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新一代内燃机车微机系统控制平台设计

肖孟英 唐军 张东方

摘   要：为适应当前形式下的市场需求，同时提高整车对柴油机系统控制的可靠性，基于内燃机车微机控制系统在多种直流机车以及交流机车上的应用情况，重新设计了新一代的内燃机车微机控制系统平台。根据该平台在实际应用中各功能的使用情况，新一代控制平台可提高机车控制的响应速度，能有效缩短机车逻辑控制软件的开发周期，并提升现场调试的效率。
关键词：内燃机车  微机  控制平台
中图分类号：U262.27                              文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0088-03
如今轨道交通机车、车辆的主通信方式逐渐从TCN网络的MVB+WTB通信向实时以太网通信转换，实时以太网和绞线式列车总线WTB、多功能车辆总线MVB 通信比较，在传输速度、传输周期、集成度、调试设备、开发资源费用上等都有很大的优势[1]。目前的通信网络是双网共存设计，以MVB网络数据作为控制数据，以太网数据作为参考数据，相信在不久的未来将是实时以太网通信的时代。
同时，各大主机厂也有编制机车逻辑控制软件的需求，所以传统的软件开发模式将逐渐被淘汰，需要设计一种新的软件开发环境来适应并满足主机厂客户的这种需求。目前，在多个海内外项目中，采用合作开发机车逻辑控制软件的模式来探索未来内燃机车应用软件开发的方法。
为适应外部环境的发展，同时改善并提升内燃机车的控制性能，加强对柴油机系统控制的可靠性，设计了使用图形化编程环境的新一代内燃机车微机控制平台。
1  控制平台功能分析
内燃机车微机（如图1）主要由CPU插件、IO插件、通信插件以及电源插件构成。CPU插件作为微机的核心，是控制软件运行的载体，主要实现机车的逻辑控制、牵引/电阻制动/自负荷特性控制、故障诊断及处理等功能[2]。
通过分析微机控制功能以及控制平台所关联的对象，可得知控制平台需要实现的功能应包括：
（1）支持图形化应用软件开发环境;
（2）网络通信功能，重点是以太网通信;
（3）微机系统IO数据采集与驱动;
（4）数据存储功能;
（5）系统安全机制。
2  硬件平台设计
上一代微机控制系统平台总线处理效率不够、与柴油机系统数据交换的可靠性有待提高、以太网接口仅实现了程序下载更新功能。通过对控制平台功能的分析，在总线模式与上一代产品保持兼容的情况下，新增以下功能[3]：
（1）采用更高主频的处理器以提高单指令响应速度;
（2）主控板采用高集成度通信芯片与柴油机系统通信;
（3）两路以太网接口可同时实现以太网通信或者程序下载更新功能;
采用大容量的NandFlash芯片做数据存储。
2.1 以太网
以太网通信是轨道交通装备的一个发展趋势，目前已在动车上推广应用，为提高内燃机车微机控制系统的竞争性，设计两路100 Mbps以太网，采用处理器的两路TSEC控制器。
作为微机以太网通信专用的接口，由主控板输出到背板连接器，通过子板从机箱出线。另一路以太网设计成调试下载专用，从主控板前面板出线。
2.2 CAN
目前微机控制系统通过专用的柴油机通信板实现CAN通信的功能，主控板通过双口RAM与柴油机通信板交换通信数据。这种方案存在数据更新不及时、处理环节过多过程不可控的潜在故障。
新的设计方案采用处理器的串行外围设备接口（SPI）扩展CAN通信电路。主控板能获取第一手的通信数据，减掉了数据交换的中间环节，提高了数据交换的效率以及可靠性，同时微机控制系统在总体方案上可考虑裁剪掉柴油机通信板的配置资源、有利于产品的成本控制。
2.3 数据存储
由于存储空间有限，目前的微机控制系统只进行了机车的故障信息记录，数据以二进制的形式存储在非易失性闪存中，通过机车显示器界面可查询到故障信息。
本文设計的控制平台中，数据存储的载体为1G容量的NandFlash芯片，可实现故障信息的海量存储，同时满足机车运行状态数据记录的需求，对分析机车运行状态，机车故障的判断、处理以及预防都能起到有效的作用。
3  软件平台设计
软件平台设计的目的是提供一个稳定可靠的应用软件开发环境，最终需达成的目标是减轻应用软件开发的难度、减少开发工作量，快速响应市场需求。
本文描述的软件平台采用嵌入式操作系统加图形化编程系统的架构，主要分为图形化应用软件、中间层、操作系统三个层次，其中的中间层软件包括驱动软件以及封装的功能块，具体如图3所示。
3.1 应用层
IEC 61131-3是可编程序控制器编程语言的标准，规定了两大类编程语言：文本化编程语言和图形化编程语言。设计人员根据需求，可选择任何文本语言（IL和ST）或图形语言（LD、FBD和SFC）来编制软件。
