株洲南車時代電氣股份有限公司二○一二年十二月H型監控記錄插件及其配套工具簡介安全裝備事業部Page

2第一部分簡介第二部分研制過程第三部分產品特點第四部分技術創新第五部分產品介紹Page

3LKJ2000型列車運行監控裝置(以下簡稱LKJ)監控記錄插件中用于存儲車載控制程序及車載基礎數據的關鍵芯片M27C4001、M27C801已經停產，芯片生產廠家(意法半導體)已于2011年3月14日起正式停止接受訂單，且于2011年9月14日起正式停止出貨。考慮此兩種芯片無兼容器件可以替代，且這兩種芯片的停產將會導致LKJ生產及現場運用維護無法正常進行，南車株洲電力機車研究所有限公司和河南思維自動化設備股份有限公司(以下簡稱河南思維)于2010年12月向鐵道部運輸局提交《關于LKJ監控記錄插件停產器件解決方案的請示》(株研發〔2010〕345號)文件，申請對既有LKJ監控記錄插件進行升級改造。鐵道部運輸局以《關于對LKJ器件停產問題制定解決方案和進行試驗的通知》(運基信號〔2010〕916號)文件對LKJ監控記錄插件升級改造工作進行了部署。在此背景下，株洲所和河南思維成立聯合項目組，進行H型監控記錄插件及配套工具的研制，在不改變LKJ既有軟件及司機操作的前提下，解決上述停產器件的問題。一、簡介Page

4第一部分簡介第二部分研制過程第三部分技術創新第四部分技術關鍵點第五部分產品介紹Page

5二、研制過程研制標準和依據1H型監控記錄插件及配套工具在設計和研制過程中主要遵循的標準和依據如下：1) GB/T25119-2010軌道交通機車車輛電子裝置2) GB/T24338.4-2009軌道交通電磁兼容第3-2部分：機車車輛設備3) GB/T21563-2008軌道交通機車車輛沖擊與振動試驗4) TB/T2765-2005列車監控記錄裝置技術條件5) 《列車運行監控裝置(LKJ)運用維護規則》(鐵運〔2009〕98號)6) 《列車運行監控裝置(LKJ)技術規范(V1.0)》(運基信號〔2008〕572號)Page

6二、研制過程課題立項及技術方案確定階段21) 2010年2月，株洲所與河南思維聯合成立項目組，共同進行H型監控記錄插件及配套工具的研發，并制定了詳細的項目研制的要求、分工、進度。2) 2010年5月，根據兩公司的預研資料和用戶需求，確定了H型監控記錄插件及配套工具的總體方案。Page

7二、研制過程技術設計、施工設計及樣機試制階段31) 2010年6月，根據H型監控記錄插件及配套工具的總體方案，兩家公司技術人員完成插件硬件技術設計，同年8月完成插件硬件施工設計，并開始進行樣機試制。2) 2010年9月～2011年2月，兩家公司技術人員進行樣機調試和配套軟件研制。3) 2011年3月～4月，兩家公司技術人員完成樣機軟硬件統一工作。4) 2011年10月～2012年3月，根據現場試驗考核的總結報告，兩家公司對H型監控記錄插件及配套工具進行了優化。Page

8二、研制過程運行試驗42011年7月～8月，根據鐵道部《關于裝用H型監控記錄插件LKJ試驗工作的通知》(運基信號〔2011〕2129號)文的要求，在蘭州局、廣州局、上海局和鄭州局進行運行試驗考核。2012年５月～6月，根據鐵道部《關于裝用優化后H型監控記錄插件LKJ試驗工作的通知》(運基信號〔2012〕796號)文的要求，在沈陽、北京、鄭州、上海、蘭州鐵路局和廣鐵(集團)公司進行優化后H型監控記錄插件及配套工具的運行試驗考核。Page

9二、研制過程型式試驗52012年11月，插裝H型監控記錄插件及配套工具的LKJ樣機通過了鐵道部產品質量監督檢驗中心通信信號檢驗站的型式試驗。Page

10第一部分簡介第二部分研制過程第三部分產品特點第四部分技術創新第五部分產品介紹Page

11三、產品特點1) 對外接口完全兼容。H型監控記錄插件對外接口與目前監控記錄插件完全一致，可以直接使用H型監控記錄插件替換目前的監控記錄插件。2) LKJ車載控制程序完全兼容。目前的LKJ車載控制程序可以不做任何改動，直接運用在H型監控記錄插件上。3) LKJ車載基礎數據完全兼容。目前LKJ車載基礎數據可以不做任何改動，直接運用在H型監控記錄插件上。4) 轉儲方式完全兼容。可以直接使用目前的轉儲器轉儲H型監控記錄插件中的文件。兼容性1Page

