鐵路貨車軸溫實時監測系統中采集處理與MVBC編解碼功能的設計及驗證

王萌

摘? 要：為保障列車運行安全，該文對鐵路貨車軸溫實時監測系統進行設計與驗證，在采集通道接口防護基礎上實現溫度信號的通道選擇、濾波、AD轉換和電絕緣等功能，保障數據采集的可靠性。為解決溫度測量和傳感器的故障檢測問題，該研究對模擬輸入子系統和信號處理子系統進行深入設計，從而實現鐵路貨車軸溫監測設備的數據采集和處理功能，并利用FPGA設計完成多功能車輛總線控制器MVBC編解碼模塊。最后，通過對溫度信號處理子系統、MVBC總線控制器編解碼模塊的系統進行驗證，達到預期效果。

關鍵詞：軸溫實時監測系統；采集處理；MVBC編解碼功能；電路；電源

中圖分類號：U270.7? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）08-0114-04

Abstract： In order to ensure the safety of train operation， this paper designs and verifies the real-time monitoring system of axle temperature of railway freight cars. On the basis of collecting channel interface protection， it realizes the functions of channel selection， filtering， AD conversion， electrical insulation and so on， so as to ensure the reliability of data acquisition. In order to solve the problem of temperature measurement and sensor fault detection， the analog input subsystem and signal processing subsystem are designed deeply， so as to realize the data acquisition and processing function of railway freight car axle temperature monitoring equipment， and the MVBC codec module of multi-function vehicle bus controller is designed by FPGA. Finally， the system of temperature signal processing subsystem and MVBC bus controller codec module is verified to achieve the desired results.

Keywords： axle temperature real-time monitoring system; acquisition and processing; MVBC coding and decoding function; circuit; power supply

軸承作為連接輪對的關鍵構件，在工作條件苛刻、長期負荷大的情況下，稍有磨損就會嚴重危及行車的安全性。軸承在使用中因磨損、腐蝕或劃傷而產生的接觸表面變形，摩擦增加導致軸承的溫度異常上升，可能會造成嚴重經濟損失。另外，由于運行環境和載重等客觀條件的變化，導致了軸承的使用壽命不均勻性。根據不完全數據統計，在鐵路貨車故障調查結果中，有30%的列車故障原因都在于軸承溫度異常，所以，實時監測軸溫變化尤為重要。

1? 采集處理功能設計與實現

1.1? 模擬輸入子系統設計與實現

模擬輸入子系統的主要功能是獲取溫度傳感器的溫度及診斷信息，進而將準確判斷軸承溫度情況。首先，需要明確模擬輸入子系統的功能和預期的性能要求。確定需要模擬的輸入信號類型和范圍，以及需要支持的接口和通信協議。其次，根據需求選擇適合的模擬輸入設備，例如模擬電壓源、模擬電流源、可變電阻等?？紤]設備的分辨率、采樣率、精度和穩定性等因素。最后，根據所選設備的要求設計模擬輸入電路，包括濾波電路、放大電路和保護電路等。確保電路設計合理、穩定可靠，能夠滿足輸入信號質量和接口要求。并在此基礎上，通過對8路溫度信號和8路故障信號進行通道選擇及對濾波、AD轉換、電絕緣等進行處理，最后完成子系統設計。

1.2? 接口防護設計

PT100是由Pt制成的電阻型溫敏元件，具有良好的電氣性能、耐振動、耐壓、測量范圍廣、精度高和電阻率高等特點。在實際的工程中，通常采用測得的電壓來求出電阻率R，以此來求取其溫度值。PT100測量的測量方法有3種，分別是兩線制、三線制和四線制，RL代表線電阻器，RRTD代表PT100。二線制接線方法雖然簡便，但是不能完全克服因導線阻而引起的測量錯誤；采用三線法可以有效地減少導線的干擾，但是測量的準確率不高；采用四線制接法，需要更多的電線，但是采用2個引腳來實現恒流，另外2個引腳輸出試驗電壓能夠徹底將引線阻力排除，測量準確性顯著提升。出于對多種因素的考慮，本設計最終選擇了PT100四線制聯接方案。PT100鉑電阻器符合JBT/8622—1997《工業鉑熱電阻技術條件及分度表》標準。在測量條件下，PT100電阻值與溫度存在密切聯系，二者呈線性關系，所以通過采集PT100電阻值兩端電壓差值測量相應的溫度是可以實現的[1]，如圖1所示。

1.3? 通道選擇設計

在信號采集后有16路溫控信號和16路故障信號，需要對32路信號進行模擬轉換。在設計時，需根據板尺寸、設計成本和設計的冗余性等因素，選用8路數字信號共用一路模數轉換電路，共需4路模擬轉換器。因此，本研究采用CD4051BCMTC型數字控制模擬電子開關，完成了8路通道的多路復用，如圖2所示。

