（电力电子与电力传动专业论文）车载分布式故障检测系统中通信和存储技术的研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ei m p r o v e m e n to fr a i l w a yl o c o m o t i v et e c h n o l o g ya n dt h e a c c e l e r a t i o no fl o c o m o t i v eo p e r a t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y , s e c u r i t ya n de 伍c i e n c yo ft h el o c o m o t i v e s i ti s a l li m p o r t a n tt e c h n i c a lm e a s u r et o i m p r o v et h et r a f f i cs a f e t ya n de f f i c i e n c yo ft h el o c o m o t i v e st h a tr e a l - t i m em o n i t o r i n g t h ei m p o r t a n te q u i p m e n t si nl o c o m o t i v e sa n dr e c o r d i n gf a u l tc h a r a c t e r i s t i c s t h e d i s t r i b u t e df a u l td e t e c t i n gs y s t e mb e c o m e st h eb e s ts c h e m eo fl o c o m o t i v ef a u l t d e t e c t i o n ，b e c a u s et h ea d v a n t a g e so fl e s ss i g n a lc a b l e sa n dl a r g ed e t e c t i o nr a n g ei th a s c a nt o t a l l yf u l f i l lt h en e e d so fc o m p a c ts t r u c t u r eo ft h el o c o m o t i v e sa n du n e v e n l o c a t i o no fe q u i p m e n t s t h ef a u l td e t e c t i o nr e c o r d i n gt e r m i n a li st h ec o r eo ft h ed i s t r i b u t e df a u l t d e t e c t i n gs y s t e m i to b t a i n st h en e t w o r kd a t a ，r e c o r d st h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i cd a t aa n d c o m m u n i c a t e sw i t hp c i ti n t e g r a t e sn e t w o r kt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n d c o m p u t e rt e c h n o l o g yi ni t s o w ns y s t e m 1 1 h ep e r f o r m a n c eo ft h ef a u l td e t e c t i n g s y s t e mi sd e t e r m i n e db yt h ec a p a b i l i t i e so fc o m m u n i c a t i o na n ds t o r a g eo f t h et e r m i n a l c o n s e q u e n t l y , t h et e r m i n a lm u s th a v eaw e l lf i e l d b u sn e t w o r k ，l a r g es t o r a g ec a p a c i t y a n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c et op c t h ef a u l td e t e c t i o nr e c o r d i n gt e r m i n a li sd e s i g n e db a s e do nt h eh i g h s p e e ds i g n a l p r o c e s s o rt m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a i nt h i ss y s t e m ，t h eu n i v e r s a ln e t w o r kc a