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1 引言
目前，機(jī)車是我國(guó)鐵路運(yùn)輸中的牽引動(dòng)力，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系著鐵路運(yùn)輸組織的好壞，因此，提高機(jī)車質(zhì)量和運(yùn)用效率，同時(shí)降低維修成本，一直是機(jī)務(wù)工作的重要組成部分。
狀態(tài)修以機(jī)車的實(shí)際運(yùn)用情況為依據(jù)，以故障監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，減少了過剩維修，機(jī)車的運(yùn)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(jì)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(jī)車監(jiān)測(cè)方法正開始向全息化、智能化監(jiān)測(cè)方法過渡，監(jiān)測(cè)手段也從依靠人的感官和簡(jiǎn)單儀器向精密電子儀器及以計(jì)算機(jī)為核心的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展。當(dāng)前，機(jī)車的監(jiān)測(cè)診斷也呈現(xiàn)出如下一些特點(diǎn)。
(1) 在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，以分布監(jiān)測(cè)代替集中監(jiān)測(cè)、以網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)替代微機(jī)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機(jī)車監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用，也是當(dāng)代設(shè)備監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
(2) 在監(jiān)測(cè)方式上，以實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)替代定期監(jiān)測(cè)和巡回監(jiān)測(cè)。
(3) 在監(jiān)測(cè)參數(shù)上，以多參數(shù)、大容量監(jiān)測(cè)替代單參數(shù)監(jiān)測(cè)。
(4) 在軟件設(shè)計(jì)上，以多任務(wù)系統(tǒng)替代單任務(wù)系統(tǒng)。
(5) 在監(jiān)測(cè)的內(nèi)容上，從平穩(wěn)運(yùn)行監(jiān)測(cè)到非平穩(wěn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)展。
(6) 在系統(tǒng)功能上，由監(jiān)測(cè)、診斷逐步向監(jiān)測(cè)一診斷一預(yù)報(bào)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(chǎng)診斷和遠(yuǎn)程診斷相結(jié)合的方向發(fā)展。
因此，運(yùn)算速度快、圖像色彩豐富、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、智能計(jì)算處理是未來機(jī)車監(jiān)測(cè)診斷設(shè)備發(fā)展必須具備的條件。本設(shè)計(jì)提出了一種基于ARM的車載監(jiān)測(cè)故障系統(tǒng)便是符合此發(fā)展趨勢(shì)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(jì)算機(jī)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(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
在相對(duì)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(duì)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)產(chǎn)生極大的推動(dòng)作用，特別是在一些實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，沒有操作系統(tǒng)的支持是不可以想象的。運(yùn)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(diǎn)，同時(shí)，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(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dá)到幾十兆指令，而且有流水線的功能，使處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通單片機(jī)。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(qiáng)大。此外可以根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行應(yīng)用軟件升級(jí)更改，而硬件電路無需變動(dòng)。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(chǔ)設(shè)備。
ARM芯片獲得了許多實(shí)時(shí)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(cè)診斷系統(tǒng)
3.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)包括車載監(jiān)測(cè)記錄部分和地面分析處理部分。車載部分主要以參數(shù)實(shí)時(shí)記錄為主，輔以主要參數(shù)的趨勢(shì)分析與報(bào)警，而有關(guān)機(jī)車故障預(yù)報(bào)、趨勢(shì)分析、質(zhì)量狀態(tài)評(píng)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(cè)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(cè)試電路、輔助設(shè)備與通信接口獲得機(jī)車運(yùn)行中的電機(jī)參數(shù)、電氣參數(shù)、軸溫、故障信息、振動(dòng)和壓力參數(shù)。下位機(jī)為安裝有中心數(shù)據(jù)庫(kù)的PC服務(wù)器，建立專家系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)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(cè)的核心。