基于ＴＭＳ３２０Ｆ２４０的紅外線設(shè)備遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉建明　王侃偉　馬　鳴

摘 要：在鐵路安全運(yùn)輸工作中，紅外線探測(cè)設(shè)備的故障判別及處理在紅外管理占有非常重要的地位，紅外故障判別和處理主要以人工分析方式為主，存在著紅外設(shè)備使用率降低等弊端。提出一種實(shí)現(xiàn)紅外設(shè)備故障報(bào)警以及控制自動(dòng)化方法，包括磁頭檢測(cè)、探頭檢測(cè)、通道檢測(cè)等功能，并首次提出采用電子羅盤(pán)對(duì)磁頭位姿進(jìn)行檢測(cè)，在實(shí)際故障診斷中具有實(shí)際意義，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到滿意效果。

關(guān)鍵詞：故障檢測(cè)；嵌入式；磁頭檢測(cè)；電子羅盤(pán)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)03-186-04

Design and Realization of Infrared Equipment

Long-distance Alarm System Based on TMS320F240

LIU Jianming WANG Kanwei2,MA Ming3

(1.Shaanxi Province Electronic Products Examination Institute,Xi′an,710004,China;

2.Northwestern Polytechnical University,Xi′an,710072,China;

3.Shaanxi Province Public Security Department,Xi′an,710004,China)

Abstract：In the railway safety-transportation,fault estimation and disposal of the infrared detecting equipment plays a very important role in infrared management.The infrared fault is mainly distinguished and deposed by manual analysis,so it brings out many disadvantages,for example,the infrared equipment runs inefficiently.A method of infrared fault alarm and control automation,including magnetism-head detection,probe detection and channel detection functions are proposed,the electronic compass is first applied to detect the magnetic head position posture.It is very significant for the practical fault detection,the satisfactory effect is achieved by experimental verification.

Keywords：fault detection;embedded;magnetism-head detection;electronic compass

0 引 言

鐵路車(chē)輛紅外線軸溫探測(cè)技術(shù)是近二、三十年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)，主要應(yīng)用在防止客貨列車(chē)燃切軸事故上，特別是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)二代機(jī)軸溫探測(cè)技術(shù)是一門(mén)集工程控制、信息網(wǎng)絡(luò)及自動(dòng)化控制的新興技術(shù)，它對(duì)防止客貨列車(chē)燃切軸事故，保證行車(chē)安全起到了重要的作用。

紅外線軸溫探測(cè)二代機(jī)技術(shù)主要是將各個(gè)探測(cè)站采集到的軸溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行熱軸判別和處理后，通過(guò)電務(wù)通道上傳至信息監(jiān)測(cè)中心和查詢終端，其中計(jì)算機(jī)完成的主要功能是對(duì)軸溫探測(cè)流水?dāng)?shù)據(jù)、熱軸流水?dāng)?shù)據(jù)的處理，但隨著紅外技術(shù)的不斷發(fā)展和紅外管理工作的進(jìn)一步規(guī)范，特別是隨著紅外線在保證鐵路行車(chē)安全的作用和地位的提高，如何及時(shí)快速處理紅外設(shè)備故障以及快速準(zhǔn)確判斷紅外設(shè)備故障，成為目前紅外工作的重要組成部分，僅僅通過(guò)對(duì)軸溫探測(cè)的流水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)判斷故障已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足紅外管理運(yùn)用工作的需求，必須將相關(guān)的紅外設(shè)備故障通過(guò)故障報(bào)警系統(tǒng)自動(dòng)判別后通知相關(guān)人員進(jìn)行快速處理。

1 概 述

在鐵路安全運(yùn)輸工作中，紅外線探測(cè)設(shè)備的故障判別及處理在紅外管理占有非常重要的地位，長(zhǎng)期以來(lái)，紅外故障判別和處理主要以人工分析方式為主，存在著紅外設(shè)備使用率降低等弊端。隨著紅外工作的進(jìn)一步規(guī)范和強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)紅外設(shè)備故障報(bào)警以及控制自動(dòng)化，從人控轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)控已成為紅外故障處理的必然趨勢(shì)。