r di su s e dt o i m p l e m e n tt h ef i e l d b u s c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n ，s ot l l a tt h ec o m p a t i b i l i t yo ft h e n e t w o r ki n t e r f a c ei se n h a n c e d a tt h es a m et i m e ，t h ed a t af l o wi sm a n a g e db yt h ef a u l t d e t e c t i o nr e c o r d i n gt e r m i n a l ，a n dt h en e t w o r kn o d e ss e n dd a t af r a m ep e r i o d i c a l l y , t h e r e f o r et h ec o l l i s i o no ft r a n s p o r ti sa v o i d e da n dt h en e t w o r kr e l i a b i l i t yi si m p r o v e d ； f a u l tc h a r a c t e r i s t i ed a t aa r er e c o r d e di n t ol a r g e c a p a c i t yf l a s hi na c c o r d a l i c ew i t h f a t16f i l es y s t e m ，t h e r e f o r et h es t o r a g ec a p a c i t yo fs y s t e mi sg r e a t l yi n c r e a s e da n d t h es t o r a g em a n a g e m e n tm e t h o di s o p t i m i z e d m a s ss t o r a g ed e v i c ep r o t o c o li s i m p l e m e n t e db a s e do nu s b i n t e r f a c e t h es y s t e mb e h a v e sl i k eu s bd i s ki nw i n d o w s s y s t e m s ot h eo p e r a t i o no fe x t r a c t i n gt h er e c o r d e df a u l tc h a r a c t e r i s t i cd a t ai se a s y , a s s a m ea st oc o p yt h ef i l e sf r o mt h eu s bd i s k t h r o u g ht h es c h e m e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n dt h es y s t e md e b u g g i n g ， t h ef a u l td e t e c t i o nr e c o r d i n gt e r m i n a li si m p l e m e n t e de v e n t u a l l y , a n dh a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt os s 3 bn o 0 6 4 1l o c o m o t i v e si nk u n m i n gu n t i ln o w k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e df a u l td e t e c t i n gs y s t e m ；c a nb u s ；f a t16f i l es y s t e m ； u s b ；m a s ss t o r a g e c l a s s n o ：t p 3 3 4 5 - l v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：周东 签字日期：矽孑年月乡日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：阀禾 签字日期：加j年月7 日 6 7 致谢 在论文完成之际，我要衷心的感谢我的导师王立德教授。本论文是在王老师 的悉心指导下完成的。王立德教授渊博的学问、活跃的思想、严谨的态度以及宽 厚的为人令学生获益匪浅，他严谨求实的治学态度对我目前的研究工作以及今后 的工作和学习影响深远。另外，王老师在科研及生活上给予我的关怀令我深受感 动、难以忘怀。他为我创造了一个良好的科研条件以及许多难得的锻炼机会，他 不断的鼓励增添了我的信心，使我敢于直面困难，在科研的道路上逐步成熟起来。 硕士学业即将完成之际，在此衷心感谢两年来王立德老师对我的关心和指导。 