于 濤，伍川輝，鄧 越，楊 崗，李恒奎

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266111)

0 引言

動車運(yùn)行過程中對于軸承的狀態(tài)監(jiān)測可以幫助列車駕駛?cè)藛T分析列車狀態(tài)，規(guī)避運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[1]。目前，我國動車監(jiān)測采用雙線制Pt100溫度傳感器進(jìn)行測量，存在監(jiān)測精度誤差大的問題[2]。為此，本文針對動車組軸溫監(jiān)測準(zhǔn)確性要求不斷提升的問題，設(shè)計(jì)了基于STM32的軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。通過安裝在列車轉(zhuǎn)向架軸端的雙路冗余四線制Pt100溫度傳感器分別獲取多路車軸軸承溫度，利用多個STM芯片進(jìn)行軸溫?cái)?shù)據(jù)的內(nèi)部傳輸和存儲，配合以太網(wǎng)交換芯片將軸溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送至列車控制與管理系統(tǒng)，在軸溫?cái)?shù)據(jù)異常情況下判斷異常原因，做出預(yù)警和報(bào)警。

1 軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)要求快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確、高性價(jià)比等特點(diǎn)：要求設(shè)備能快速對多路輸入的軸溫進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對軸承的狀態(tài)監(jiān)測，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理和上傳列車管理系統(tǒng)[3]；要求設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行并可以正確對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲和通信[4]；要求設(shè)備可以準(zhǔn)確地使用列車以太網(wǎng)，與列車管理系統(tǒng)通信[5]；同時要滿足盡可能高的性價(jià)比，降低整機(jī)成本。

基于以上性能要求，本軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)主要由主控模塊、電源模塊、溫度檢測模塊、CAN通信模塊、存儲模塊與以太網(wǎng)通信模塊構(gòu)成。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

外部連接的傳感器會通過不同的獨(dú)立接線位置，連接到溫度檢測模塊的不同通路上，完成對于多通道的溫度信號采集；列車供給的電能經(jīng)過電源模塊的轉(zhuǎn)換，給整體系統(tǒng)供電；CAN通信為多個溫度檢測模塊與通信模塊提供信息傳輸?shù)耐ǖ?；通信模塊將整體的檢測數(shù)據(jù)打包發(fā)送至列車管理系統(tǒng)。

2 軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊是整個檢測系統(tǒng)的核心器中，起到數(shù)據(jù)處理和控制的作用。通信板卡的主控模塊使用STM32F407ZGT6作為主控芯片。這款芯片基于ARM Cortex M4架構(gòu)，支持以太網(wǎng)10/100 Mbps接口，配合以太網(wǎng)PHY芯片可與列車的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信[6]。溫度檢測板卡的主控模塊選擇STM32F103RET6。它基于ARM Cortex M3架構(gòu)，擁有片內(nèi)ADC、FLASH、UART等片上資源，簡化了監(jiān)測系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和固件程序開發(fā)流程[7]。

這兩款芯片的基礎(chǔ)外圍電路由外部晶振時鐘電路、復(fù)位電路、SWD程序燒錄電路和存儲電路組成。圖2為溫度檢測板卡的總體框圖，圖3為通信板卡的總體框圖。

圖2 溫度檢測板卡總體框圖

圖3 通信板卡總體框圖

2.2 電源模塊

軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)采用列車上的DC 110 V進(jìn)行供電，內(nèi)部使用DC-DC電源模塊URB1D24LMD-20WR3模塊將DC 110 V直流電降壓至24 V，再將24 V電壓降低，利用不同的DC電源芯片，轉(zhuǎn)換成監(jiān)測系統(tǒng)中所有芯片所需要的電壓，如5 V的模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片電源，3.3 V的板卡主處理器電源等[8]。URB1D24LMD-20WR3是DC-DC電源模塊，能將40～160 V的直流電轉(zhuǎn)換為電壓為24 V、功率為20 W的直流電，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)86%。同時，該模塊帶有欠壓保護(hù)，輸出出現(xiàn)過流、短路、過壓保護(hù)等功能，能較好地應(yīng)對供電中的大部分異常情況，在72～110 V的鐵路車載電子設(shè)備有大量的應(yīng)用。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示。

圖4 URB1D24LMD-20WR3電源模塊電路圖

2.3 采集電路設(shè)計(jì)

本軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)采集電路主要進(jìn)行多路列車軸溫輸入的采集。結(jié)合CRH多種車型已有的軸溫監(jiān)測方案，最終確定使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1248對四線制Pt100溫度傳感器進(jìn)行測量[9]。溫度傳感器封裝在與之配套的接觸式軸溫監(jiān)測探針中。ADS1248是具有24位精度的低噪聲的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它的A/D轉(zhuǎn)換速率能達(dá)到2 KSPS。芯片共28個引腳，提供了8個通用的I/O口和2個單獨(dú)的電流源輸出口，內(nèi)部還包括多路選擇開關(guān)，對其配置可切換采集的通道；低噪聲可編程放大器支持放大128倍，對于采集微弱信號有著明顯的效果。在使用時，STM32芯片通過串行外設(shè)接口(SPI)總線與ADS1248進(jìn)行通信。ADS1248利用恒流源對Pt100進(jìn)行供電，再將電壓差分信息傳出，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。ADS1248的接口電路如圖5所示。

圖5 ADS1248接口電路圖

采集系統(tǒng)的框圖如圖6所示，通過對其進(jìn)行試驗(yàn)證明，該芯片能夠滿足對多路軸溫?cái)?shù)據(jù)采集的速度和精度要求，可用于此軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。

圖6 ADS1248采集電路框圖

2.4 通信電路設(shè)計(jì)

本軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)通信電路包括CAN總線通信和列車通信網(wǎng)絡(luò)通信，這兩種方式協(xié)調(diào)合作，共同對軸溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時傳遞[10]。其中CAN總線通信電路負(fù)責(zé)將多個采集板卡的多路軸溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送至通信板卡上，進(jìn)行數(shù)據(jù)整合與存儲。而列車通信網(wǎng)絡(luò)用來讓通信板卡與列車管理系統(tǒng)建立連接，實(shí)時交換軸溫采集結(jié)果，并在軸溫異常時進(jìn)行報(bào)警。多通信方式協(xié)同合作，使整個軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)具有傳輸速度較快、信號穩(wěn)定、延遲較低、傳遞數(shù)據(jù)差錯少等特性。

CAN總線的通信采用CAN隔離收發(fā)芯片TD301DCANHE。這款芯片的主要功能是將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換為符合CAN協(xié)議的差分電平，并實(shí)現(xiàn)信號隔離的功能；芯片的制造采用了IC集成化技術(shù)，做到了對于電源的隔離、CAN信號的隔離、CAN總線數(shù)據(jù)的收發(fā)和總線的保護(hù)；同時具有低電磁輻射和高抗電磁干擾性，適合在本監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)中使用。板卡上的CAN通信電路如圖7所示。

圖7 CAN總線通信電路圖

列車通信網(wǎng)絡(luò)通信選用常見的百兆以太網(wǎng)芯片LAN8720A。該芯片是支持10 Mbps和100 Mbps通訊速度的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器；芯片內(nèi)部具有PHY功能，符合IEEE802.3-2005網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；與F4系列MCU內(nèi)部集成的以太網(wǎng)外設(shè)使用引腳連接，進(jìn)行通信，并且有專用的DMA控制器，保證數(shù)據(jù)傳遞的實(shí)時性，適合在鐵路車載電子設(shè)備上使用。整體的通信電路框圖如圖8所示。

圖8 LAN8720A電路圖

3 軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的軟件是基于RT-Thread嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。RT-Thread操作系統(tǒng)是來自中國的開源免費(fèi)的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，具有豐富的組件、軟件包和極好的擴(kuò)展性，遵循GPLv2+許可協(xié)議[11]。RT-Thread 操作系統(tǒng)包含多種功能模塊：finsh 控制臺、I/O設(shè)備管理、通用外設(shè)接口、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)框架等模塊[12]。RT-Thread 操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是體積小、實(shí)時性高、成本低、占用資源比較小、低功耗、內(nèi)核可剪裁[13]。綜上，本軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)選用RT-Thread作為整個系統(tǒng)的軟件操作平臺。

軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的軟件部分主要包括2個板卡各自的軟件代碼。在2個板卡上各任務(wù)線程分別完成各自的功能，并同時協(xié)作，完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

3.1 溫度檢測板卡檢測流程

溫度檢測板卡開始運(yùn)行后，RT-Thread系統(tǒng)首先對使用的外設(shè)進(jìn)行初始化，并進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)核的初始化。隨后創(chuàng)建ADS1248采樣線程，溫度處理線程和CAN發(fā)送線程，分配對應(yīng)的優(yōu)先級，并調(diào)度它們運(yùn)行。之后的流程中對多路傳感器進(jìn)行采樣，整理成對應(yīng)的溫度后放入緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)體。如果數(shù)據(jù)符合軸溫預(yù)警的條件，便將緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)體中對應(yīng)的報(bào)警數(shù)據(jù)位置為1，隨后調(diào)用CAN通信任務(wù)將緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)體發(fā)送至通信板卡。具體的軟件操作流程如圖9所示。

圖9 溫度板卡運(yùn)行流程圖

3.2 通信任務(wù)

通信板卡運(yùn)行時，首先初始化外設(shè)和RT-Thread操作系統(tǒng)。隨后創(chuàng)建CAN接收線程、數(shù)據(jù)處理線程和TRDP發(fā)送線程。CAN接收線程將溫度檢測板卡發(fā)送的CAN報(bào)文存儲到對應(yīng)序號的結(jié)構(gòu)體。數(shù)據(jù)處理線程會檢查數(shù)據(jù)包的報(bào)警位和數(shù)據(jù)正確性，隨后將數(shù)據(jù)按照TRDP協(xié)議的要求進(jìn)行封包，最后調(diào)用TRDP發(fā)送線程進(jìn)行發(fā)送。具體的軟件流程如圖10所示。

圖10 通信板卡運(yùn)行流程圖

4 軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)性能分析

本文基于STM32的列車軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)要求軸溫監(jiān)測精度為±2 ℃。列車各監(jiān)測點(diǎn)溫度隨列車運(yùn)行時間增加，會出現(xiàn)不同程度的溫升，為驗(yàn)證軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的工作性能，對實(shí)際使用的軸溫傳感器進(jìn)行不同溫度下的模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)中監(jiān)測系統(tǒng)對8路四線制傳感器進(jìn)行采樣，采樣頻率為50 Hz，并使用六類雙屏蔽網(wǎng)線連接計(jì)算機(jī)，抓取傳輸數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中，采集系統(tǒng)輪流對傳感器進(jìn)行采樣，在內(nèi)部計(jì)算和打包后經(jīng)過以太網(wǎng)芯片發(fā)送。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，溫度檢測結(jié)果的打印截圖如圖11所示。利用計(jì)算機(jī)對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的捕獲截圖如圖12所示。

圖11 溫度檢測打印截圖

圖12 以太網(wǎng)通信捕獲截圖

動車中對于軸承溫度的檢測范圍是-40～215 ℃，因此在這個溫度范圍內(nèi)確定了5組檢測點(diǎn)，對理論性能和實(shí)際性能進(jìn)行比較。經(jīng)過對傳感器組的多次測量，測試結(jié)果整理如表1所示。由表1可知，整體設(shè)計(jì)的軸溫監(jiān)測系統(tǒng)測溫性能穩(wěn)定，在測溫范圍內(nèi)誤差在±1 ℃內(nèi)，完成了對目標(biāo)的高精度測溫，并且數(shù)據(jù)正確發(fā)送至外部接收設(shè)備。試驗(yàn)結(jié)果表明：重復(fù)測量多次得到的數(shù)據(jù)達(dá)到監(jiān)測精度要求，延遲低，該系統(tǒng)能滿足實(shí)際應(yīng)用和工程測量要求。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 ℃

5 結(jié)束語

為了能夠?qū)崟r監(jiān)測列車軸溫?cái)?shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了基于STM32的軸溫監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，配合四線制Pt100溫度傳感器和列車以太網(wǎng)總線，能夠?qū)α熊嚩嗦份S溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，并上傳至列車控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)的監(jiān)測效果較好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，提高了監(jiān)測效率。