基于Ethernet分布式虚拟仪器的铁路信号设备监测系统

摘要:针对目前铁路信号设备监测系统的缺点及分布式虚拟仪器在测试系统中的优越性，本文提出了一种基于以太网分布式虚拟仪器的信号设备测试系统，从网络基础、通信结构、硬件和软件系统等方面探讨其实现方法。关键词：信号设备；分布式测试；以太网；虚拟仪器；LabVIEW中图分类号：TP206+.3文献标识码：A一、引言随着铁路交通的发展，以及列车速度的不断提高，列车的安全运行关系重大。列车对铁路信号设备可靠性的依赖与日俱增。目前，关于铁路信号设备的测试系统主要是针对具体产品而设计和开发的，形成大量的资源浪费。在现代测试中，虚拟仪器系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决测试问题。所谓虚拟仪器技术，即用户通过友好的图形界面在通用计算机平台上根据设计要求的需要定义和设计仪器的测控功能，其综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术、软件工程技术和网络通信技术，因而再引入分布式测试系统的概念，就可形成分布式虚拟仪器测试系统，利用它可以对多台设备集中控制，对它们的数据进行统一分析处理，实时监测网络中各个设备的工作状态。鉴于现有测试系统的缺点和分布式虚拟仪器测试系统在测试领域中的优越性，本文提出一种基于Ethernet分布式虚拟仪器的自动测试系统，通过控制中心对沿线的各个信号设备进行实时监测和集中控制，方便维修人员对设备故障地区的准确排查和及时维修，保障列车运行安全。二、系统结构系统结构如图1所示。本系统主要由发送端、接收端两个相对独立部分组成，通过网络通信系统实现信息交换。发送端即在现场对信号设备进行数据采集的基于虚拟仪器技术的监测系统，通过软件设置采集卡参数，连续采集被测设备的模拟量和数字量，采集到的数据参数一方面在本机分析处理，并将结果显示在屏幕上，另一方面根据事先约定的协议被实时打包发送到接收端，接收端实时记录、处理这些数据并将结果显示在服务器屏幕上。发送端和接收端有紧耦合和松耦合两种方式，本系统中采用紧耦合方式，这种方式意味着不仅发送端的测试系统可自行选择采集过程初始化参数，而且接收端可对发送器端的采集过程进行控制，以实现对信号设备的远程监控。监测系统需要完成的任务是：（1）开关量的监测：继电器状态、信号机灯丝状态等；（2）模拟量的监测：轨道电路接收端电压、转辙机动作电流、电缆绝缘电阻、自动闭塞设备的发送箱发送的调制信号的幅度和频率等。三、系统的硬件设计本系统中，发送端的部分，采用基于虚拟仪器技术设计的监测系统，可自行对信号设备各参数进行采集、处理，并将处理结果通过网络发送到接收端部分的监测系统，同时，还可接收监测中心发出的控制命令，完成对信号设备的监测任务。系统硬件结构图如图2所示：本系统发送端的监测系统由被测信号设备、传感器、数据采集卡、执行组件、数字I/O卡、网络适配卡、计算机等几部分组成。接收端的硬件主要是计算机等相关设备。1、分布式虚拟仪器的网络基础建立一个分布式虚拟仪器测试系统，首先根据测试系统的规模和测试任务的要求，考虑网络（局域网）基础的构成。对局域网的容错性、实时性、可扩展性等给予充分重视。IEEE802.4标准保持了总线网的接入方式，保证了可扩展性，又引入了令牌机制，可事先计算出传递数据的时延，并在重负载时仍能保持很高的效率。网络传输可结合TCP（传输控制协议）和RTP（实时传输协议）的优点。TCP保证了可靠的数据传输，但网络资源开销大。RTP适合于实时交互的应用，而且可提供高速数据传输。