铁路货车轴温实时监测系统中采集处理与MVBC编解码功能的设计及验证

王萌

摘  要：为保障列车运行安全，该文对铁路货车轴温实时监测系统进行设计与验证，在采集通道接口防护基础上实现温度信号的通道选择、滤波、AD转换和电绝缘等功能，保障数据采集的可靠性。为解决温度测量和传感器的故障检测问题，该研究对模拟输入子系统和信号处理子系统进行深入设计，从而实现铁路货车轴温监测设备的数据采集和处理功能，并利用FPGA设计完成多功能车辆总线控制器MVBC编解码模块。最后，通过对温度信号处理子系统、MVBC总线控制器编解码模块的系统进行验证，达到预期效果。

关键词：轴温实时监测系统；采集处理；MVBC编解码功能；电路；电源

中图分类号：U270.7      文献标志码：A          文章编号：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

轴承作为连接轮对的关键构件，在工作条件苛刻、长期负荷大的情况下，稍有磨损就会严重危及行车的安全性。轴承在使用中因磨损、腐蚀或划伤而产生的接触表面变形，摩擦增加导致轴承的温度异常上升，可能会造成严重经济损失。另外，由于运行环境和载重等客观条件的变化，导致了轴承的使用寿命不均匀性。根据不完全数据统计，在铁路货车故障调查结果中，有30%的列车故障原因都在于轴承温度异常，所以，实时监测轴温变化尤为重要。

1  采集处理功能设计与实现

1.1  模拟输入子系统设计与实现

模拟输入子系统的主要功能是获取温度传感器的温度及诊断信息，进而将准确判断轴承温度情况。首先，需要明确模拟输入子系统的功能和预期的性能要求。确定需要模拟的输入信号类型和范围，以及需要支持的接口和通信协议。其次，根据需求选择适合的模拟输入设备，例如模拟电压源、模拟电流源、可变电阻等。考虑设备的分辨率、采样率、精度和稳定性等因素。最后，根據所选设备的要求设计模拟输入电路，包括滤波电路、放大电路和保护电路等。确保电路设计合理、稳定可靠，能够满足输入信号质量和接口要求。并在此基础上，通过对8路温度信号和8路故障信号进行通道选择及对滤波、AD转换、电绝缘等进行处理，最后完成子系统设计。

1.2  接口防护设计

PT100是由Pt制成的电阻型温敏元件，具有良好的电气性能、耐振动、耐压、测量范围广、精度高和电阻率高等特点。在实际的工程中，通常采用测得的电压来求出电阻率R，以此来求取其温度值。PT100测量的测量方法有3种，分别是两线制、三线制和四线制，RL代表线电阻器，RRTD代表PT100。二线制接线方法虽然简便，但是不能完全克服因导线阻而引起的测量错误；采用三线法可以有效地减少导线的干扰，但是测量的准确率不高；采用四线制接法，需要更多的电线，但是采用2个引脚来实现恒流，另外2个引脚输出试验电压能够彻底将引线阻力排除，测量准确性显著提升。出于对多种因素的考虑，本设计最终选择了PT100四线制联接方案。PT100铂电阻器符合JBT/8622—1997《工业铂热电阻技术条件及分度表》标准。在测量条件下，PT100电阻值与温度存在密切联系，二者呈线性关系，所以通过采集PT100电阻值两端电压差值测量相应的温度是可以实现的[1]，如图1所示。

1.3  通道选择设计

在信号采集后有16路温控信号和16路故障信号，需要对32路信号进行模拟转换。在设计时，需根据板尺寸、设计成本和设计的冗余性等因素，选用8路数字信号共用一路模数转换电路，共需4路模拟转换器。因此，本研究采用CD4051BCMTC型数字控制模拟电子开关，完成了8路通道的多路复用，如图2所示。

1.4  模数转换设计

系统测量精度要求为：在-15～105 ℃范围内，其测量误差不超过0。当温度低于-15 ℃或超过105 ℃时，其测量结果的偏差不得超过2 ℃。为此，本设计对PT100铂电阻器自身误差及硬件线路误差进行了测量。在-50～250 ℃的环境下，可按不同的温度进行采集。ADC必须具有10分辨率以上的数字转换器。因此，必须选用12分辨率的ADC。此外，由于ADC采样速率较低，所以该设计方案的最低采样速率只有31.25 kHz。此外，设计方案中选择TI公司的模数转换芯片，芯片型号为ADS8328I，核心参数为16位分辨率，2通道模拟输入端口，完全符合该系统设计要求，该电路图如图3所示。

