2024年4月30日发(作者：)

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利申请

(10)申请公布号

CN 106814729 A

(43)申请公布日

2017.06.09

(21)申请号 2.7

(22)申请日 2015.12.02

(71)申请人田荣侠

地址110180 辽宁省沈阳市浑南新区浑河堡

街76号沈阳恒星实业有限公司

(72)发明人田荣侠

(51).

G05B 23/02

(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图5页

(54)发明名称

一种地铁门控单元实时故障检测装置系统

(57)摘要

本发明一种地铁门控单元实时故障检测装置

系统，可以随车运行记录门控单元故障；本发明

由两个子系统组成：随车故障记录子系统和便携

式信息查询子系统。由于两个子系统均有便携性

要求，所以均采用嵌入式系统解决方案来完成两

个子系统方案的设计。整个系统结构设计采用上

位机与下位机的结构模式。作为下位机的随车故

障记录子系统本身不带任何人机交互功能，仅负

责数据的采集记录与通讯功能。而便携式信息查

询子系统着重于提供一个良好的人机交互界面，

辅之以通讯程序和相应的配置程序与下位机协调

完成一个完整的测试任务。

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权　利　要　求　书

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1.一种地铁门控单元实时故障检测装置系统，由由两个子系统组成：随车故障记录子

系统和便携式信息查询子系统；由于两个子系统均有便携性要求，所以均采用嵌入式系统

解决方案来完成两个子系统方案的设计；整个系统结构设计采用上位机与下位机的结构模

式；作为下位机的随车故障记录子系统本身不带任何人机交互功能，仅负责数据的采集记

录与通讯功能；而便携式信息查询子系统着重于提供一个良好的人机交互界面，辅之以通

讯程序和相应的配置程序与下位机协调完成一个完整的测试任务。

2.根据权利要求1所述的地铁门控单元实时故障检测装置系统，其特征是所述的随车

故障记录子系统在不改变列车车厢原有通讯总线拓扑的情况下，挂载到通讯总线上，实时

监听通讯总线上所有的通讯信息，并记录相关状态信息和故障信息，存储于系统的SD卡中。

3.根据权利要求1所述的地铁门控单元实时故障检测装置系统，其特征是所述的便携

式信息查询子系统通过蓝牙方式可随时与随车故障记录子系统通讯，完成随车故障记录子

系统的相关设置以及问询随车故障记录子系统中存储的相关记录信息，并显示在人机界面

上。

4.根据权利要求1所述的地铁门控单元实时故障检测装置系统，其特征是所述的随车

故障记录子系统包含基于Cortex．M3为核心的STM32微处理器的控制核心的硬件系统以及

基于uCoS—II嵌入式实时操作系统的软件系统；其中硬件系统还包含RS．485数据采集模

块、基于SPI模式的SD卡读写模块以及蓝牙通讯模块等功能模块，对应的软件系统中配置了

相应的功能任务，通过ucos—II实时操作系统的调度来实现具体的功能，包括工作模式选

择、对RS一485数据总线上的数据采集、对采集数据进行识别、对识别后的数据进行解析翻

译、基于微型FAT文件系统的数据管理、对有关数据的记录与读取、与便携式信息查询子系

统进行蓝牙通讯，通过这些任务的合理调度整合来实现其自身的完整功能。

5.根据权利要求1所述的地铁门控单元实时故障检测装置系统，其特征是所述的便携

式信息查询子系统包含安装有Android操作系统的便携移动终端设备以及运行在Android

系统上的专用信息查询应用软件。

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说　明　书

一种地铁门控单元实时故障检测装置系统

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技术领域

[0001]

本发明涉及一种检测装置，尤其涉及一种地铁门控单元实时故障检测装置系统。

背景技术

[0002]

