铁路机车走行公里采集卡的制作方法

本发明涉及，具体为一种铁路机车走行公里采集卡。

背景技术：

和普通小汽车一样，铁路对机车走行了多少公里数也非常重视。目前铁路机车走行公里数据采集，一是来源于机车运用统计报表，二是采用上机车人工抄录。采用统计报表方式的弊端一是时效性差，二是数据的精准性差，同时中间存在大量计算和统计工作，费时费力；人工抄录走行公里数据方式，则存在机车里程表(也是一种设备)在机车使用过程中可能会因为故障和维修原因造成换表数据丢失和抄录时人为误差、错误的弊端，同时需要工作人员登上机车进行人工操作，增加大量工作量，同时登高作业也存在安全问题。为此，我们提出一种铁路机车走行公里采集卡。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种铁路机车走行公里采集卡。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种铁路机车走行公里采集卡，其基于机车tax箱以及机车上安装的速度传感器ⅰ和速度传感器ⅱ，所述机车tax箱预留的备用单元插槽中插入有铁路机车走行公里采集卡，所述速度传感器ⅰ和速度传感器ⅱ的速度数据提供给tax箱进行广播；

所述铁路机车走行公里采集卡内包括有无线wifi通讯模块、无线wifi功率放大模块、非易失掉电存储模块、dc-dc隔离电源模块、gps/bd模块、隔离rs485通讯模块和嵌入式主控模块；

机车返回铁路机务段时，所述无线wifi通讯模块会自动连接安装在铁道边的无线ap，然后把本机车的走行公里数据通过无线ap发送到地面服务器上；

所述无线wifi功率放大模块用于将无线wifi通讯模块的wifi信号进行功率放大，以便铁路机车走行公里采集卡和地面的无线ap之间能可靠连接、传输数据；

所述非易失掉电存储模块用于保存记录数据；所述dc-dc隔离电源模块直接以隔离方式从机车110v电源上取电；所述gps/bd模块采用新一代sirfiii低功耗芯片，用于在城市峡谷、高架下等卫星信号比较弱的地方，也能快速、准确的定位；所述嵌入式主控模块负责采集数据的解码、速度的提取、公里数的计算、保存、发送。

优选的，所述无线wifi通讯模块为高可靠工业级、低功耗嵌入式模块，其内置tcp/ip协议栈，能够实现标准tcp/ip通讯。

优选的，所述无线wifi功率放大模块内置高速收发切换自动判别电路，可自动切换收发状态，不需要无线wifi通讯模块给出控制信号即可自动工作，因此兼容任何wifi场合，可保证wifi信号传输距离和连接稳定性。

优选的，所述非易失掉电存储模块为带后备电池的随机存储器ram，其内置硬件保护电路及电源监测电路。

优选的，所述隔离rs485通讯模块选择美国美信公司生产的一款集成的、完整的电气隔离型rs485/rs422数据通信接口芯片max1480，其采用混合微电路结构，由收发器、光耦和变压器构成的完备隔离接口，集成在一片标准的dip28脚封装内。

优选的，所述铁路机车走行公里采集卡尺寸为标准的19英寸4u机箱结构的插件板，插拔及固定完全符合gb/t19520电子设备机械结构国家标准。

要想精确采集、计算机车走行公里数，必须要精确获取机车的实时速度，然后根据基本的物理学公式：s＝v*t即可求出走行公里。本发明通过在机车tax箱内增加一块铁路机车走行公里采集卡，采集到的这个机车速度信息非常准确，因为目前机车都安装了速度传感器ⅰ和速度传感器ⅱ供lkj监控器比对，通过其内部一定的算法还能消除轮对的空转和轮滑对速度的影响；同时lkj监控器还能根据运行途中信号机之间的距离自动修正机车轮径的误差，所以这个输出的速度值是非常精准的。同时，采集、保存的机车走行公里数据还能通过本装置自带的无线wifi通讯模块，在机车返回车库时，通过无线ap自动发送到地面服务器里，实现走行公里数据的自动上报，大大节约了人力物力，提高了系统自动化程度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能以厘米级的精度统计机车的走行公里数，及时、准确、自动上传走行公里数据，为铁路系统机车的运用、保养及后续大数据分析提供相关依据，对保证铁路运输安全具有重要意义。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为本发明无线wifi通讯模块的功能结构示意图；

