基于ZYNQ的地铁能耗记录仪软件设计与实现

摘要

为改善城市人口不断增长带来的交通压力，许多城市尤其是一、二线城市已经建成或正在建设城市地铁系统。虽然地铁是一种低碳、环保的公共交通工具，但其耗电量巨大。因此，如何减少地铁列车能耗变得尤为重要。影响地铁列车能耗的因素有很多，其中包括：列车自身状况、车辆行驶速度、列车运行环境以及驾驶者驾驶习惯等。监测列车各项能耗指标以及分析其影响因素可以完善地铁交通管理，制定合理的运营方案，从而提高系统的运行效率。目前，现有的地铁能耗监测系统已能实现列车能耗实时监测，但仍存在测量精度较低，当设备出现故障时不能及时查明故障原因，不能在列车上通过上位机查询历史数据并以图形的方式直观显示等缺陷。 本文设计并实现了一种适用于城市地铁系统的能耗记录仪软件，以ZYNQ系列芯片为主控单元，驱动电压、电流传感器在不同节点采集数据，经模数转换器转换后，将输出的数字量通过以太网通信的方式传送至数据处理模块，计算得到各项功率和能耗指标，以二进制文件的格式分类存储能耗数据便于后期分析与维护。然后经过多功能车辆总线（Multifunction Vehicle Bus，MVB）将能耗数据上报给列车控制管理系统（Train Control and Management System，TCMS），实现电压、电流超限监测以及设备故障上报。同时在列车上可以连接上位机软件查询历史数据或监测实时数据，支持数据以表格的形式导出和图形化显示。最后按照现场可能出现的电压、电流范围进行300多组测试。实验结果表明：数据测量精度达到既定要求，数据处理满足实时性，系统功能符合实际应用场景和需求。同时能够很好地接入TCMS，将所有列车的能耗数据汇总到地面车辆能耗管理系统进行统一管理。目前该能耗记录仪已投入使用。

目录

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状及发展动态分析

1.2.1 国内外研究现状

1.2.2 发展动态分析

1.3 影响列车能耗的因素

1.4 本文的工作内容

2 基于ZYNQ的地铁能耗记录仪软件相关技术

2.1 ZYNQ嵌入式平台

2.1.1 软件开发平台

2.1.2 软件运行环境

2.2 电压、电流测量原理

2.2.1 电压、电流采集

2.2.2 模数转换

2.2.3 数字滤波

2.3 数据处理模块相关技术

2.3.1 XML读取配置文件

2.3.2 软件看门狗

2.3.3 线程池机制

2.4 人机交互模块相关技术

2.4.1 上位机软件开发平台

2.4.2 信号与槽机制

2.4.3 多线程处理

2.4.4 数据可视化

2.5 本章小结

3 基于ZYNQ的地铁能耗记录仪软件总体设计

3.1 系统软件需求分析

3.2 地铁能耗记录仪

3.2.1 地铁能耗记录仪组成

3.2.2 地铁能耗记录仪软件设计

3.3 以太网通信协议设计

3.3.1 以太网通信协议简介

3.3.2 以太网通信协议消息格式

3.4 MVB总线协议设计

3.4.1 MVB总线协议简介

3.4.2 MVB总线协议消息格式

3.5 本章小结

4 基于ZYNQ的地铁能耗记录仪软件具体实现

4.1 任务管理模块

4.2 参数设置模块

4.3 能耗实时监测模块

4.3.1 能耗数据获取

4.3.2 故障信息上报

4.4 能耗数据记录模块

4.4.1 数据存储策略

4.4.2 数据存储软件实现

4.5 本章小结

5 上位机软件具体实现

5.1 正常数据记录与显示模块

5.1.1 正常数据记录子菜单

5.1.2 正常数据图形化显示

5.2 异常数据查询与显示模块

5.2.1 异常总览子菜单

5.2.2 异常数据导出

5.3 实时数据监测模块

5.4 本章小结

6 基于ZYNQ的地铁能耗记录仪软件功能测试

6.1 软件测试环境

6.2 地铁能耗记录仪软件测试

6.2.1 系统上电自检及故障上报

6.2.2 基本参数设置

6.2.3 电压、电流采集

6.2.4 能耗数据传输

6.2.5 能耗数据存储

6.3 上位机软件测试

6.3.1 正常数据记录与显示

6.3.2 异常数据查询与显示

6.3.3 实时数据监测

6.4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