基于LabVIEW队列状态机的铁路信号电缆故障检测系统

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摘要：该文介绍了一种基于labview队列状态机的铁路信号电缆故障检测系统的软硬件实现。以LabVIEW为开发平台，实现多通道的数据实时采集、数据分析、数据存储与查询等功能。其特点是检测速度快，可靠性高，有效地解决了铁路系统中电缆检测效率偏低的问题。

关键词：铁路信号电缆；LabVIEW；队列状态机；数据采集

中图分类号：TP374文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)29-7228-02

Railway Cable Fault Detection System Based on Queued State Machine in LabVIEW

GUO Shi, XUE Lei, ZHU Chao-xu

(Lanzhou Jiaotong University, School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou 730070, China)

Abstract: This paper describes a railway signal cable fault detection system based on queued state machine in LabVIEW with software and hardware implementation. As a development platform, LabVIEW can achieve the functions like multi-channel real-time data collection, data analysis, storage and query. Its features are fast detection speed and high reliability. So it could solute the problem of low detection efficiency in cable railway system effectively.

Key words: railway signal cable; LabVIEW; queued state machine; data acquisition

与电力电缆不同，铁路信号电缆的长度很大，且多铺设于地下，传统的电缆故障检测方法可能会产生不可控的误差。如果电缆故障得不到迅速有效地解决，这必然会给正在运行中的列车带来巨大的安全隐患。

虚拟仪器以其性能高，扩展性强，开发时间少和无缝集成等优点已被广泛地应用于各个领域，其中LabVIEW是应用最为广泛的。它是基于图形编译( Graphics ,G) 语言的虚拟仪器软件开发平台,具有数据采集、数据分析、信号生成、信号处理、输入输出控制等功能[1]。

1 系统的硬件组成与程序设计模式

1.1 硬件组成

硬件是系统组成的重要部分，其性能的好坏会直接影响整个系统的准确性和可靠性。硬件部分主要包括：检测电路、显示器、存储设备、探头、电源等。结构如图1。

1.2 程序设计模式

1.2.1 状态机

状态机是一种具有有限数目状态的概念机口，它在某个指定时刻仅处于一个状态，而输入事件的状态变化可能引起事件状态的变化，但输出事件可能是任意产生。状态机包含三要素：状态(State)、事件(Event)和动作(Action)[2]。

LabVIEW中，状态机是由三个基本部分构成的，外层是一个while循环，同时在while循环中包含一个条件结构，while循环用于维持状态机的运行，条件结构用于对各个不同状态进行判断，另一部分是移位寄存器，用以将下一个状态传递到下一次循环状态判断中[3]。

1.2.2 生产者/消费者结构

一般的数据采集系统包括数据采集、数据分析和结果显示三步骤。若将这三个步骤通过数据流连接起来，则每采集一次数据都需经过数据分析显示后才能进行第二轮采集，这就导致数据分析时间延迟进而增大数据采集的周期。生产者/消费者结构的数据采集系统，可有效地解决这一问题，它通过并行的方式实现多个循环。一个循环不断地采集数据(生产者)，另一个循环不断地处理数据(消费者)，这两个循环互相通信，但又不产生干涉。同时此结构还可避免数据采集周期与数据分析周期不一致时造成数据的丢失或数据的重复利用等问题。

1.2.3 队列状态机

队列状态机是把要执行的状态排队，然后把它们的状态名存入队列中，队列里的状态名与状态机的各个状态相对应，用来控制状态的转换顺序。执行完的状态，其名称会从队列中删除，同时根据运行时状态的动作和事件，新的状态名又会被添加到队列中。

从图2中可看出，队列状态机主要包括三大部分：事件结构2、状态结构3和并行运行的子程序4．1～4．3，它们通过队列引用1相连接。其具体的功能如下：1.1为获取子程序(4．1～4.3)的状态引用；1.2为通过Dequeue Element VI获取队列中的第一个元素，并从队列中删除该元素；1.3为通过Unbundle By Name VI获得的状态名和数据；1.4为获得的状态名与“EXIT”的比较，判断是否停止循环(相同则停止循环)；1.5为队列管理(Queue Manager)子VI；4.1～4.3和1.1之间是用虚线连接的，虚线意味着这些并行子VI可以通过队列引用和主程序进行“无线”连接，它利用队列引用是队列惟一标识的特性；2.1为前面板动作产生的指令，将所需跳转的状态名称添加到队列中；3.4为Case结构；3.5为程序代码；3.6为下一个状态序列[4]。

