地铁列车牵引控制器模拟/二进制接口板检测系统及方法与流程
本发明涉及接口板检测技术领域，具体地，涉及一种地铁列车牵引控制器模拟/二进制接口板检测系统及方法。
背景技术：
地铁是我国新兴的城市轨道交通运输方式，上海地铁一号线由德国西门子研究设计，列车的牵引控制单元是基于西门子sibas32总线架构运行的。德方提供的sibas32诊断软件和车辆图纸等相关技术资料并不足以支撑地铁列车出质保后的正常运营，随着列车设备的不断老化，亟待自主研发和设计，本发明提出的方法就是针对一号线牵引控制器模拟/二进制接口板设计的测试系统。
sibas32系统是一种列车通用计算机系统，它通过标准和专用外围组件可与任意设备相连，基本能够完成机车动车所有的控制和监控任务。控制单元同时还能够完成多种监测功能，包括对自身功能的诊断和外部数值的超限监测。当牵引电路在运行中超过预先在程序中设置的上(或下)限值时，系统将根据故障的严重程度做出相应的处理，自动记录这一故障，为板卡的更换提供重要的依据。但是，诊断软件仅仅可以定位故障板卡，板卡的故障点还需要实验室作进一步的研究与定位。
专利文献公开了一种应用于hxd1型机车运行状态的车地无线通信系统，所述系统包括：车载信息子系统和地面信息子系统；所述车载信息子系统基于tcn/mvb网络，采集机车网络控制系统的运行状态信息和sibas诊断数据，通过gsm-r/gprs无线通信技术实时发送到地面信息子系统进行信息处理。此外，车载信息子系统接收地面信息子系统反馈的信息，提供给司乘人员做指导和提示；所述地面信息子系统实现对机车在途运行状态信息进行分析和提炼、机车运行记录信息的数据分析、故障的远程智能诊断等，为机车在途安全、高效地运行提供强大的后台支持。该专利在结构和性能上仍然有待提高的空间。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种地铁列车牵引控制器模拟/二进制接口板检测系统及方法。
根据本发明提供的一种地铁列车牵引控制器模拟/二进制接口板检测方法，包括：处理器、总线、fpga、串口、转接板、abif、上位机；
所述处理器和fpga通过总线连接，串口负责处理器与电脑的数据传输，转接板与fpga连接且与abif连接，上位机连接fpga，负责处理和显示fpga采集的数据；
所述的处理器和总线以及fpga被设计集成到一块pcb板卡之上，称之为主测板；
所述总线包括数据总线、地址总线、读写使能线、片选线，用于完成内部数据的访问与传输；
所述转接板包括电源模块、ad采集模块、da模拟电压输出模块、模拟电压参考模块、接口单元，接口单元负责与主测板进行数据交互，转接板负责用于完成对abif的信号加载和采集；
所述串口用于配合主测板和转接板工作，从而将abif测试的数据传到电脑中以便实时监测；
所述上位机通过signaltapiilogicanalyzer虚拟软件采集fpga的逻辑信号，负责监视abif内部的cpld的引脚触发动作，从而分析cpld内部的逻辑关系。
优选地，所述主测板处理器为arm7内核的高速处理器，处理器负责总线数据的收发，运算、处理和串口交互。
优选地，所述主测板fpga为altera公司ep1c12q240c8芯片为核心控制器，fpga负责对arm7处理器的总线信号译码，以及对abif信号加载、采集，逻辑分析。
优选地，所述转接板电源模块输入为±15v,输出±10v和5v电压。
优选地，所述输出±10v，对abif模拟信号输入端运放电路进行供电，用于模拟电路信号输入阀值控制。
优选地，所述输出5v用于主测板、转接板和abif电源供电。
优选地，所述输出±15v用于对转接板和abif电源供电。
优选地，还包括：
总线初始化模块：主测板初始化运行部分需要对总线方式进行初始化配置，程序头文件设置为8位小型总线方式，可以有效匹配西门子列车sibas32车载总线架构，便于总线片内资源的数据读写操作。