当前国内使用的地铁列车尚有相当数量系由国外进口，外商出于出口设备的贸易

垄断性和技术封闭性之目的，一般不向需求方提供任何内特性参数及其故障分析与甄别技

术，这就给地铁运营单位对设备安全评估带来极大的隐患。以地铁列车门控单元为例，常见

的维修和保障方式主要停留于离线式的维护，即将门控单元取下后，放置在专用的故障检

测平台上对其进行检测，这种维修方式延长了维修时间，不利于对故障的判断，且其关键技

术多在门控单元设备提供商处，列车运营方缺乏对门控单元有效的处理手段。

[0003]

门控单元是地铁门控系统的控制核心，负责驱动门电机开关门操作、状态检测、安

全防护以及各种灯光声音提示等控制功能，是一个多输入多输出的控制盒。本文所研究的

门控制单元，针对于iFE公司所生产的基于RS-485／232通信协议的PMC20—110R型门控单

元。其外部配置有两排16路输入输出接口，RS．232和RS485两个通讯端口。门控单元通过两

排16路的输入输出接口与外部电气设备相连，完成对列车门控系统外部的电气和机械设备

的主要控制与检测功能，通过RS485通讯接口与列车车厢内通讯总线相连，完成同其他门控

单元及车厢主控设备的通讯功能。在列车正常运行中，门控单元的Rs．485接口与列车车厢

上的RS_485通讯总线相连，通过RS．485与列车车厢的上级控制单元通讯，其中主要的通讯

内容为车门的初始化、状态信息以及车门故障信息。本文研究的主要对象就是基于RS485通

讯的相关信息，开发出以监听通讯信息为基础的在线随车故障检测系统。

发明内容

[0004]

本发明针对地铁列车门控单元的技术现状，通过多工况下的外特性连续性能检测

采样，掌握门控单元的构成和运行情况、通信协议、电路结构等相关技术原理和参数的基础

上，研制了一种可以随车运行记录门控单元故障的便携式设备——地铁门控单元实时故障

检测装置系统。

[0005]

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

地铁门控单元实时故障检测装置系统由由两个子系统组成：随车故障记录子系统和便

携式信息查询子系统。由于两个子系统均有便携性要求，所以均采用嵌入式系统解决方案

来完成两个子系统方案的设计。整个系统结构设计采用上位机与下位机的结构模式。作为

下位机的随车故障记录子系统本身不带任何人机交互功能，仅负责数据的采集记录与通讯

功能。而便携式信息查询子系统着重于提供一个良好的人机交互界面，辅之以通讯程序和

相应的配置程序与下位机协调完成一个完整的测试任务。

[0006]

所述的随车故障记录子系统在不改变列车车厢原有通讯总线拓扑的情况下，挂载

到通讯总线上，实时监听通讯总线上所有的通讯信息，并记录相关状态信息和故障信息，存

储于系统的SD卡中。

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[0007]

说　明　书

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所述的便携式信息查询子系统通过蓝牙方式可随时与随车故障记录子系统通讯，

完成随车故障记录子系统的相关设置以及问询随车故障记录子系统中存储的相关记录信

息，并显示在人机界面上。

[0008]

所述的随车故障记录子系统包含基于Cortex．M3为核心的STM32微处理器的控制

核心的硬件系统以及基于uCoS—II嵌入式实时操作系统的软件系统。其中硬件系统还包含

RS．485数据采集模块、基于SPI模式的SD卡读写模块以及蓝牙通讯模块等功能模块，对应的

软件系统中配置了相应的功能任务，通过ucos—II实时操作系统的调度来实现具体的功

能，包括工作模式选择、对RS一485数据总线上的数据采集、对采集数据进行识别、对识别后

的数据进行解析翻译、基于微型FAT文件系统的数据管理、对有关数据的记录与读取、与便

携式信息查询子系统进行蓝牙通讯，通过这些任务的合理调度整合来实现其自身的完整功

能。

[0009]

所述的便携式信息查询子系统包含安装有Android操作系统的便携移动终端设备

以及运行在Android系统上的专用信息查询应用软件。

[0010]

