HXD1型大功率交流传动电力机车制动状态监测系统

３ 基于总线复用的存储器访问
Ｈ Ｘ Ｄ １ 型机车的数据传输系统内部采用了多种通 信协议不相兼容的现场总线。因此本文所设计的制动 状态监测系统必须具备多个通信接口。
对于一个多通信接口系统，由于接入的各个现场 总线之间无法实现相互协调和全局调度，必然会出现 ２ 个以上的通信接口在同一时刻请求存储器访问的现 象，造成存储器访问的冲突。
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第 ６ 期
袁日东：Ｈ Ｘ Ｄ １ 型大功率交流传动电力机车制动状态监测系统
的通信接口为常量。 定义Ｄ ｓｔ 为仿真时间内单个通信接口的总数据量，
如式（１）： Ｄｓｔ ＝ ＳＴ×ＤＲ （ １） 定义随机值发生函数为 Ｒａｎｄｏｍ［ｎ，ｍ］（Ｐ），其中Ｐ 表
为如下的区间形式：
通过纵向比较各通信接口的访问区间，区间的交 集即为存储器访问冲突区。
３）仿真 设系统中有１ 类和２ 类通信接口各一个，利用前文 所述模型对系统的存储器访问冲突情况进行仿真。参 数给定如表 １。
表１ 存储器访问冲突仿真参数
ＳＴ（ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｉｍｅ） ＰＢＴ（ｐｅｒ ｂｙｔｅ ｔｉｍｅ） ＤＲ（ｄａｔａ ｒａｔｅ） Ｐ（Ｉ ｐａｃｋａｇｅ＿ｉｎｔｅｒｖａｌ） ＳＰ（ｓｔａｒｔ＿ｐｈａｓｅ） ＰＬ（ｐａｃｋａｇｅ＿ｌｅｎｇｔｈ）
１ ＨＸＤ１ 型电力机车多协议网络控制系统
ＨＸＤ１ 型机车的２ 节机车电子控制系统具有相同的 控制级结构，是基于西门子铁路自动化系统 ＳＩＢＡＳ ３２ 和 ＴＣＮ 列车通信网络技术的成熟产品。每节车内由ＭＶＢ 总
收稿日期：２ ０ １ ０ － ０ ４ － ３ ０
线把所有的 Ｓ Ｉ Ｂ Ａ Ｓ 系统、无线重联同步控制系统 （Ｌｏｃｏｔｒｏｌ）和制动控制单元连接在一起。制动系统的显示 屏和制动控制单元由其内部的总线连接［１］，如图１ 所示。
路自动化控制系统ＳＩＢＡＳ ３２ 即承载于ＭＶＢ 总线实现机 车控制。其主要部件包括中央控制单元、牵引控制单 元、智能终端接口单元（ＳＫＳ１Ａ、ＳＫＳ１Ｂ、ＳＫＳ３）、显示单 元等。 １．２ 基于 ＬｏｎＷｏｒｋｓ 的 ＣＣＢＩＩ 制动控制单元
Ｃ Ｃ Ｂ Ｉ Ｉ 是一种符合北美铁道协会标准要求基于 ＬｏｎＷｏｋｓ 现场总线的适用于干线货运机车的制动控制 单元，具备自动制动、单独制动、后备空气制动、列车 管流量检测等功能。ＣＣＢＩＩ 制动控制单元主要由司机室 电子制动阀（Ｅ Ｂ Ｖ ）、制动显示单元（Ｌ Ｃ Ｄ Ｍ ）等操作与显 示设备及机械间制动柜中的中央处理模块（Ｍ Ｉ Ｐ Ｍ ）、继 电器接口模块（ＲＩＭ）、电空控制单元（ＥＰＣＵ）等组成［３］， 如图 ２。
图 １ Ｈ Ｘ Ｄ １ 型机车网络节点部置及连接图 — ７５ —
机 车 电 传 动
２０１０ 年
１．１ 基于 ＴＣＮ 的机车控制系统 Ｔ Ｃ Ｎ 网络采用二层总线结构， 由绞线式列车总线
ＷＴＢ 和多功能车辆总线ＭＶＢ 组成，符合ＩＥＣ ６１３７５标准［２］。 Ｍ Ｖ Ｂ 总线连接每节车内部的主要设备。西门子铁
（ ４）
ＡＴＺＥ（ｉ）ｓ２ ＝ ＡＴＺＳ（ｉ）ｓ２ ＋ ｒａｎｄｏｍ［ｔ， ｓ］（ＰＬ）×ＰＢＴ （ ５） 其中变量 ｉ 的最大值 Ｍ 通过式（６ ）计算得到：
（ ６）
式中：Ｄｌｅｆｔ 为正整数，Ｍ 使其尽可能地接近０ 。 这样１ 类和２ 类通信接口总线占用时间可分别表示
量的访问冲突，且访问冲突完全集中在仿真周期的前 半部分。这样考虑到整个仿真周期，实际上存储器总 线在大多数时间内处于空闲状态。为了有效地利用这 些空闲时间，本文采用了时分复用的方法对存储器的 访问权进行仲裁和分配。 ３．２ 存储器访问的时分复用
存储器访问时分复用的原理是将一个完整的数据周 期分成若干个时长不等的时间片，并把这些时间片分配 给各个通信接口，如图５ 所示。通信接口只有在被分配的 时间片内拥有存储器的访问权。在其他时间区域内，通 信接口对存储的访问处于阻塞状态，此时如有数据产生， 通信接口将数据存入缓冲区。缓冲区的大小与通信接口 的数据传输速率和存储器访问阻塞时间成正比。
２０１０ 年第 ６ 期 ２０１０ 年 １１ 月 １０ 日
机 车 电 传 动 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES
№ ６， ２０１０ Ｎｏｖ． １０， ２０１０
试 ＨＸＤ１ 型大功率交流传动电力机车
验
制动状态监测系统
检
袁日东
Байду номын сангаас
测
（湖东电力机务段 技术科，山西 大同 ０３７３００）
Key words: HXD1 electric locomotive; control system; condition monitoring; brake system; locomotive network
０ 引言
Ｈ Ｘ Ｄ １ 型大功率交流传动电力机车的设计制造由 多个国家的数十个厂商完成，各个厂商所生产设备和 接口的兼容性问题尽管经历了长时间的设计论证和实 验，但在实际运行过程中仍然不断出现。造成各种无 法彻底查明和不能完全解释清楚的故障和问题，不但 给维护人员对机车的修理和维护带来了困难，更重要 的是带来了不可预知的安全隐患。因此研究并设计针 对Ｈ Ｘ Ｄ １ 型电力机车制动系统的监测设备具有重要意 义。针对 ＨＸＤ１ 型电力机车控制系统的高度网络化和多 种协议网络共存的特点，本文提出了基于多协议接口 的机车制动状态监测系统。
图 ３ 制动状态监测系统框图
数字量输入模块用于将１１０ Ｖ 开关量信号转为ＴＴＬ 电平送入ＰＣ１０４ 模块进行处理。
用户接口和数据处理模块实现监测单元的人机接 口、数据分析处理和转储功能。处理器选用的是 Ｐ Ｃ １ ０ ４
模块。 通信模块是制动系统监测单元的关键部分，实现
多协议兼容功能和数据采集。机车内部各现场总线通 过通信模块接入监测单元。通信模块和 Ｃ Ｐ Ｕ 以共享存 储的方式实现相互之间的数据交换和功能配置，并由 存储器访问管理模块实现多通信接口对存储器的共 访。
作者简介：袁日东（１９７３－），
摘 要 ：分析了基于多协议接口的 ＨＸＤ１ 型电力机车制动状态监测系统，采用存储器总线时分复 男，高级工程师，现从事电
用的方法，解决了多协议兼容共享通信存储器造成冲突访问的问题。通过建立多通信接口共访存储器 力 机 车 检 修 及 技 术 管 理 工
冲突模型，对通信接口的时间相位偏移参数进行评估，得到最小访问冲突下的时分复用参数。