同时还要感谢实验室车载网络项目组里的刘彪、王永翔、王苏敬、徐海涛、 肖强和王曦同学，在他们的共同努力下，项目进展顺利，项目组里充满了浓厚的 学术氛围。同时也特别感谢刘彪师兄，在出差昆明的两个月时间里，他给了我细 致的关心，在现场的实验中，他和我一起分析问题，解决问题，并给了我更加广 阔的设计思路，也使得本课题不断取得突破和进展。 在学习和科研期间，还有幸结识了姜娜、孟盟、聂小波、宋娟、丁国君、杨 宁、穆云丽等师兄师弟师姐师妹。在与他们相处的日子里，不仅通过学术交流与 积极有益的探讨令本人获益良多，而且他们的关心和帮助让我感到了友谊的珍贵 和集体的温暖。 另外也感谢我的父亲母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 最后，承蒙各位专家、教授的评阅和评议，你们提出的宝贵意见将使作者受 益匪浅。谢谢! 第一章绪论 安全是铁路运输的永恒主题，自铁路诞生以来，为确保行车安全，人们已经 付出了极大的心血和代价。而且现在电力机车的使用越来越普及，经过多次铁路 大提速，机车的行车速度成倍提高，机车的运行规律、性能及其环境的相互作用 等有了本质上的变化，保证行车安全便显得更加重要，有时甚至成为制约列车提 速的因素。在整个铁路的安全体系中，铁路的行车安全又处于最核心的地位。对 机车上的关键设备与系统进行故障检测是关系到行车安全的一项重要措施。 1 1 项目背景 分布式故障检测系统是机车故障检测的最佳方案。电力机车设备较多，需要 检测的信号较多，且信号取样点位置相对分散；机车内部结构紧凑，不适合安装 大量信号测试线缆。集中检测的方式需要在车内铺设大量测试线缆，且长距离传 输时信号衰减将造成较大的测量误差。而分布式故障检测系统在信号取样点相对 集中的地方安装信号采集节点，通过现场总线网络将所采集的数据传输到故障检 测记录终端，满足了电力机车故障检测的要求。 北京交通大学电气工程学院牵引控制与网络实验室一直致力于电力机车信息 化改造的研究，并成功开发了功能齐全的车载分布式故障检测系统，能够对电力 机车的设备进行检测与诊断，及时发现机车安全隐患。该系统已经成功运行于 s s 4 g ( 韶山4 改进) 型电力机车和s s 3 b 型电力机车。该系统具有7 个独立的功能模 块，它们所承担任务如下： ( 1 ) 故障检测记录终端( a ) ：通过分布式网络获取机车设备运行状态数据，当故 障发生时存储故障特征数据，并通过高速接口将故障特征数据提取到 p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 机上进行分析； ( 2 ) 司机室液晶显示屏( b c ) ：显示电力机车运行状态，如网压、电机电流等； ( 3 ) 逻辑控制模块( d e ) ：在完成电力机车低压柜逻辑控制的同时，将其所控制 的设备状态数据通过网络向故障检测记录终端传输； ( 4 ) 数字量采集模块( f g ) ：采集机车端子柜里的数字量信号，提供给故障检测 记录终端。 图1 1 系统结构框图 f i g u r el - 1s t r u c t u r eo fs y s t e m 车载分布式故障检测系统的核心故障记录终端已经经历了多年的改进， 控制器从8 0 3 1m c u 到高性能d s p ，p c 机接口从r s 2 3 2 到u s b ，故障检测记录 终端的功能逐渐增强，技术水平不断提高。2 0 0 4 年开发了以t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为核 心的故障检测记录终端，集故障数据采集、处理和存储功能于一体，功能趋于完 善，但是这套系统还存在以下不足之处： ( 1 ) 网络传输管理方式不合理：各网络节点采集到数据后，立即向故障检测记 录终端传输。网络节点都在不可预测的时刻传输数据帧，网络带宽没有得到合理 分配，造成网络数据拥堵，甚至网络瘫痪，严重影响了系统性能； ( 2 ) 缺乏合理的存储管理策略：n a n df l a s h 的使用扩充了系统存储容量，但 存储空间的管理还停留在顺序存储方式，只能存储固定大小的数据文件，文件的 信息得不到全面的描述，文件的存储和提取过程复杂； ( 3 ) 系统硬件结构复杂：采用c y p r e s s 公司的e z u s b 单片机专门负责处理系 统的u s b 通信任务，通过h p i 接口与d s p 通信。系统集成度不高，双c p u 协同 工作时出错几率较高，影响系统稳定性； ( 4 ) 数据提取不方便：采用u s b 接口与p c 机通信，在p c 机上编写u s b 客户 端驱动程序和上位机服务软件，用于提取所存储的故障特征数据。每次提取数据 文件时，p c 机上都需要安装这些软件。系统软件设计工作量大，数据提取工作繁 琐且缺乏通用性。 这些不足之处都是影响着系统性能，是系统应用和技术推广中的主要障碍， 是值得深入研究并重点解决的关键课题。 1 2 课题研究的内容 车载分布式故障检测系统的作用是监测电力机车设备工作状态，在故障发生 时记录故障特征数据，并提取到p c 机上，由专业人员进行分析。车载分布式故障 检测系统包括以下主要组成部分为： ( 1 ) 负责采集信号的多个网络节点； ( 2 ) 现场总线网络； ( 3 ) 故障检测记录终端； ( 4 ) p c 机协处理平台。 