因此发送端和接收端的控制链路可采用TCP，而数据传输链路采用RTP，这就能克服现有网络虚拟仪器实时性差的缺点。对信号设备的实时监测保障着列车的运行安全，因此可加入多级差错控制来提高系统的容错性。在每台节点机上都运行一个实现实时网络传输的网络传输模块，各模块之间以令牌协调工作。2、发送端监测硬件系统结构及工作原理虚拟仪器的外围硬件按其配置方案可分为3类：DAQ（数据采集卡）板、GPIB（通用接口总线）接口板和采用PCI、PXI及VXI技术规范的仪器。PXI是1997年NI公司推出的一种全新的开放性和模拟化仪器总线规范，PXI标准定义的本地总线、触发总线、系统时钟使得采集模块之间的同步扩展方便可靠。采用PXI平台和测控模块可使测控系统综合性能大大提高，而且PXI具有高度可扩展性，有8个扩展槽，可连接到任何一种PC机上扩展各种I/O模块[2]。因需要监测的设备参数多，我们采用基于PXI总线的数据采集卡、数字I/O卡及网络适配卡。数据采集卡是硬件核心部分，主要完成数据的采集、A/D转换和存储，考虑采样频率、输入精度、A/D转换速度与分辨率等技术指标。通过接线端子盒接收前端与信号设备相连的传感器传来的信号。经过采集卡各个通道，将数据存入采集卡的缓存中进行编码，按照RTP协议将数据打包，产生基于RTP的数据流并发送到局域网上。缓存中的数据还要通过总线获取到本地计算机内存中，进行数据分析处理，生成结果报表。数字I/O卡前端的执行组件实质是多组继电器，计算机通过数字I/O卡发出TTL兼容电平控制继电器组，完成各个测试项目。网络适配卡主要完成与接收端通信的任务。3、接收端监测系统结构及工作原理信号设备监测中心的各台计算机与网络相连，通过RTP获取数据流，从包中取出数据并存储在临时缓冲区中，依照协议对数据进行解码，然后通过软件分析处理并显示结果。每台计算机可同时显示几个不同区域的信号设备监测数据，通过网络远程配置各个节点机的I/O口参数，启、停采集过程。四、系统的软件设计功能强大的软件是虚拟仪器的核心。软件工具一般由测量驱动程序和仪器驱动软件、应用开发环境（如LabVIEW、LabWindows/CVI、C/C++、VB、HPVEE和MeasurementStudio）以及高阶测试与数据管理工具三部分组成。1、接收端的软件系统接收端是本测试系统的控制和数据中心，界面要求友好、清晰和便于使用。LabVIEW和VEE是可视化编程语言，但在处理一些复杂的测试系统时，不够灵活，因此在接收端采用高级编程语言，如：C++、VB等。主要对端口通信协议、数据处理的算法（如FFT、滤波等）、结果的显示和存储几个方面进行编程。例如采用VB调用MicrosoftWinsockAPI可实现接收端和发送端的数据链路层和控制链路层的建立和维护。2、发送端的软件系统发送端可采用LabVIEW图形化编程语言，利用LabVIEW功能强大的函数及子程序库进行模块化设计，完成数据的采集、处理、存储以及打包发送。例如对数据采集模块的设计，可利用LabVIEW的数据采集库，使用AICONFIG函数配置设备号、通道、缓存大小等硬件参数。五、结束语利用计算机、虚拟仪器专用软件和硬件、通信网络等技术，在基于虚拟仪器的测试系统中又引入分布式的概念，形成一种新型的测试手段。本文提出的这种将此测试手段应用于铁路信号设备监测的设计思路，可以节省大量资源，实现信号设备的远程控制和集中管理。若针对不同的分布式数据采集应用，只要改变相应的软件和驱动程序即可实现测试需要，而且克服了现有的网络虚拟仪器实时性差的缺点。当然，分布式虚拟仪器还存在如网络带宽对数据传输速率的影响、数据传输的可靠性、容错性等缺点，但随着计算机技术、网络通信技术的不断发展和改进，必定会有更广阔的发展前景。