0 引言

    監測與控制是保障列車行車安全行之有效的方法，我國現役列車基本配備了多種監測控制設備與系統（以下簡稱列控設備），其中最具代表性的是LKJ 2000型列車運行監控記錄裝置、TAX2型機車安全信息綜合監測裝置以及列車網絡控制系統（TCMS）。現階段這些車載設備在列車行車過程中容易形成信息孤島，監測與控制信息只在本裝置或本系統內部循環，列車檢修部門、機務段或者鐵路局信息中心難以獲得列車運行時實時的機車狀態信息、安全信息與監測信息，不利于列車實時狀態監測與故障診斷。對此，唐國平針對列控設備數據分散的情況，利用列車既有的有線、無線網絡，設計了LAIS列車運行狀態信息系統，實現LKJ2000、TAX2等設備數據的整合^[1]；張啟平在唐國平研究的基礎上，對LAIS列車運行狀態信息系統進行了整合改進，使其更加符合鐵道部信息化總體規劃的要求^[2]；文獻[3，4]針對在線列車監測與控制信息共享不足，利用車載信息采集技術和通信技術，實現了機車安全信息（數據來源于LKJ、TAX）、狀態信息與監測信息的整合。

    上述系統結構復雜，對列車監測與控制信息的采集環節沒有給出具體的采集方法與設計方案。本文通過分析車載TAX2、TCMS設備輸出數據格式以及電氣接口工作原理，通過改進UDP協議，使其支持擁塞控制方法來提高網絡傳輸過程中的網絡利用率。從硬件和軟件兩方面，設計了基于嵌入式Linux+ARM9的多通道串口列車監測與控制設備數據采集系統^[5，6]，旨在對車載TAX2、TCMS設備的數據進行集中化采集處理，為機車遠程監測與故障診斷的列控設備數據采集環節提供解決方案。

1 系統原理分析

1.1 系統原理簡介

    結合列控設備的電氣接口原理及數據報文格式，分析列控設備數據采集系統原理，系統原理圖如圖1。為解決列控設備接口電氣特性差異以及減輕數據服務器的處理負擔，在數據采集系統的列控設備數據采集端與數據服務器接收端之間設計一個在系統中起著列控設備與數據服務器通信互聯關鍵作用的數據通信板。數據通信板作為一個特殊的網絡節點，在系統中的作用如下：

    (1)系統對LKJ2000的采集數據主要為TAX數據，采用RS485總線通信方式，波特率為28.8 kb/s^[7]。TAX數據由數據通信板完成RS485協議到UDP/IP協議的轉換，通過以太網發送到車載數據服務器，完成一次TAX數據的采集；

    (2)為滿足不同車型TCMS系統總線復雜多樣的要求，數據通信板設計兩種類型接口用來采集TCMS數據：1路基于HDLC（High-level Data Link Control）協議的通信接口用于HXD3型機車的TCMS數據采集；預留1路RS422通信接口，用于HXD2型機車TCMS或其他設備的數據采集。采集的TCMS數據由數據通信板完成協議處理，最后經以太網發送到車載數據服務器。

1.2 UDP擁塞控制

    系統的數據通信板與數據服務器之間的通信采用UDP協議，該協議在數據量大傳輸的過程中由于缺乏擁塞控制機制易發生丟包與時延。文獻[8-9]提出一種基于UDP協議的改進協議，通過速率調整策略實現UDP的可靠擁塞控制。下面介紹UDP擁塞控制具體實現過程。

    (1)檢測網絡狀態

    定義預期接收時間(ET)和發送時間(ST)的差值與發送時間之比為擁塞值diff：

    由網絡狀態劃分的網絡擁塞等級如表1所示，用于檢測網絡狀態。其中，α為低網絡負載上限，常取值2%；β為網絡輕度擁塞下限，常取值4%。

    (2)調整發送速率

    在網絡狀態檢測結束之后，判斷網絡處于何種狀態，采用A-AIAD速率調整的方法改變網絡狀態。在UDP協議網絡傳輸中，傳輸速率在一定區間范圍[R_min，R_max]內變化，其中R_min為UDP可接受速率下限，R_max為目標速率。則在擁塞避免階段，發送速率可表示為：

2 系統軟硬件設計

2.1 硬件設計

    數據通信板作為系統的核心部件，硬件設計原理如圖2所示，按功能可將硬件電路分為核心處理器模塊、以太網傳輸模塊、數據采集模塊、調試模塊、供電模塊以及狀態指示模塊等其他輔助模塊。