系统工作流程是：在机车中安装多个分布式检测节点，各检测节点将所采集 的数据通过现场总线传输到故障检测记录终端，故障检测记录终端将故障特征数 据按照一定格式进行存储，然后通过p c 机来提取检测记录终端所存数据。可见车 载分布式故障检测系统集网络技术、信息技术和计算机技术于一体，检测记录终 端的数据通信能力和存储能力决定了系统的性能。如图1 2 所示，故障检测记录终 端是检测系统的核心，它承担着现场总线网络管理、获取网络节点数据、故障特 征数据存储以及与p c 交互的任务。这就要求检测记录终端必须具备现场总线通信 能力、大容量数据存储能力以及方便的p c 机通信接口。 j a ”4 。jp 亡机通信接口r 7 雩 l 故障检测 大容量； 记录终端存储设备i。 现场总线通信接皤 蚴嬲鳜鳓绷鳜黝黝绷燃线霸鲐黝鳓懒黝鳓绷嬲鳓绷 网络节点l网络节点2网络节点3 图1 2 故障检测记录终端在系统中的作用 f i g u r e1 - 2f a u l td e t e c t i n ga n dr e c o r d i n gt e r m i n a li ns y s t e m 本文在分布式故障检测系统的平台上，研究了适合于检测记录终端的现场总 线通信网络、数据存储管理以及与p c 机的通信接口技术，采用t i 公司 t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 ad s p 为核心，进行了检测记录终端的系统方案设计、软硬件设计， 最终完成了功能调试和现场应用实验，取得良好的效果。课题主要研究内容如下： 1 现场总线网络的应用 现场总线通信接口的设计是分布式故障检测系统的关键技术之一。在车载分 布式故障检测系统设计中，四个网络节点都有各自独立的功能，网络功能对他们 来说是附加的。所以有必要设计连接现场总线的网卡，由网卡来完成现场总线的 通信管理，并提供通用的接口与网络节点通信。考虑各种现场总线的优势，本文 拟采用c a n 总线作为系统网络，通用c a n 网卡用于实现网络节点和c a n 总线的 通信，d s p 通过s p i 接口与c a n 网卡通信。并研究了系统数据传输管理方案，通 过对数据帧传输的统一管理，使得各个网络节点在可预计的时刻发送所采集的数 据，有效避免网络拥堵的现象。 2 文件系统在嵌入式存储系统中的实现 机车发生故障后，故障发生前后的数据需要被存储到检测记录终端中。随着 机车故障的增多，检测记录终端需要存储的数据量将逐渐增大。在以前的设计中 采用的顺序存储方式，只能存储固定大小的文件，使用不方便。支持大容量数据 存储管理的文件系统被引入到检测记录系统设计中来，数据文件的创建时间、存 储位置、文件大小有了统一的描述方式。本文在检测记录终端上设计了大容量存 储设备f l a s h ，并将f a t l 6 文件系统用于f l a s h 的存储空间管理，所有的故障 文件都按照f a t l 6 文件系统的格式存储。 3 u s b 海量存储设备协议的实现 存储在故障检测记录终端中的数据，需要被提取到p c 机上进一步分析。连接 p c 机的通信接口设计是检测记录终端中的关键技术，通信接口的数据传输速率、 通信可靠度、操作难易度是影响着检测记录系统整体性能的重要因素。传统的 r s 2 3 2 、并口传输方式速度低，且可靠性差。u s b 接口传输因其高速的数据传输速 率和即插即用的特性，是实现检测记录终端与p c 机通信的最佳方案。本文设计了 基于d s p 内部u s b 模块的接口硬件，并提出了基于b u l k o n l y 传输协议的海量存 储设备的固件实现方案。该方案利用m i c r o s o f tw i n d o w s 对u s b 海量存储设备的 支持，结合u s bb u l k o n l y 传输协议和s c s i 等效命令集来设计固件程序，按照 f a t l 6 文件系统的规则存储数据文件，使检测记录终端在w i n d o w s 系统中的表现 形式为“u 盘”，所存数据文件的提取工作简化为拷贝u 盘文件的操作；p c 机数据 处理软件省掉了u s b 通信驱动部分，使用时也不用安装驱动程序，系统设计难度 降低，使用方便且灵活。 1 3 论文结构 本课题以分布式车载故障检测系统为实现平台，完成了故障检测记录终端的 的通信和存储设计。论文主要进行了以下工作： ( 1 ) 阐述了构成故障检测终端的关键技术：根据机车检测系统的特点，提出了 相应的解决方案，包括机车车载网络的选型、网络传输管理方案设计、故 障数据文件存储方案设计和与p c 机的通信方案设计。 ( 2 ) 故障检测记录终端的硬件设计：采用t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ad s p 设计了系统核 心，并完成了与c a n 网卡通信的接口设计，大容量f l a s h 存储单元的接口 设计也被详细讨论，d s p 自带的u s b 模块用来实现与p c 机的通信接口功 能。 ( 3 ) 故障检测记录终端的软件设计：按照模块化的思路设计了系统软件，主要 包括c a n 网卡通信软件方案设计与实现；编写f l a s h 驱动函数，根据系统 存储容量设计了f a t l 6 文件系统，并编写了文件系统服务函数；设计了基 于海量存储设备类的u s b 通信方案，实现了u s b 设备枚举过程的服务和 s c s i 命令服务，使得数据提取工作大大简化。 ( 4 ) 整体网络调试：阐述了检测记录终端中各功能模块的调试环境和实验过 程，以及故障检测终端的整体调试情况，详细分析了调试过程中遇到的问 题和解决的方法。 第二章构成故障检测终端的关键技术 本章着重讨论故障检测终端中现场总线技术、大容量数据存储技术和p c 机通 信接口技术。故障检测方法不是本文讨论的重点。 2 1车载通信网络 2 1 1网络选型 现场总线网络的选择对于车载分布式故障检测系统的性能有重要的影响，机 车检测系统对于现场总线的应用有着它基本的技术要求： ( 1 ) 要求具有简单可靠的信息通道。由于机车设备具有分散性和多样化的特 点，能否达到工程实用的目的，简单化就成为现场总线能否应用的关键。 ( 2 ) 网络的传输速度要满足信息传输的实时性要求； ( 3 ) 要求具备良好的仲裁机制，网络要具有优先级配置能力，使得重要的信息 能够优先传送出去； ( 4 ) 网络的灵活性要高，要求在系统改造或增减系统设备时，网络传输部分不 要求特别大的改动。 ( 5 ) 网络的开放性要好，要求总线协议的标准统一，现有不同制造厂生产的设 备能通过网络互联和互操作。 ( 6 ) 要求具备较强抗干扰的能力。 目前，应用到车载网络检测系统中的网络有l o n w o r k s 、m v b 、w o r l d f i p 、4 8 5 总线、以太网和c a n 总线等。其中l o n w o r k s 、m v b 、w o d d f i p 较复杂，开发和生 产成本都较高，维护难度大，不能满足车载网络低成本和高可靠性的要求；4 8 5 总 线仅仅定义了物理层，功能不完善，需要用户通过软件来实现数据链路层的功能， 设计难度大，不实用；以c s m a c d 为核心的以太网不能保证数据传输可靠性和实 时性。 c a n 总线在可靠性和成本方面能够满足机车用检测系统的要求。c a n 是控制 局域网( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 的简称，最初是由德国b o s c h 公司于1 9 8 6 年为解决 现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信总 线。现己成为国际标准i s o l l 8 9 8 ( 高速应用) 和i s 0 1 1 5 1 9 ( 低速应用) ，获得了 m o t o r o l a 、i n t e l 、p h i l i p 、n e c 等公司的支持。我们拟用c a n 总线来组成这个检测 系统。 c a n 协议为我们所研究的检测网络中的数据通信提供了如下的保证： ( 1 ) 数据通信的可靠性。采用c r c 校验以及独特的数据信号表示方式，并具有 错误识别及自动重发功能； ( 2 ) 数据通信的实时性。数据传输速率高( 1 m b p s ) ，优先级高的数据享有占用 总线的优先权，高优先级的数据可在1 3 4 微秒内得到传输； ( 3 ) 数据通信的灵活性。多主站总线结构，各总线节点都可直接通信，面向数 据块的通信方式，每帧数据量最多为8 个字节，通信介质可为双绞线、同 轴电缆或光纤，通过标准插接件可方便的连接。 2 1 2c a n 高层协议的应用 c a n 总线为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布式实时控 制，其传输速率可达1 m b p s 。但是c a n 总线的协议规范中仅定义了物理层和数据 链路层，缺乏针对传输管理的高层协议规范，这正是原有系统网络传输不稳定的 原因。 t r a i n c a n 协议是面向机车总线应用的c a n 总线应用层协议。t r a i n c a n 协 议报文格式定义了c a n 报文的标识符以及数据部分的使用原则和功能含义，报文 格式的定义，使网络中的c a n 报文组成元素有了其特定的功能和意义。c a n 总 线网络中传输的数据都采用扩展帧的模式，扩展帧有多达2 9 - b i t 的报文标识符，根 据t r a i n c a n 应用层协议将其划分为表2 1 所示6 个部分：报文优先级( p r i ) 、功 能码( f u n ci d ) 、目的m a c 地址( d m a c ) 、源m a c 地址( s m a c ) 、资源节点号( s i d ) 以及a c k 位。根据表2 1 编写的数据帧，保证传输优先级，同时数据帧包含了帧 来源、目的地、数据功能等一系列信息。 