H型监控记录插件及其配套工具简介

株洲南车时代电气股份有限公司二○一二年十二月H型监控记录插件及其配套工具简介安全装备事业部Page2第一部分简介第二部分研制过程第三部分产品特点第四部分技术创新第五部分产品介绍Page3LKJ2000型列车运行监控装置(以下简称LKJ)监控记录插件中用于存储车载控制程序及车载基础数据的关键芯片M27C4001、M27C801已经停产，芯片生产厂家(意法半导体)已于2011年3月14日起正式停止接受订单，且于2011年9月14日起正式停止出货。考虑此两种芯片无兼容器件可以替代，且这两种芯片的停产将会导致LKJ生产及现场运用维护无法正常进行，南车株洲电力机车研究所有限公司和河南思维自动化设备股份有限公司(以下简称河南思维)于2010年12月向铁道部运输局提交《关于LKJ监控记录插件停产器件解决方案的请示》(株研发〔2010〕345号)文件，申请对既有LKJ监控记录插件进行升级改造。铁道部运输局以《关于对LKJ器件停产问题制定解决方案和进行试验的通知》(运基信号〔2010〕916号)文件对LKJ监控记录插件升级改造工作进行了部署。在此背景下，株洲所和河南思维成立联合项目组，进行H型监控记录插件及配套工具的研制，在不改变LKJ既有软件及司机操作的前提下，解决上述停产器件的问题。一、简介Page4第一部分简介第二部分研制过程第三部分技术创新第四部分技术关键点第五部分产品介绍Page5二、研制过程研制标准和依据1H型监控记录插件及配套工具在设计和研制过程中主要遵循的标准和依据如下：1)GB/T25119-2010轨道交通机车车辆电子装置2)GB/T24338.4-2009轨道交通电磁兼容第3-2部分：机车车辆设备3)GB/T21563-2008轨道交通机车车辆冲击与振动试验4)TB/T2765-2005列车监控记录装置技术条件5)《列车运行监控装置(LKJ)运用维护规则》(铁运〔2009〕98号)6)《列车运行监控装置(LKJ)技术规范(V1.0)》(运基信号〔2008〕572号)Page6二、研制过程课题立项及技术方案确定阶段21)2010年2月，株洲所与河南思维联合成立项目组，共同进行H型监控记录插件及配套工具的研发，并制定了详细的项目研制的要求、分工、进度。2)2010年5月，根据两公司的预研资料和用户需求，确定了H型监控记录插件及配套工具的总体方案。Page7二、研制过程技术设计、施工设计及样机试制阶段31)2010年6月，根据H型监控记录插件及配套工具的总体方案，两家公司技术人员完成插件硬件技术设计，同年8月完成插件硬件施工设计，并开始进行样机试制。2)2010年9月～2011年2月，两家公司技术人员进行样机调试和配套软件研制。3)2011年3月～4月，两家公司技术人员完成样机软硬件统一工作。4)2011年10月～2012年3月，根据现场试验考核的总结报告，两家公司对H型监控记录插件及配套工具进行了优化。Page8二、研制过程运行试验42011年7月～8月，根据铁道部《关于装用H型监控记录插件LKJ试验工作的通知》(运基信号〔2011〕2129号)文的要求，在兰州局、广州局、上海局和郑州局进行运行试验考核。2012年５月～6月，根据铁道部《关于装用优化后H型监控记录插件LKJ试验工作的通知》(运基信号〔2012〕796号)文的要求，在沈阳、北京、郑州、上海、兰州铁路局和广铁(集团)公司进行优化后H型监控记录插件及配套工具的运行试验考核。Page9二、研制过程型式试验52012年11月，插装H型监控记录插件及配套工具的LKJ样机通过了铁道部产品质量监督检验中心通信信号检验站的型式试验。Page10第一部分简介第二部分研制过程第三部分产品特点第四部分技术创新第五部分产品介绍Page11三、产品特点1)对外接口完全兼容。H型监控记录插件对外接口与目前监控记录插件完全一致，可以直接使用H型监控记录插件替换目前的监控记录插件。2)LKJ车载控制程序完全兼容。