译码模块：主测板内部arm7处理器配置为sram总线方式，片选信号线、读写使能线、地址线、数据线与fpga连接，fpga内部对总线进行译码运算，利用地址线a0～a5空间结合片选线、读写使能线进行分配，分配固定的读写地址，使得abif和转接板片内资源被唯一选通，硬件和程序能够高效匹配。
定时器计数模块：针对abif内部的三片可编程定时计数器upd71054l，检测系统上电会对定时计数进行初始化，并且会对芯片内部寄存器进行赋值，设计定时计数器件的输出out0脚首先通过译码内部门电路的方法，进行使能操作，并由fpga内部直连至arm7处理器的pwm0捕获通道0，顺序采集三片定时计数器out0的频率和占空比，一旦其中一个定时器的采集值与预设不符合，程序会进行故障报错。
模拟采集模块：测试系统中的主测板对转接板中的da芯片进行数据写入，da芯片输出模拟信号经过运放电路变换之后进入abif，经abif中的模拟电路运算之后由桩头输出进入测试系统ad采集模块，测试系统经过运算分析判断模拟信号的闭环采集值是否正确，如果有误则终止运算，报abif模拟电路模块有故障；反之，如果正确，则在上次写入的数据上加步进量，继续迭代运算，直至da芯片满量程输出，目的是检测abif模拟电路的所有离散点值，以确保abif模拟电路的性能完全正常。
cpld逻辑解析模块：测试系统针对abif中的反熔丝cpld内部的逻辑电路，利用逻辑解析模块，可以通过把cpld默认为内部寄存器往里面写数据，通过上位机采集软件分析cpld内部输出信号，上位机根据相应的触发机制来判断cpld的时序信号关系、逻辑关系，从而解析cpld内部的门阵列电路。根据对应的门阵列电路编写与之匹配的测试程序，从而使得abif由内到外将板卡从模块到单元，再到器件全部驱动运行，以确保整体的功能正常。
温度采集模块：pt100温度采样电路可以将外部6路和板卡自身1路pt100温度传感器的微电压信号转换成ad芯片量程范围内的信号，由于电路采用差分结构，可以抑制外部的干扰，以保证测量的精度与可靠度。温度传感器信号传至多路复用模拟开关时，通过测试系统编码，使内部cpld相关引脚动作，软件依次对所要测试某一路信号进行片选、选通，采集温度传感器信号为电压信号，结合推导的电路数学模型，以及查表算法，计算得到实时的温度值，最后软件依次轮询，直至所有的温度信号采集、计算。
系统电源模块：提供装置内所需的各种电源，主测板所需的电源、接口板所需的电源、abif工作所需的电源，系统电源模块具有实时监测功能，支持上电瞬间电压未达到稳定状态使测试系统一直处于复位状态，可以实时监测系统过压、过流、欠压等状态，保证测试系统装置正常稳定工作，电源模块输入端接±15v。
优选地，所说译码内部门电路，具体为，内部片选线、写使能线、地址线、数据线、8位数据锁存器，8位数据锁存器输出三根逻辑线，分别用于使能定时计数器的输出out0脚，三根逻辑线分别与out0经过与门最终进入或门，或门输出直连至arm7处理器的pwm0捕获通道0。
优选地，所说ad采集模块的数据总线为12位，测试系统的内部总线仅为8位，测试系统在fpga内部建立同一时刻读取低8位ad数据时锁存高四位的触发机制，目的保证ad采集数据的完整和可靠性。
为了保证地铁列车正常运营，上海地铁提出了全寿命维护的解决方案。为了摆脱国外的技术封锁，需要实现本地化的研制，在离线的状态下，通过自主研发的测试系统可以精准定位板卡的故障点，在实验室内即完成断板卡的测试、诊断、定位、修复，后期也可以进一步的在现有内部电路硬件功能上作进一步的升级，设计出匹配牵引模块针对该板卡输入输出功能的板卡，完成功能迭代，推出上海地铁自有的产品。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、通过搭建测试系统，可以有效的对地铁列车牵引控制器模拟/二进制接口板故障诊断，逻辑识别、分析、状态监测、修复和国产化升级。目前上海地铁的运营压力日益加剧，随之而来的板卡老化，疑难复杂问题也日益加重，延寿、国产化替代势在必行，这种方法对其余同类别含有反熔丝cpld的板卡也同样适用；