表2 1 报文标示符定义 t a b l e 2 1t h ed e f i n i t i o no fm e s s a g ei d e n t i f i e r i d 2 8 i d 2 7i d 2 6i d 2 5i d 2 4i d 2 3i d 2 2i d 2 l t x l r x l 优先级( p r i )功能码( f c o d e ) i d 2 0i d l 9i d l 8i d l 7 i d l 6i d l 5i d l 4i d l 3 t x 2 i j 2 目的m a c 地址( d m a c ) i d l 2i d l1i d l oi d 9i d 8i d 7i d 6i d 5 t x 3 r x 3 源m a c 地址( s m a c ) i d 4i d 3i d 2i d li d o t x 4 i i 4 资源号( s i d ) a c k 具体来说，为了节省带宽，各网络节点采用事件触发传输结合周期轮询的方 式来获取各网络节点所采集的数据。所谓事件触发传输是指网络节点只有在自身 状态发生改变时才主动向网络发起一次更新传输；同时故障检测终端充当整个网 络的主设备，主设备定周期的向网络中发出轮询帧，需要注意的是，该轮询帧周 期不应过短，避免长时间占用网络的情况，防止网络数据拥堵。 在比较了几种现场总线的优缺点之后，本文拟采用c a n 作为系统总线网络， 它具有可靠性高、支持优先级仲裁、链路简单、配置灵活、芯片资源丰富、成本 低廉等特点。同时c a n 应用层协议t r a i n c a n 被应用到车载分布式故障检测 记录系统中来，可以实现c a n 网络数据传输的有效管理，提高了机车网络总线的 可靠性、实时性、灵活性、标准性及可扩展性。 2 2大容量数据存储技术 当机车发生故障时，故障检测记录终端将故障发生点前后一段时间内的故障 特征数据存储下来。随着机车故障的增加，故障特征数据量将会很大，这样就会 遇到两个关键问题：( 1 ) 故障特征数据存储需要大容量的非易失性存储介质。( 2 ) 存 储空间需要合理的管理方式。 2 2 1存储介质的选择 电力机车故障发生前后的工作状态数据是故障检测系统关注的重点，应该被 准确的记录下来，以备进一步分析。电力机车中需要检测的信号较多，而且检测 系统对每次故障都要记录，系统存储容量必须提高。快速闪存f l a s h 具有容量大、 存取速度快的特点，是嵌入式存储设计的最佳选择。 现在市场上主要的非易失闪存有两种类型：n a n df l a s h 和n o rf l a s h 。i n t e l 于1 9 8 8 年首先开发出n o rf l a s h 技术，彻底改变了原先由e p r o m 和e e p r o m 一 统天下的局面。1 9 8 9 年，东芝公司发表了n a n df l a s h 结构，强调降低每比特的成 本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。由于n a n df l a s h 可以 每次擦除存储器的一个区域( b l o c k ) 。这种快擦除技术大幅度提高了f l a s h 的读写速 度，同时由于f l a s h 结构特性，其容量可以达到上百兆字节，甚至可到g 字节的。 表2 2 所示为n o rf l a s h 技术和n a n df l a s h 技术部分指标比较，可以看出 n o rf l a s h 适合于存储的程序代码，而n a n df l a s h 则是高数据存储密度的理想 解决方案。所以故障检测记录终端的采用n a n df l a s h 作为其存储设备。 表2 2n o rf l a s h 技术和n a n df l a s h 技术部分指标 t a b l e 2 2p a r a m e t e r so fn o rf l a s ha n dn a n df l a s h 爨霉矿o 缓榭搿群群 鲈氍 “n o r 旁l a s ! 魄：纛二纛二纛二! 三：! ，n a n d , f ! a 蘸薹：薹黧蜀潴撬糕赫 容量大小 1m b 一3 2 m b 小容量8 m b 1g b 高密度大容量 代码执行 是( x i p ) 否 i o 接口， 接口形式标准s r a m 接口 要求锁存c l e 和a l e 信号 访问方式按字节随机访问按页顺序访问 快速写、慢速读 。 快速写、快速读、 性能 擦除更慢( 5 秒)快速擦除( 仅2 毫秒) 可靠性高低( 需要错误管理和坏块管理) 代码存储和小容量数据存储，大容量数据存储，如p c 卡、c f 易用场合如简单的家用电器、低端机顶卡、s d 卡、m p 3 播放器和数码 盒、数码相机的代码存储等相机的大容量数据存储等 性价比低品 升级难易难 易( 接口兼容) 。 2 2 2f a t 文件管理系统 随着机车运行故障增多，需要存储的文件将随之增加，传统的数据存储管理 模式不再适用，需要借助文件系统来管理存储空间。 文件分配表( f i l ea l l o c a t i o nt a b l e ，f a t ) 是微软m s - _ d o s 操作系统采用的文件 系统。目前的f a t 文件系统有f a t l 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 ，其基本区别在于实际存储 器上f a t 结构表项的大小( 位数) 不同，f a t l 6 文件分配表的每一表项为1 6 位。f a t 文件系统由5 个基本区组成：m b r 区、d b r 区、f a t 区、d i r 区和d a t a 区。 