目前的LKJ车载控制程序可以不做任何改动，直接运用在H型监控记录插件上。3)LKJ车载基础数据完全兼容。目前LKJ车载基础数据可以不做任何改动，直接运用在H型监控记录插件上。4)转储方式完全兼容。可以直接使用目前的转储器转储H型监控记录插件中的文件。兼容性1Page12三、产品特点1)LKJ换装效率的提升。H型监控记录插件支持车载控制程序和车载基础数据的在线更新，方便快捷。2)增加了车载控制程序和车载基础数据的存储空间。H型监控记录插件扩充了车载控制程序、车载基础数据、记录数据的硬件存储空间，其中车载基础数据存储空间可扩展至47M，记录数据存储空间可扩展16M。3)提升CRC校验能力。H型监控记录插件增加了硬件CRC处理单元，利用硬件进行CRC的计算，极大地节约主控CPU的计算资源。4)提升存储芯片的使用寿命。H型监控记录插件使用的存储芯片擦写次数可达10万次。性能提升2Page13三、产品特点1)提高了时钟芯片的可靠性。H型监控记录插件采用双时钟系统，提升时钟的可靠性。2)提高了LKJ车载控制程序和LKJ车载基础数据读写的可靠性。H型监控记录插件采用FLASH存储程序和数据，LKJ换装时无需插拔监控记录插件，避免了因插拔频繁造成管脚接触不良。3)提高了LKJ车载控制程序和LKJ车载基础数据的可靠性。系统在上电运行时根据需要对车载控制程序和车载基础数据进行校验，校验不通过不允许监控记录插件进入正常工作状态，保证了车载控制程序和车载基础数据的安全可靠性。可靠性3Page14三、产品特点4)换装过程安全可靠。增加专用管理软件对换装车载控制程序和车载基础数据的时效性、换装对象的合法性进行管理，提高了换装过程的安全可靠性。5)LKJ数据转存器使用过程安全可靠。LKJ数据转存器采用高可靠的SLC型FLASH芯片，同时采用两片FLASH芯片主备冗余的工作方式，大大提高了LKJ数据转存器的可靠性。可靠性3Page15第一部分简介第二部分研制过程第三部分产品特点第四部分技术创新第五部分产品介绍Page16四、主要技术创新点H型监控记录插件采用FLASH作为存储介质，提升了LKJ程序/数据换装的机制，通过专用的LKJ数据转存器完成FLASH的在线编程，既方便了LKJ程序/数据换装，又提高了换装的安全性和可靠性。插拔芯片地面换装车上在线更新应用创新1Page17四、主要技术创新点安全性创新121.提供硬件校验平台H型监控记录插件实现了硬件CRC校验功能，为进一步提升LKJ的实时性和安全性搭建了硬件平台。2.双时钟系统采用了双时钟系统保证时间利用的准确性。3.基于USB接口的身份认证技术和安全通信技术H型监控记录插件利用USB和MassStorage开放式协议实现了通信双方的身份认证及特殊命令的交互，利用多重校验技术保证了通信的安全性。4.密匙管理技术采用了ID芯片和特定加密算法对插件的有效性进行管理，保证了换装过程的安全性和可靠性。Page18四、主要技术创新点可靠性、可维修性、可用性创新131.基于MC68332系列单片机的在系统编程平台对早期单片机系统编程技术进行了创新性研究。利用现场可编程器件FPGA，并结合特定的切换逻辑实现了这类早期单片机系统的在线编程技术。2.MC68332系列单片机的寻址空间扩展技术MC68332只具有16M的寻址空间。对单片机寻址空间的扩容技术进行了研究。利用现场可编程器件FPGA构建智能译码平台，完成了对MC68332的寻址空间扩容技术。3.既有软件移植匹配技术H型监控记录插件替换掉了部分停产芯片，H型监控记录插件采用软件移植匹配技术实现H型监控记录插件能直接使用既有LKJ车载控制程序和LKJ车载基础数据。4.利用冗余方式提高LKJ数据转存器的可靠性技术LKJ数据转存器采用了两片单层单元闪存，并利用合理的切换算法实现了主备冗余。Page19第一部分简介第二部分研制过程第三部分技术创新第四部分技术关键点第五部分产品介绍Page20五、产品介绍H型监控记录插件是主体，主要用于完全替代目前的监控记录插件，解决目前插件中关键器件停产的问题，同时提高了LKJ的安全性、可靠性、可用性及可维护性。