2、sibas32小型8位总线架构的开发模式可以适用于西门子型列车总线系统的测试、开发，板卡离线测试系统对于故障点定位要优于西门子sibas32诊断软件；
3、为西门子牵引控制器内板卡提供离线的测试平台，减少了测试、开发周期，减轻了上海地铁的运营压力，也同样可以被其他城市的地铁同仁推广借鉴。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中的abif硬件结构框示意图；
图2为本发明实施例中的一种地铁列车牵引控制器模拟/二进制接口板检测系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中的一种地铁列车牵引控制器模拟/二进制接口板检测系统的流程示意图；
图4为本发明实施例中的ad7864采集电路的fpga内部设计示意图；
图5为本发明实施例中的ad7864的读写时序操作示意图；
图6为本发明实施例中的温度采集的电路示意图；
图7为本发明实施例中的cpld解析的温度采集电路8路采集各路选择逻辑表示意图；
图8为本发明实施例中的定时计数器内部译码门电路示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明一种地铁列车牵引控制器模拟/二进制接口板检测系统中被测对象abif的内部硬件框图，包括：cpld、译码电路、定时计数器单元、模拟电压采集和输出单元、温度采集单元，针对以上的硬件结构，检测系统可对abif进行全面检测以及板卡内部cpld的逻辑解析。
如图2所示，本发明一种地铁列车牵引控制器模拟/二进制接口板检测系统包括：处理器、总线、fpga、串口、转接板、abif、上位机。
所述处理器和fpga通过总线连接，串口负责处理器与电脑的数据传输，转接板与fpga连接且与abif连接，上位机连接fpga，负责处理和显示fpga采集的数据。
所述的处理器和总线以及fpga被设计集成到一块pcb板卡之上，称之为主测板；
所述总线包括数据总线、地址总线、读写使能线、片选线，用于完成内部数据的访问与传输。
所述转接板包括电源模块、ad采集模块、da模拟电压输出模块、模拟电压参考模块、接口单元，接口单元负责与主测板进行数据交互，转接板负责用于完成对abif的信号加载和采集。
所述串口用于配合主测板和转接板工作，从而将abif测试的数据传到电脑中以便实时监测。
所述上位机通过signaltapiilogicanalyzer虚拟软件采集fpga的逻辑信号，负责监视abif内部的cpld的引脚触发动作，从而分析cpld内部的逻辑关系。
所述主测板处理器为arm7内核的高速处理器，处理器负责总线数据的收发，运算、处理和串口交互。
所述主测板fpga为altera公司ep1c12q240c8芯片为核心控制器，fpga负责对arm7处理器的总线信号译码，以及对abif信号加载、采集，逻辑分析。
所述转接板电源模块输入为±15v,输出±10v和5v电压。
所述输出±10v，给abif模拟信号输入端运放电路进行供电，用于模拟电路信号输入阀值控制。
所述输出5v用于主测板、转接板和abif电源供电。
所述输出±15v用于转接板和abif电源供电。
所述的一种地铁列车牵引控制器模拟/二进制接口板检测方法，还包括：
总线初始化模块：主测板初始化运行部分需要对总线方式进行初始化配置，程序头文件设置为8位小型总线方式，可以有效匹配西门子列车sibas32车载总线架构，便于总线片内资源的数据读写操作。
译码模块：主测板内部arm7处理器配置为sram总线方式，片选信号线、读写使能线、地址线、数据线与fpga连接，fpga内部对总线进行译码运算，利用地址线a0～a5空间结合片选线、读写使能线进行分配，分配固定的读写地址，使得abif和转接板片内资源被唯一选通，硬件和程序能够高效匹配。