f a t l 6 最初是建立在硬盘上的文件系统，下面很多概念来自于硬盘。f l a s h 存 储器没有像硬盘那样的复杂结构，不涉及到“磁头”、“柱面”等概念，f a t l 6 文 件系统移植到f l a s h 时，可以将这些关于硬盘结构的特殊参数忽略。 1 m b r 区( 主引导扇区) m b r ( m a i nb o o tr e c o r d ) ，按其字面上的理解即为主引导记录区，由主引导程 序和d p t ( d i s kp a r t i t i o nt a b l e 硬盘分区表) 组成。其中6 4 个字节交给了d p t ( d i s k p a r t i t i o nt a b l e 硬盘分区表) ，在扇区中的偏移量为l b e h 1 f d h ，主要存储磁盘分区 信息，包括：分区文件类型、分区所占存储空间范围等。 表2 - 3d p t 分区表项 t l b l e 2 3p a r t i t i o np a r a m e t e ri t e m si nd p tf i e l d 妒。： 一 = u ，? ： t 孙盈：k 气：，f i t 一，t 每强：。b i 商，? 磷、，v 锻# t 礅- 鬃褐缀覆魇表达的意义渤妊磷妇蒜黝赫撼：编i 藤燃描瀛黝舔熙 o 分区状态：如0 非活动分区8 0 活动分区1 字节 l 该分区起始头( h e a d ) 1 字节 2该分区起始扇区和起始柱面2 字节 文件系统i d 值： 0 5 h 或0 f i l 表示扩展m s d o s 分区 4 1 字节 0 6 h 或0 e h 表示f a t l 6 0 b h 或0 0 h 表示f a t 3 2 5 该分区终止头( h e a d ) 1 字节 6该分区终止扇区和终止柱面2 字节 8 该分区起始绝对分区4 字节 c 该分区扇区数4 字节 表2 - 4b p b 参数记录表项 t a b l e 2 4p a r a m e t e ri t e m si nb p bf i e l d 够7 一， 、 ，。i ，一m ? ? j ，一? i 硝i 馕穆，巍糍。二瀛二；纛纛。纛 0 b h每扇区字节数2 字节 0 d h每簇扇区数 1 字节 o e h保留扇区数2 字节 1 0 hf a t 表的数目1 字节 l1 h 根目录登记项数2 字节 1 3 h 总扇区数2 字节 1 5 h 磁盘介质描述符1 字节 1 6 h每f a t 的扇区数2 字节 1 8 h 每磁道的扇区数2 字节 1 a h磁头数2 字节 l c h隐藏扇区数4 字节 2 0 h 逻辑驱动器总扇区数4 字节 2 d b r 区 d b r ( d o sb o o tr e c o r d ) 是操作系统引导记录区的意思，是操作系统可以直接访 问的第一个扇区，它包括一个引导程序和一个被称为b p b ( b i o sp a r a m e t e rb l o c k ) f r 0 分区参数记录表( 表2 4 ) 。b p b 参数块记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件 存储格式、硬盘介质描述符、根目录大小、f a t 表数量、分配单元的大小等重要 参数。 3 f a t 区 f a t 区中存放着存储器中所有簇的占用与空闲情况以及每个文件的存储链接 结构，是文件管理器最重要的部分。在设计基于f l a s h 的f a t 文件系统之前，有 必要掌握其实现原理。 文件占用磁盘空间时，基本单位不是字节或扇区而是簇。簇的大小与磁盘的 规格有关，一般情况下，硬盘每簇的扇区数与硬盘的总容量大小有关，可能是4 、 8 、1 6 、3 2 、6 4 等，f l a s h 存储器一般将一页作为一个簇。 表2 5 分区大小、簇大小和每簇扇区数的关系 t a b l e 2 5s i z er e l a t i o n s h i po fp a r t i t i o n ，c l u s t e ra n ds e c t o r 篪7 囊浚麓纛蕨意攮。i 麟 6 4 1 2 7 m b2 k b 4 1 2 8 2 5 5 m b4 k b8 2 5 缸5 1 1 m b8 k b1 6 5 1 2 1 0 2 3 m b1 6 k b3 2 同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的一个连续的区域内，而往往 会分成若干段，像一条链子一样存放。这种存储方式称为文件的链式存储。硬盘 上的文件常常要进行创建、删除、增长、缩短等操作。这样操作做的越多，盘上 的文件就可能被分得越零碎( 每段至少是l 簇) 。但是，由于硬盘上保存着段与段之 间的连接信息( i pf a t ) ，操作系统在读取文件时，总是能够准确地找到各段的位置 并正确读出。 表2 6f a t 区表项的具体含义 t a b l e 2 6t h em e a n i n go fi t e m si nf a tf i e l d 黪r ：，一，4 。二7 7 ： ，巍，；：篆i 簇翻缀垒磊l 磊囊蠢乏魏。 