图3为本发明无线wifi功率放大模块的典型应用原理图；

图4为本发明dc-dc隔离电源模块的emc外围电路示意图；

图5为本发明dc-dc隔离电源模块的输出滤波电路示意图；

图6为本发明gps/bd模块的外围电路原理图系统示意图；

图7为本发明驱动器输出波形示意图；

图8为本发明驱动器输出波形图对应的fft图；

图9为本发明max1480典型应用原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：

一种铁路机车走行公里采集卡，其基于机车tax箱以及机车上安装的速度传感器ⅰ和速度传感器ⅱ，所述机车tax箱预留的备用单元插槽中插入有铁路机车走行公里采集卡，所述速度传感器ⅰ和速度传感器ⅱ的速度数据提供给tax箱进行广播；

所述铁路机车走行公里采集卡内包括有无线wifi通讯模块、无线wifi功率放大模块、非易失掉电存储模块、dc-dc隔离电源模块、gps/bd模块、隔离rs485通讯模块和嵌入式主控模块；

机车返回铁路机务段时，所述无线wifi通讯模块会自动连接安装在铁道边的无线ap，然后把本机车的走行公里数据通过无线ap发送到地面服务器上；

所述无线wifi功率放大模块用于将无线wifi通讯模块的wifi信号进行功率放大，以便铁路机车走行公里采集卡和地面的无线ap之间能可靠连接、传输数据；

所述非易失掉电存储模块用于保存记录数据；所述dc-dc隔离电源模块直接以隔离方式从机车110v电源上取电；所述gps/bd模块采用新一代sirfiii低功耗芯片，用于在城市峡谷、高架下等卫星信号比较弱的地方，也能快速、准确的定位；所述嵌入式主控模块负责采集数据的解码、速度的提取、公里数的计算、保存、发送。

一、无线wifi通讯模块

铁路机车走行公里采集卡把机车走行公里数无线上传地面服务器即通过此模块进行。该模块为高可靠工业级、低功耗嵌入式模块。内置tcp/ip协议栈，能够实现标准tcp/ip通讯。

本铁路机车走行公里采集卡里，该模块工作于client模式(相对应，地面大功率无线ap工作于ap模式)，上电后自动循环搜索地面无线ap信号，一旦搜索到之后即自动加入此无线ap；此模块加入无线ap后，在主控模块的控制下，接着会自动向数据服务器电脑的ip地址和分配给该机车的一个端口号(每台机车在数据服务器上都分配有一个唯一的端口号，也即每台机车具有唯一一个id号)发起tcp连接。

1、技术参数：

无线标准：ieee802.11n、ieee802.11g、ieee802.11b。

有线标准：ieee802.3、ieee802.3u。

无线传输速率：

11n:最高可达150mbps。

11g:最高可达54mbps。

11b:最高可达11mbps。

信道数：1-14。

频率范围：2.4-2.4835g。

发射功率：12-15dbm。

接口：1个10/100mbpslan/wan复用接口。

天线类型：板载天线/外接天线。

wifi工作模式：client/ap/router。

wds功能：支持wds无线桥接。

无线安全：无线mac地址过滤。

无线安全功能：64/128/152位wep加密，wpa-psk/wpa2-psk、wpa/wpa2安全机制。

远程web管理。

配置文件导入与导出。

web软件升级。

串口最高传输速率：230400bps。

tcp连接：最大连接数>20。

udp连接：最大连接数>20。

串口波特率：50～500000bps。

工作温度：-20-60℃。

工作湿度：10％-90％rh(不凝结)。

存储温度：-40-80℃。

存储湿度：5％-90％rh(不凝结)。

其它性能：频段带宽可选：20mhz、40mhz，自动。

二、无线wifi功率放大模块

由于本铁路机车走行公里采集卡安装在机车tax箱内，当机车入库连接地面无线ap时，由于wifi信号要通过机车金属外壳和金属tax箱，所以有必要对wifi信号进行功率放大，以便主插件和地面无线ap之间能可靠连接、传输数据。为此需要设计制作wifi功率放大单元。

