據(jù)包的幀尾。

4.3 無線通信可靠性設(shè)計(jì)

車載監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的通信基于中國(guó)移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)，采用工業(yè)級(jí)外置式GPRS無線數(shù)傳模塊（DTU）進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，保證其通信的可靠性和穩(wěn)定性是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。雖然 TCP通信基于可靠的連接，能夠保證服務(wù)器接收數(shù)據(jù)的正確性，但不能保證由于GPRS信道本身原因引起的數(shù)據(jù)丟失及錯(cuò)誤。另外，DTU模塊受外界干擾而導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤或者死機(jī)等情況也是影響數(shù)據(jù)通信可靠性和穩(wěn)定性的重要因素。為此從DTU模塊的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略，其控制流程如圖6所示。

首先車載監(jiān)控系統(tǒng)通過DTU周期性地向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送測(cè)試心跳包，發(fā)送周期為240 s，遠(yuǎn)程服務(wù)器收到該心跳包后立即發(fā)送一條回復(fù)消息，監(jiān)控系統(tǒng)判斷在30 s內(nèi)是否收到服務(wù)器的回復(fù)消息，如果收到回復(fù)，則一次完整的測(cè)試通信狀況流程結(jié)束，此時(shí)通信正常，監(jiān)控系統(tǒng)等待下一個(gè)發(fā)送周期再次發(fā)送測(cè)試心跳包；否則監(jiān)控系統(tǒng)將轉(zhuǎn)為出錯(cuò)處理，此時(shí)系統(tǒng)將立即重發(fā)一個(gè)測(cè)試心跳包并進(jìn)入下一個(gè)30 s回復(fù)消息等待周期。如果重發(fā)超過3次沒收到任何回復(fù)消息，通常以將DTU斷電5 s方式硬復(fù)位DTU保證其工作的正常性，這樣可防止系統(tǒng)因DTU本身的故障而引起的通信問題。但同時(shí)也要考慮另外一個(gè)故障源——GPRS無線信道，比如搗固車在山洞里面作業(yè)的情況。此時(shí)由于通信信號(hào)的原因?qū)?huì)引起DTU的頻繁開關(guān)硬復(fù)位，為了避免這一情況，系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到重發(fā)次數(shù)超過3次時(shí)，先判斷距離上一次的復(fù)位時(shí)間是否超過一定的時(shí)間間隔，如果超過（這里設(shè)置為1 800 s），則進(jìn)行DTU硬復(fù)位操作。另外，系統(tǒng)在正常通信的情況下也會(huì)因?yàn)榕既坏囊蛩貙?dǎo)致個(gè)別的通信測(cè)試失敗，但整個(gè)系統(tǒng)仍然處于正常的工作狀態(tài)，這時(shí)采用如下機(jī)制：在第1次出現(xiàn)重發(fā)狀況時(shí)，設(shè)定1個(gè)定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間為1小時(shí)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)再判斷，如果重發(fā)次數(shù)不超過3次，則表示通信正常并重發(fā)計(jì)數(shù)值清零。當(dāng)然系統(tǒng)在DTU硬復(fù)位時(shí)也需要清除定時(shí)器以及重發(fā)計(jì)數(shù)器，來保證下一次通信的正常判斷。通過以上的控制策略，并經(jīng)實(shí)踐證實(shí)，基本上能保證通信的最大可靠性。

本文研究設(shè)計(jì)的車載監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化的階段，目前已經(jīng)在廣鐵集團(tuán)08-32型搗固車上試運(yùn)行半年，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的功能和可靠性要求，對(duì)提高車輛的維修質(zhì)量、檢修效率，推行經(jīng)濟(jì)高效、先進(jìn)合理的預(yù)知維修制式有著極大的促進(jìn)作用。

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