12三、產品特點1) LKJ換裝效率的提升。H型監控記錄插件支持車載控制程序和車載基礎數據的在線更新，方便快捷。2) 增加了車載控制程序和車載基礎數據的存儲空間。H型監控記錄插件擴充了車載控制程序、車載基礎數據、記錄數據的硬件存儲空間，其中車載基礎數據存儲空間可擴展至47M，記錄數據存儲空間可擴展16M。3) 提升CRC校驗能力。H型監控記錄插件增加了硬件CRC處理單元，利用硬件進行CRC的計算，極大地節約主控CPU的計算資源。4) 提升存儲芯片的使用壽命。H型監控記錄插件使用的存儲芯片擦寫次數可達10萬次。性能提升2Page

13三、產品特點1) 提高了時鐘芯片的可靠性。H型監控記錄插件采用雙時鐘系統，提升時鐘的可靠性。2) 提高了LKJ車載控制程序和LKJ車載基礎數據讀寫的可靠性。H型監控記錄插件采用FLASH存儲程序和數據，LKJ換裝時無需插拔監控記錄插件，避免了因插拔頻繁造成管腳接觸不良。3) 提高了LKJ車載控制程序和LKJ車載基礎數據的可靠性。系統在上電運行時根據需要對車載控制程序和車載基礎數據進行校驗，校驗不通過不允許監控記錄插件進入正常工作狀態，保證了車載控制程序和車載基礎數據的安全可靠性。可靠性3Page

14三、產品特點4) 換裝過程安全可靠。增加專用管理軟件對換裝車載控制程序和車載基礎數據的時效性、換裝對象的合法性進行管理，提高了換裝過程的安全可靠性。5) LKJ數據轉存器使用過程安全可靠。LKJ數據轉存器采用高可靠的SLC型FLASH芯片，同時采用兩片FLASH芯片主備冗余的工作方式，大大提高了LKJ數據轉存器的可靠性。可靠性3Page

15第一部分簡介第二部分研制過程第三部分產品特點第四部分技術創新第五部分產品介紹Page

16四、主要技術創新點H型監控記錄插件采用FLASH作為存儲介質，提升了LKJ程序/數據換裝的機制，通過專用的LKJ數據轉存器完成FLASH的在線編程，既方便了LKJ程序/數據換裝，又提高了換裝的安全性和可靠性。應用創新1Page

17四、主要技術創新點安全性創新12提供硬件校驗平臺H型監控記錄插件實現了硬件CRC校驗功能，為進一步提升LKJ的實時性和安全性搭建了硬件平臺。

2.雙時鐘系統采用了雙時鐘系統保證時間利用的準確性。3.基于USB接口的身份認證技術和安全通信技術H型監控記錄插件利用USB和MassStorage開放式協議實現了通信雙方的身份認證及特殊命令的交互，利用多重校驗技術保證了通信的安全性。4.密匙管理技術采用了ID芯片和特定加密算法對插件的有效性進行管理，保證了換裝過程的安全性和可靠性。

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18四、主要技術創新點可靠性、可維修性、可用性創新

13基于MC68332系列單片機的在系統編程平臺對早期單片機系統編程技術進行了創新性研究。利用現場可編程器件FPGA，并結合特定的切換邏輯實現了這類早期單片機系統的在線編程技術。2.MC68332系列單片機的尋址空間擴展技術MC68332只具有16M的尋址空間。對單片機尋址空間的擴容技術進行了研究。利用現場可編程器件FPGA構建智能譯碼平臺，完成了對MC68332的尋址空間擴容技術。3.既有軟件移植匹配技術H型監控記錄插件替換掉了部分停產芯片，H型監控記錄插件采用軟件移植匹配技術實現H型監控記錄插件能直接使用既有LKJ車載控制程序和LKJ車載基礎數據。4.利用冗余方式提高LKJ數據轉存器的可靠性技術LKJ數據轉存器采用了兩片單層單元閃存，并利用合理的切換算法實現了主備冗余

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19第一部分簡介第二部分研制過程第三部分技術創新第四部分技術關鍵點第五部分產品介紹Page

20五、產品介紹H型監控記錄插件是主體，主要用于完全替代目前的監控記錄插件，解決目前插件中關鍵器件停產的問題，同時提高了LKJ的安全性、可靠性、可用性及可維護性。LKJ數據轉存器是一種專用于LKJ的便攜式數據存儲設備，具有高安全性和高可靠性等特點；用于對H型監控記錄插件進行LKJ數據換裝。LKJ數據轉存器讀寫軟件是為了配合LKJ數據轉存器的讀寫而開發的PC機操作軟件，能夠對LKJ數據轉存器進行讀、寫操作和管理。包括：H型監控記錄插件、LKJ數據轉存器、LKJ數據轉存器讀寫軟件及配套的連接三者之間的線纜組成。構成及關系說明11Page