本放大单元内置高速收发切换自动判别电路，可自动切换收发状态，不需要wifi控制芯片给出控制信号即可自动工作，因此兼容任何wifi场合，可保证wifi信号传输距离和连接稳定性。

本放大单元核心元件为rf2126，是rfmicrodevices公司生产的大功率线性放大器。它采用先进的砷化镓异质结双极型晶体管(hbt)处理，设计用于2.5ghzism频段末级线性rf放大，如wlan和pos终端，也可用于像数字pcs电话发送末级线性放大，工作频率为1800～2500mhz。rf2126除了外部匹配网络外，器件本身包含电源供给线和旁路电容。最大工作电压7.5v，输出功率典型值为1w。rf2126可用于2.5hzism频段、数字通信系统、pcs通信系统、商用和消费类系统、便携式电池供电设备等。它为双列8脚封装，极限工作电压7.5v，极限工作电流450ma。

三、非易失掉电存储模块

为保证采集的走行公里数据掉电不丢失，目前数据保存方式可采用电擦写eeprom或者带后备电池的随机存储器ram。前者使用简单，但写入速度慢，有写入次数限制；后者写入速度快，无写入次数限制，但容易受到电源电压等外部干扰丢失数据，但只要精心设计抗干扰电源及后备电池电路，以及数据的循环冗余校验和软件容错机制，是可以避免的，所以本系统采用带后备电池的ram来保存记录数据。

1、存储模块的结构原理

首先存储模块内置硬件保护电路及电源监测电路。当上下电时，电源电压≤阀值(4.3v～4.75v可选)内部存储器片选信号置高自动切换至保护状态,此硬件保护设计为普通nvram厂家广泛采用.但只有以上硬件保护的情况，在很多情况下仍会造成数据丢失,不是绝对稳定。如上下电过快过频,正常工作状态下的干扰,电磁冲击过强、电压波动范围过大、过强振动引起的写和片选置低等等。因此本模块在硬件保护的同时又在写信号端增加了软件保护功能，只有cpu对此芯片的某一特殊单元如最后二个字节写入88时此芯片的内部写信号方能开放，而如果将这二个字节写入55、00等数字则信号被锁，无论外界写信号出现什么干扰都无法将干扰数据存入芯片。因而使芯片的可靠性得到了空前的提高，同时又不需要在软件上作过多改动，只要在程序开始端加一条写入指令即可，在结束时加一条锁写指令。因此既方便又非常可靠，因其具备更高的可靠性。

2、存储模块主要性能指标

(1)此芯片单5v供电双列直插标准封装，引脚排列具有取操作等，与同容量sram完全相同(62256)。

(2)读写次数无限且寿命与sram无异。

(3)频繁掉电及干扰试验证明可靠性远高于通用nvram、eeprom、flash及其它同类及衍生产品。

(4)芯片读写速度70ns。

(5)硬件保护电压阀值4.75v。

(6)温度范围工业级125℃。

(7)指令写入字节位置及开锁数字可选，可起到加密和抗干扰作用。

四、dc-dc隔离电源模块

本铁路机车走行公里采集卡安装在机车tax箱内，需要从tax内取得本身工作电源，为了最大限度不对原tax箱造成影响，本铁路机车走行公里采集卡没有直接从tax箱底板提供的各种输出电源里取电，而是直接以隔离方式从机车110v电源上取电，这样即使本系统采集卡电源工作不正常也不会对机车tax箱有任何影响。

一个自动化系统运行时，电源对系统稳定性的影响极大，质量稳定性不佳的电源模块，不但会造成系统运作不稳定，严重将会造成组件损坏。所以选择设计良好的电源模块，是一个非常重要的任务，尤其是本系统速度采集卡，需要工作于大电流、强电磁干扰环境下的机车上，对电源提出的要求更高。选择和设计一个dc-dc隔离开关电源，主要从以下几个方面考虑：

