基于STM32的客車軸報(bào)聯(lián)網(wǎng)檢測試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

劉付剛，宮丹丹，王重宇

(黑龍江科技大學(xué) 電信學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

鐵路運(yùn)輸是我國重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，也是資源和環(huán)境友好型的運(yùn)輸方式之一，在我國具有重要的地位和作用. 目前，我國鐵路的運(yùn)輸效率、 貨物發(fā)送量、 運(yùn)輸密度和旅客周轉(zhuǎn)量均居世界首位，國內(nèi)旅客周轉(zhuǎn)量占全社會旅客周轉(zhuǎn)量的1/3以上，國內(nèi)貨物周轉(zhuǎn)量占全社會貨物周轉(zhuǎn)量的55%以上. 鐵路運(yùn)輸事業(yè)的頭等大事是行車安全，作為影響車輛安全的關(guān)鍵設(shè)備，客車軸承性能狀態(tài)的監(jiān)測尤為重要[1-4]. 當(dāng)有異常升溫時(shí)，則說明軸承運(yùn)用條件惡化，潤滑條件變壞，造成軸承零件變形，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，會導(dǎo)致嚴(yán)重的行車事故[5]. 故在列車運(yùn)行期間，需要通過軸溫監(jiān)測報(bào)警器(簡稱“軸報(bào)”)來實(shí)時(shí)監(jiān)測轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的軸承以及輪對軸承的溫度[6]，實(shí)現(xiàn)對軸承的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，避免因軸承溫度過高引起列車脫軌事故. 目前Liu提出了一種新型軸溫監(jiān)測系統(tǒng)，解決了異常值、 缺失值等問題，降低了誤報(bào)率[7]； 曹源等提出了基于動態(tài)時(shí)間規(guī)整(Dynamic Time Warping,DTW)的車輛軸溫監(jiān)測方法，監(jiān)測了軸溫狀態(tài)，消除了由于軸溫跳邊等因素對軸溫狀態(tài)監(jiān)測的影響[8]； 劉泉龍針對軸溫報(bào)警裝置在運(yùn)用過程中出現(xiàn)的易發(fā)故障，分析了誤報(bào)警故障原因，并提出了相應(yīng)的處置措施[9]. 本文針對目前使用的各型號軸溫監(jiān)測報(bào)警器，通過單片機(jī)模擬溫度數(shù)據(jù)的方式設(shè)計(jì)了軸報(bào)聯(lián)網(wǎng)檢測試驗(yàn)臺，可以一次對20臺軸報(bào)的性能進(jìn)行檢測，大大提高了產(chǎn)品檢測檢修的效率.

1 試驗(yàn)臺總體設(shè)計(jì)方案

目前服役于列車運(yùn)行的軸溫報(bào)警檢測器為雙控制器嵌入式設(shè)備. 如圖1 所示，控制器(MCU)A 采集各軸位的溫度數(shù)據(jù)，控制器(MCU)B與驅(qū)動ST7540電力載波芯片[10]進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將數(shù)據(jù)上傳到電力載波總線上，并與其它設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.

圖1 軸報(bào)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)模型

根據(jù)圖1 軸報(bào)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種能夠在軸報(bào)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下檢測各功能指標(biāo)的試驗(yàn)臺，根據(jù)(鐵總運(yùn)[2015]29號)文件要求，試驗(yàn)臺可接入的軸報(bào)設(shè)備不大于20臺，故設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺接口數(shù)為20個(gè). 該試驗(yàn)臺所要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1)自動識別軸報(bào)上的車廂順位號是否重號；

2) 一臺軸報(bào)設(shè)備發(fā)生報(bào)警時(shí)，聯(lián)網(wǎng)的所有軸報(bào)設(shè)備均報(bào)警并顯示報(bào)警設(shè)備源；

3) 報(bào)警設(shè)備消音后，該軸報(bào)設(shè)備仍報(bào)警提示，但其它軸報(bào)設(shè)備報(bào)警音消除；

4) 若兩臺軸報(bào)設(shè)備同時(shí)報(bào)警，聯(lián)網(wǎng)軸報(bào)設(shè)備交替顯示兩處報(bào)警源；

5) 聯(lián)網(wǎng)軸報(bào)設(shè)備的記錄儀工作時(shí)長不少于30 min，可通過儲存卡下載數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄間隔時(shí)間為10 min.

