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摘 要：本次设计以FPGA最小系统电路为控制核心，完成外围电路包括数据采集接口电路、辅助电源电路、JTAG电路、GPS定位电路、GPRS数据发送电路的搭建，实现动车组运行状态及故障数据的采集与发送。远程监控室通过GPRS接收到相关数据后实时进行处理、显示与存储。
关键词：动车组;FPGA;数据记录
1 硬件总体设计思路
本方案利用多种传感器和采集设备获取动车组运行的实时数据，通过GPRS实时传输状态信息和监控信息，通过数据的整合处理和分析，使动车管理人员能够及时了解动车运行状态，实现实时监控和跟踪预警，同时能够查阅历史状态，通过对比分析，判断动车组的健康状态，针对有风险的故障提前进行维修处理，提高维修效率，提升动车组风险管控水平，加强动车的安全性、可靠性、可维修性和综合保障性[1]。
2 硬件方案设计
本次设计的硬件总体架构主要包括FPGA电路、FPGA供电电路、FPGA配置电路、数据采集电路、GPRS电路、GPS电路、液晶显示电路、存储电路和供电电源电路组成。其中FPGA是控制中枢，它通过数据采集电路接入到动车组车载网络中，采集动车组实时运行状态信息和监控信息，控制各个外围电路工作，比如利用FPGA供电电路为FPGA提供稳定可靠的电源、利用FPGA配置电路实现FPGA逻辑软件的加载和维护、利用GPS电路实现当前动车组所在位置的定位，得知经度、纬度和时间信息;利用GPRS电路远程连接至远程终端，实现数据的无线传输;利用存储电路存储各種状态信息和故障信息;利用液晶显示电路实现动车组工作状态和命令指示等的显示;利用供电电源电路实现高压交流信号向低压直流信号的转换，同时为各个电路进行供电，保证整个电路的正常工作[2]。
2.1 FPGA电路
本次设计选用的FPGA是中电58所研制的国产芯片JXCLX25-363它是基于SRAM配置的高密度现场可编程门阵列电路。JXCLX25-363电路包含了96行×28列共2 688个可编程逻辑块、24 192个逻辑单元、1 296 K的可编程Block RAM以及可编程端口、DCM、PDCM等模块，适合对逻辑门要求高的设计应用。
2.2 FPGA供电电路
本次设计选用JPM4644输出四路电源作为FPGA的供电电路。JPM4644是一款完整的四通道BUCK型DC-DC电源模块，内部集成了开关控制器、功率管、电感器等元件。输入电压范围为4 V～14 V，可输出四路0.6 V～5.5 V电压（由其外部电阻器设定）;每个通道提供4 A直流电流和5 A的峰值输出电流，四通道并联输出可达16 A。该器件有两种工作模式：连续导通模式、不连续导通模式;具有工作频率可调、外部频率同步、多相操作（2+2、3+1或4相）、输出电压跟踪、内部温度检测二极管输出等功能;此外还内置了输入欠压保护、输出过压保护、器件过流保护、器件过热保护等安全保护功能。
本次设计中利用不同的分压电阻使JPM4644输出1.2 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V为FPGA供电。其中1.2 V为FPGA的内核电压供电、1.8 V为配置电路的ROM供电、2.5 V为FPGA的辅助电压供电、3 A的I/.3 V为FPGO口电压供电。
2.3 FPGA配置电路
FPGA配置电路由PMU/OSC模块、CORE模块以及两块16 Mbit的flash芯片组成。FPGA配置芯片电路的最大工作频率为40 MHz，支持主串、主并、从串、从并四种配置模式。
FPGA配置电路中的flash芯片可擦写次数为10 000次，CORE模块工作电压为1.8 V，端口工作电压为1.8 V、2.5 V、3.3 V。支持JTAG标准可以通过JTAG端口将数据写入到flash中。
2.4 数据采集电路
本文设计的数据采集电路的采用速率为19.2 kbps的20 mA电流环方式。其中发送和接收电路均由两根线组成，一根线发送电流，一根线返回电流。当有20 mA的电流通过发送和接收电路时表示数据信号的传递，无电流通过环路时表示为无数据信号的传递。
2.5 GPRS电路
本设计中GPRS电路选用西门子的MC52i，它是一款900 MHz/1 800 MHz的双波段GPRS模块，工作电压为3.8 V，内嵌的TCP/IP协议栈，支持多种数据传输方式，具有短信、语音、传真和数据业务等功能。GPRS电路主要包括电源电路、上电复位电路、接口电路、SIM卡电路和语音报警电路。