1.效率：

在全球提倡高效节能的时代，效率是选型的重要因素，它可以在电源转换的过程中减少能源损耗，减少热处理问题并可增加模块寿命，所以在效率的选型上，是愈高愈好。系统待机时的损耗，也是近几年重视的课题之一，在某些应用上，其系统运作在待机状态时间比重较长，拥有较低待机损耗的电源模块则是一个很好选择，本系统的dc-dc电源模块，待机损耗的部份，经特别的处理及设计，可大幅降低待机时的功率损耗，并提高不同负载条件时的整体效率，符合最新的节能需求。

2.操作温度：

一般温度操作可分成商规(0℃～+60℃)、工规(-25℃～+71℃)、军规(-55℃～+85℃)等，在选择dc/dc电源模块时需考虑实际系统操作温度范围，选用合适的温度等级。不同的温度等级会影响到电源模块使用的材料设计及选用，选择一个合适的温度等级，是非常重要的考虑因素，这将会影响dc/dc电源模块的稳定度及可靠度，若系统操作温度超过dc/dc电源模块的使用范围，严重者将导致模块失效，所以若产品操作于温度范围极限时，则需降载使用，或予以适当的散热设计，如增加对流风速或增加散热片，以确保产品的稳定。本系统由于工作于机车内，温度极限范围较大。尤其是夏天，机车内温度非常高，所以本系统采集卡电源部分均采用工业规范的元器件。

3.输入电压：

输入电压指的是dc/dc电源模块能正常操作的范围，一般较常见的电源系统，通常分成5v,12v,24v,48v，而本系统采集卡工作于较特殊的110v电压下，所以设计选用元器件也要特殊对待。在选用电源模块输入电压范围时，视输入电压变动范围，业界有二倍压输入及四倍压输入可选择。输入电压过高或过低都可能造成dc/dc电源模块不正常动作或损坏，此点必需特别留意。

4.额定功率：

前述所言，本系统采集卡工作环境在夏季时极限温度很高，所以采集卡的电源模块选取功率时，是按照实际使用功率为额定功率7～8倍来选取的，预留有充足的功率余量，这样的原则下，dc/dc电源模块的效能较佳、工作稳定、寿命较长、且较具有经济效益。

5.工作频率：

dc/dc电源模块的工作频率与模块的体积成反比，但与损耗成正比，通常频率愈高，dc/dc电源模块体积可缩小，但转换效率将会降低；反之则体积较大，但转换效率提高。电源模块工作频率的形式分为二种，一为定频，另一则为变频。定频的dc/dc电源模块，其工作频率多设计在150k～500khz的范围中，频率的误差通常在+-10％内。

变频的dc/dc电源模块，其频率会随着不同输入电压及负载条件而变动。

使用小功率产品，变频设计是一个很好的选择，定频与变频优劣取决于客户实际应用，一般而言，定频产品在处理emi时将较为容易。

6.隔离(isolation)：

一般电源位于一次侧的产品都需要有隔离的功能，隔离除了可以提高系统的安全性及可靠度外，且可以提高emc的特性并保护二次侧。一般dc/dc隔离电源模块，电压多要求为1500v，而本系统电源模块是按1600v进行设。

7.稳压(regulation)：

稳压指的是输出电压的稳定度，主要影响因素有输入电压及输出负载，输入电压变动时的稳定度指的是当输入电压变化时，输出电压相对变化情形；负载变动稳定度则是指负载变化时输出电压稳定度；使用未稳压产品时，当在不同的输入电压或负载条件时，将导致输出电压不稳定，也将导致系统不稳定，甚至造成后端零件损毁，尤其对存储模块电路影响较大，有可能造成存储的走行公里数据丢失或错误。

8.安全规范：

由于本速度采集卡工作于机车tax箱内，箱内有通讯记录卡(主控制卡)、tmis卡、dmis卡、轨道检测卡、弓网检测卡等，板卡密集，选取设计电源模块时，既要保证本卡不被别的板卡干扰，也要保证本卡不要干扰别的卡。所以电源模块的emi(电磁兼容性)一定要符合国际标准。