21五、產品介紹H型監控記錄插件主要功能如下：1) H型監控記錄插件作為LKJ2000型監控裝置的核心插件，可直接替代監控記錄插件，主要完成線路基礎數據的調用、運行狀態數據的記錄和同步、控制模式曲線的計算、實時時鐘的產生、CRC運算、程序的引導、程序/數據的更新等項功能；2) 監控程序/數據的更新是通過專用更新端口在線進行，簡化更新操作，提高更新效率；1)功能簡述H型監控記錄插件12Page

22五、產品介紹3) 程序/數據存儲于非易失性存儲介質FLASH中，保證程序/數據掉電后不丟失，存儲車載監控程序的FLASH設置為寫入保護以免誤改寫；4) 記錄數據存儲于非易失性的存儲介質FRAM中，并可擴充至FLASH，以提供更大的存儲空間；5) FPGA提供地址譯碼、硬件CRC校驗和ID芯片讀寫功能，保證MCU訪問板內和板外資源時可使用監控記錄插件相同的地址，并根據MCU的要求進行數據的CRC校驗以保證數據的可靠性，以及提供插件的ID管理功能。1)功能簡述Page

23五、產品介紹H型監控記錄插件主要由CPU模塊、實時時鐘模塊、CAN通信接口模塊、同步通信模塊、RS232通信模塊、VME并行接口模塊、FPGA模塊、USB模塊、程序與地面數據存儲模塊、記錄數據存儲模塊等組成。H型監控記錄插件保留現有監控記錄插件的所有接口，不改變現有車載監控設備連接狀態，具備現有插件的所有功能，在電路設計上，核心電路、外圍接口保持與現有插件一致，可直接替代現有插件工作，可直接使用已在全路穩定運用的LKJ控制軟件和車載數據。2)基本構成Page

24五、產品介紹圖1H型監控記錄插件實物圖片Page

25序號項目指標備注1程序存儲空間引導程序128K2應用程序1M3備用30M4車載基礎數據存儲空間2MB可擴充至47MB5記錄數據存儲空間2MB可擴充16MB6RAM存儲空間1M7非易失RAM存儲空間2M8LKJ數據換裝速度每1MB≤30s用LKJ數據轉存器3)主要技術指標五、產品介紹Page

26H型監控記錄插件采用FLASH作為程序、數據存儲介質，進一步擴充了數據存儲容量，提升了程序、數據更新控制機制，自動判斷更新設備及更新內容是否合法有效，更新過程中，插件通過專用接口接收數據，完成FLASH的在線編程，自動進行更新過程的記錄，存檔備查。H型監控記錄插件中有兩種程序：引導程序和應用程序，兩種程序對應不同的地址譯碼空間。引導程序主要完成LKJ數據在線換裝和應用程序的校驗，應用程序完成LKJ的正常控制功能。為了保證引導程序和應用程序相互獨立，兩個程序都單獨初始化所需要的硬件資源，而且，從引導程序向應用程序切換的過程中，CPU執行的是重新啟動，這樣能保證通過引導程序引導進入應用程序和進入應用程序是完全相同的硬件環境，保證原有程序完全兼容。4)基本原理五、產品介紹Page

27①將換裝LKJ車載控制程序、LKJ車載基礎數據文件寫入LKJ數據轉存器。將LKJ數據轉存器連接到裝有LKJ數據轉存器讀寫軟件的PC機，將待更換的LKJ車載控制程序、LKJ車載基礎數據文件(或兩者中的一個)寫入到LKJ數據轉存器。②關閉LKJ監控主機電源。③將已寫入換裝文件的LKJ數據轉存器插入到H型監控記錄插件的“編程/轉儲”口。④打開LKJ監控主機電源，插入LKJ數據轉存器的H型監控記錄插件前面板指示燈1A燈閃爍，插件自動識別LKJ數據轉存器(識別出后面板指示燈2A燈亮)，并判別LKJ數據轉存器內換裝文件的合法性。⑤若文件合法，則H型監控記錄插件自動啟動換裝過程，將LKJ數據轉存器中的LKJ車載控制程序、LKJ車載基礎數據文件下載到該插件內。換裝過程中面板指示燈有明確的過程指示(3A燈閃爍正在換裝LKJ車載控制程序，3A亮程序換裝完成；3B燈閃爍正在換裝LKJ車載基礎數據，3B燈亮數據換裝完成；4B燈亮換裝工作結束)，換裝完成后對換裝的文件進行CRC校驗(4A燈閃正在校驗，4A燈亮校驗正確)，校驗通過后進入正常程序的上電自檢和正常運行過程。⑥關閉LKJ監控主機電源，拔下LKJ數據轉存器。5)LKJ數據在線換裝步驟五、產品介紹Page