紅外線設(shè)備遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)，是利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)紅外線設(shè)備復(fù)位，可實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外線設(shè)備的無(wú)人檢測(cè)遠(yuǎn)程報(bào)警，遠(yuǎn)程控制紅外線設(shè)備，機(jī)房熱分機(jī)啟動(dòng)等，以保證紅外線設(shè)備的正常工作，該設(shè)備極大地提高了紅外線設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性及設(shè)備故障的及時(shí)性，極大地提高了行車(chē)保安設(shè)備的安全性。

2 本系統(tǒng)主要完成功能

紅外線遠(yuǎn)程智能遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)是采用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警，與圖像監(jiān)控等手段相結(jié)合，能夠準(zhǔn)確快速地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障報(bào)警，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

本系統(tǒng)由兩部分組成：紅外線探測(cè)點(diǎn)和車(chē)輛段監(jiān)控系統(tǒng)。

紅外線探測(cè)點(diǎn)由單片機(jī)及Modem撥號(hào)，短距離無(wú)線通訊等部分組成，在系統(tǒng)滿足可靠性和通用性的前提下，紅外線探測(cè)點(diǎn)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的故障報(bào)警自動(dòng)化。

(1) 對(duì)紅外設(shè)備的磁頭故障(包括磁頭損壞、丟失、磁頭磁性不穩(wěn)定等)進(jìn)行自動(dòng)遠(yuǎn)程報(bào)警。

(2) 對(duì)主輔機(jī)的通訊故障(不接車(chē))進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，若為設(shè)備死機(jī)造成的故障，可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制設(shè)備復(fù)位。

(3) 對(duì)紅外中心通訊故障或停電故障進(jìn)行自動(dòng)遠(yuǎn)程報(bào)警。

(4) 可對(duì)附加的其他設(shè)備的工作或關(guān)閉進(jìn)行遠(yuǎn)程控制(如電扇、空調(diào)、掃雪器等)。

(5) 人員安全報(bào)警，當(dāng)檢修人員在探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)火車(chē)接近進(jìn)行報(bào)警，可保證檢測(cè)人員人身安全。

(6) 對(duì)房屋內(nèi)人員的非法入侵進(jìn)行自動(dòng)遠(yuǎn)程報(bào)警。

(7) 采用攝像拍攝的方法進(jìn)行監(jiān)控，具有動(dòng)態(tài)檢測(cè)進(jìn)行報(bào)警功能，可實(shí)現(xiàn)人員入侵動(dòng)態(tài)報(bào)警功能，考慮電話傳輸速度較慢，大量視頻圖像暫存于當(dāng)?shù)?，檢查人員使用U盤(pán)可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

車(chē)輛段監(jiān)控系統(tǒng)由服務(wù)器、Modem Pool、監(jiān)控LED顯示等部分組成。

主要完成對(duì)紅外線探測(cè)點(diǎn)故障信號(hào)監(jiān)控、紅外線故障信息導(dǎo)入鐵道部紅外線段級(jí)紅外線信息平臺(tái)，存儲(chǔ)、打印、顯示等功能。

3 主要實(shí)現(xiàn)方案

紅外線設(shè)備遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紅外線設(shè)備的工作狀況，并通過(guò)安裝在紅外線設(shè)備機(jī)房的電話線把其數(shù)據(jù)傳送到車(chē)輛段中心電腦上,也可在任何有電話的地方用一臺(tái)電腦接收這些數(shù)據(jù),系統(tǒng)獨(dú)立工作,不影響紅外線設(shè)備工作,即使系統(tǒng)不工作(故障)也不會(huì)影紅外線設(shè)備工作。

3.1 主控制模塊

主控制模塊由信道檢測(cè)、靜態(tài)卡、傳感器、液晶及電源組成，主要實(shí)現(xiàn)功能：

(1) 實(shí)時(shí)接收各種模塊的數(shù)據(jù);

(2) 能通過(guò)64×128液晶點(diǎn)陣顯示各模塊狀態(tài)和數(shù)據(jù)，保存維修人員編碼;

(3) 與上級(jí)通過(guò)MODEM交換數(shù)據(jù);