Multiprog软件是一个符合IEC 61131标准的编程系统，它简单、易用，搭配软PLC内核ECLR方案可以在多种嵌入式系统中使用，被广泛地应用于不同的工业领域。
由此可见，PLC的图形化语言是一种面向现场、面向用户的编程语言，可以在机车电器线路不改变或者少改变的情况下，现场修改程序，实现机车的逻辑控制功能[4]。
3.2 中间层
中间层是与应用强相关的一种软件技术，它不包括嵌入式操作系统底层软件，由基于操作系统开发的应用程序组成。
中间层把原本属于应用层软件的一些通用的功能抽取出来，与微机系统的硬件资源封装组合形成独立的一层软件，为应用软件提供一个灵活、安全、移植性好的开发平台。如上文所述，中间层软件包括驱动软件以及封装的功能块。
驱动软件是指系统层面的软件，它会调用与硬件强相关的底层驱动代码或者是与硬件资源无关的纯软件资源，是实现某个具体软件功能的程序合集。本设计中的相关驱动软件有：支撑图形化开发软件Multiprog运行的图形化内核驱动，实现应用软件设计任务的管理等功能;实时以太网驱动使得控制平台具备接入以太网进行实时通信的功能;控制功能驱动实现机车的励磁控制、故障诊断以及记录等功能。
功能块实现应用软件对驱动软件的调用，通过对功能块的自由组合，可实现不同的机车控制需求。譬如，目前阶段上以太网实时通信功能并不是每个项目都会采用的方案，应用软件开发可自行裁剪掉这个功能块。
下面以直流内燃机车的PWM励磁控制功能为例进行描述。
如图4所示，为实现机车的励磁控制功能，中间层的软件需开发励磁驱动软件、与上层软件接口的功能块。
微机在不同机车工况下，根据反馈信号量，通过设定的PID参数由算法计算得出PWM占空比值，最终输出PWM信号实现励磁调节。在机车逻辑控制软件上的励磁调节如图5所示。
图5中EXCITE功能块的接口层、封装的励磁驱动分别由fw_function.c、LcsFuncDrv.c中的代码实现，PWM信号的输出周期为10ms，相比以往控制系统的40ms提升4倍，如果机车逻辑控制软件设计合理，微机控制系统的PWM励磁调节精度按预期可以跨越一个台阶。
中间层软件设计的理念就是要通用，要减少应用软件开发的工作量、提高开发效率。如果内燃机车的励磁调节功能是用PWM信号实现的话，那么各机车逻辑控制应用软件都可以调用这个功能块，通过接口赋值即可实现。
3.3 系统层
嵌入式操作系统具备自恢复能力，不会造成系统崩溃。当系统受到外部干扰的时候，系统中只有单个的进程会被破坏，操作系统的监控进程会立即对其进行修复。系统层基于嵌入式操作系统VxWorks开发，它由操作系统内核、文件系统、TCP/UDP网络协议模块及通用组件组成。
系统层的软件功能可划分为基础功能和扩展功能。基础功能是核心，它提供对操作系统的支持，负责整个系统的任务调度、管理等，包括操作系统内核在内的各种系统资源。
扩展功能是设计人员基于系统资源而开发的实用性功能，本文设计的控制平台开发了如下功能：
（1）文件系统实现了故障及状态数据的文件存储，商用的系统保证了数据的可靠性。
（2）考虑到控制平台的用户，系统设计了安全机制，对系统登录以及网络账户进行了权限管理。
（3）开发基于TCP协议的FTP功能提升了系统的维护性，借助以太网的有线以及无线网络，可方便的实现程序的更新下载。在调试的初期阶段，还可通过无线网络在地面进行机车功能调试。
（4）基于UDP协议的实时数据流监测功能反应了系统的“健康”状态。通过PC端的显示软件，设计人员可实时观测到微机系统采集到的所有信号量;并且通过功能块可将应用软件中的控制量传递给此功能，实时显示控制状态。
4  结语
本文分析了内燃机车微机的控制功能，总结出控制平台所需要实现的功能，搭建了基于嵌入式操作系统的图形化应用软件开发平台。
早期通过在出口阿根廷内燃机车以及动力集中动车组上各功能的运用，表明使用该控制平台的微机控制系统能接入以太网组网的列车网络控制系统，更快的控制周期能提高控制精度，专业的文件系统保证故障数据的完整性，先进的调试手段促进了软件开发与现场调试。
为进一步提高微机控制系统的可靠性，后续可基于此平台进行控制系统主控板冗余的应用研究开发。
参考文献
[1] 肖家博.嵌入式列车网络控制系统软件平台的设计与实现[D].湖南大学，2011.
[2] 吴正平，刘智聪.CKD4C型内燃机车微机网络控制系统[J].机车电传动，2007（6）：10-13.
[3] 姚曉阳.国产内燃机车微机控制系统的发展与展望[J].机车电传动，2002（3）：1-3.
[4] 陈晨，王力生，贾廷纲，等.嵌入式PLC图形化编程技术的研究[J].电脑知识与技术，2015，11（21）：156-157.

-全文完-