1.4? 模數轉換設計

系統測量精度要求為：在-15～105 ℃范圍內，其測量誤差不超過0。當溫度低于-15 ℃或超過105 ℃時，其測量結果的偏差不得超過2 ℃。為此，本設計對PT100鉑電阻器自身誤差及硬件線路誤差進行了測量。在-50～250 ℃的環境下，可按不同的溫度進行采集。ADC必須具有10分辨率以上的數字轉換器。因此，必須選用12分辨率的ADC。此外，由于ADC采樣速率較低，所以該設計方案的最低采樣速率只有31.25 kHz。此外，設計方案中選擇TI公司的模數轉換芯片，芯片型號為ADS8328I，核心參數為16位分辨率，2通道模擬輸入端口，完全符合該系統設計要求，該電路圖如圖3所示。

2? MVBC編解碼模塊設計

2.1? MVB通信原理及設備分類

2.1.1? MVB通信原理

MVB（Multifunction Vehicle Bus）是一種用于鐵路車輛內部各個子系統之間的通信協議，其基于串行通信方式，采用主從結構實現數據傳輸和通信。下面是關于MVB通信原理的詳細介紹。MVB的主要組成部分包括用層、控制層和網絡層。由于網絡層是一個抽象的概念，所以這里就先說一下網絡層。在MVB中，應用程序可以和服務器端或者客戶端進行交互。應用程序在服務器端運行需要與客戶交互，然后請求從其他服務處獲取響應結果并發送給用戶，在客戶端運行的時候需要與服務器進行交互，這樣就實現了MVB中的信息交流。在MVB中傳輸消息的時候一般采用HTTP協議或TCP協議進行傳送，因為HTTP協議是一個開放系統（open system），所以消息是以廣播形式在服務器上發布。

MVB通信采用幀格式傳輸數據。每個幀由幀頭、數據域和幀尾組成。幀頭包含同步信息和總線管理信息，用于維持通信同步和管理數據傳輸。數據域中包含實際的應用數據。幀尾用于標識幀傳輸結束。幀結構的設計使得數據傳輸可靠，并具有一定的錯誤檢測和糾正能力。

MVB通信中只能有一個主節點，主節點負責控制總線的同步和管理。從節點根據主節點的命令進行數據接收和發送。主節點通過廣播方式向所有從節點發送命令，從節點根據命令信息進行相應的操作。這種主從通信方式實現了各個子系統之間的協調工作，并確保數據的可靠傳輸。

2.1.2? MVB設備分類

MVB設備可以分為以下5個類別。

1類設備：傳送諸如一個現場裝置的裝置狀況和處理資料，用作從裝置參加通信。

2類設備：能夠傳輸設備狀態數據，收發過程數據和信息數據，可以通過總線配置，但是無法進行程序控制，比如溫度報警器[2]。

3類設備：除了以上2種裝置的全部資料通信功能外，還可以提供使用者程式的功能。

4類設備：除了具備上述第2類和第3類設備的基本結構和性能外，還添加了一些總線管理的函數，例如總線管理器、網絡管理器，以及連接列車總線與車流總線的網關。

5類設備：在加入TCN網關的同時，還應具有以上各類設備的全部性能。

2.2? 解碼模塊設計

所有的裝置都要經過MVBC總線控制器來訪問 MVB總線， MVBC總線控制器與實體和功能裝置無關，提供總線上的各種裝置之間的通信， MVBC則是 MVB鏈路的函數，提供過程數據、消息數據和監控數據的可變界面。MVBC編碼和譯碼的主要功能是按照IEC61375-1《鐵路電氣設備列車總線國際標準》的要求，完成 MVBC的編碼和譯碼，為 MVBC的最終實現奠定了基礎。本文將從以下幾個方面簡單地闡述該設計的開發環境。

MVB幀譯碼處理包含開始比特的探測、開始的邊界判斷、終止的邊界判斷、曼徹斯特取樣、譯碼、 CRC檢查、串行和變換等，最后確定的資料存儲到緩沖中，然后再由主控單元接受?？偩€控制器由2個譯碼單元組成，用于檢測 MVB總線的信任線和冗余線，總線控制器從信任線中接受冗余線，并利用該信號來探測信任線與冗余線之間的轉換[3]。

2.2.1? 起始位檢測設計

按照IEC61375-1的要求，高電平持續時間應在125～541 ns，默認值為333 ns。

初始位置探測：在取樣速率為24 MHz時，高電平采樣點數為3～13個。在總線處于閑置的情況下，利用24 MHz取樣速率，將總線的資料連續地輸入到移動寄存器，如果shift_register的6分辨率以下的數值顯示“111_000”，則表明已偵測到了一個有效幀起始位，極大地改善了有效的幀起始位的辨識速率，并且可以在防止因干擾而產生誤差的情況下，改善該信號的錯誤行為見表1[4]。