定时器计数模块：针对abif内部的三片可编程定时计数器upd71054l，检测系统上电会对定时计数进行初始化，并且会对芯片内部寄存器进行赋值，设计定时计数器件的输出out0脚通过译码内部门电路的方法，进行使能操作，并由fpga内部直连至arm7处理器的pwm0捕获通道0，顺序采集三片定时计数器out0的频率和占空比，一旦其中一个定时器的采集值与预设不符合，程序会进行故障报错。
模拟采集模块：测试系统中的主测板对转接板中的da芯片进行数据写入，da芯片输出模拟信号经过运放电路变换之后进入abif，经abif中的模拟电路运算之后由桩头输出进入测试系统ad采集模块，测试系统经过运算分析判断模拟信号的闭环采集值是否正确，如果有误则终止运算，报abif模拟电路模块有故障；反之，如果正确，则在上次写入的数据上加步进量，继续迭代运算，直至da芯片满量程输出，目的是检测abif模拟电路的所有离散点值，以确保abif模拟电路的性能完全正常。
cpld逻辑解析模块：测试系统针对abif中的反熔丝cpld内部的逻辑电路，利用逻辑解析模块，可以通过把cpld默认为内部寄存器往里面写数据，通过上位机采集软件分析cpld内部输出信号，上位机根据相应的触发机制来判断cpld的时序信号关系、逻辑关系，从而解析cpld内部的门阵列电路。根据对应的门阵列电路编写与之匹配的测试程序，从而使得abif由内到外将板卡从模块到单元，再到器件全部驱动运行，以确保整体的功能正常。
温度采集模块：pt100温度采样电路可以将外部6路和板卡自身1路pt100温度传感
器的微电压信号转换成ad芯片量程范围内的信号，由于电路采用差分结构，可以抑制外部的干扰，以保证测量的精度与可靠度。温度传感器信号传至多路复用模拟开关时，通过测试系统编码，使内部cpld相关引脚动作，软件依次对所要测试某一路信号进行片选、选通，采集温度传感器信号为电压信号，结合推导的电路数学模型，以及查表算法，计算得到实时的温度值，最后软件依次轮询，直至所有的温度信号采集、计算。
系统电源模块：提供装置内所需的各种电源，主测板所需的电源、接口板所需的电源、abif工作所需的电源，系统电源模块具有实时监测功能，支持上电瞬间电压未达到稳定状态使测试系统一直处于复位状态，可以实时监测系统过压、过流、欠压等状态，保证测试系统装置正常稳定工作，电源模块输入端接±15v。
所述译码内部门电路，具体为，内部片选线、写使能线、地址线、数据线、8位数据锁存器，8位数据锁存器输出三根逻辑线，分别用于使能定时计数器的输出out0脚，三根逻辑线分别与out0经过与门最终进入或门，或门输出直连至arm7处理器的pwm0捕获通道0。
所述ad采集模块的数据总线为12位，测试系统的内部总线仅为8位，测试系统在fpga内部建立同一时刻读取低8位ad数据时锁存高四位的触发机制，目的保证ad采集数据的完整和可靠性。
如图3所示，本发明地铁列车牵引控制器模拟/二进制接口板检测系统的包括以下步骤：
步骤一，系统开始运行后，首先进行总线初始化，配置为8位sram总线方式，并且为测试系统中的读写设备分配读写地址，所数地址按照片选线cs0、地址线a0～a5、读使能线oe、写使能线we共同参与译码生成。
步骤二，系统进行串口初始化，发送和接收均配置为中断触发方式，同时设置串口波特率为115200位/秒。
步骤三，程序分为测试程序和解析程序，具体是当串口根据接收指令判断执行哪个程序。
其中，测试程序包括以下步骤：
初始化定时计数器upd71054l，abif中包括三片upd71054l，需要对其寄存器进行配置，设置一定的工作方式，并且完成频率和占空比初始化；
测试定时计数模块，当检测到故障时，故障代码和现象通过串口发送至电脑端；
测试模拟电路，当检测到故障时，故障代码和现象通过串口发送至电脑端；
进行温度采集，当检测到故障时，故障代码和现象通过串口发送至电脑端；
解析程序包括以下步骤：