根據(jù)以上功能，試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)的方案框圖如圖2 所示，試驗(yàn)臺通過上位機(jī)將二進(jìn)制車廂順位號，軸位號，軸溫這些數(shù)據(jù)通過串口送至處理器1，處理器1將二進(jìn)制的軸溫等數(shù)據(jù)變成模擬溫度值，上傳至軸報(bào)設(shè)備的(MCU)A，隨后(MCU)A將這些數(shù)據(jù)傳遞給(MCU)B，通過(MCU)B中的ST7540芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，使軸溫?cái)?shù)據(jù)變成電力載波信號并送至組網(wǎng)的總線上； 處理器2通過驅(qū)動ST7540芯片將組網(wǎng)總線中的數(shù)據(jù)獲取下來，進(jìn)行解調(diào)，將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理.

圖2 試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)方案框圖Fig.2 Block diagram of test bed design scheme

2 試驗(yàn)臺主板電路設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺主板主要電路有電源模塊、 MCU模塊、 數(shù)據(jù)上傳模塊、 通信模塊.

2.1 電源模塊

根據(jù)列車軸報(bào)的供電需求，本系統(tǒng)所需電源主要有DC-48V, DC-10V, DC-5V.

圖3 電源模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of power module

其中DC-48V為20套軸報(bào)設(shè)備供電[11]，DC-10V為ST7540電力載波模塊供電，DC-5V為主板供電. 為減小主板設(shè)計(jì)體積和符合機(jī)車電源要求，以上電源供電均直接采用軸報(bào)系統(tǒng)供電模塊. 另外，主板單片機(jī)芯片DC-3.3V為DC-5V通過芯片1117-3.3V轉(zhuǎn)換得到，電路圖如圖3 所示.

2.2 MCU模塊

MCU模塊由STM32F103R8T6及其輔助電路等組成，該處理器資源豐富，能對多個(gè)操作并行執(zhí)行，滿足設(shè)計(jì)的要求[12]. 在本設(shè)計(jì)中采用雙核控制系統(tǒng)，單獨(dú)使用上位機(jī)不能實(shí)現(xiàn)與軸溫報(bào)警器直接通信，此模塊采用的雙核系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成了軸溫報(bào)警器與上位機(jī)之間的通信，由(MCU)A直接傳輸軸溫報(bào)警器的溫度數(shù)據(jù)，(MCU)B通過驅(qū)動電力載波芯片實(shí)現(xiàn)軸溫報(bào)警器之間的正常通信，實(shí)現(xiàn)軸溫報(bào)警器聯(lián)網(wǎng)功能. MCU模塊電路如圖4 所示.

(a) 處理器1與軸報(bào)連接(b) 處理器2與總線連接圖4 MCU模塊電路圖Fig.4 MCU module circuit diagram

2.3 數(shù)據(jù)上傳模塊

處理器與軸溫報(bào)警器之間的通信需要的數(shù)據(jù)線高達(dá)180路，僅靠單個(gè)處理器無法實(shí)現(xiàn)，為節(jié)約接口資源和設(shè)計(jì)成本，本系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)單個(gè)MCU控制74HC138和SN245級聯(lián)的電路，實(shí)現(xiàn)了29路 IO口對180個(gè)軸位溫度模擬數(shù)據(jù)的上傳. 具體實(shí)現(xiàn)原理如圖5 所示.

