一种基于SOC的列车牵引PHM板卡及PHM系统的制作方法

一种基于soc的列车牵引phm板卡及phm系统
技术领域
1.本发明涉及数字信号处理技术领域，尤其涉及一种基于片上系统(system on chip，soc)的列车牵引故障诊断与健康管理(prognostics and health management,phm)板卡及phm系统。


背景技术：

2.随车列车系统性能和复杂度的提高，对车载设备的安全性和可靠性提出了更高的要求。为了保证列车的安全运行，需要进一步加大检修维护和监控运行等方面的投入。目前列车牵引系统大多还是采用人工数据分析和故障预测的方式，投入人力成本较高，且难以准确预测。
3.phm系统利用传感器采集列车系统的各种性能参数，然后通过算法和模型来监控预测系统和零部件的健康状态，在无需大量人工参与的情况下极大提高了预测和诊断的准确性。在国家数字信息化、“互联网+”发展战略大背景下，面对运维模式、业务模式提出的新要求，以轨道交通电气变流装备的产品及关键部件可靠性为基础，开展列车牵引系统的phm研究，提高产品的智能化水平，促进产品开发向“产品开发+服务”的转型升级具有重要意义。
4.目前，国内已逐步展开了针对列车牵引的phm系统研究。通过牵引控制单元(traction control unit,tcu)内部的数字量输入(digital input,di)板卡和模拟量输入(analog input,ai)板卡采集各设备节点的开关量和模拟量数据，筛选出关键数据并经过降采样后将原始数据通过多功能车辆总线(multifunction vehicle bus,mvb)上传给中央控制单元(center control unit,ccu),ccu再通过无线收发模块将数据远程发送到部署在地面服务器的phm算法上运行。然而这种phm系统架构受限于di和ai通道数量、mvb和无线通信的带宽限制，对原始数据的采样率低、数据量小，难以实现对列车运行状态和器件健康状态的高质量诊断。


技术实现要素：

5.本发明实施例的目的提供一种基于soc的列车牵引phm板卡，以解决现有技术所存在的问题。
6.本发明提供了一种基于soc的列车牵引phm板卡，所述列车牵引phm板卡包括：模拟量采集板和phm处理器板；
7.所述模拟量采集板采集运行环境数据；
8.所述phm处理器板包括集成的pl单元、ps单元和内存模块；
9.所述pl单元获取所述运行环境数据，对所述运行环境数据进行处理后，将处理后的运行环境数据通过内存模块传送给所述ps单元；
10.所述ps单元对所述处理后的运行环境数据进行区分处理，得到第一数据和第二数据，对所述第一数据进行处理后，得到第一结果，对所述第一结果和所述第二数据进行发
送。
11.在一种可能的实现方式中，所述pl单元包括模数转换器adc驱动模块、先入先出f ifo、数据打包模块、第一dma模块；
12.所述adc驱动模块对所述运行环境数据进行处理，得到处理运行环境数据；
13.所述fi fo对所述处理运行环境数据进行缓存和同步；
14.所述数据打包模块对缓存的数字运行环境数据进行抽样、组包处理，得到组包运行环境数据；
15.所述dma对所述组包运行环境数据传送给内存模块。
16.在一种可能的实现方式中，所述ps单元包括第二dma模块、算法模块和通信模块；
17.所述第二dma模块从内存模块获取组包运行环境数据；
18.所述算法模块对所述组包运行数据中的第一数据进行处理，得到第一结果；
19.所述通信模块从所述算法模块获取到第一结果，以及从所述第二dma模块的组包运行环境数据中获取第二数据，并对所述第一结果和所述第二数据通过通信模块进行发送。
20.在一种可能的实现方式中，所述运行环境数据包括牵引变流器的箱体温度、牵引变流器的基板温度、振动传感器的振动数据；所述模拟量采集板包括第一模数转换芯和第二模数转换芯片；
21.所述第一模数转换芯片采集牵引变流器的箱体温度、牵引变流器的基板温度；
22.所述第二模数转换芯片采集振动传感器的振动数据。
23.在一种可能的实现方式中，所述phm处理器板还包括第一以太网端口、第二以太网端口；所述ps单元还包括hmi端口；
24.当车辆总线采用以太网时，所述第一以太网端口和所述车辆总线相连接，用以获取所述车辆总线的总线数据；
25.所述第二以太网端口和所述hmi端口相连接，用以显示所述hm i端口的观测数据。
26.在一种可能的实现方式中，所述pl单元还包括：链路驱动模块；
27.所述链路驱动模块和tcu运算采集板相连接，用于采集tcu运算采集板的牵引控制回路数据，并将所述牵引控制回路数据发送给所述pl单元。
28.在一种可能的实现方式中，所述pl单元还包括：光纤驱动模块；
29.所述光纤驱动模块和列车牵引系统的功率单元pu模块模拟量采集板相连接，用于接收所述pu模块模拟量采集板的pu数据。
30.在一种可能的实现方式中，所述内存模块包括内存指定区域；
31.当轮询检测到fifo写满时，所述第一dma将组包运行环境数据发送至内存指定区域；
32.所述第二dma根据预设的周期读取所述内存区域的组包运行环境数据、组包牵引控制回路数据和组包pu数据；其中，所述组包牵引控制回路数据为对所述牵引控制回路数据进行抽样、组包处理所得到的；所述组包pu数据为对所述pu数据进行抽样、组包处理所得到的。
33.第二方面，本发明提供了一种基于soc的列车牵引phm系统，所述phm系统包括tcu系统和第一方面任意一项所述的phm板卡。
34.在一种可能的实现方式中，所述tcu系统包括cpu板卡、运算采集板卡、io板卡、光纤板卡，所述cpu板卡、运算采集板卡、io板卡、光纤板卡通过背板连接。
35.通过应用本技术提供的基于soc的列车牵引phm板卡，可以实现如下技术效果：
36.1、phm板卡采用soc架构的主处理器，将arm和fpga集成在同一芯片内，在保证满足所需功能的前提下，降低了硬件电路的复杂性，提高了系统的可靠性，同时还发挥了arm和fpga之间大带宽通信的优势。此外，将phm系统中一些需要低延迟、高性能的算法模块放在fpga中实现硬件加速，这样在提高了算法的执行效率和预测精度的同时，减小了ps单元侧的cpu开销，从而提高了整个phm系统的性能。
37.2、phm板卡具有两路以太网口，一路挂在ps单元侧，另外一路以太网挂在pl单元侧，通过fpga实现以太网的mac功能。当车辆总线采用以太网时，可通过pl单元侧以太网将phm板卡接入车辆以太网。由于fpga为并行处理机制，因此可以保证通信的实时性。此外，ps单元侧的通信模块，为满足关键数据的实时传输需求，在数据回传地面时可以选择采用实时传输和定时传输相结合的方式。
38.3、牵引phm系统的原始数据来源有三种：phm板卡的模拟量采集板、原tcu的运算采集板和pu模块模拟量采集板。数据源涵盖运行环境数据，以及pu模块、高圧回路、预充电回路、牵引电机和散热风机等牵引变流器关键部件功能数据采集。此外，三种数据来源分别通过phm板卡自主采集，以及通过链路驱动模块和光纤驱动模块进行采集，具有极高的采样率和实时性。充足的数据源、大数据量、高采样率和低通信延时共同保证了phm算法可以获得更加准确的诊断和预测结果。
39.4、phm云服务器可以对车载系统上传的状态信息进行更深入、更高层次的分析，发掘各类型、各时段数据之间的显隐性关系，进而对设备和部件当前、未来的运行状况进行评估，实现状态监测、故障管理、健康评估、知识与数据管理的功能。phm云服务器对数据分析后可以作用于服务应用系统，给用户提供列车牵引系统当前运行状况的全方位汇报和评价。
附图说明
40.图1为本发明实施例一提供的基于soc的列车牵引phm板卡结构示意图之一；
41.图2为本发明实施例一提供的基于soc的列车牵引phm板卡结构示意图之二；
42.图3为本发明实施例一提供的基于soc的列车牵引phm板卡结构示意图之三；
43.图4为本发明实施例一提供的内存指定区域示意图；
44.图5为本发明实施例二提供的基于soc的列车牵引phm系统结构示意图。
具体实施方式
45.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
46.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
47.图1为本发明实施例一提供的基于soc的列车牵引phm板卡结构示意图；如图1所
示，该phm板卡包括：phm处理器板1和模拟量采集板2。
48.模拟量采集板2采集运行环境数据；
49.phm处理器板1包括集成的可编程逻辑(programmable logic,pl)单元11、处理系统(processing system，ps)单元12和内存模块13；
50.pl单元11获取运行环境数据，对运行环境数据进行处理后，将处理后的运行环境数据通过内存模块13传送给ps单元12；
51.ps单元12对处理后的运行环境数据进行区分处理，得到第一数据和第二数据，对第一数据进行处理后，得到第一结果，对第一结果和第二数据进行发送。
52.本技术的ps单元12可以为arm处理器，pl单元11为可编程阵列逻辑(field programmable gate array，fpga)，ps单元12和pl单元11集成在同一芯片内，降低了硬件电路的复杂性，提高了系统的可靠性，同时还发挥了arm和fpga之间大带宽通信的优势。
53.其中，运行环境数据包括牵引变流器的箱体温度、牵引变流器的基板温度、振动传感器的振动数据；模拟量采集板2包括第一模数转换芯和第二模数转换芯片；第一模数转换芯片采集牵引变流器的箱体温度、牵引变流器的基板温度；第二模数转换芯片采集振动传感器的振动数据。示例而非限定，由于温度无需高速采集，第一模数转换芯片可以为ads1248。由于振动数据等模拟量信号需要进行高速采集，第二模数转换芯片可以为ad7980。
54.在一个可选的实现方式中，参见图2，pl单元11包括模数转换器(analog-to-digital converter，adc)驱动模块111、先入先出(first input first output，fifo)112、数据打包模块113、第一dma模块114。
55.adc驱动模块111对运行环境数据进行处理，得到处理运行环境数据；fifo 112对数字运行环境数据进行缓存和同步；数据打包模块113对缓存的数字运行环境数据进行抽样、组包处理，得到组包运行环境数据；第一dma模块114对组包运行环境数据传送给内存模块13。
56.其中，adc驱动模块111的处理，包括但不限于将单端信号转换至差分信号、缓冲输入信号、最大化动态范围、输入信号的放大以及滤波。缓冲输入信号的目的是将电路的其余部分与adc输入节点上的电荷注入隔离开来，adc驱动模块提供瞬时电荷，以确保采样节点在跟踪时间内建立，从而最大限度地减少与建立相关的任何失真。最大化动态范围的原理是adc驱动模块提供硬件引脚，对共模电压进行电平转换，确保产生的差分信号以adc的输入电压范围为中心，从而最大化动态范围。
57.在另一个可选的实现方案中，继续参见图2，ps单元12包括第二dma模块121、算法模块122和通信模块123。
58.第二dma模块121从内存模块13获取组包运行环境数据；算法模块122对组包运行数据中的第一数据进行处理，得到第一结果；通信模块123从算法模块获取到第一结果，以及从第二dma模块的组包运行环境数据中获取第二数据，并对第一结果和第二数据通过通信模块进行发送。
59.由于目前车辆总线有mvb总线和以太网总线。如果车辆总线采用以太网，则可将phm板卡接入车辆以太网，如果车辆总线采用mvb总线或者本地phm板卡无法接入车辆总线，可以将本地phm运算采集单元的数据通过无线的通信模块123直接传输至地面数据中心。为
满足可移植性和普适性，数据传输主要采用4g通信的方式，同时留有以太网的传输接口。由此实现了数据回传地面时可以选择采用实时传输和定时传输相结合的方式。比如将网压、网流和uce电压等关键数据选择实时传输，箱体温度和基板温度等非关键数据选择定时传输。
60.其中，进行发送，可以是发送给地面中心，地面中心设置有phm云服务器，以便于phm云服务器对上传的各种信息进行更深入、更高层次的分析，发掘各类型、各时段数据之间的显隐性关系，进而对设备和部件当前、未来的运行状况进行评估，实现状态监测、故障管理、健康评估、知识与数据管理的功能。
61.结合图1和图2，在一个可选的实现方式中，参见图3，本技术的phm处理器板1还包括第一以太网端口14、第二以太网端口15；ps单元12还包括hm i端口124；
62.第一以太网端口14的一端和车辆总线相连接，另一端和pl单元11相连接，当车辆总线采用以太网时，用以获取车辆总线的总线数据，并将总线数据发送给pl单元11。由此，第一以太网端口14挂在pl侧，通过fpga实现以太网的mac功能，由于fpga为并行处理机制，因此可以保证通信的实时性。当车辆总线采用以太网时，可通过pl侧以太网将phm板卡接入车辆以太网。
63.第二以太网端口15和hmi端口相连接，另一端和上位机相连接，用以显示hm i端口的观测数据。由此，实现了对hmi端口的观测数据的显示及数据维护。
64.继续参见图2，pl单元11还包括：链路驱动模块115。
65.链路驱动模块115和tcu运算采集板相连接，用于采集tcu运算采集板的牵引控制回路数据，并将牵引控制回路数据发送给fifo 112。
66.其中，牵引控制回路数据包括网压电压、母线输入电流、负载电容、uvw三相电流、速度传感器转速和斩波电流。
67.进一步的，继续参见图2，pl单元11还包括：光纤驱动模块116；
68.光纤驱动模块116和列车牵引系统的功率单元pu模块模拟量采集板2相连接，用于接收pu模块模拟量采集板2的pu数据。由此，实现了列车牵引系统pu模块的pu数据的采集。
69.其中，光纤驱动模块116从pu模块采集板获取pu数据为i gbt和电容相关数据，包括但不限于电容电压、电容电流、uce电压和pu板卡温度等。光纤驱动模块116可以采用奥罗拉(aurora)串行传输协议，该协议为点对点串行链路间移动数据的可扩展轻量级链路层协议,为物理层提供透明接口，让专有协议或业界标准协议上层能方便地使用高速收发器。由此，通过使用aurora总线，利用该总线的优势提高了采样率。
70.进一步的，参见图4，内存模块13包括内存指定区域；
71.当轮询检测到fifo写满时，第一dma将组包运行环境数据发送至内存指定区域；第二dma根据预设的周期读取内存区域的组包运行环境数据、组包牵引控制回路数据和组包pu数据；其中，组包牵引控制回路数据为对牵引控制回路数据进行抽样、组包处理所得到的；组包pu数据为对pu数据进行抽样、组包处理所得到的。由此，充足的数据源、大数据量、高采样率和低通信延时共同保证了phm板卡可以获得更加准确的诊断和预测结果。
72.进一步的，如图3所示，该pl单元11还包括算法加速器，该算法加速器用于进行需要低延迟、高性能的算法模块放在pl侧实现，如igbt结温预测算法、支撑电容剩余寿命预测算法等，从而实现算法加速。同时，将部分算法部署在pl单元中，避免了通信对数据带宽限
制的同时，可以提高算法运行效率，从而获得更加准确的诊断和预测结果。然后将算法的输出结果与其他phm原始数据一起打包通过dma传输到ps侧。这样在提高了算法的执行效率和预测精度的同时，减小了ps侧的cpu开销，从而提高了整个phm系统的性能。
73.通过应用本技术提供的基于soc的列车牵引phm板卡，可以实现如下技术效果：
74.1、phm板卡采用soc架构的主处理器，将arm和fpga集成在同一芯片内，在保证满足所需功能的前提下，降低了硬件电路的复杂性，提高了系统的可靠性，同时还发挥了arm和fpga之间大带宽通信的优势。此外，将phm系统中一些需要低延迟、高性能的算法模块放在fpga中实现硬件加速，这样在提高了算法的执行效率和预测精度的同时，减小了ps单元侧的cpu开销，从而提高了整个phm系统的性能。
75.2、phm板卡具有两路以太网口，一路挂在ps单元侧，另外一路以太网挂在pl单元侧，通过fpga实现以太网的mac功能。当车辆总线采用以太网时，可通过pl单元侧以太网将phm板卡接入车辆以太网。由于fpga为并行处理机制，因此可以保证通信的实时性。此外，ps单元侧的通信模块，为满足关键数据的实时传输需求，在数据回传地面时可以选择采用实时传输和定时传输相结合的方式。
76.3、牵引phm系统的原始数据来源有三种：phm板卡的模拟量采集板、原tcu的运算采集板和pu模块模拟量采集板。数据源涵盖运行环境数据，以及pu模块、高圧回路、预充电回路、牵引电机和散热风机等牵引变流器关键部件功能数据采集。此外，三种数据来源分别通过phm板卡自主采集，以及通过链路驱动模块和光纤驱动模块进行采集，具有极高的采样率和实时性。充足的数据源、大数据量、高采样率和低通信延时共同保证了phm算法可以获得更加准确的诊断和预测结果。
77.4、phm云服务器可以对车载系统上传的状态信息进行更深入、更高层次的分析，发掘各类型、各时段数据之间的显隐性关系，进而对设备和部件当前、未来的运行状况进行评估，实现状态监测、故障管理、健康评估、知识与数据管理的功能。phm云服务器对数据分析后可以作用于服务应用系统，给用户提供列车牵引系统当前运行状况的全方位汇报和评价。
78.实施例二
79.本发明实施例二提供了一种基于soc的列车牵引phm系统所述phm系统，如图5所示，该phm系统包括tcu系统和phm板卡。
80.tcu系统包括cpu板卡、运算采集板卡、io板卡、光纤板卡，所述cpu板卡、运算采集板卡、io板卡、光纤板卡通过背板连接。tcu系统原有10路模拟量采集通道，新增phm板卡后，大大增加了模拟量采集通道的数量，本技术的phm板卡，可以直接插入tcu系统中原有的outi板卡槽位，这样便可以在不改变原tcu背板定义及通信结构的基础上，实现phm的功能。
81.专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
82.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的
软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
83.以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于soc的列车牵引phm板卡，其特征在于，包括：所述列车牵引phm板卡包括：模拟量采集板和phm处理器板；所述模拟量采集板采集运行环境数据；所述phm处理器板包括集成的pl单元、ps单元和内存模块；所述pl单元获取所述运行环境数据，对所述运行环境数据进行处理后，将处理后的运行环境数据通过内存模块传送给所述ps单元；所述ps单元对所述处理后的运行环境数据进行区分处理，得到第一数据和第二数据，对所述第一数据进行处理后，得到第一结果，对所述第一结果和所述第二数据进行发送。2.根据权利要求1所述的phm板卡，其特征在于，所述pl单元包括模数转换器adc驱动模块、先入先出fifo、数据打包模块、第一dma模块；所述adc驱动模块对所述运行环境数据进行处理，得到处理运行环境数据；所述fifo对所述处理运行环境数据进行缓存和同步；所述数据打包模块对缓存的数字运行环境数据进行抽样、组包处理，得到组包运行环境数据；所述dma对所述组包运行环境数据传送给内存模块。3.根据权利要求2所述的phm板卡，其特征在于，所述ps单元包括第二dma模块、算法模块和通信模块；所述第二dma模块从内存模块获取组包运行环境数据；所述算法模块对所述组包运行数据中的第一数据进行处理，得到第一结果；所述通信模块从所述算法模块获取到第一结果，以及从所述第二dma模块的组包运行环境数据中获取第二数据，并对所述第一结果和所述第二数据通过通信模块进行发送。4.根据权利要求1所述的phm板卡，其特征在于，所述运行环境数据包括牵引变流器的箱体温度、牵引变流器的基板温度、振动传感器的振动数据；所述模拟量采集板包括第一模数转换芯和第二模数转换芯片；所述第一模数转换芯片采集牵引变流器的箱体温度、牵引变流器的基板温度；所述第二模数转换芯片采集振动传感器的振动数据。5.根据权利要求1所述的phm板卡，其特征在于，所述phm处理器板还包括第一以太网端口、第二以太网端口；所述ps单元还包括hmi端口；当车辆总线采用以太网时，所述第一以太网端口和所述车辆总线相连接，用以获取所述车辆总线的总线数据；所述第二以太网端口和所述hmi端口相连接，用以显示所述hmi端口的观测数据。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述pl单元还包括：链路驱动模块；所述链路驱动模块和tcu运算采集板相连接，用于采集tcu运算采集板的牵引控制回路数据，并将所述牵引控制回路数据发送给所述pl单元。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述pl单元还包括：光纤驱动模块；所述光纤驱动模块和列车牵引系统的功率单元pu模块模拟量采集板相连接，用于接收所述pu模块模拟量采集板的pu数据。8.根据权利要求7所述的phm板卡，其特征在于，所述内存模块包括内存指定区域；当轮询检测到fifo写满时，所述第一dma将组包运行环境数据发送至内存指定区域；
所述第二dma根据预设的周期读取所述内存区域的组包运行环境数据、组包牵引控制回路数据和组包pu数据；其中，所述组包牵引控制回路数据为对所述牵引控制回路数据进行抽样、组包处理所得到的；所述组包pu数据为对所述pu数据进行抽样、组包处理所得到的。9.一种基于soc的列车牵引phm系统，其特征在于，所述phm系统包括tcu系统和权利要求1-9任意一项所述的phm板卡。10.根据权利要求9所述的phm系统，其特征在于，所述tcu系统包括cpu板卡、运算采集板卡、io板卡、光纤板卡，所述cpu板卡、运算采集板卡、io板卡、光纤板卡通过背板连接。

技术总结
本发明提供了一种基于SOC的列车牵引PHM板卡及PHM系统，PHM板卡包括：模拟量采集板和PHM处理器板；模拟量采集板采集运行环境数据；PHM处理器板包括集成的PL单元、PS单元和内存模块；PL单元获取运行环境数据，对运行环境数据进行处理后，将处理后的运行环境数据通过内存模块传送给PS单元；PS单元对处理后的运行环境数据进行区分处理，得到第一数据和第二数据，对第一数据进行处理后，得到第一结果，对第一结果和第二数据进行发送。一结果和第二数据进行发送。一结果和第二数据进行发送。


技术研发人员：张鹏 孙洪远 潘冬阳 宋波 盖猛 郝玉福
受保护的技术使用者：中车青岛四方车辆研究所有限公司
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/5