2  MVBC编解码模块设计

2.1  MVB通信原理及设备分类

2.1.1  MVB通信原理

MVB（Multifunction Vehicle Bus）是一种用于铁路车辆内部各个子系统之间的通信协议，其基于串行通信方式，采用主从结构实现数据传输和通信。下面是关于MVB通信原理的详细介绍。MVB的主要组成部分包括用层、控制层和网络层。由于网络层是一个抽象的概念，所以这里就先说一下网络层。在MVB中，应用程序可以和服务器端或者客户端进行交互。应用程序在服务器端运行需要与客户交互，然后请求从其他服务处获取响应结果并发送给用户，在客户端运行的时候需要与服务器进行交互，这样就实现了MVB中的信息交流。在MVB中传输消息的时候一般采用HTTP协议或TCP协议进行传送，因为HTTP协议是一个开放系统（open system），所以消息是以广播形式在服务器上发布。

MVB通信采用帧格式传输数据。每个帧由帧头、数据域和帧尾组成。帧头包含同步信息和总线管理信息，用于维持通信同步和管理数据传输。数据域中包含实际的应用数据。帧尾用于标识帧传输结束。帧结构的设计使得数据传输可靠，并具有一定的错误检测和纠正能力。

MVB通信中只能有一个主节点，主节点负责控制总线的同步和管理。从节点根据主节点的命令进行数据接收和发送。主节点通过广播方式向所有从节点发送命令，从节点根据命令信息进行相应的操作。这种主从通信方式实现了各个子系统之间的协调工作，并确保数据的可靠传输。

2.1.2  MVB设备分类

MVB设备可以分为以下5个类别。

1类设备：传送诸如一个现场装置的装置状况和处理资料，用作从装置参加通信。

2类设备：能够传输设备状态数据，收发过程数据和信息数据，可以通过总线配置，但是无法进行程序控制，比如温度报警器[2]。

3类设备：除了以上2种装置的全部资料通信功能外，还可以提供使用者程式的功能。

4类设备：除了具备上述第2类和第3类设备的基本结构和性能外，还添加了一些总线管理的函数，例如总线管理器、网络管理器，以及连接列车总线与车流总线的网关。

5类设备：在加入TCN网关的同时，还应具有以上各类设备的全部性能。

2.2  解碼模块设计

所有的装置都要经过MVBC总线控制器来访问 MVB总线， MVBC总线控制器与实体和功能装置无关，提供总线上的各种装置之间的通信， MVBC则是 MVB链路的函数，提供过程数据、消息数据和监控数据的可变界面。MVBC编码和译码的主要功能是按照IEC61375-1《铁路电气设备列车总线国际标准》的要求，完成 MVBC的编码和译码，为 MVBC的最终实现奠定了基础。本文将从以下几个方面简单地阐述该设计的开发环境。

MVB帧译码处理包含开始比特的探测、开始的边界判断、终止的边界判断、曼彻斯特取样、译码、 CRC检查、串行和变换等，最后确定的资料存储到缓冲中，然后再由主控单元接受。总线控制器由2个译码单元组成，用于检测 MVB总线的信任线和冗余线，总线控制器从信任线中接受冗余线，并利用该信号来探测信任线与冗余线之间的转换[3]。

2.2.1  起始位检测设计

按照IEC61375-1的要求，高电平持续时间应在125～541 ns，默认值为333 ns。

初始位置探测：在取样速率为24 MHz时，高电平采样点数为3～13个。在总线处于闲置的情况下，利用24 MHz取样速率，将总线的资料连续地输入到移动寄存器，如果shift_register的6分辨率以下的数值显示“111_000”，则表明已侦测到了一个有效帧起始位，极大地改善了有效的帧起始位的辨识速率，并且可以在防止因干扰而产生误差的情况下，改善该信号的错误行为见表1[4]。