本发明的有益效果是：

本文所提供的一种基于嵌入式系统的地铁门控单元实时故障检测装置系统，包含一个

挂载在车辆门控系统总线上的监测子系统和一个Android便携设备的查询子系统，可实现

对门控单元在线故障监测与记录的功能。在列车运行过程中，随车故障记录子系统实时记

录门控单元所有的列车控制信号和状态变化。便携式信息查询子系统随时与随车故障记录

子系统通过蓝牙连接，对列车门控单元的实时状态和故障信息进行查看，或者查询已保存

的历史记录。因此，一旦列车出现故障，系统能够在实时记录的基础上实现与营运人员的远

程信息交互以保障故障的事实排除。通过实验验证了该系统工作的正确性，可正确反映和

记录门控单元的故障信息，并为门控单元故障检测和维修提供技术支持和理论积累。

附图说明

[0011]

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0012]

图1是系统总体设计构架图。

[0013]

图2是硬件功能模块图。

[0014]

图3是系统任务调度逻辑图。

[0015]

图4是模式选择任务模块流程图。

[0016]

图5是监听模块流程图。

[0017]

图6是后台程序功能框图。

具体实施方式

[0018]

如图1所示，地铁门控单元实时故障检测装置系统由由两个子系统组成：随车故障

记录子系统和便携式信息查询子系统。随车故障记录子系统在不改变列车车厢原有通讯总

线拓扑的情况下，挂载到通讯总线上，实时监听通讯总线上所有的通讯信息，并记录相关状

态信息和故障信息，存储于系统的SD卡中。随车故障记录子系统包含基于Cortex．M3为核心

的STM32微处理器的控制核心的硬件系统以及基于u CoS—II嵌入式实时操作系统的软件

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说　明　书

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系统。其中硬件系统还包含RS．485数据采集模块、基于SPI模式的SD卡读写模块以及蓝牙通

讯模块等功能模块，对应的软件系统中配置了相应的功能任务，通过u CoS—II实时操作系

统的调度来实现具体的功能，包括工作模式选择、对RS一485数据总线上的数据采集、对采

集数据进行识别、对识别后的数据进行解析翻译、基于微型FAT文件系统的数据管理、对有

关数据的记录与读取、与便携式信息查询子系统进行蓝牙通讯，通过这些任务的合理调度

整合来实现其自身的完整功能。便携式信息查询子系统通过蓝牙方式可随时与随车故障记

录子系统通讯，完成随车故障记录子系统的相关设置以及问询随车故障记录子系统中存储

的相关记录信息，并显示在人机界面上。由于两个子系统均有便携性要求，所以均采用嵌入

式系统解决方案来完成两个子系统方案的设计。整个系统结构设计采用上位机与下位机的

结构模式。作为下位机的随车故障记录子系统本身不带任何人机交互功能，仅负责数据的

采集记录与通讯功能。而便携式信息查询子系统着重于提供一个良好的人机交互界面，辅

之以通讯程序和相应的配置程序与下位机协调完成一个完整的测试任务。

[0019]

如图2所示，随车故障记录子系统硬件部分由上文所述的四个主要模块组成。由

STM32控制模块协调控制各模块完成相应功能并负责对相关数据的处理和分析。sTM32控制

核心模块以ST公司的STM32F103zET6微控制器芯片为核心，外围辅以电源电路、JTAG仿真调

试电路、时钟电路、Reset电路，使STM32微控制器芯片可以正常工作并提供完成相应功能所

需要的基本条州制。RS-485采集模块的设计采用Maxim公司的MAx485专用通讯芯片，将

STM32微控制器芯片中的通用同步异步收发机(USART)输出的数字逻辑电平转换为符合

RS485总线协议的电气信号，并将总线上的RS485总线信号转换为控制器芯片可以识别的信

号输入到芯片中以备进行进一步的处理。SD卡模块中，采用SPI模式对sD卡的引脚进行接

线，使用3．3v的I／0电平，并在特定管脚接入上拉电阻以保证其正常工作。同时也留出接口，

为以后设备升级提供可能。蓝牙通讯模块是将标准的蓝牙信号转换为串口信号的模块，开

发时只需要按照串口方式操作控制，提高了开发效率，缩短了开发周期，并可以使开发人员

更多的关注系统本身而不需要过多的研究通信底层知识。

[0020]

