基于MC9S12XS128單片機(jī)的觸發(fā)裝置研究

摘 要：車輛輪對磨耗參數(shù)的檢測，對保證車輛安全運(yùn)行具有重要作用。為了解決動態(tài)檢測圖像采集過程中，運(yùn)動車輛輪對的定位與圖像采集問題，文章基于飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)，設(shè)計了適用于輪對動態(tài)檢測環(huán)境的多通道觸發(fā)裝置。該裝置以雙單片機(jī)組為控制核心，綜合考慮并解決了電源控制、傳感器輸入信號捕捉與相機(jī)觸發(fā)信號的控制等問題。最后通過實(shí)驗(yàn)表明，該觸發(fā)裝置運(yùn)行穩(wěn)定，重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中的被測物偏移誤差小于0.1mm。

關(guān)鍵詞：Mc9s12xs128；單片機(jī)；觸發(fā)；輪對；檢測

1 引言

在整個鐵路車輛運(yùn)行系統(tǒng)中，車輛輪對作為與鋼軌直接接觸的部件，是直接影響車輛是否能夠安全行駛的重要因素[1， 2]。車輛輪對參數(shù)的測量方法主要包括兩大類，即靜態(tài)檢測法和動態(tài)檢測法[3]。

靜態(tài)檢測法是針對車輛在靜止?fàn)顟B(tài)時進(jìn)行檢測，存在受操作者主觀影響，自動化程度較低等問題[4]。動態(tài)檢測方法采用機(jī)器視覺和圖像處理技術(shù)，具有非接觸和檢測速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠減少檢測過程中的人為誤差，并提升檢測效率[5， 6]。采用動態(tài)檢測方法實(shí)現(xiàn)輪對在線檢測首先要對被測物進(jìn)行準(zhǔn)確定位并采集圖像。對于這種高精度觸發(fā)裝置，未見相關(guān)文獻(xiàn)描述，本文基于飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)設(shè)計了一種適用于車輛輪對在線檢測環(huán)境的實(shí)時圖像采集觸發(fā)裝置。該裝置實(shí)現(xiàn)了車輛輪對磨耗在線檢測中，對多個不同工位車輛輪對的準(zhǔn)確定位和對應(yīng)相機(jī)的觸發(fā)控制。

2 觸發(fā)裝置總體設(shè)計

觸發(fā)裝置主要用于實(shí)現(xiàn)輪對動態(tài)檢測中控制圖像采集設(shè)備在被測輪對到達(dá)設(shè)計位置的時刻，進(jìn)行準(zhǔn)確有效拍攝的關(guān)鍵功能。要準(zhǔn)確描述輪對狀態(tài)需對同一輪對的多個位置進(jìn)行檢測。為此設(shè)計的觸發(fā)裝置，分別在軌道左右側(cè)各設(shè)置兩組檢測單元，對輪對圖像進(jìn)行多次采集。

以圖1所示左一組檢測單元為例，一組三個接近傳感器安裝在鐵軌上，用于檢測車輛的速度信息，結(jié)合最后一處傳感器與CCD相機(jī)之間的距離由核心控制處理單元對相機(jī)拍攝時間進(jìn)行計算。

圖1 檢測單元示意圖

在經(jīng)過一定的延時后，車輛輪對到達(dá)圖1所示設(shè)定位置。在該位置，線激光源在輪對表面形成一條亮光帶即光截曲線，觸發(fā)裝置產(chǎn)生外部觸發(fā)信號控制CCD相機(jī)采集該光截曲線圖像。所獲圖像中光截曲線的形狀及位置包含了被測輪對的相關(guān)參數(shù)信息，在計算機(jī)上完成后續(xù)運(yùn)算，通過與標(biāo)準(zhǔn)輪對的參數(shù)進(jìn)行比對就能獲得詳細(xì)的磨耗信息。

觸發(fā)裝置需要實(shí)現(xiàn)控制四路通道的功能，如圖2觸發(fā)裝置示意圖所示，本裝置設(shè)計了以MC9S12XS128單片機(jī)組為核心的控制電路，配合控制程序?qū)崿F(xiàn)信號采集、處理與控制功能。綜合考慮傳感器數(shù)量較多和整體電路設(shè)計的簡化，采用了以兩塊單片機(jī)為核心的控制處理單元設(shè)計方案，兩塊單片機(jī)分別負(fù)責(zé)一側(cè)各兩路通道的信號檢測、處理與觸發(fā)信號的輸出控制。

