中山科學研究院應用 NI-PXI 建構台灣輕軌電車即時行控系統

Author(s):
路 非遙 - 中山科學研究院飛彈火箭研究所

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
Data Acquisition, PXI/CompactPCI, LabVIEW, LabWindows/CVI

The Challenge:
欲建構行車儀控實驗室來模擬實際電車之行車控制，將面臨的問題有： 1. 建立一套模組化可快速換裝於實驗室與實際車輛上之嵌入式行控系統，系統需具備 Real-time、多工，與多 I/O 控制 (200 組以上) 功能。 2. 行控系統需要整合 CAN-bus 分散式控制介面、運動控制介面，與訊號擷取等介面。 3. 建立一套符合真實駕駛室面板功能之人機介面。 4. 建立行車安全通報網路。

The Solution:
欲完成即時、多工、模組化，與可靠性高的行控系統，我們使用 NI 的整體解決方案。利用具有豐富函式庫與範例的 LabVIEW 軟體配合 PXI RT Embedded Controller，加上 MAX 提供的硬體整合功能，我們可以即時截取車上超過 200 組的 I/O 訊號，並利用運動控制卡完成各項門機控制，同時 PXI 提供的 CAN-bus 介面卡也完成了 Bus-network 分散式控制的驗證。不但大幅增加使用者的設計彈性，更有效縮短了發展一套高度整合及使用便利的行車控制系統所需要的時間。

中科院飛彈火箭所投入輕軌車輛產業迄今有五年光景，期間完成國內首輛輕軌電車之發展、製造、測試及實車運轉，目前正積極進行第二、三代輕軌電車之研發、測試及改良。目前台灣輕軌電車已成功運轉至第二代車型。有鑒於過去利用 NI 的虛擬儀控在量測及運動控制上的卓越成效，我們進一步利用 NI 的 PXI 系列產品開發設計輕軌電車即時行車控制系統。

本文建立一套與實際輕軌電車相同之行控環境，利用 LabVIEW 開發軟體及人機介面，配合 PXI 具備的 Real-Time 功能並結合運動控制、訊號擷取及 CAN-bus 等介面，發展出一套使用方便、功能齊全的模組化嵌入式行車控制系統。除了成功引進 CAN-bus 分散式控制方式於現行輕軌電車，也大幅改善原本在維修操作上的不便，期望未來導入 GPS 等無線通訊介面後，完成即時行車安全通報網路，讓下一代台灣輕軌電車能以嶄新的面貌與國人見面。

本系統的開發也可運用在任何軌道運輸系統，包括：捷運系統、高鐵系統、台鐵系統；甚至，未來與公車系統整合成智慧型運輸系統 (Intelligent Transportation System，ITS)。

NI 的整體解決方案

CAN-bus 架構，相較於原先所採用行車控制架構來說，可以取代原先在車輛內複雜昂貴且維修不易的硬體接線，可大幅減少連結到行控電腦的 I/O 數目，進而提供快速可靠的連線反應。然而由於目前的輕軌電車是使用 Profibus 來作整個行控系統的資料傳輸，為了降低研發成本及風險，在本文當中我們選擇行車控制當中較關鍵的牽引系統，來作 CAN-bus 的系統驗證，因此在我們引進 CAN-bus 架構的過程當中，必須先找到合適的硬體來配合兩種不同架構的同時存在，這時候 NI 提供一套足以因應我們需求的解決方案：PXI。由系統整合的觀點來看，NI-PXI 不僅可使用 LabVIEW 直接編輯軟體程式，各硬體介面間的操作連結也更加便利，其模組化的設計，除了擁有可程式化邏輯控制器的特性，也讓使用者可以在較複雜嚴苛的環境下來使用。以 PXI 建構的行車控制系統架構如圖所示。

綜合比較

綜合本章所述，茲將本文使用的系統優劣比較表列如下:

