0 引言

    监测与控制是保障列车行车安全行之有效的方法，我国现役列车基本配备了多种监测控制设备与系统（以下简称列控设备），其中最具代表性的是LKJ 2000型列车运行监控记录装置、TAX2型机车安全信息综合监测装置以及列车网络控制系统（TCMS）。现阶段这些车载设备在列车行车过程中容易形成信息孤岛，监测与控制信息只在本装置或本系统内部循环，列车检修部门、机务段或者铁路局信息中心难以获得列车运行时实时的机车状态信息、安全信息与监测信息，不利于列车实时状态监测与故障诊断。对此，唐国平针对列控设备数据分散的情况，利用列车既有的有线、无线网络，设计了LAIS列车运行状态信息系统，实现LKJ2000、TAX2等设备数据的整合^[1]；张启平在唐国平研究的基础上，对LAIS列车运行状态信息系统进行了整合改进，使其更加符合铁道部信息化总体规划的要求^[2]；文献[3，4]针对在线列车监测与控制信息共享不足，利用车载信息采集技术和通信技术，实现了机车安全信息（数据来源于LKJ、TAX）、状态信息与监测信息的整合。

    上述系统结构复杂，对列车监测与控制信息的采集环节没有给出具体的采集方法与设计方案。本文通过分析车载TAX2、TCMS设备输出数据格式以及电气接口工作原理，通过改进UDP协议，使其支持拥塞控制方法来提高网络传输过程中的网络利用率。从硬件和软件两方面，设计了基于嵌入式Linux+ARM9的多通道串口列车监测与控制设备数据采集系统^[5，6]，旨在对车载TAX2、TCMS设备的数据进行集中化采集处理，为机车远程监测与故障诊断的列控设备数据采集环节提供解决方案。

1 系统原理分析

1.1 系统原理简介

    结合列控设备的电气接口原理及数据报文格式，分析列控设备数据采集系统原理，系统原理图如图1。为解决列控设备接口电气特性差异以及减轻数据服务器的处理负担，在数据采集系统的列控设备数据采集端与数据服务器接收端之间设计一个在系统中起着列控设备与数据服务器通信互联关键作用的数据通信板。数据通信板作为一个特殊的网络节点，在系统中的作用如下：

    (1)系统对LKJ2000的采集数据主要为TAX数据，采用RS485总线通信方式，波特率为28.8 kb/s^[7]。TAX数据由数据通信板完成RS485协议到UDP/IP协议的转换，通过以太网发送到车载数据服务器，完成一次TAX数据的采集；

    (2)为满足不同车型TCMS系统总线复杂多样的要求，数据通信板设计两种类型接口用来采集TCMS数据：1路基于HDLC（High-level Data Link Control）协议的通信接口用于HXD3型机车的TCMS数据采集；预留1路RS422通信接口，用于HXD2型机车TCMS或其他设备的数据采集。采集的TCMS数据由数据通信板完成协议处理，最后经以太网发送到车载数据服务器。

1.2 UDP拥塞控制

    系统的数据通信板与数据服务器之间的通信采用UDP协议，该协议在数据量大传输的过程中由于缺乏拥塞控制机制易发生丢包与时延。文献[8-9]提出一种基于UDP协议的改进协议，通过速率调整策略实现UDP的可靠拥塞控制。下面介绍UDP拥塞控制具体实现过程。

    (1)检测网络状态

    定义预期接收时间(ET)和发送时间(ST)的差值与发送时间之比为拥塞值diff：

    由网络状态划分的网络拥塞等级如表1所示，用于检测网络状态。其中，α为低网络负载上限，常取值2%；β为网络轻度拥塞下限，常取值4%。

    (2)调整发送速率

    在网络状态检测结束之后，判断网络处于何种状态，采用A-AIAD速率调整的方法改变网络状态。在UDP协议网络传输中，传输速率在一定区间范围[R_min，R_max]内变化，其中R_min为UDP可接受速率下限，R_max为目标速率。则在拥塞避免阶段，发送速率可表示为：

2 系统软硬件设计

2.1 硬件设计

    数据通信板作为系统的核心部件，硬件设计原理如图2所示，按功能可将硬件电路分为核心处理器模块、以太网传输模块、数据采集模块、调试模块、供电模块以及状态指示模块等其他辅助模块。