电源电路能够输出稳定的电压4.2 V为MC52i供电;上电复位电路是通过MC52i的IGT引脚信号使用开漏或者集电极开路电路拉低100 ms以上实现;接口电路是MC52i与FPGA之间的通讯电路，采用RS232异步通信方式完成串行通讯;SIM卡电路用于数据的输入输出;语音报警电路通过控制MC52i的相关管脚输入音频。
2.6 GRS电路
GPS电路采用ALIENTEK生产的成熟芯片ATK-NEO-6M，它自带无源陶瓷天线和可充电的后备电池，工作电压为2.7 V～5.0 V，能够完成精准定位，可完美兼容3.3 V和5 V的微处理器，通过串口与微处理器相连。芯片自带一个状态指示灯。该指示灯连接在TIMEPULSE端口，此端口的输出特性可以通过程序配置。默认条件下该指示灯有2个状态：常亮表示芯片开始正常工作，但还未实现定位;闪烁表示芯片定位成功。
主控芯片JXCLX25-363完成232协议的内置，通过RXD和TXD与ATK-NEO-6M完成串口通讯，获取动车组的实时定位信息，同时根据需求可以通过TIMEPULSE端口配置指示灯。
2.7 液晶显示电路
液晶显示电路完成动车组装置与动工作人员的人机界面交互，能够监控FPGA及其相关电路、GPRS电路、GPS电路、存储电路等电路的运行状态。显示屏采用28寸的ALIENTEK TFT-LCD液晶显示器。
2.8 存储电路
本次设计存储电路为SD卡存储器，SD卡具有低成本、高性能、使用灵活、易扩展、与微处理器通讯便捷等优点。由于动车组采集数据量较大，运行过程中需要持续记录数据并发送至远程控制中心进行数据解读分析，因此需要大容量SD卡的支撑。
2.9 供电电源电路
供电电源电路是整个方案中不可或缺的一部分。考虑到动车组的直流母线供电为110 V，因此需要通过电源模块对电压进行降压处理，降压后再通过LDO转换成各功能电路需要的电压。
3 总结
本文完成了基于FPGA的动车组数据记录及显示方案的设计，完成了FPGA电路、FPGA供电电路、FPGA配置电路、数据采集电路、GPRS电路、GPS电路、液晶显示电路、存储电路和供电电源电路的搭建。实现动车组运行状态及故障数据的采集与发送。为工程实际应用提供参考。
参考文献：
[1]崔转玲.动车组运行状态远程监控系统无线通信技术的研究[D].兰州交通大学，2014.
[2]宋炭，王凯南，徐世木.新型铁路客车信息显示系统研制[J].中国铁路，2013（11）：37-39.
关键词：动车组;FPGA;数据记录
1 硬件总体设计思路
本方案利用多种传感器和采集设备获取动车组运行的实时数据，通过GPRS实时传输状态信息和监控信息，通过数据的整合处理和分析，使动车管理人员能够及时了解动车运行状态，实现实时监控和跟踪预警，同时能够查阅历史状态，通过对比分析，判断动车组的健康状态，针对有风险的故障提前进行维修处理，提高维修效率，提升动车组风险管控水平，加强动车的安全性、可靠性、可维修性和综合保障性[1]。
2 硬件方案设计
本次设计的硬件总体架构主要包括FPGA电路、FPGA供电电路、FPGA配置电路、数据采集电路、GPRS电路、GPS电路、液晶显示电路、存储电路和供电电源电路组成。其中FPGA是控制中枢，它通过数据采集电路接入到动车组车载网络中，采集动车组实时运行状态信息和监控信息，控制各个外围电路工作，比如利用FPGA供电电路为FPGA提供稳定可靠的电源、利用FPGA配置电路实现FPGA逻辑软件的加载和维护、利用GPS电路实现当前动车组所在位置的定位，得知经度、纬度和时间信息;利用GPRS电路远程连接至远程终端，实现数据的无线传输;利用存储电路存储各種状态信息和故障信息;利用液晶显示电路实现动车组工作状态和命令指示等的显示;利用供电电源电路实现高压交流信号向低压直流信号的转换，同时为各个电路进行供电，保证整个电路的正常工作[2]。
2.1 FPGA电路
本次设计选用的FPGA是中电58所研制的国产芯片JXCLX25-363它是基于SRAM配置的高密度现场可编程门阵列电路。JXCLX25-363电路包含了96行×28列共2 688个可编程逻辑块、24 192个逻辑单元、1 296 K的可编程Block RAM以及可编程端口、DCM、PDCM等模块，适合对逻辑门要求高的设计应用。
2.2 FPGA供电电路