2 系统的软件设计

2.1 系统设计原理

由于铁路系统的自身特点，传统电缆故障检测方法可能会给实际工作带来影响，所以一种方便实用且准确性高的铁路信号电缆故障监测与诊断系统就成为迫切需求。它可为铁路信号电缆的故障提供准确适时的报警，以便及时发现并处理，确保铁路系统的安全运行。

设计原理：将某地到某地的已知铁路信号电缆内部每两根分线缆的接头处加入分线电阻，使整个电缆形成一个电阻网络，当给整个电阻网络加上固定电压后，就产生了回路电流，由于故障位置的不同――就会造成某两个分线电阻之间的那段线缆断路，进而造成采集到的回路电流值也不同，我们通过采集电流值的变化就可判断出故障点在哪两个分线电阻之间，这就完成了故障点的定位。

2.2 铁路信号电缆故障检测的系统设计

铁路信号电缆故障检测系统运行之初是一个操作界面，界面上有三个选项卡，分别是电缆基本数据选项卡、测试数据选项卡和历史数据选项卡。通过电缆基本数据选项卡将实际铺设电缆的信息输入保存，在测试数据选项卡中运行程序进行数据采集和故障判断，最后在历史数据选项卡中将需要的历史数据进行保存。所以本系统主要是由以下三个子系统构成的：数据采集子系统、故障判断子系统和信息存储子系统。

2.2.1 数据采集

数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现的灵活的、用户自定义的测量系统[5]。

本系统的数据采集子系统采用的是基于PCI8613数据采集卡的采集系统。由于原先的采集模块只是双通道的，并不利于以后的功能扩展，故需要对其进行优化。原先的采集模块实际上已对已连接的所有通道中的数据进行了采集，只是其方式是在第一通道采集到第一个数据后，便转向第二通道，去采集它的第一个数据，如此循环往复。根据以上原理，我们将所采集到的所有数据全部输出，通过一个数组转换的子VI（见图3）将数据重新整理成原来的形式，如图4所示。随后我们将采集到的数据送入故障判别子系统，对其进行数据分析，来判断是否存在故障点[6]。

2.2.2 故障判别

在故障判别子系统中，以实际信号电缆的铺设信息为依据，通过模拟电缆数据和电流计算两个子VI，构建出回路方程组，并循环计算得出故障点在每两个分线电阻之间时的回路电流值，再将模拟计算出的电流值送入故障比较子VI中[7]，与通过队列状态机模式传过来的实际采集到的电流值进行比对，当两值基本相同时，便可判断出故障点在这两个分线盒之间，将故障点位置的数据信息传递到后面的故障信息显示模块中，把故障点位置在LabVIEW前面板上以信息和图形化的形式显示出来，来为工作人员提供报警和参考信息，从而做到了实时监控的目的。当我们得到故障信息后，便可根据实际需要对故障信息进行存储，为以后查询历史数据提供便利。

2.2.3 信息存储

信息存储子系统是采用LabVIEW数据库连接工具包（Database Connectivity toolkit）进行数据保存、修改、删除和查询，将故障发生的位置、时间以及电流值等信息加以存储，以便我们日后的记录和总结。

3 结束语

本系统利用LabVIEW完成了对信号的采集、显示、分析、保存以及历史数据查询等功能，同时采用队列状态机构建了系统的主体结构。由于LabVIEW和队列状态机自身的特点与优势，使我们从繁琐的程序编写中解脱出来，大大地缩短开发时间，并且易于维护和功能扩充。

参考文献：

[1] National Instruments.LabVIEW User Manual[S] .Texas: National Instruments,2003.

[2] 陈锡辉,张银鸿.LabVIEW 8.2程序设计从入门到精通[M].清华大学出版社,2007.

[3] 刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].电子工业出版社,2003.

[4] 聂影,冯向军.基于LabVIEW 的状态机模型研究[J].计算机测量与控制,2007(15):116-118.

[5] 杨忠仁,饶程.基于LabVIEW 数据采集系统[J].重庆大学学报,2004(2):32-35.

[6] 陈瑁,黄用勤,王永涛.基于虚拟仪器的实时数据采集系统的设计[J].武汉理工大学学报,2007(6):122-124.

[7] 程文,孙金立.基于LabVIEW的航空电缆故障检测系统[J].计算机测量与控制,2009,17(3):446-448.