(4) 偵聽(tīng)主、輔機(jī)之間的大列波形。

存貯和顯示數(shù)據(jù)，主要包括最近14列車(chē)的大列波形；一日的信道狀態(tài)；三日的供電狀態(tài)，異常復(fù)位；一日探頭供電箱,及輔機(jī)的各種電壓值；近5日環(huán)溫、箱溫情況；近30日防盜、維修人員訪問(wèn)情況；近30日探頭位置；最近14列車(chē)的1#、2#、3#磁頭的平均值、最大值、最小值和噪聲；探頭定標(biāo)值；近4日停電情況。

系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

系統(tǒng)采用嵌入式控制器32位ARM結(jié)構(gòu)微處理器，外圍擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口，液晶顯示、鍵盤(pán)作為人機(jī)交互接口，通過(guò)RS 232和USB與PC機(jī)進(jìn)行通訊,嵌入式控制器可支持工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。嵌入式控制器采用基于μC/OS Ⅱ內(nèi)核的RTOS操作系統(tǒng)。

3.2 探頭檢測(cè)模塊

這部分模塊主要目標(biāo)是檢測(cè)探頭大列波形;定標(biāo)值以及探頭位置；檢測(cè)探頭供電箱,及輔機(jī)的各種電壓；檢測(cè)磁頭狀態(tài)；檢測(cè)供電、上電、掉電、異常復(fù)位；檢測(cè)探測(cè)站與中心的信道狀態(tài)及環(huán)溫、箱溫等情況。采集二路下探波形，64點(diǎn)采樣，采集密度一樣，采集長(zhǎng)度增加一倍，即提前半個(gè)軸箱開(kāi)始，延后半個(gè)軸箱結(jié)束；通過(guò)RS 485口上傳主機(jī)探頭位置,對(duì)于檢測(cè)紅外線設(shè)備軸溫是否正常具有決定性意義，由于軸溫探測(cè)設(shè)備安裝在鐵軌旁邊，由于震動(dòng)等原因，經(jīng)常發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致紅外線設(shè)備檢測(cè)波形不正確，探測(cè)軸溫出現(xiàn)偏差，傳統(tǒng)檢測(cè)方法是采用三角尺測(cè)量，用香頭在三角尺上放置熱源，對(duì)比紅外線探頭波形校準(zhǔn)，這種方法測(cè)量復(fù)雜，精確度較低。

采用電子羅盤(pán)可較好地解決這個(gè)問(wèn)題，電子羅盤(pán)是測(cè)量方位角(航向角)比較經(jīng)濟(jì)的一種儀器，本系統(tǒng)采用TDCM3電子羅盤(pán)傳感器模塊，TDCM3電子羅盤(pán)由美國(guó)Precision Navigation生產(chǎn)。模塊封裝了一個(gè)三軸磁強(qiáng)計(jì)和一個(gè)高性能的兩軸傾斜計(jì),可以同時(shí)輸出俯仰和滾動(dòng)角,以及三維的磁場(chǎng)測(cè)量值。以前所有的羅盤(pán)都必須保持水平才能保證精度,因而只能采用一種笨拙的萬(wàn)向節(jié),或再加上液體的方法來(lái)保持傳感器的水平狀態(tài)。TDCM3則使用了一個(gè)高性能的傾斜計(jì)(傾斜傳感器),允許微處理器在數(shù)學(xué)上改正傾斜角,因此,它是一種消除了機(jī)械常平架的電子羅盤(pán)。TDCM3電子羅盤(pán)對(duì)水平方向的角度測(cè)量為360°,同時(shí),按照可測(cè)量?jī)A斜角度范圍,又分為20°,50°,80°。電子羅盤(pán)的數(shù)據(jù)輸出可以是RS 232或RS 485標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)字符輸出或者模擬輸出,并且可以由主控計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令,來(lái)控制TDCM3電子羅盤(pán)輸出數(shù)據(jù)的種類(lèi)、格式以及工作方式。

完整的TDCM3電子羅盤(pán)的數(shù)據(jù)輸出為:

＄C〈compass〉P〈pitch〉R〈roll〉X〈Bx〉Y〈By〉Z〈Bz〉T〈temp〉E〈error code〉 校驗(yàn)和〈cr〉〈lf〉

數(shù)據(jù)中包含有羅盤(pán)角度C,載體的傾斜角P和橫滾角度R,各向的磁場(chǎng)強(qiáng)度X,Y,Z,在開(kāi)始校準(zhǔn)好探頭位置后，記錄電子羅盤(pán)的數(shù)據(jù)輸出，當(dāng)俯仰角、方位角發(fā)生變化時(shí),根據(jù)需要取用TDCM3電子羅盤(pán)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。如果變化超過(guò)一定范圍，表明探頭發(fā)生偏轉(zhuǎn)，需要再次校準(zhǔn)。

3.3 磁頭波形電壓檢測(cè)模塊

這部分模塊主要目標(biāo)是采集3路磁頭波形，在觸發(fā)處的位置需要保存，采集結(jié)果通過(guò)RS 485口與主機(jī)通訊。電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)27路模擬電壓；220 V，交流值；異常復(fù)位。采集電壓原理圖如圖3所示。

圖3 采集電壓原理圖

檢測(cè)內(nèi)容如下：

① +24 V±1 V VACP-P＜15 mV

② -24 V±1 V VACP-P＜15 mV探頭電壓

③ +27 V+2 V或+27 V-1 V

④ -27 V-2 V或-27 V+1 V電機(jī)電壓

⑤ 2x背溫輸出：3.33-2.33 V

⑥ 2x保護(hù)門(mén)電壓：±27 V

⑦ 2x探頭噪聲和峰值(在自檢時(shí)采集)：Vp-p＜25 mV

3.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

系統(tǒng)在紅外線探測(cè)點(diǎn)將數(shù)據(jù)通過(guò)MODEM發(fā)送至車(chē)輛段監(jiān)控中心，中心計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)紅外線設(shè)備檢修方法，可對(duì)紅外線設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)端維護(hù)。數(shù)據(jù)傳送主要采用TDK公司的TDK73M2901CL，它是一種高集成度的單片MODEM芯片，該芯片可以和8048或80C51單片機(jī)對(duì)接，接口電路簡(jiǎn)單；采用串行口數(shù)據(jù)傳輸；既可以同步方式又可以異步方式工作，包括V.22擴(kuò)充超速；與CCITT V.22,V.21,BELL 212A,103標(biāo)準(zhǔn)兼容；具有呼叫進(jìn)程、載波、應(yīng)答音、長(zhǎng)回環(huán)檢測(cè)的功能。TDK73M2901CL具有32DIP封裝，其引腳見(jiàn)圖4。

圖4 TDK73M2901CL引腳原理圖

TDK73M2901CL內(nèi)部有4個(gè)寄存器可用于控制和狀態(tài)的監(jiān)視。其中，控制寄存器CR0用于控制電話線路上數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?控制寄存器CR1用于控制TDK73M2901CL內(nèi)部狀態(tài)與單片機(jī)之間的接口;檢測(cè)寄存器DR是一個(gè)只讀寄存器，它提供了監(jiān)視MODEM工作狀態(tài)的條件;音調(diào)寄存器TR則用于控制音頻信號(hào)的產(chǎn)生，在TR的控制下，MODEM可以產(chǎn)生DTMF信號(hào)、應(yīng)答音信號(hào)和防衛(wèi)音信號(hào),還可以在MODEM啟動(dòng)和與對(duì)方聯(lián)系過(guò)程中對(duì)RXD引腳進(jìn)行控制。

寄存器名稱、地址、數(shù)據(jù)位如下： AD2～AD0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,控制寄存器CR0地址000,調(diào)制選擇：0發(fā)送模式,其中:1 100=FSK模式，包括發(fā)送允許、應(yīng)答、始發(fā)模式;控制寄存器CR1 地址001,數(shù)據(jù)發(fā)送方式:允許中斷，包括旁路編碼、時(shí)鐘控制、復(fù)位操作、測(cè)試模式，其中：00=正常； 檢測(cè)寄存器DR 地址010，包括接收數(shù)據(jù)、介碼標(biāo)志、載波檢測(cè)、應(yīng)答音、呼叫過(guò)程、長(zhǎng)環(huán)檢測(cè)等模式；若條件檢測(cè)到為“1”,否則為“0”；音調(diào)控制寄存器TR，地址011，控制RDX包括發(fā)防衛(wèi)音、發(fā)應(yīng)答音、發(fā)送DTMF音模式，該四位對(duì)應(yīng)1～16 DTMF信號(hào)。