項目	NI-Solutions	其他Solutions
設計彈性	可針對系統開發中的技術需求直接修改人機介面及程式並且即時驗證，系統軟硬體搭配從上到下完全整合，無須考慮相容性等問題，擴充性很大。	只能針對現有設備和狀況作測試，無法針對新技術或新設備做系統升級或直接驗證，各式軟硬體搭配、系統整合不易。
軟體開發	LabVIEW 1.      直覺化的使用者介面，以資料流為原則的圖控式語言，同樣具備應有的程式邏輯架構且除錯便利，有效減少開發時間。 2.      針對不同功能提供豐富的函式庫與程式範例，包含功能完整的虛擬儀表人機介面，提供使用者高度的系統整合性與設計彈性。 3.      支援 Real-Time 與多工多緒功能，且程式可跨平台編輯，並完全支援硬體 Real-Time。 Measurement & Automation 1.      方便的使用介面，支援所有 NI 硬體介面調校、監測及管理。 2.      可協助 LabVIEW 進行程式編輯，方便系統整合與測試。	單晶片或DSP晶片程式語言 1.      C 或組合語言，非熟悉靭體架構及其語法的使用者不易使用。 2.      無法提供功能完整的人機操作介面。 3.      軟硬體的編輯調校開發各自獨立，系統整合不易，研發時間較長。 視窗化程式語言 1.      現行主流之程式語言，諸如Visual C++、Visual Basic 等，雖可進行人機畫面之開發，但是入手門檻較高、結構化語言格式彈性較低，對於初學者而言不易短時間上手工作。 2.      對於 Real-Time 以及多工、多執行緒之時間精準度，取決於視窗作業系統與硬體能力，非程式本身所能掌控。
硬體效能	CAN 1.      可支援多種通訊格式，內建 ISO11898 標準型 (11 位元) 和延伸型 (29 位元) CAN 仲裁域訊息框架。 2.      提供三種 (PCI、PXI、PCMCIA) 傳輸介面並包含兩個通訊埠可同時作業。 3.      MAX 提供直覺化的 CAN 訊息碼編輯介面，並提供相關檢測功能。 4.      MAX 內建 Bus monitor 功能，無須另外添加硬體設備。 5.      可支援軟硬體 Real-time。 Motion 1.      可支援多達八軸的伺服控制。 2.      MAX 可支援馬達如 PID 等參數的調校。 3.      可支援軟硬體 Real-Time。 DAQ 及 I/O 1.      利用虛擬儀表支援多頻道的訊號擷取和 I/O 通道，可減少硬體開支與空間。 2.      MAX 可支援訊號檢測。 3.      可支援軟硬體 Real-Time。	Profi-bus 1.      傳輸速率及距離不及 CAN-bus。 2.      I/O 數目很多，不利於車輛中嵌入式行控系統之訊號傳輸及控制。 運動控制 1.      運動控制卡種類繁多，調校與系統整合較無系統化。 2.      程式撰寫需配合不同硬體間的功能差異。 訊號擷取及 I/O 1.      數種硬體訊號擷取整合不易，成本也較高。 2.      程式撰寫需配合不同硬體間的功能差異。
硬體所佔空間體積	PXI 模組化的設計，可充分提供硬體介面整合及擴充空間，可靠度高，節省空間，降低成本。	非模組化硬體，不易整合、維修、擴充或升級。

人機介面：

除了 PXI 提供完整的硬體整合介面外，LabVIEW 進一步提供方便而快速的程式編輯與使用者介面。為了完成下一代輕軌電車行控系統的研製，我們利用 LabVIEW 建立出一個與符合實際駕駛台功能的模擬駕駛台，由於圖形化的編輯模式十分便利，因此我們可以很快的測試驗証所欲變更或改善的功能，對於任何一位接手此套系統的工程師而言皆可快速上手；更值得一提的是，我們可以根據模擬駕駛台所驗証完成的項目來設計真正駕駛台所需具備的功能，除了可以有效降低研發時的硬體成本，更大幅增加工程師的設計彈性，對於長期使用 NI 做為量測及自動化設備的使用者來說，這是一項額外的收穫。

結論：

在發展台灣輕軌電車的過程中，各次系統之間的訊號整合與響應效能是我們不斷面臨的問題。所幸 NI-PXI 提供了一個完整且具有擴充性的工作平台，讓研發的腳步可以更加順利。圖二十是整個行控模擬實驗室的實際配置狀況，我們成功的利用 LabVIEW 及 PXI 系統完成了 CAN-bus 模組的控制，車上眾多的模擬訊號與門機系統等馬達的運動控制皆可在一定的時序內完成動作，Real-Time 功能的運作也方便我們將整套系統直接應用在實際車輛上。整體而言，NI 的產品成功的協助我們快速整合，並有效開發新一代的輕軌電車行控系統。預料未來以 NI-PXI 其強大的功能整合介面，仍會在台灣輕軌系統當中扮演重要的角色。

未來方向：

未來，為了有效減少直接連結到行控電腦的 I/O 數目，CAN-bus 網路介面的完整開發是一個重要的目標。除了 NI-CAN 在行控電腦端提供的介面外，每個受控端也需要有 CAN 控制器的配合才能完成整個 CAN 網路的順利運作，因此整個行控系統的通訊碼制定以及控制器介面整合，都將是下一個階段的研發重點；另外，針對實際行車狀況而言，以硬碟做為系統運作與資料儲存的 PXI 控制器會衍生出可靠度問題。因此實際車輛上的行車電腦預料將使用 PXI-8145 RT 控制器，以 Compact Flash 卡來取代使用硬碟時先天機械構造所產生的問題。

最後，一個全面且有效的行程監控與安全處理機制，對於以完全開放式 C 型路權作為考量的台灣輕軌電車來說是必要的。因此精準的全球定位系統 GPS 整合介面，以及透過 NI-FieldPoint 亦或 GPRS 系統無線傳送即時車況的行車資訊通報系統，也將導入儀控系統當中，使行車管制中心能夠有效掌握各個車次資訊。

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
路 非遙
中山科學研究院飛彈火箭研究所

Browse All Case Studies »