基于ARM Cortex-A8的城軌能饋式供電系統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：能饋式供電系統(tǒng)不僅在列車正常運行是為其提供牽引動力，在列車制動時可以將制動能量回饋至交流電網(wǎng)，達到了節(jié)能減排的目的，因此在地鐵等城軌交通系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用、本文以TI公司推出的基于ARM Cortex—A8的微控制器AM3359作為底層設(shè)備，基于串口通信以及數(shù)據(jù)采集卡共同進行數(shù)據(jù)采集，利用C#語言進行上位機監(jiān)控軟件的設(shè)計，實現(xiàn)了對能饋式供電系統(tǒng)的綜合監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：ARM;C#語言;能饋式供電系統(tǒng);串口通信;數(shù)據(jù)采集卡

城市軌道交通供電系統(tǒng)為城軌車輛的運行提供電力，是城市軌道交通運輸系統(tǒng)安全可靠運行的關(guān)鍵設(shè)備和重要保障，所以監(jiān)控其運行參數(shù)并實時掌握其工作狀態(tài)非常重要?；谀芰糠答伿綘恳╇娤到y(tǒng)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，是目前國內(nèi)較為先進的交流傳動的監(jiān)控方法之一。該監(jiān)控系統(tǒng)基于新型牽引供電系統(tǒng)的特性，采用以太網(wǎng)通訊技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，并使用ARM及C#語言，通過虛擬儀器界面取代過去的監(jiān)控方式，實現(xiàn)了對新型能饋式牽引供電系統(tǒng)的可靠實時監(jiān)控。

文中研究的能饋式牽引供電系統(tǒng)綜合監(jiān)控技術(shù)可以保障牽引供電系統(tǒng)的正常運行，對能饋式牽引供電系統(tǒng)動態(tài)過程中的各個電氣參數(shù)，溫度值及開關(guān)量等進行測量、傳輸、顯示、存儲及故障診斷，方便用戶觀察分析數(shù)據(jù)?？朔藗鹘y(tǒng)的儀表測量帶來的不良影響，如干擾PWM整流器的正常運行、危及操作人員的人身安全，測試過程繁瑣程序復(fù)雜等問題。該能饋式牽引供電系統(tǒng)的綜合監(jiān)控技術(shù)的主要特征是，具有強大的控制、存儲、運算、邏輯判斷能力，及自動操作等新能力，并且在監(jiān)控的準(zhǔn)確度、靈敏度、自動化程度，使用能力及解決監(jiān)控技術(shù)問題的深度和廣度方面有很大提升。

1 系統(tǒng)整體方案介紹

能饋式供電系統(tǒng)的綜合監(jiān)控主要是由外圍數(shù)據(jù)源設(shè)備、底層ARM數(shù)據(jù)采集部分、串行通信接口轉(zhuǎn)換模塊，PC上位機監(jiān)控軟件，數(shù)據(jù)庫存儲5個模塊組成。

其中，底層ARM系統(tǒng)負責(zé)對于監(jiān)控設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過串行接口轉(zhuǎn)換模塊與PC機通信接口相連。上位機基于C#語言的監(jiān)控系統(tǒng)使用串口和以太網(wǎng)協(xié)議將所有采集數(shù)據(jù)匯總進行顯示以及分析等，同時從數(shù)據(jù)采集卡接收數(shù)據(jù)波形，利用外圍數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，便于調(diào)用分析，進而完成對整個系統(tǒng)的綜合監(jiān)控以及故障診斷。