286)程序數據換裝過程指示燈定義五、產品介紹指示燈含義指示燈含義1A(閃)引導程序工作正常1B(閃/亮/滅)SRAM相關指示：自檢成功、校驗失敗/自檢成功、校驗成功/自檢失敗2A(亮/滅)LKJ數據轉存器可用/不可用2B(閃/亮/滅)引導程序:正在更新/更新成功/更新失敗3A(閃/亮/滅)監控程序:正在更新/更新成功/更新失敗3B(閃/亮/滅)車載數據:正在更新/更新成功/更新失敗4A(閃/亮/滅)啟動監控程序前對監控程序的校驗:正在校驗/校驗通過/校驗不通過4B(亮)更新工作結束5A～7A(滅)保留5B～7B(滅)保留8A、8B(閃)宕機Page

29①不允許出現H型監控記錄插件與目前監控記錄插件混插的現象；替換當前使用的監控記錄插件前請檢查、記錄LKJ車載控制程序和LKJ車載基礎數據版本號及各項檢修參數，并在更換H型監控記錄插件后予以確認。②H型監控記錄插件LKJ車載控制程序、LKJ車載基礎數據更新過程中禁止斷電，若升級過程中斷電，需要重新進行升級。③打開LKJ監控主機電源進行換裝前須確認LKJ數據轉存器與監控記錄插件“編程/轉儲”口連接正常。④若LKJ車載控制程序和LKJ車載基礎數據同時換裝時，應將兩者通過專用的LKJ數據轉存器讀寫軟件寫入到LKJ數據轉存器中；若只換裝LKJ車載控制程序或LKJ車載基礎數據，則只需將待換裝的文件寫入到LKJ數據轉存器中即可。⑤通過LKJ數據轉存器讀寫生成JK.bin和SJ.bin的日期不是版本日期。⑥LKJ數據轉存器中的換裝文件必須通過專用的LKJ數據轉存器讀寫軟件寫入，否則不能完成更新。⑦目前通過轉儲口與監控記錄插件相連的設備有轉儲器等，由于H型插件的連接口發生變化，更換H型監控記錄插件后，需要同步更換對應的連線。7)換裝注意事項五、產品介紹Page

30五、產品介紹LKJ數據轉存器是H型監控記錄插件的配套工具，主要完成向H型監控記錄插件寫入車載線路基礎數據和車載控制文件。主要功能及特點如下：1)作為線路基礎數據、車載控制文件的中間過程存儲介質；2)完成對H型監控記錄插件的線路基礎數據、車載控制文件的在線升級；3) 存儲更新過程中的日志；1)功能簡述LKJ數據轉存器13Page

31五、產品介紹LKJ數據轉存器主要由電源轉換模塊、FLASH存儲器和主控制器組成，LKJ數據轉儲器結構示意圖如圖2所示。2)基本構成圖2LKJ數據轉存器實物圖片Page

32序號項目指標1存儲介質SLC型nandFLASH2存儲容量1G(雙冗余)3擦寫次數大于1萬次4接口速率USB接口，全速可達12Mbps5校驗方式ECC校驗、CRC校驗NandFlash分為兩種，其中一種叫做SLC，單層單元閃存；第二種叫做MLC(MultiLevelCell)，多層單元閃存。兩者的主要區別是SLC每一個單元儲存一位數據，而MLC通過使用大量的電壓等級，每一個單元儲存兩位數據，數據密度比較大。一般而言，SLC雖然生產成本較高，但在效能上大幅勝于MLC。SLC晶片可重復寫入次數約10萬次，而MLC晶片的寫入次數為1萬次以內，而目前市場上普通U盤所用的MLC芯片寫入壽命則在5000次左右。

五、產品介紹3)主要技術指標Page

33LKJ數據轉存器是為了配合H型監控記錄插件的數據更新維護而研發的高可靠性數據更新工具。LKJ數據轉存器包含了兩片FLASH存儲器，兩片FLASH存儲器中存儲內容一致，實現冗余比較以提高可靠性；LKJ數據轉存器與PC機軟件或H型監控記錄插件之間的信息交互通道采用USB接口；LKJ數據轉存器只能通過專用PC機軟件進行操作以保證安全性；當LKJ數據轉存器對H型監控記錄插件進行在線更新時，相互之間通過專用的交互命令保證安全性；且所有交互命令均以密文方式發送；LKJ數據轉存器中所有存儲的文件都具有校驗文件來保證文件的正確性及文件來源的合法性。LKJ數據轉存器對專用控制命令