接收端的MODEM按應(yīng)答方式接線，單片機(jī)89C51平時(shí)處于巡回檢測(cè)電話振鈴信號(hào)的狀態(tài)，一旦檢測(cè)到該信號(hào)，則可將J2吸合，在2 s左右的沉默之后，啟動(dòng)MODEM發(fā)送應(yīng)答音。雙方經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)短的握手過(guò)程之后，89C51便將收到的對(duì)方代碼存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)服務(wù)器。在發(fā)送完DTMF(撥號(hào)信號(hào))之后，程序需要檢測(cè)應(yīng)答音、發(fā)送和接收握手信號(hào)、循環(huán)發(fā)送本機(jī)代碼等內(nèi)容。

雙方所用的通信程序框圖見(jiàn)圖5。

圖5 通信流程圖

4 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，可脫機(jī)值守方式工作， 122×32點(diǎn)陣LCD可實(shí)時(shí)顯示時(shí)鐘、操作狀態(tài)，并具有15鍵操作鍵盤(pán)，可獨(dú)立完成故障檢測(cè)及查詢等功能(外形尺寸：255 mm(高)×176 mm(寬)×100 mm(厚))，提供RS 232/RS 485,RJ45接口，支持局域網(wǎng)連接；提供識(shí)別記錄的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。

主要技術(shù)參數(shù)：

(1) 通訊報(bào)警時(shí)間：5 min；

(2) 1#,2#,3#磁頭報(bào)警時(shí)間:有過(guò)車(chē)時(shí)，4 min；

(3) 檢測(cè)車(chē)輛速度范圍：3~200 km/h；

(4) 復(fù)位時(shí)間，3 s左右。

(5) 1#,2#,熱分機(jī)接通時(shí)間大于2 min；

(6) 預(yù)留控制接通時(shí)間，大于2 min。

為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，在測(cè)試點(diǎn)安裝紅外線設(shè)備遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn),該系統(tǒng)共預(yù)報(bào)設(shè)備故障302起，其中停電276起，與中心通訊故障9起(通訊部門(mén)通道問(wèn)題8起，主機(jī)死機(jī)1起)，不接車(chē)或漏接車(chē)故障4起，保護(hù)門(mén)故障10起(其中異物遮擋8起)，2＃,3＃磁頭故障6起，主副機(jī)通信故障1起，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到100%，指揮中心的值班員和維修工的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低,預(yù)報(bào)故障準(zhǔn)確率提高。以往紅外指揮中心人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，由于沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息，判斷故障準(zhǔn)確率低，維修工人得到故障通知后，分析判斷缺乏依據(jù)，經(jīng)常發(fā)生所帶板件與故障點(diǎn)不符的情況，加上交通不便，故障處理起來(lái)就比較困難。使用紅外線遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試儀后，錯(cuò)報(bào)的故障幾乎沒(méi)有，使得維修工人可以根據(jù)準(zhǔn)確的故障預(yù)報(bào)，及時(shí)攜帶相關(guān)板件處理故障，設(shè)備的停機(jī)時(shí)間大幅度減少。該系統(tǒng)為壓縮故障延時(shí)和及時(shí)處理故障提供了幫助，而且由于死機(jī)、雪堵、結(jié)冰等故障可以遠(yuǎn)程控制排除，幾乎不影響探測(cè)站設(shè)備正常工作。

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作者簡(jiǎn)介 劉建明 男，1965年出生，四川開(kāi)江人，學(xué)士。主要研究方向?yàn)殡娮觾x器與測(cè)量。

王侃偉 男，1975年出生，陜西寶雞人，博士，講師。主要研究方向?yàn)閳D像/圖形處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)。

馬 鳴 男，1980年出生，陜西黃陵人，學(xué)士，助理工程師。主要研究方向?yàn)楸O(jiān)控工程。