2 底層硬件設(shè)計

本監(jiān)控系統(tǒng)底層處理器采用了TI公司推出的AM3359微處理器。AM3359在圖像、圖形處理、外設(shè)和諸如EtherCAT和PROFIBUS的工業(yè)接口選項方面進行了增強，支持通用存儲器(NAND，NOR，SRAM，等)支持高達16位ECC，支持最多2個端口的10/100/1000以太網(wǎng)交換機，串口包括：2個控制器局域網(wǎng)端口(CAN)6個UART，2個McASPI.2個McSPI和3個I2C端口，具有良好的通信功能。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺中以AM3359微處理器為核心，移植了Ubuntu Linux操作系統(tǒng)作為下位機，采用LabVIEW作為監(jiān)控界面的PC作為上位機，通過數(shù)據(jù)采集結(jié)點采集能饋式牽引供電系統(tǒng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)量和模擬量，以ARM板中NANDFlash作為存儲單元存貯采集到的數(shù)據(jù)，并通過串口和網(wǎng)口傳輸以上數(shù)據(jù)到上位機進行處理和故障診斷，從而實現(xiàn)了對于管軌牽引供電系統(tǒng)的實時監(jiān)控。綜合監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

AM3359處理器針對工控領(lǐng)域產(chǎn)品對多串口，多網(wǎng)卡應(yīng)用有針對性的優(yōu)化和增強。支持6個串口，2個以太網(wǎng)，并能方便對網(wǎng)口和串口的擴展。串行接口是計算機與外圍數(shù)據(jù)源設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)交換的重要介質(zhì)。本平臺中的核心處理器AM3359采用的是USB調(diào)試串口，是由USB信號線先經(jīng)過USB2412集線控制IC再經(jīng)過串口接口IC FT2232L轉(zhuǎn)換成UART信號。

本監(jiān)控系統(tǒng)中ARM芯片應(yīng)用TI公司的Correx—A8系列AM3359芯片設(shè)計了一個嵌入式Linux系統(tǒng)。串口通信設(shè)計了4路RS232，2路RS485，實現(xiàn)兩臺PC間的安全穩(wěn)定通信。監(jiān)控系統(tǒng)通過主控單元采集變流器各監(jiān)控量信息，并通過SPI串口通信的方式以1 s的周期傳輸給ARM處理器，從而完成短距離、周期性的監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸。

監(jiān)控平臺的以太網(wǎng)通信以TCP/IP為通訊協(xié)議，將從控制單元得到的電壓，電流等數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)的方式傳送給上位機的監(jiān)控界面。TCP網(wǎng)絡(luò)沒變成是目前比較通用的方式，主要采用C/S模式，即服務(wù)器(S)、客戶端(C)模式，服務(wù)器模式創(chuàng)建一個服務(wù)程序，等待客戶端用戶的連接，接收到用戶的連接請求后，根據(jù)用戶的請求進行處理;客戶端模式則根據(jù)目的服務(wù)器的地址和端口進行連接，向服務(wù)器發(fā)送請求并對服務(wù)器的響應(yīng)進行數(shù)據(jù)處理。本文中ARM充當(dāng)客戶端的角色，對上位機進行訪問。具體的TCP/IP通信流程圖如圖2所示。

3 上位機軟件設(shè)計

綜合監(jiān)控技術(shù)的核心為上位機軟件設(shè)計，通過串口和以太網(wǎng)接口與數(shù)據(jù)采集通信，完成設(shè)備實時數(shù)據(jù)的接收，然后做適當(dāng)數(shù)據(jù)處理和分析后，進行各個功能的正常工作。本上位機軟件是在Windows操作系統(tǒng)下Visual Studio 2005.NET編程環(huán)境中使用C#語言編程完成。

C#語言是一種安全、穩(wěn)定、簡單的，由C和C++衍生出來的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。它在繼承C和C++強大功能的同時去掉了一些它們的復(fù)雜特性(例如沒有宏以及不允許多重繼承)。C#綜合了 VB簡單的可視化操作和C++的高運行效率，以其強大的操作能力、優(yōu)稚的語法風(fēng)格、創(chuàng)新的語言特性和便捷的面向組件編程的支持成為.NET開發(fā)的首選語言。

本文使用C#編程環(huán)境中的Setial Port類來實現(xiàn)串口通信功能，使用Thread類來完成多線程編程，數(shù)據(jù)庫模塊采用廣泛使用的SQL Server 2000來存儲數(shù)據(jù)。Serial Port類為應(yīng)用程序提供了通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法，具有功能強大、通信快速、實時性好等特點。圖3為監(jiān)控軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖。