车载储能式导轨电车牵引系统监控软件设计

张巧娟，张瑞峰，张吉斌，路 瑶，杨高兴，柴璐军

(西安中车永电电气有限公司，陕西 西安 710016)

0 引言

随着绿色低碳发展成为各国发展的趋势，清洁能源成为各行业大力开发的方向。车载储能式导轨电车使用超大电容为整车提供能量，既实现了能量的高效循环利用，同时也达到了绿色环保的目的。在整个项目进行中，根据试验项点的不同,需要测试的参数发生变化,收发地址可能会不同,对接收数据的实时性要求也不同。一款监控软件也不可能一直随之改动,而使用多个软件成本又会增加。为验证程序的可靠性、有用性、稳定性和安全性，设计了一款实用的监控软件。该软件能在很大幅度上减少调试人员工作时间，提高工作效率，降低成本。

1 牵引系统结构

车载储能式导轨电车的牵引系统由高压箱、牵引逆变器1、牵引逆变器2、DC/DC电路、超级电容等组成。牵引系统结构如图1所示。电车运行过程中超级电容放电，通过DC/DC电路变换为牵引逆变器1和牵引逆变器2供电。电车到站后，750 V直流电通过高压箱变电为超级电容充电。

图1 牵引系统结构图

在牵引系统的各个部位，安装了多个电压、电流传感器来检测各个位置的参数，A/D板卡定时采集数据给数字信号处理化(digital signal processing,DSP)。DSP定时(30 ms)将所需数据发送给监控软件用于调试。在调试过程中，若不能及时接收数据，则会出现数据覆盖或溢出，使得用户不能及时掌握系统变化，从而出现不可预知的结果。因此，牵引系统监控软件的设计对数据的实时性要求较高。

监控软件通过CAN卡与TCU上的DSP芯片进行通信、DSP根据用户指令产生信号传送给现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)。FPGA发送脉冲给绝缘双核型晶体管(insnlated gate bipolar transistor,IGBT)模块来控制电机动作。这个过程中：牵引逆变器和电机中的参数通过传感器将数据反馈给FPGA，FPGA与DSP之间进行数据传输，DSP将即时数据通过CAN卡实时发送给监控软件，形成闭环回路达到实时监控的目的，便于调试人员根据数据及时作出判断。数据交互如图2所示。

图2 数据交互图

2 软件设计方案

车载储能式导轨电车牵引系统监控软件采用Visual Basic语言[1-8]开发软件。该语言开发周期短，易入手。而牵引系统对实时性要求较高,使用VB.Net[3],可有效解决VB不支持继承、无原生支持多线程、异常处理不完善等缺点[4]。

由于CAN总线[5]具有实时性强、传输距离远、抗电磁干扰能力强等优点，采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作[4]，非常适用于牵引系统调试现场。本文使用Visual Basic 2013作为开发软件，通过选择运行CPU，可解决在不同系统上安装的兼容性问题；选用周立功的USB-CAN2A型号实现CAN卡与DSP之间的通信。

2.1 软件功能

牵引系统对监控软件[6-7]的功能要求主要分为以下几个方面：通信、根据调试环境来修改显示参数、下发指令、显示故障信息、显示曲线、存储数据。监控软件功能要求结构如图3所示。

图3 监控软件功能要求结构图

根据软件的功能要求，对软件界面布局，模块大致可分为通信模块、修改参数模块(包括修改地址、修改显示参数和修改故障信息参数)、数据显示模块、曲线显示模块和数据存储模块。监控软件设计界面结构如图4所示。

图4 监控软件设计界面结构图

通信模块使用ZLG CAN卡实现软件与DSP之间的通信；修改参数模块包括修改接收地址，修改显示数据参数，修改故障信息参数；数据显示模块数据显示和故障灯显示；曲线显示模块可根据需要选择显示的曲线； 发送数据模块将指令发送给DSP；数据存储模块用来保存接收到的数据。

2.2 软件程序设计

软件启动后，程序首先初始化，赋初值；通过相应按钮来触发事件,依次点击“修改接收地址”按钮、“修改参数名称”按钮和“修改故障名称”按钮，分别执行读取接收地址、修改参数名称、修改故障名称等修改参数子模块；调用通信子模块后，判断软件是否处于通信状态，正常通信后，根据实际操作，自动建立子线程1进行数据接收子模块程序，将接收到的数据存储到缓存区中后，判断是否停止接收。若是，则子线程1结束；否则循环进行该流程。在接收数据的过程中，可触发事件按钮用于判断是否有其他操作,如发送数据、存储数据、操作曲线显示界面等。若有，则执行相应事件；若无，则结束。系统流程如图5所示。

图5 系统流程图

3 软件关键技术

软件通信时，使用CAN卡连接DSP和牵引系统监控软件。打开监控软件后，需要先选好设备类型、设备索引号、所使用的CAN卡通道等参数。使用ZLG的二次开发接口函数库中的OpenDevice函数连接CAN卡，传输波特率设为250 KB，无屏蔽码，数据全部接收，实现对CAN卡的初始化。打开设备，启动CAN卡后，若通信正常，则接收数据。接收数据设为一次接收1 600帧数据来保证数据能够及时读取，数据不会丢失和溢出。

3.1 变更参数

在监控软件中，根据项目的进度，每个阶段调试的项目不同、收发数据的地址不同、需要显示的参数也不同,界面显示参数能随之变化。而程序不可能一直改动,故需借助Excel来实现此功能。

首先，实现与Excel的连接[9]。在项目中先对Excel进行引用。其次，对Excel进行操作，主要是读取Excel表信息。选用OpenFileDialog控件使用户能自由选择读取文档，窗口正常显示后，打开选择的Excel文档，设置Excel表不可见，将表中单元格的值赋值给相应变量或控件来显示。操作完成后，将当前活动表格关闭，释放资源。为了调试便于查找故障源，加入Try…Catch ex as Exception…End Try语句来捕捉调试过程中出现的异常情况。

3.2 数据存储

数据存储功能使用FileStream操作I/O口进行读写文档，头文件中导入 System.I/O，定义文件名的格式，设置存储数据标志位为布尔型变量。若为False,则存储数据计数值为0，先写入标题，后存入数据。若存储数据计数值超过50 000，则将存储数据标志位设为True，否则False；储存数据标志位为True,则重复上述过程。在接收数据时，可点击“开始存储”按钮来保存数据，点击“停止存储”则结束。

3.3 曲线显示

曲线显示功能要求在同一界面上显示多条曲线[10]，曲线可以根据需要选择是否显示。该软件使用第三方插件RTTrend控件来绘制曲线，使用CheckBox控件实现可选曲线。通过ComboBox控件实现对数据的缩放。

4 结束语

所设计的车载储能式导轨电车牵引系统监控软件从用户的角度思考问题，完全能够满足用户的现场需求，为调试提供便利，最大限度地减少后期工作。目前，该软件已应用于车载储能式导轨电车牵引系统现场调试中,获得了良好的反馈。