cpld引脚定位，运行对应扫描程序，将cpld输入引脚作为寄存器进行写数据操作；
上位机逻辑分析仪动作触发，记录波形；
串口打印输入、输出逻辑数据；
分析cpld引脚是否扫描完毕；
步骤四，进入下一次程序进程选择，或者程序结束。
所述定时计数模块，根据所配置的频率、占空比，利用单片机的pwm0模块，设计定时计数器件的输出out0脚通过译码内部门电路的方法，进行使能操作，并由fpga内部直连至arm7处理器的pwm0捕获通道0，顺序采集三片定时计数器out0的频率和占空比；
所述测试模拟电路，通过转接板中的da芯片经过运放电路输入到abif中，abif中经过一系列运算后输出到桩头，桩头模拟量会最终被转接板采集到ad芯片，构成闭循环，所数da芯片为ad7228，为8位总线方式，可输出8路模拟量；ad芯片为ad7864，为12位总线方式，最高位为符号位。
模拟测试电路中ad7864的12位总线如图4所示，其中u6_8由fpga提供占空比位50％的4mhz频率信号，板卡内部硬件配置了rdadlb、rdadhb的读数据地址为0x80000000、0x80000001。d12为总线驱动器，型号为，m74hc541m1r，d14为上升沿脉冲锁存器，型号为m74hc574m1r。
如图5所示，
所述pt100温度采样电路如图6所示，该电路可以将外部6路和板卡自身1路pt100温度传感器的微电压信号转换成ad芯片量程范围内的信号，外部6路温度传感器也同样设计成同型号的pt100。
温度采样电路采用的差分结构，可以抑制外部的干扰，以保证测量的精度与可靠度。温度传感器信号传至多路复用模拟开关时，当tmuxan0～tmuxan2值为111时，选择第7路pt7的信号，根据多次实验室上电测量研究，推算出v1电压值恒为0.018v，同时计算得出流入r21之前的电流两倍于流入r11的电流故得出v2的电压。
其中，根据运放虚短、虚断特性，可以得出v3的电压，再根据比例运放的特性，求出v4电压，v4电压与pt100电阻值成比例线性关系，最后反推出pt100的电阻值，再根据查表算法，得出实时温度值。
进一步地，如图7所示，为温度采集多路复用器的采集线路选择逻辑表，该逻辑表由逻辑解析分析得出，可以看出，abif在sibas32系统中运行时，由处理器发送图7的逻辑数据进行7路温度传感器任一线路选通，进行温度采集工作。
需要说明的是，该abif中的逻辑还有很多部分，上述仅提供用于测试部分需要用到的逻辑，其余还包括地址译码部分、ad采集转换启动部分、桩头引脚和总线信号整合单元、定时计数器初始化单元，这些单元都有本发明提供的测试系统进行逻辑解析得出。
更具体地，所述定时计数器内部译码内部门电路的硬件电路如图8所示，处理器的cs0片选线与写使能线、地址线经过译码单元电路译出cs1、cs2、cs3，分别于定时计数器1的out0、定时计数器2的out0、定时计数器3的out0相与，与的结果同时进入或门，最终进入处理器的pwm0脚，由处理器进行采集。
本发明的积极进步效果在于：本发明一种地铁列车牵引控制器模拟/二进制接口板检测方法，迎合了当下环境，其被测对象位于sibas32系统内，是牵引控制模块中的关键控制板卡，熟悉本领域的技术人员都知道，sibas32系统不仅适用于电力牵引设备控制,而且适用于地铁列车、市郊列车、高速列车以及大功率机车控制。sibas32控制系统技术已经应用于全球60多个项目的7000多辆车上，这意味着有14000个sibas控制装置在这些车辆上发挥着作用。我国也有许多城市采用该系统进行车辆控制、诊断，同时该系统的控制板卡由于模块化的特性，其内部有很多测试研发机制，可供该系统其余控制板卡借鉴和应用。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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