如图3所示，随车故障记录子系统软件部分是基于u CoS—II嵌入式实时操作系统

平台开发的，开发过程分为操作系统移植、功能初始化模块和主体功能任务开发等步骤。其

中，u C0S．II实时操作系统为开源操作系统，仅需要对其部分文件改写之后便可移植到硬

件平台上；功能初始化配置模块主要负责在u CoS—II系统启动前对系统及外围组件完成

初始化工作；主体功能任务是按照实时操作系统任务的思想，根据系统功能应用的要求进

行设计，按照各自优先级及资源信号配置由u CoS—II统一调度以实现完整的软件功能。下

面对功能任务部分进行详细阐述。按照功能模块的思想，将需求不同的应用任务模块进行

分块设计，核心的任务包括模式选择任务模块、监听任务模块、记录读取任务模块等。其中

有些模块并非都是单一的任务，需要信息收发任务进行同步合作，所以这些模块中可能包

含多个子任务或者多个功能函。

[0021]

如图4所示，该模块负责接收便携式信息查询子系统通过蓝牙发送的模式选择指

令，根据指令的不同来选择不同的工作模式。该模块由两个任务组成：指令接收任务和调度

任务，两者采用互斥信号量进行配合工作。其中，“缺省指令”执行监听任务。

[0022]

如图5所示，监听模块为本次设计中的中心模块，由监听任务、状态分析任务、SD卡

写入部分共同构成。其主要功能依次为循环采集列车门控单元的RS485总线上的数据，对数

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据进行筛选和读取，建立状态分析任务，对数据帧进行解析，调用SD卡写入操作，记录对应

的门控单元地址信息、状态以及故障信息和时间信息。当状态备份字中数据有改动时，再次

进行解析，重复上述过程。SD卡写入功能部分中的操作基于FatFS文件系统，可以通过

windows系统对其创建的文件直接进行操作。状态分析任务根据监听任务中得到的RS．485

端口反馈帧进行分析，对门控单元回复的自诊断信息进行解码和翻译，得到门控单元的运

行状态和故障信息，达到收集和记录数据的功能。另外，记录读取模块主要负责将已经记录

的状态或故障信息从SD卡的文件中读取出来并通过蓝牙发送到便携式信息查询子系统上。

完成后自我销毁并将控制权交还给调度任务。同样也是基于FatFS文件系统进行相关的文

件操作。

[0023]

如图6所示，便携式信息查询子系统包含安装有Android操作系统的便携移动终端

设备以及运行在Android系统上的专用信息查询应用软件。本文的研究着重于开发一款兼

容大部分Android系统智能移动终端的专用信息查询应用软件，仅需要将该软件安装于带

有蓝牙设备的Andmid智能移动终端上，就可以通过蓝牙设备与随车故障记录子系统进行通

讯完成相应的功能。该Andmid应用包含人机界面，通过蓝牙控制模块将指令发送给随车故

障记录子系统，从而进行相关功能配置，通过蓝牙控制模块完成同随车故障记录子系统通

讯，数据显示与处理模块完成相应信息的显示以及对显示信息的相关处理。此处着重对应

用程序后台设计进行介绍。后台应用程序主要负责通过蓝牙与随车故障记录子系统进行信

息交流，向随车故障记录子系统发送相关指令和接受随车故障记录子系统发送的信息并显

示。分为蓝牙功能模块、指令按键设置、数据显示模块。该部分的所有功能均围绕蓝牙通讯

模块来实现，系统工作时，通过查找设备按钮向周围发出会话请求，周围设备接收到会话请

求后给出回复，完成连接后，将这个外部设备实例化到程序中的蓝牙设备对象以供后面的

程序调用。

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图1

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图2

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图3

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图4

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图5

图6

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