为保证电磁兼容性，本系统在模块输入端设计有emc外围电路；同理，为保证输出端的纹波和噪声指标，保证输出电源的品质，在模块输出端设计有输出滤波电路；

本系统电源模块相关参数：

符合rohs标准、ul1950、iec950安全规程。

金属屏蔽封装、emi符合en55022classa和fcclevel。

先进的电路拓扑结构、效率高达87％。

无需外部散热片、输出电压稳定、低待机功耗。

工作温度-25℃～+71℃。

1600v隔离电压、短路、过载、内部过热保护自恢复.

隔离电阻输入/输出100mω

振动冲击10～55hz5g

平均无故障时间(mtbf)mil-hdbk-217f250000

五、gps/bd模块

本铁路机车走行公里采集卡为了以后功能扩展，预留有gps/bd定位模块。由于系统空间的原因，gps/bd模块一定要体积小巧。该模块是一个完整的卫星定位接收设备，具备全方位功能，能满足专业定位的严格要求。体积小巧，低功耗，能适应各种严苛环境。模块采用了新一代sirfiii低功耗芯片，超高灵敏度，在城市峡谷、高架下等卫星信号比较弱的地方，也能快速、准确的定位。

模块推荐外围电路原理图，如图6所示，该电路原理图是厂家推荐，但实际测试时发现有些元件参数选择的非常不合理。比如，为了保证gps模块外接5v工作电源断开后，模块内部之前定位信息和设置的工作参数不丢失，需要外接一个3v电池，电池对模块的供电有个限流电阻，如果按图选择470欧姆，一旦模块外部5v工作电源断开，电池的电量消耗的非常快。经我们实际测算和改进，最后采用20k电阻，在能可靠保证gps模块信息不丢失的情况下，外接电池几乎不耗电。

六、隔离rs485通讯模块

本铁路机车走行公里采集卡工作时需要实时采集、接收lkj主机送往tax箱的动静态参数和机车运行信息。lkj主机到tax箱通讯采用的是rs485总线。因为485总线是多点通讯，共用总线，一般的485通讯芯片一旦出现异常，都会造成整个总线无法通讯。由于本系统只是一个机车运用辅助系统，设计时一定要保证本系统的接入不能对原485总线有任何干扰。为此，选择美国美信公司生产的一款集成的、完整的电气隔离型rs485/rs422数据通信接口芯片max1480。该芯片采用混合微电路结构，由收发器、光耦和变压器构成的完备隔离接口，集成在一片标准的dip28脚封装内。逻辑侧的+5v单电源同时为接口两侧电路供电。芯片的短路电流受限，并且当功耗过大时热关断电路可将驱动器输出置为高阻态，以防器件损坏。接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时可保证已知的输出状态，所以本系统接入机车485总线后，不管工作状态如何，都不会对机车原485总线有任何影响。

同时max1480的限摆率驱动器能够最大程度降低emi，并降低通讯电缆不良匹配造成的反射，允许以最高250kbps的数据速率进行无误码数据传输。这一点可通过观察图7-8的2个芯片在传输150khz信号时的驱动器输出波形和对应fft图，由图7-8可见，当摆率不受限制时，通过傅里叶分析可见有非常大的高频谐波。

七、嵌入式主控模块

主控制模块负责采集数据的解码、速度的提取、公里数的计算、保存、发送。由于运算量大，实时性要求高，选用了arm核的stm32f4系列单片机。

该单片机特点：

1、兼容于stm32f2系列产品，便于st的用户扩展或升级产品，而保持硬件的兼容能力。

2、集成了新的dsp和fpu指令，168mhz的高速性能使得数字信号控制器应用和快速的产品开发达到了新的水平。提升控制算法的执行速度和代码效率。

3、先进技术和90nm工艺

4、存储器加速器：自适应实时加速器(artaccelerator^tm)

5、多重ahb总线矩阵和多通道dma：支持程序执行和数据传输并行处理，数据传输速率非常快

6、高性能，210dmips@168mhz。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。