AT91RM9200是基于ARM Thumb的ARM920T工業(yè)級(jí)微處理器，是一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)接口，為各種性能、大計(jì)算量的嵌入式應(yīng)用提供了一種靈活的性價(jià)比高的解決方案，時(shí)鐘頻率為180MHz，運(yùn)算速度可以達(dá)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(chǔ)器），16KB指令Cache，寫緩沖區(qū)，全功能的MMU（Memory Management Unit，存儲(chǔ)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(chǔ)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(qiáng)的時(shí)鐘發(fā)生器和電源管理控制器；具有4個(gè)可編程的外部時(shí)鐘信號(hào)；系統(tǒng)定時(shí)器包括定時(shí)中斷、看門狗和第二計(jì)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(gè)外部中斷源和1個(gè)快速中斷源；4個(gè)32位的PIO（Programmed Input/Output，可編程輸入/輸出）控制器，多達(dá)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(gè)通道的外圍數(shù)據(jù)控制器（PDC），2個(gè)3通道的定時(shí)/計(jì)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(gè)10/100M以太網(wǎng)控制器等。豐富的片內(nèi)外圍極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
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(shí)還帶有標(biāo)準(zhǔn)的usb口控制器，可以同PC機(jī)進(jìn)行串行通訊。內(nèi)部自帶的看門狗定時(shí)器WDT可提供預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間范圍。
在系統(tǒng)中，AT91RM9200外擴(kuò)了8MB 線性flash 存儲(chǔ)器AT49GBV1614A，內(nèi)部存放啟動(dòng)代碼U-boot、程序代碼（包括Linux內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)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(chǔ)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(chǔ)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(dú)立的SDRAM刷新控制邏輯，可方便地與SDRAM接口。
地面PC機(jī)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(kuò)展，能夠采用總線供電。USB總線提供最大達(dá)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(dāng)USART工作485模式時(shí)，它可以按照同步或者異步方式配置工作，和機(jī)車微機(jī)柜和軸溫卡建立通信。
為了便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在測(cè)試過程中系統(tǒng)需要提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。AT91RM9200是一款工業(yè)級(jí)具有低功耗的日歷實(shí)鐘，減少電路設(shè)計(jì)，增加了芯片的可靠性，可以為系統(tǒng)提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)。
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(shí)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(tái)上有監(jiān)測(cè)記錄主程序。監(jiān)測(cè)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(chǔ)模塊、人機(jī)接口模塊、轉(zhuǎn)儲(chǔ)模塊及抗干擾模塊。
(1) 通信程序模塊
該模塊功能是與微機(jī)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(jī)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(shì)報(bào)警顯示等。系統(tǒng)按鍵很少，顯示意義明確，操作非常簡(jiǎn)單。
(3) 壓縮存儲(chǔ)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(chǔ)變量，同樣數(shù)據(jù)信息使用存儲(chǔ)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(chǔ)程序模塊
該模塊將已存儲(chǔ)在Flash的數(shù)據(jù)通過USB轉(zhuǎn)儲(chǔ)方式轉(zhuǎn)儲(chǔ)到地面微機(jī)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(shí)時(shí)采集記錄本系統(tǒng)新增的機(jī)車質(zhì)量狀態(tài)參數(shù)，如振動(dòng)參數(shù)，壽命統(tǒng)計(jì)參數(shù)，并在所監(jiān)測(cè)的參數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)報(bào)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(jī)情況下，也能自動(dòng)復(fù)位啟機(jī)，繼續(xù)監(jiān)測(cè)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(hù)操作。
系統(tǒng)應(yīng)用軟件基于嵌入式Linux平臺(tái)，嵌入式Linux平臺(tái)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(diǎn)去運(yùn)行，開始啟動(dòng)操作系統(tǒng)。
• 內(nèi)核。Linux內(nèi)核主要包括進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口、進(jìn)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(chǔ)設(shè)備的JFFS2文件系統(tǒng)。
• 驅(qū)動(dòng)程序。A/D驅(qū)動(dòng)程序、LCD驅(qū)動(dòng)、USB驅(qū)動(dòng)以及串口驅(qū)動(dòng)，主要監(jiān)測(cè)所要驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)備是否存在和能否正常工作，在初始化的時(shí)候被調(diào)用。
軟件由U-boot自動(dòng)處理程序，先運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)（包括內(nèi)核、文件系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序，再運(yùn)行SS8Lmis.imgge（監(jiān)測(cè)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(jià)格低廉,十分適合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。可以預(yù)見，這種方案在機(jī)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(diǎn)。使用ARM和嵌入式Linux操作系統(tǒng)開發(fā)車載機(jī)車監(jiān)控設(shè)備是未來監(jiān)控設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)