2.2.2  解码器顶层设计

采用由顶向下的设计思路，将所有以上的模块结合起来最终实现解码功能，解码器接口信号见表2。

2.3  编码模块设计

2.3.1  数据存储FIFO设计

FIFO包含2个部件：16位X16位的FIFO缓冲帧的数据FIFO，以及一个由使用者限定的8位X16位的CRC检查序列FIFO。本文利用Xilinx ISE14.7的综合开放开发软件——核心引擎，实现了IP内核的产生。

2.3.2  CRC数据校验设计

在该功能模块中，CRC检查模块与上文的CRC校验模块是一样的，其由该数据传输控制单元来进行CRC校验码的运算，并为该帧组提供CRC校验码。

2.3.3  数据发送设计

该数据传输模块的设计：在上行消息解析模块已经将从属帧的数据导入到该FIFO中的时候，该传输控制器在未激活的情况下，跳出到该源装置的帧间时间计数状态（T_SOURCE）。系统的实时性很高，当译码器接收到一个有效的主帧时，如果没有时限，则在若干个时钟循环中，编码器将会在若干个时钟循环中传送一个从帧[4]。因此，在此添加一个状态来对T_SOURCE的时刻进行控制，这个状态被一致地设定为3 us（在48 MHz的时钟中，对144次进行了计数）。START_READY被用于降低总线的振铃，在发射一个激活的帧前，将RS485的输出启动端提前125 ns，然后在48 MHz的系统时钟频率上恰好6个时钟循环，然后进入从帧开始的分割状态（TX_SSD）。在这种情况下，波特率计数器被启用，发射时时钟3 MHz （由于曼彻斯特编码后，数据的容量是原先的2倍，以3 MHz的速率传输，刚好可以达到1.5 Mbps）[5]。

3  系统验证

3.1  采集及通信功能验证

通常，当测试板卡的A和B通道各自的8路信号是正确状态下，陪测软件上的A和B通道的8路信号应该显示相应的数字，且所有的故障码信息显示均为正常，故障灯呈绿色。当接线正常时，打开试样的电源，将100 Ω的PT100温度计输入到检测软件中，分别检测A、B通道各8个通道的温度状态信息和诊断状态信息，并将其显示为正常状态，温度值显示是对的，但是有错误，必须进行下一阶段的校正。研究表明，该系统的测试数据与期望的一致，证明AI板采集和通信功能正常。

3.2  MVBC编解码模块验证

Bus_rx代表解码的时间序列，而tx_clk代表传输信号的时钟频率。tx_en则是发送使能的信号，与此同时，bus_tx1指代编码的时序。向编码模块发送了数据F_code=0xC时，结果显示设备地址为0x511以及一个长达256 bit的数据：0x1122…55AA。这一仿真结果与预期的理论值完全一致。

4  结束语

轴温监测装置具有实时监测轴温变化对轴承运行状况判断及保障列车运行安全均具有非常积极的意义。在我国初次引入动车组时，不同车型的动车组所使用的轴温检测系统并没有统一标准，这为设备的维护、管理、升级等标准化工作带来了一定的难度。本研究对模拟输入子系统和信号处理子系统进行了深入的设计，从而实现了铁路货车轴温监测设备的数据采集和处理功能，并利用FPGA设计完成了多功能车辆总线控制器 MVBC 编解码模块。最后通过对温度信号处理子系统、MVBC总线控制器编解码模块的系统进行验证，达到了预期效果。

参考文献：

[1] 潘娟娟.基于红外测温的地铁列车轴温在线监测系统[D].南京：南京理工大学，2017.

[2] 袁航.基于ZigBee的轨道交通轴温监测系统设计[D].青岛：青岛大学，2020.

[3] 罗玉胜，魏其琼，谭兆海，等.基于热成像的车辆轴温智能监测系统的构建与应用[J].交通科技与管理，2020.

[4] 曹玉峰，徐世锋，邵文东.铁路货车轴端加速度及轴温车载监测技术必要性探讨[J].铁道车辆，２０２３，６１（１）：７－9.

[5] 李德彬，樓向东，王伟.轴温监测系统在自营铁路机车中的研究与应用[J].煤矿现代化，2015（4）：98-99.