2.2.2? 解碼器頂層設計

采用由頂向下的設計思路，將所有以上的模塊結合起來最終實現解碼功能，解碼器接口信號見表2。

2.3? 編碼模塊設計

2.3.1? 數據存儲FIFO設計

FIFO包含2個部件：16位X16位的FIFO緩沖幀的數據FIFO，以及一個由使用者限定的8位X16位的CRC檢查序列FIFO。本文利用Xilinx ISE14.7的綜合開放開發軟件——核心引擎，實現了IP內核的產生。

2.3.2? CRC數據校驗設計

在該功能模塊中，CRC檢查模塊與上文的CRC校驗模塊是一樣的，其由該數據傳輸控制單元來進行CRC校驗碼的運算，并為該幀組提供CRC校驗碼。

2.3.3? 數據發送設計

該數據傳輸模塊的設計：在上行消息解析模塊已經將從屬幀的數據導入到該FIFO中的時候，該傳輸控制器在未激活的情況下，跳出到該源裝置的幀間時間計數狀態（T_SOURCE）。系統的實時性很高，當譯碼器接收到一個有效的主幀時，如果沒有時限，則在若干個時鐘循環中，編碼器將會在若干個時鐘循環中傳送一個從幀[4]。因此，在此添加一個狀態來對T_SOURCE的時刻進行控制，這個狀態被一致地設定為3 us（在48 MHz的時鐘中，對144次進行了計數）。START_READY被用于降低總線的振鈴，在發射一個激活的幀前，將RS485的輸出啟動端提前125 ns，然后在48 MHz的系統時鐘頻率上恰好6個時鐘循環，然后進入從幀開始的分割狀態（TX_SSD）。在這種情況下，波特率計數器被啟用，發射時時鐘3 MHz （由于曼徹斯特編碼后，數據的容量是原先的2倍，以3 MHz的速率傳輸，剛好可以達到1.5 Mbps）[5]。

3? 系統驗證

3.1? 采集及通信功能驗證

通常，當測試板卡的A和B通道各自的8路信號是正確狀態下，陪測軟件上的A和B通道的8路信號應該顯示相應的數字，且所有的故障碼信息顯示均為正常，故障燈呈綠色。當接線正常時，打開試樣的電源，將100 Ω的PT100溫度計輸入到檢測軟件中，分別檢測A、B通道各8個通道的溫度狀態信息和診斷狀態信息，并將其顯示為正常狀態，溫度值顯示是對的，但是有錯誤，必須進行下一階段的校正。研究表明，該系統的測試數據與期望的一致，證明AI板采集和通信功能正常。

3.2? MVBC編解碼模塊驗證

Bus_rx代表解碼的時間序列，而tx_clk代表傳輸信號的時鐘頻率。tx_en則是發送使能的信號，與此同時，bus_tx1指代編碼的時序。向編碼模塊發送了數據F_code=0xC時，結果顯示設備地址為0x511以及一個長達256 bit的數據：0x1122…55AA。這一仿真結果與預期的理論值完全一致。

4? 結束語

軸溫監測裝置具有實時監測軸溫變化對軸承運行狀況判斷及保障列車運行安全均具有非常積極的意義。在我國初次引入動車組時，不同車型的動車組所使用的軸溫檢測系統并沒有統一標準，這為設備的維護、管理、升級等標準化工作帶來了一定的難度。本研究對模擬輸入子系統和信號處理子系統進行了深入的設計，從而實現了鐵路貨車軸溫監測設備的數據采集和處理功能，并利用FPGA設計完成了多功能車輛總線控制器 MVBC 編解碼模塊。最后通過對溫度信號處理子系統、MVBC總線控制器編解碼模塊的系統進行驗證，達到了預期效果。

參考文獻：

[1] 潘娟娟.基于紅外測溫的地鐵列車軸溫在線監測系統[D].南京：南京理工大學，2017.

[2] 袁航.基于ZigBee的軌道交通軸溫監測系統設計[D].青島：青島大學，2020.

[3] 羅玉勝，魏其瓊，譚兆海，等.基于熱成像的車輛軸溫智能監測系統的構建與應用[J].交通科技與管理，2020.

[4] 曹玉峰，徐世鋒，邵文東.鐵路貨車軸端加速度及軸溫車載監測技術必要性探討[J].鐵道車輛，２０２３，６１（１）：７－9.

[5] 李德彬，樓向東，王偉.軸溫監測系統在自營鐵路機車中的研究與應用[J].煤礦現代化，2015（4）：98-99.