本次设计选用JPM4644输出四路电源作为FPGA的供电电路。JPM4644是一款完整的四通道BUCK型DC-DC电源模块，内部集成了开关控制器、功率管、电感器等元件。输入电压范围为4 V～14 V，可输出四路0.6 V～5.5 V电压（由其外部电阻器设定）;每个通道提供4 A直流电流和5 A的峰值输出电流，四通道并联输出可达16 A。该器件有两种工作模式：连续导通模式、不连续导通模式;具有工作频率可调、外部频率同步、多相操作（2+2、3+1或4相）、输出电压跟踪、内部温度检测二极管输出等功能;此外还内置了输入欠压保护、输出过压保护、器件过流保护、器件过热保护等安全保护功能。
本次设计中利用不同的分压电阻使JPM4644输出1.2 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V为FPGA供电。其中1.2 V为FPGA的内核电压供电、1.8 V为配置电路的ROM供电、2.5 V为FPGA的辅助电压供电、3 A的I/.3 V为FPGO口电压供电。
2.3 FPGA配置电路
FPGA配置电路由PMU/OSC模块、CORE模块以及两块16 Mbit的flash芯片组成。FPGA配置芯片电路的最大工作频率为40 MHz，支持主串、主并、从串、从并四种配置模式。
FPGA配置电路中的flash芯片可擦写次数为10 000次，CORE模块工作电压为1.8 V，端口工作电压为1.8 V、2.5 V、3.3 V。支持JTAG标准可以通过JTAG端口将数据写入到flash中。
2.4 数据采集电路
本文设计的数据采集电路的采用速率为19.2 kbps的20 mA电流环方式。其中发送和接收电路均由两根线组成，一根线发送电流，一根线返回电流。当有20 mA的电流通过发送和接收电路时表示数据信号的传递，无电流通过环路时表示为无数据信号的传递。
2.5 GPRS电路
本设计中GPRS电路选用西门子的MC52i，它是一款900 MHz/1 800 MHz的双波段GPRS模块，工作电压为3.8 V，内嵌的TCP/IP协议栈，支持多种数据传输方式，具有短信、语音、传真和数据业务等功能。GPRS电路主要包括电源电路、上电复位电路、接口电路、SIM卡电路和语音报警电路。
电源电路能够输出稳定的电压4.2 V为MC52i供电;上电复位电路是通过MC52i的IGT引脚信号使用开漏或者集电极开路电路拉低100 ms以上实现;接口电路是MC52i与FPGA之间的通讯电路，采用RS232异步通信方式完成串行通讯;SIM卡电路用于数据的输入输出;语音报警电路通过控制MC52i的相关管脚输入音频。
2.6 GRS电路
GPS电路采用ALIENTEK生产的成熟芯片ATK-NEO-6M，它自带无源陶瓷天线和可充电的后备电池，工作电压为2.7 V～5.0 V，能够完成精准定位，可完美兼容3.3 V和5 V的微处理器，通过串口与微处理器相连。芯片自带一个状态指示灯。该指示灯连接在TIMEPULSE端口，此端口的输出特性可以通过程序配置。默认条件下该指示灯有2个状态：常亮表示芯片开始正常工作，但还未实现定位;闪烁表示芯片定位成功。
主控芯片JXCLX25-363完成232协议的内置，通过RXD和TXD与ATK-NEO-6M完成串口通讯，获取动车组的实时定位信息，同时根据需求可以通过TIMEPULSE端口配置指示灯。
2.7 液晶显示电路
液晶显示电路完成动车组装置与动工作人员的人机界面交互，能够监控FPGA及其相关电路、GPRS电路、GPS电路、存储电路等电路的运行状态。显示屏采用28寸的ALIENTEK TFT-LCD液晶显示器。
2.8 存储电路
本次设计存储电路为SD卡存储器，SD卡具有低成本、高性能、使用灵活、易扩展、与微处理器通讯便捷等优点。由于动车组采集数据量较大，运行过程中需要持续记录数据并发送至远程控制中心进行数据解读分析，因此需要大容量SD卡的支撑。
2.9 供电电源电路
供电电源电路是整个方案中不可或缺的一部分。考虑到动车组的直流母线供电为110 V，因此需要通过电源模块对电压进行降压处理，降压后再通过LDO转换成各功能电路需要的电压。
3 总结
本文完成了基于FPGA的动车组数据记录及显示方案的设计，完成了FPGA电路、FPGA供电电路、FPGA配置电路、数据采集电路、GPRS电路、GPS电路、液晶显示电路、存储电路和供电电源电路的搭建。实现动车组运行状态及故障数据的采集与发送。为工程实际应用提供参考。
参考文献：
[1]崔转玲.动车组运行状态远程监控系统无线通信技术的研究[D].兰州交通大学，2014.
[2]宋炭，王凯南，徐世木.新型铁路客车信息显示系统研制[J].中国铁路，2013（11）：37-39.