0 0 0 0 h未使用空簇 0 0 0 2 h f f e f h已使用，指明文件下一簇 f f f o h f f f 6 h系统保留簇 f f f 7 h 坏簇 f f f 8 h f f f f 已使用，文件最后一簇f i l e 为了实现文件的链式存储，硬盘上必须准确地记录哪些簇已经被文件占用， 还必须为每个已经占用的簇指明存储后继内容的下一个簇的簇号，对一个文件的 最后一簇，则要指明本簇无后继簇。这些都是由f a t 表来保存的，表中有很多表 项，每项记录一个簇的信息。 由于f a t 对于文件管理的重要性，所以f a t 有一个备份，即在原f a t 的后面 再建一个同样的f a t 。磁盘格式化时，f a t 中所有项都标明为”未占用”，但如果磁 盘有局部损坏，那么格式化程序会检测出损坏的簇，在相应的项中标为”坏簇”，以 后存文件时就不会再使用这个簇了。f a t 的项数与硬盘上的总簇数相当，每一项 占用的字节数也要与总簇数相适应，因为其中需要存放簇号。 4 d m 区( 根目录区) d i r ( d i r e c t o r y ) 是根目录区，紧接着第二f a t 表( 即备份的f a t 表) 之后，记录 着根目录下每个文件( 目录) 的起始单元，文件的属性等。定位文件位置时，操作系 统根据d i r 中的起始单元，结合f a t 表就可以知道文件在硬盘中的具体位置和大 小了。每个文件的目录项由3 2 字节组成，表2 7 为目录登记项的具体含义。 表2 7d i r 目录登记项格式 t a b l e 2 - 7t h e m e a n i n go fi t e m si nd i r f i e l d | ，p ，。，。桷 黼糍= 蔫亵熬，：。裹蹇巍聪 08 文件名 83 扩展名 111 属性 2 2l 建立时间 2 41 建立日期 2 61 其实簇号 2 84 文件长度 5 数据( d a t a ) 区 数据区是真正意义上的数据存储的地方，位于d i r 区之后，占据硬盘上的大 部分数据空间。 2 2 3文件的创建过程 故障发生后，需要在f l a s h 存储盘上建立一个新文件，以存储故障特征数据， 涉及到对f a t 区、d i r 区和d a t a 区的一系列操作。 首先分配文件存储空间，即获取文件存储空间对应的f a t “簇链 。顺序检索 f a t 表，找到第一个可用簇，可用簇登记项的值为0 0 0 0 h ( f a t l 6 格式) 。然后继续 检索后面的可用簇，找到以后将其簇号写入第一个可用簇项内。按照这个过程进 行下去，将满足文件长度所需的簇数全部找到。使每一个簇项的值指向下一个所 需簇项，在最后的簇登记项内写入结束标志栅。于是一条能够检索整个文件的 “簇链”就形成了。 然后创建文件目录登记项。将文件起始簇写入文件目录表d i r 的相关登记项 的起始簇字段中，并编辑d i r 中文件名字段、文件长度字段等。 最后向d a t a 区写入数据。根据检索到的f a t 链表，将数据存入f a t 表项所 指定的簇中。 2 3p c 机通信接口技术 故障检测记录终端所记录的数据文件需要被提取到p c 机上进行分析和处理。 数据采集记录系统与p c 机的高速数据通信接口是必须认真解决的关键技术。 传统的数据通信方式已经不能满足高速数据传输的设计要求。r s 2 3 2 存在速 度慢；p c i 、i s a 卡的速度很高，但开发成本高、可扩展性差、驱动程序编写复杂。 u s b 总线正好克服了以上缺点，它具有支持热插拔、占用端口资源少、可扩展性 强等优点，使其成为p c 机通信接口的首选方案。 本文设计了基于d s p 内部u s b 模块的硬件方案，并在此基础上实现了u s b 海量存储设备协议。涉及到的关键技术有：u s b 接口技术和海量存储设备技术。 2 3 1u s b 通用串行总线 u s b 总线是一种串行总线，支持在主机与各种各样即插即用的设备之间进行 数据传输。它由主机实现传输数据的标准协议，在总线上的各种设备分享u s b 总 线带宽。u s b 总线系统允许自由添加、设置、使用以及删除一个或多个设备。 一个完整的u s b 总线系统可以分为三个部分：u s b 总线的主机、u s b 总线的设 备以及它们之间的互连。从物理结构上，u s b 系统是星形结构；在逻辑结构上， 每个u s b 逻辑设备都是直接与u s b 主机相连进行数据传输的，u s b 数据的传输模型 如图2 1 所示。 眄丽藏石辩堂堂扩丐习i 蒿j 。l 倒r 掣净遵商! ll 去订i l 囤伊层 ，牛l 商： 总线 ： 。； ：lil s b 藏线轻口li 。 l 区) 争妇。垃淼k j 。垦曩：严虬固。一泸口层 ( 8 ) 可升级性：体系结构的可升级性支持在一个系统中同时存在多个u s b 主机 控制器。 2 标准描述符 u s b 设备的描述符是对u s b 设备的属性说明。在u s b 设备枚举过程中，u s b 主机通过对这些标准描述符的访问对设备进行类型识别、配置并为其提供相应的 客户端驱动程序，运行于u s b 协议栈上层的客户端驱动程序通过这些信息正确访 问设备并与其通信，实现即插即用的目的。 每一个描述符可能包含整个设备的信息，或者设备中的一个组