    核心處理器采用基于Freescale i.MX287系列的ARM926EJ-S內核高性能處理器，其主頻最高可達454 MHz。基于i.MX287核心板內部集成10/100 Mb/s以太網MAC，通過外擴PHY以太網收發器DP83848K，并采用HR601680作為以太網的網絡隔離器接入以太網。數據采集模塊根據接口電氣特性的不同可分為1路RS485接口、1路HDLC接口、1路RS422接口以及1路RS232接口，其中HDLC接口電路是通過在核心處理器的D0～D7引腳與控制引腳外接增強型串行通信控制器Z85230，從而使其在數據鏈路層支持HDLC協議數據的收發^[10]。供電模塊負責電源供給，為保證元器件正常工作與系統穩定運行，采取了加入穩壓二極管以及過流保護保險絲等措施。此外，為了提高RS485數據采集模塊的穩定性，采用基于DCR010505U電源隔離芯片的穩壓電路為RSM3485HT供電；狀態指示模塊加入了LED燈用來指示通信板的工作狀態，即電源狀態、程序運行狀態、TAX2通信狀態、TCMS通信狀態、以太網通信狀態。

2.2 軟件框架設計

    根據TAX、TCMS數據采集的要求，數據通信板采用多協議數據轉換設計以滿足異構網絡之間的通信要求^[11]。軟件框架如圖3所示，包括硬件層、操作系統層和應用層，還可具體分為硬件層、驅動層、核心層、接口層、應用層和數據層。

    硬件層主要提供通信板與其他設備通信的電氣接口，包括1個以太網接口和4個串口。其中i.MX287核心板的數據總線D0～D7與控制總線外接Z85230，實現基于HDLC協議數據收發操作。

    操作系統層為通信板的硬件和軟件資源的使用與運行提供管理和控制方案，主要包括Linux系統啟動引導文件U-Boot、操作系統內核、根文件系統和設備驅動，設備驅動包括1個以太網驅動和4個串口驅動。Linux系統上電配置完成后，初始化硬件，加載驅動，為應用程序運行提供必要的服務和相應接口。

    應用層提供實現通信板功能的應用程序，主要完成數據緩存。數據緩存區緩存采集到LKJ2000的TAX數據或者TCMS數據，最后根據數據類型完成對數據的處理轉發。

2.3 軟件工作流程設計

    在網絡系統中，利用數據寄存機制將兩層網絡間的通信事件分解為兩個分時異步事件進行處理，形式上表現為完成異構總線間的通信協議轉換，實質上實現了異構網絡間的通信。本系統的數據通信板在以太網網絡層作為UDP客戶端talker，數據服務器作為UDP監聽端listener，在數據采集過程中以數據通信板作為以太網主機，使用UDP協議與車載數據服務器建立通信鏈接，其工作流程如圖4所示。具體步驟如下：

    (1)讀取配置文件，完成串口和以太網的接口映射；

    (2)針對設備IP初始化Socket，建立數據通信板與數據服務器的UDP連接；

    (3)Socket連接成功后，讀取數據緩存區中的數據包，判斷數據類型，調用相應的數據處理函數：

    ①若數據為HDLC數據，調用HDLCtoEthTask任務函數，將緩存區的HDLC數據處理封裝為UDP/IP協議數據并將其轉發到以太網。

    ②若為UART1數據，調用485toEthTask函數，先將緩存區中的RS485數據解封裝，再將其封裝成符合UDP/IP協議以太網數據報文類型，以及完成后續的隊列數據處理和轉發。

    ③UART2的數據處理與UART1數據的處理方式相似。

3 系統測試與分析

    為了驗證數據采集系統的功能完整性與可靠性，對TAX2、TCMS數據進行仿真采集測試。本文以南寧機務段某HXD3c為試驗對象，對TAX數據采集過程中的數據波形如圖5所示，TCMS數據采集的部分結果如表2所示。

    由表2可以清晰地看到TCMS系統的每個網絡節點上的狀態量及操作量，這些操作量與狀態量能為機車的故障診斷提供重要事實依據。通過數據比對，統計得出數據采集正確率為100%。如圖5所示，用示波器監視TAX數據采集過程中傳輸狀態數據波形，數據包波形穩定無毛刺，驗證了數據通信板協議轉換的可靠性。通過TCMS數據采集分析和TAX2通信示波器波形捕捉試驗，表明數據采集系統功能完整，數據采集準確、高效與可靠。

4 結語

    基于列控設備的特點，針對性地設計了一套高效、準確的列控設備數據采集系統，該系統解決了多種列控設備相互獨立、數據不集中的問題。在系統設計方面比以往的系統顯得更加輕量化，易于開發與后期維護。在數據采集仿真測試的實驗中表現出了較高的數據采集效率與準確率，滿足列車TAX2、TCMS的數據采集要求。該系統在列控設備數據采集方面具有重要的參考價值和廣泛的使用前景。

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