圖5(a) 中T/R_UA端連接(MCU)A中的IO口，MCU控制A，B，C輸入狀態(tài)，決定輸出狀態(tài)，輸出引腳連接圖5(c)中SN245的傳輸方向選擇端OE. 圖5(b)中OE_UA端連接(MCU)A中的IO口，MCU控制A，B，C輸入狀態(tài)，決定輸出狀態(tài)，輸出引腳連接圖5(c)中SN245的使能端OE.

(a) 3-8譯碼器選擇SN245傳輸方向

(b) 3-8譯碼器使能SN245

(c) SN245工作原理圖圖5 數(shù)據(jù)上傳模塊電路圖Fig.5 Data upload module circuit diagram

2.4 通信模塊

試驗(yàn)臺通信模型如圖6 所示，上位機(jī)與處理器采用RS485通信協(xié)議，軸報(bào)設(shè)備與上位機(jī)之間采用電力載波FSK調(diào)制方式[12]進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)交互形成回環(huán). 上位機(jī)通過RS485通信模式[13]將控制指令傳送給處理器1，處理器1按照具體指令配合數(shù)據(jù)上傳模塊的控制協(xié)議將溫度模擬數(shù)據(jù)傳送至指定的各軸報(bào)設(shè)備； 處理器2通過ST7540芯片對電力載波總線上的模擬數(shù)據(jù)信號進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)[14].

圖6 試驗(yàn)臺通信模塊原理圖Fig.6 Test bed communication module schematic diagram

3 試驗(yàn)臺軟件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)臺選用單片機(jī)STM32F103R8T6為主控芯片，通過Keil MDK軟件[15]編程來完成軸溫報(bào)警器與上位機(jī)、 上位機(jī)與處理器之間的信息交互，從而實(shí)現(xiàn)對軸溫報(bào)警器的性能進(jìn)行檢測. 圖7 所示為該試驗(yàn)臺軟件設(shè)計(jì)流程圖.

流程圖中需要傳輸?shù)挠行畔⒂?個(gè)： 車廂順位號(1-20)、 軸位號(1-9)、 和溫度信息(0-125). 在發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要判斷軸報(bào)設(shè)備的型號，不同型號的軸報(bào)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時(shí)需要不同的傳輸方式，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，來保證傳輸數(shù)據(jù)的完整性[16]. 處理器2主要負(fù)責(zé)對總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取以及向總線上傳輸數(shù)據(jù). 在對參數(shù)進(jìn)行初始化之后，判斷串口是否處于接收狀態(tài)，若是，則把接收到的數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)，若不是，則需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，然后使能串口發(fā)送，將數(shù)據(jù)發(fā)送到FSK電力載波總線上.

另外，本試驗(yàn)臺使用Visual Studio軟件開發(fā)上位機(jī)軟件，上位機(jī)界面如圖8 所示. 上位機(jī)通過RS485通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)主板的簡單通信和控制，并對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理，完成檢測記錄、 報(bào)表、 記錄查詢、 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析以及報(bào)表打印等功能.

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖8 上位機(jī)界面顯示樣圖Fig.8 PC interface display sample figure

4 試驗(yàn)臺綜合測試

軸溫報(bào)警設(shè)備、 處理器1、 處理器2以及上位機(jī)聯(lián)接在一起的平臺，實(shí)現(xiàn)軸報(bào)聯(lián)網(wǎng)，并檢測軸溫報(bào)警器的性能是否處于正常狀態(tài). 因旅客列車最大編組不超過20輛，故該平臺最大可接入控制顯示器數(shù)量不大于20臺，當(dāng)上位機(jī)向處理器發(fā)送數(shù)據(jù)后，該試驗(yàn)臺又將上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)，以便檢測軸報(bào)設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài). 返回?cái)?shù)據(jù)如下所示(所示數(shù)字均為16進(jìn)制數(shù))：

FF FF FD FE 01 86 36 79 15 19 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 00 FF EE B8 FF

FF FF FD FE 02 64 45 36 75 B5 20 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 00 FF DE B8 EF

