基于ARM及C#語(yǔ)言的城軌能饋式供電系統(tǒng)綜合監(jiān)控技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：能饋式供電系統(tǒng)不僅在列車正常運(yùn)行是為其提供牽引動(dòng)力，在列車制動(dòng)時(shí)可以將制動(dòng)能量回饋至交流電網(wǎng)，達(dá)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用C#語(yǔ)言進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)能饋式供電系統(tǒng)的綜合監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：ARM;C#語(yǔ)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(yùn)行提供電力，是城市軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備和重要保障，所以監(jiān)控其運(yùn)行參數(shù)并實(shí)時(shí)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(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的交流傳動(dòng)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(yǔ)言，通過(guò)虛擬儀器界面取代過(guò)去的監(jiān)控方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新型能饋式牽引供電系統(tǒng)的可靠實(shí)時(shí)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(yùn)行，對(duì)能饋式牽引供電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中的各個(gè)電氣參數(shù)，溫度值及開關(guān)量等進(jìn)行測(cè)量、傳輸、顯示、存儲(chǔ)及故障診斷，方便用戶觀察分析數(shù)據(jù)。克服了傳統(tǒng)的儀表測(cè)量帶來(lái)的不良影響，如干擾PWM整流器的正常運(yùn)行、危及操作人員的人身安全，測(cè)試過(guò)程繁瑣程序復(fù)雜等問(wèn)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(qiáng)大的控制、存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷能力，及自動(dòng)操作等新能力，并且在監(jiān)控的準(zhǔn)確度、靈敏度、自動(dòng)化程度，使用能力及解決監(jiān)控技術(shù)問(wèn)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(jī)監(jiān)控軟件，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)5個(gè)模塊組成。

其中，底層ARM系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)于監(jiān)控設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)串行接口轉(zhuǎn)換模塊與PC機(jī)通信接口相連。上位機(jī)基于C#語(yǔ)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(jìn)行顯示以及分析等，同時(shí)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(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，便于調(diào)用分析，進(jìn)而完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的綜合監(jiān)控以及故障診斷。

2 底層硬件設(shè)計(jì)

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(xiàng)方面進(jìn)行了增強(qiáng)，支持通用存儲(chǔ)器(NAND，NOR，SRAM，等)支持高達(dá)16位ECC，支持最多2個(gè)端口的10/100/1000以太網(wǎng)交換機(jī)，串口包括：2個(gè)控制器局域網(wǎng)端口(CAN)6個(gè)UART，2個(gè)McASPI.2個(gè)McSPI和3個(gè)I2C端口，具有良好的通信功能。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)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(jī)，采用LabVIEW作為監(jiān)控界面的PC作為上位機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集結(jié)點(diǎn)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(chǔ)單元存貯采集到的數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口和網(wǎng)口傳輸以上數(shù)據(jù)到上位機(jī)進(jìn)行處理和故障診斷，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)于管軌牽引供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(duì)工控領(lǐng)域產(chǎn)品對(duì)多串口，多網(wǎng)卡應(yīng)用有針對(duì)性的優(yōu)化和增強(qiáng)。支持6個(gè)串口，2個(gè)以太網(wǎng)，并能方便對(duì)網(wǎng)口和串口的擴(kuò)展。串行接口是計(jì)算機(jī)與外圍數(shù)據(jù)源設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的重要介質(zhì)。本平臺(tái)中的核心處理器AM3359采用的是USB調(diào)試串口，是由USB信號(hào)線先經(jīng)過(guò)USB2412集線控制IC再經(jīng)過(guò)串口接口IC FT2232L轉(zhuǎn)換成UART信號(hào)。

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(jì)了一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)。串口通信設(shè)計(jì)了4路RS232，2路RS485，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)PC間的安全穩(wěn)定通信。監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)主控單元采集變流器各監(jiān)控量信息，并通過(guò)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?cái)?shù)據(jù)的傳輸。

監(jiān)控平臺(tái)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(guò)以太網(wǎng)的方式傳送給上位機(jī)的監(jiān)控界面。TCP網(wǎng)絡(luò)沒(méi)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(gè)服務(wù)程序，等待客戶端用戶的連接，接收到用戶的連接請(qǐng)求后，根據(jù)用戶的請(qǐng)求進(jìn)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(jìn)行連接，向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求并對(duì)服務(wù)器的響應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本文中ARM充當(dāng)客戶端的角色，對(duì)上位機(jī)進(jìn)行訪問(wèn)。具體的TCP/IP通信流程圖如圖2所示。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

綜合監(jiān)控技術(shù)的核心為上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)串口和以太網(wǎng)接口與數(shù)據(jù)采集通信，完成設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收，然后做適當(dāng)數(shù)據(jù)處理和分析后，進(jìn)行各個(gè)功能的正常工作。本上位機(jī)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(yǔ)言編程完成。

C#語(yǔ)言是一種安全、穩(wěn)定、簡(jiǎn)單的，由C和C++衍生出來(lái)的面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言。它在繼承C和C++強(qiáng)大功能的同時(shí)去掉了一些它們的復(fù)雜特性(例如沒(méi)有宏以及不允許多重繼承)。C#綜合了 VB簡(jiǎn)單的可視化操作和C++的高運(yùn)行效率，以其強(qiáng)大的操作能力、優(yōu)稚的語(yǔ)法風(fēng)格、創(chuàng)新的語(yǔ)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(yǔ)言。

本文使用C#編程環(huán)境中的Setial Port類來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通信功能，使用Thread類來(lái)完成多線程編程，數(shù)據(jù)庫(kù)模塊采用廣泛使用的SQL Server 2000來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。Serial Port類為應(yīng)用程序提供了通過(guò)串口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法，具有功能強(qiáng)大、通信快速、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。圖3為監(jiān)控軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖。

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