    核心处理器采用基于Freescale i.MX287系列的ARM926EJ-S内核高性能处理器，其主频最高可达454 MHz。基于i.MX287核心板内部集成10/100 Mb/s以太网MAC，通过外扩PHY以太网收发器DP83848K，并采用HR601680作为以太网的网络隔离器接入以太网。数据采集模块根据接口电气特性的不同可分为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接口电路是通过在核心处理器的D0～D7引脚与控制引脚外接增强型串行通信控制器Z85230，从而使其在数据链路层支持HDLC协议数据的收发^[10]。供电模块负责电源供给，为保证元器件正常工作与系统稳定运行，采取了加入稳压二极管以及过流保护保险丝等措施。此外，为了提高RS485数据采集模块的稳定性，采用基于DCR010505U电源隔离芯片的稳压电路为RSM3485HT供电；状态指示模块加入了LED灯用来指示通信板的工作状态，即电源状态、程序运行状态、TAX2通信状态、TCMS通信状态、以太网通信状态。

2.2 软件框架设计

    根据TAX、TCMS数据采集的要求，数据通信板采用多协议数据转换设计以满足异构网络之间的通信要求^[11]。软件框架如图3所示，包括硬件层、操作系统层和应用层，还可具体分为硬件层、驱动层、核心层、接口层、应用层和数据层。

    硬件层主要提供通信板与其他设备通信的电气接口，包括1个以太网接口和4个串口。其中i.MX287核心板的数据总线D0～D7与控制总线外接Z85230，实现基于HDLC协议数据收发操作。

    操作系统层为通信板的硬件和软件资源的使用与运行提供管理和控制方案，主要包括Linux系统启动引导文件U-Boot、操作系统内核、根文件系统和设备驱动，设备驱动包括1个以太网驱动和4个串口驱动。Linux系统上电配置完成后，初始化硬件，加载驱动，为应用程序运行提供必要的服务和相应接口。

    应用层提供实现通信板功能的应用程序，主要完成数据缓存。数据缓存区缓存采集到LKJ2000的TAX数据或者TCMS数据，最后根据数据类型完成对数据的处理转发。

2.3 软件工作流程设计

    在网络系统中，利用数据寄存机制将两层网络间的通信事件分解为两个分时异步事件进行处理，形式上表现为完成异构总线间的通信协议转换，实质上实现了异构网络间的通信。本系统的数据通信板在以太网网络层作为UDP客户端talker，数据服务器作为UDP监听端listener，在数据采集过程中以数据通信板作为以太网主机，使用UDP协议与车载数据服务器建立通信链接，其工作流程如图4所示。具体步骤如下：

    (1)读取配置文件，完成串口和以太网的接口映射；

    (2)针对设备IP初始化Socket，建立数据通信板与数据服务器的UDP连接；

    (3)Socket连接成功后，读取数据缓存区中的数据包，判断数据类型，调用相应的数据处理函数：

    ①若数据为HDLC数据，调用HDLCtoEthTask任务函数，将缓存区的HDLC数据处理封装为UDP/IP协议数据并将其转发到以太网。

    ②若为UART1数据，调用485toEthTask函数，先将缓存区中的RS485数据解封装，再将其封装成符合UDP/IP协议以太网数据报文类型，以及完成后续的队列数据处理和转发。

    ③UART2的数据处理与UART1数据的处理方式相似。

3 系统测试与分析

    为了验证数据采集系统的功能完整性与可靠性，对TAX2、TCMS数据进行仿真采集测试。本文以南宁机务段某HXD3c为试验对象，对TAX数据采集过程中的数据波形如图5所示，TCMS数据采集的部分结果如表2所示。

    由表2可以清晰地看到TCMS系统的每个网络节点上的状态量及操作量，这些操作量与状态量能为机车的故障诊断提供重要事实依据。通过数据比对，统计得出数据采集正确率为100%。如图5所示，用示波器监视TAX数据采集过程中传输状态数据波形，数据包波形稳定无毛刺，验证了数据通信板协议转换的可靠性。通过TCMS数据采集分析和TAX2通信示波器波形捕捉试验，表明数据采集系统功能完整，数据采集准确、高效与可靠。

4 结语

    基于列控设备的特点，针对性地设计了一套高效、准确的列控设备数据采集系统，该系统解决了多种列控设备相互独立、数据不集中的问题。在系统设计方面比以往的系统显得更加轻量化，易于开发与后期维护。在数据采集仿真测试的实验中表现出了较高的数据采集效率与准确率，满足列车TAX2、TCMS的数据采集要求。该系统在列控设备数据采集方面具有重要的参考价值和广泛的使用前景。

参考文献

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[2] 张启平，寇树仁.机车安全管理信息系统整合改进方案[J].机车电传动，2009(1)：70-71.

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