FF FF FD FE 03 3A 45 30 19 B5 B5 21 B5 B5 B5 B5 B5 B5 00 FF C5 B8 7F

FF FF FD FE 04 B9 60 80 58 B5 B5 B5 22 B5 B5 B5 B5 B5 00 FF 04 F0 ED

FF FF FD FE 05 E7 41 10 36 B5 B5 B5 B5 23 B5 B5 B5 B5 00 FF DB E8 FF

FF FF FD FE 06 E7 37 54 37 60 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 A0 FF 98 F0 FF

FF FF FD FE 06 E7 37 54 37 60 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 AA FF 98 F0 FF

FF FF FD FE 06 E7 37 54 37 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 00 FF 98 F0 FF

從上述返回?cái)?shù)據(jù)即可得到：

1號車廂的1號軸位的軸溫為23度，表明軸報(bào)設(shè)備無報(bào)警無消音.

2號車廂的2號軸位的軸溫為32度，表明軸報(bào)設(shè)備無報(bào)警無消音.

3號車廂的3號軸位的軸溫為33度，表明軸報(bào)設(shè)備無報(bào)警無消音.

4號車廂的4號軸位的軸溫為34度，表明軸報(bào)設(shè)備無報(bào)警無消音.

5號車廂的5號軸位的軸溫為35度，表明軸報(bào)設(shè)備無報(bào)警無消音.

6號車廂的1號軸位的軸溫為96度，表明軸報(bào)設(shè)備有報(bào)警且無消音.

前6組數(shù)據(jù)的出現(xiàn)表明這6個(gè)軸溫報(bào)警設(shè)備性能正常，無異常情況發(fā)生. 最后一組數(shù)據(jù)表明從上位機(jī)返回的數(shù)據(jù)中，未包含軸溫等有用信息.

當(dāng)測試過程中有異常情況出現(xiàn)時(shí)，即上位機(jī)返回的數(shù)據(jù)異常時(shí)，首先需要檢查軸報(bào)設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài). 若軸報(bào)設(shè)備是非正常工作，只需更換正常工作的軸報(bào)即可； 若軸報(bào)設(shè)備正常工作，此時(shí)需要檢查接線電路是否有斷路、 短路的現(xiàn)象，還要注意電路要防干擾，否則測試結(jié)果容易出現(xiàn)異常. 若軸報(bào)設(shè)備和接線部分均無異常，則表明數(shù)據(jù)上傳和通信部分有問題待改進(jìn)，需修改數(shù)據(jù)上傳和通信的程序部分.

5 結(jié) 論

該試驗(yàn)臺打破了傳統(tǒng)的利用傳感器對客車軸承進(jìn)行測溫而后再對軸報(bào)的性能進(jìn)行檢測的做法，直接通過上位機(jī)把模擬的有效信息(車廂順位號、 軸位號、 溫度信息)利用RS485通信協(xié)議傳輸至處理器1，隨后處理器1通過單總線協(xié)議將模擬的溫度等信息傳輸至軸報(bào)中的(MCU)A，軸報(bào)中的(MCU)B通過驅(qū)動電力載波芯片實(shí)現(xiàn)軸溫報(bào)警器聯(lián)網(wǎng)功能，處理器2則向總線上傳輸數(shù)據(jù)以及將總線上的數(shù)據(jù)獲取至上位機(jī)，從而通過對返回的軸溫等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理，來查找故障軸報(bào)，以確保行車安全.

本試驗(yàn)臺可同時(shí)接入20臺軸報(bào)控制顯示器，大幅度提高了軸報(bào)產(chǎn)品檢測檢修的效率，并且實(shí)現(xiàn)了軸溫報(bào)警器系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信的功能，可集中觀察軸溫報(bào)警器的測溫狀況、 溫升報(bào)警功能. 從而達(dá)到系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線對軸報(bào)設(shè)備的性能進(jìn)行檢測，為鐵路客車運(yùn)輸安全提供堅(jiān)實(shí)的保障.