LKJ数据转存器是一种专用于LKJ的便携式数据存储设备，具有高安全性和高可靠性等特点；用于对H型监控记录插件进行LKJ数据换装。LKJ数据转存器读写软件是为了配合LKJ数据转存器的读写而开发的PC机操作软件，能够对LKJ数据转存器进行读、写操作和管理。包括：H型监控记录插件、LKJ数据转存器、LKJ数据转存器读写软件及配套的连接三者之间的线缆组成。构成及关系说明11Page21五、产品介绍H型监控记录插件主要功能如下：1)H型监控记录插件作为LKJ2000型监控装置的核心插件，可直接替代监控记录插件，主要完成线路基础数据的调用、运行状态数据的记录和同步、控制模式曲线的计算、实时时钟的产生、CRC运算、程序的引导、程序/数据的更新等项功能；2)监控程序/数据的更新是通过专用更新端口在线进行，简化更新操作，提高更新效率；1)功能简述H型监控记录插件12Page22五、产品介绍3)程序/数据存储于非易失性存储介质FLASH中，保证程序/数据掉电后不丢失，存储车载监控程序的FLASH设置为写入保护以免误改写；4)记录数据存储于非易失性的存储介质FRAM中，并可扩充至FLASH，以提供更大的存储空间；5)FPGA提供地址译码、硬件CRC校验和ID芯片读写功能，保证MCU访问板内和板外资源时可使用监控记录插件相同的地址，并根据MCU的要求进行数据的CRC校验以保证数据的可靠性，以及提供插件的ID管理功能。1)功能简述Page23五、产品介绍H型监控记录插件主要由CPU模块、实时时钟模块、CAN通信接口模块、同步通信模块、RS232通信模块、VME并行接口模块、FPGA模块、USB模块、程序与地面数据存储模块、记录数据存储模块等组成。H型监控记录插件保留现有监控记录插件的所有接口，不改变现有车载监控设备连接状态，具备现有插件的所有功能，在电路设计上，核心电路、外围接口保持与现有插件一致，可直接替代现有插件工作，可直接使用已在全路稳定运用的LKJ控制软件和车载数据。2)基本构成Page24五、产品介绍图1H型监控记录插件实物图片Page25序号项目指标备注1程序存储空间引导程序128K2应用程序1M3备用30M4车载基础数据存储空间2MB可扩充至47MB5记录数据存储空间2MB可扩充16MB6RAM存储空间1M7非易失RAM存储空间2M8LKJ数据换装速度每1MB≤30s用LKJ数据转存器3)主要技术指标五、产品介绍Page26H型监控记录插件采用FLASH作为程序、数据存储介质，进一步扩充了数据存储容量，提升了程序、数据更新控制机制，自动判断更新设备及更新内容是否合法有效，更新过程中，插件通过专用接口接收数据，完成FLASH的在线编程，自动进行更新过程的记录，存档备查。H型监控记录插件中有两种程序：引导程序和应用程序，两种程序对应不同的地址译码空间。引导程序主要完成LKJ数据在线换装和应用程序的校验，应用程序完成LKJ的正常控制功能。为了保证引导程序和应用程序相互独立，两个程序都单独初始化所需要的硬件资源，而且，从引导程序向应用程序切换的过程中，CPU执行的是重新启动，这样能保证通过引导程序引导进入应用程序和进入应用程序是完全相同的硬件环境，保证原有程序完全兼容。4)基本原理五、产品介绍Page27①将换装LKJ车载控制程序、LKJ车载基础数据文件写入LKJ数据转存器。将LKJ数据转存器连接到装有LKJ数据转存器读写软件的PC机，将待更换的LKJ车载控制程序、LKJ车载基础数据文件(或两者中的一个)写入到LKJ数据转存器。②关闭LKJ监控主机电源。③将已写入换装文件的LKJ数据转存器插入到H型监控记录插件的“编程/转储”口。④打开LKJ监控主机电源，插入LKJ数据转存器的H型监控记录插件前面板指示灯1A灯闪烁，插件自动识别LKJ数据转存器(识别出后面板指示灯2A灯亮)，并判别LKJ数据转存