针对这一问题文献［４ ］提出了利用具备独立数据 和地址总线的多个分块存储器设计系统存储单元的方 法，将访问冲突在存储空间上分离。但是，这一方法要 求消耗大量的分块存储器，对存储资源相对紧张的嵌 入式系统并不适用。文献［５ ］利用双端口 Ｒ Ａ Ｍ 组实现 全局共享和弱冲突访问，对于多端和大数据量系统， 同样需要较多的存储器资源。本文针对 ＨＸＤ１ 型机车制 动监测系统的数据存储特点，提出了基于总线时分复 用和地址表的方法。 ３．１ 多通信接口共访存储器冲突模型
定义 Ｔ Ｄ ｏｆｆｓｅｔ 为 Ａ Ｔ Ｚ Ｓ 和 Ａ Ｔ Ｚ Ｅ 的时间相位偏移， Ｔ Ｄ ｏｆｆｓｅｔ 表示时分复用划分时间片的起始时间。时分复 用后，１ 类通信接口在一个仿真周期内的存储器总线访 问占用时间为式（７）和式（８）所示，２ 类通信接口为式 （９）和式（１０）所示。
ＡＴＺＳ（ｉ）ＴＤ＿ｓ１ ＝ ＡＴＺＳ（ｉ）ｓ１＋ＴＤｏｆｆｓｅｔ＿ｓ１ （ ７） ＡＴＺＥ（ｉ）ＴＤ＿ｓ１ ＝ ＡＴＺＥ（ｉ）ｓ１＋ＴＤｏｆｆｓｅｔ＿ｓ１ （ ８） ＡＴＺＳ（ｉ）ＴＤ＿ｓ２ ＝ ＡＴＺＳ（ｉ）ｓ２＋ＴＤｏｆｆｓｅｔ＿ｓ２ （ ９） ＡＴＺＥ（ｉ）ＴＤ＿ｓ２ ＝ ＡＴＺＥ（ｉ）ｓ２＋ＴＤｏｆｆｓｅｔ＿ｓ２ （ １０） 根据 Ａ Ｔ Ｚ Ｓ 和 Ａ Ｔ Ｚ Ｅ 的修订，假设系统中同时存在 １ 类和２ 类通信接口各１ 个，仿真参数如表１ 所示，并设 定ＴＤｏｆｆｓｅｔ＿ｓ１＝０， ＴＤｏｆｆｓｅｔ＿ｓ２＝１５０ ｓ， ＴＤｏｆｆｓｅｔ＿ｓ３＝３００ ｓ，得到仿 真结果如图 ６。此时的信道复用是等时分配，通信接口 １和通信接口２分别占用［０ ｓ，１５０ ｓ］和［１５０ ｓ， ３００ ｓ］的 访问时间。分析仿真结果，在１５０ ｓ之后存储器访问仍 然产生了大量冲突。
图 ２ Ｃ Ｃ Ｂ Ｉ Ｉ 制动控制单元结构图
２ 制动状态监测系统总体设计
ＨＸＤ１ 型电力机车的控制系统主要包括ＴＣＮ 网络控 制系统、ＣＣＢＩＩ 制动机控制系统和Ｌｏｃｏｔｒｏｌ无线重联同 步控制系统。而影响机车制动的因素繁多，根据设计 需求，需要将监测单元接入各个系统，实现对整车状 态的完全监测。如图 ３ 所示。
为评估和量化存储器的访问冲突，建立一个简单 的多通信接口共访存储器的冲突模型。
１）模型参数 ··Ｓ（Ｔ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｉｍｅ）仿真时间， ｓ。 ·ＰＢ（Ｔ ｐｅｒ ｂｙｔｅ ｔｉｍｅ）单字节存储器访问时间， ｓ。 ·Ｄ（Ｒ ｄａｔａ ｒａｔｅ）通信接口数据传输速率，Ｂｙｔｅ／ｍｓ。 ·Ｐ（Ｉ ｐａｃｋａｇｅ＿ｉｎｔｅｒｖａｌ）数据包时距， ｓ。 ·ＳＰ（ｓｔａｒｔ＿ｐｈａｓｅ）每个仿真周期数据传输的起始 相位，ｓ。 ·Ｐ（Ｌ ｐａｃｋａｇｅ＿ｌｅｎｇｔｈ）数据包长度， Ｂｙｔｅ。 ·ＡＴＺ（Ｓ ａｃｃｅｓｓ ｔｉｍｅ ｚｏｎｅ ｓｔａｒｔ）通信接口对存储器 单次访问所占时间段的起始点， ｓ。 ·ＡＴＺ（Ｅ ａｃｃｅｓｓ ｔｉｍｅ ｚｏｎｅ ｅｎｄ）通信接口对存储器 单次访问所占时间段的终止点， ｓ。 ２）模型描述 根据ＨＸ Ｄ１ 型电力机车的数据传输特点，冲突模型 将通信接口分为２ 个基本类型。 通信接口类型 １ ——周期数据通信接口。参数 Ｓ Ｐ 和ＰＬ 为取值范围限定的随机变量，其他参数对于确定 的通信接口为常量。 通信接口类型２ ——随机数据通信接口。参数ＳＰ、 ＰＬ、ＰＩ 为取值范围限定的随机变量，其他参数对于确定
示需要产生随机值的参数，［ｎ，ｍ］表示取值范围。则１ 类 通信接口在一个仿真周期内的存储器总线访问占用时 间为式（２ ）和式（３ ）所示：