3 電源控制

由于激光光源、激光位移傳感器等設(shè)備使用壽命有限，而且長時間保持上電狀態(tài)造成電力資源的浪費(fèi)，因此觸發(fā)裝置通過左前和右后各一組兩個接近傳感器來判斷對車輛是否處于檢測段中，MCU通過改變引腳的高低位控制固態(tài)繼電器來實(shí)現(xiàn)對電源開閉的控制。如圖3進(jìn)出線判斷與控制軟件流程圖所示，當(dāng)車輛第一只輪對進(jìn)入檢測段，依次觸發(fā)進(jìn)線組接近傳感器，程序根據(jù)傳感器檢出時間初步判斷輪對速度是否符合設(shè)計檢測范圍0-15km/h，速度合格則令固態(tài)繼電器控制位為高，接通電源。當(dāng)車輛最后一只輪對離開檢測段，獲得出線組接近傳感器檢出時間，當(dāng)該值與系統(tǒng)當(dāng)前時間之差超過限定時間，則認(rèn)為車輛已全部離開檢測段，關(guān)閉電源。

4 傳感器輸入信號捕捉

輪對在線檢測中使用接近傳感器來實(shí)現(xiàn)對輪對的探測，接近傳感器在檢出后產(chǎn)生一個具有一定脈寬的脈沖信號，因此需要控制處理單元實(shí)現(xiàn)對該信號的捕捉。輸入捕捉功能是MC9S12XS128 MCU 的基本功能之一，用于監(jiān)測外部事件的輸入信號。當(dāng)外部信號發(fā)生變化時，在輸入捕捉引腳上發(fā)生一個指定的上升沿或下降沿沿跳變。若在該引腳的輸入捕捉控制寄存器中設(shè)定允許輸入捕捉中斷，則該外部信號會導(dǎo)致單片機(jī)產(chǎn)生輸入捕捉中斷。在本系統(tǒng)中利用中斷響應(yīng)方法可以得到傳感器信號發(fā)生變化的時刻。如圖4所示，通過記錄輸入信號相鄰的兩個不同極性的沿跳變時間，可以計算出該脈沖信號中間時刻作為傳感器檢出時間。

MC9S12XS128 MCU的PT0～PT7是輸入捕捉的外部針腳。當(dāng)寄存器控制位IOSx=0時，則將與x值相應(yīng)的通道設(shè)置成為輸入捕捉通道。當(dāng)該引腳檢測到有上升沿或下降沿時，如果輸入捕捉控制寄存器TIE中允許輸入捕捉中斷，則捕捉到傳感器信號時，系統(tǒng)會進(jìn)入對應(yīng)中斷服務(wù)程序。

5 相機(jī)觸發(fā)信號控制

在獲得同組三個傳感器的檢出時間后，結(jié)合事先標(biāo)定測量的傳感器實(shí)際安裝間距，可以計算得到輪對在1號傳感器和2號傳感器之間的運(yùn)行速度v1，2號傳感器和3號傳感器之間的運(yùn)行速度v2，以及加速度a，則被測輪對到達(dá)相機(jī)拍攝位置的時間即相機(jī)觸發(fā)信號的輸出時間為

（1）

其中v3為被測輪對在3號傳感器檢出時的瞬時速度，s為3號傳感器與設(shè)定拍攝位置間距。

6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)

由于觸發(fā)裝置需要處理多達(dá)16路接近傳感器的檢測信號，并控制4路相機(jī)、4路激光光源和2路激光位移傳感器的電源供應(yīng)和信號控制，因此設(shè)計了核心電路板來實(shí)現(xiàn)對多路信號的集中處理。單片機(jī)最小系統(tǒng)板設(shè)計為直插式，可隨時插拔進(jìn)行更換和維護(hù)，采用接插件對輸入信號和控制信號進(jìn)行轉(zhuǎn)接，方便可靠，可維護(hù)性強(qiáng)。圖5為觸發(fā)裝置核心電路板實(shí)物。

由于四個檢測單元軟硬件設(shè)計基本相同，為了驗(yàn)證觸發(fā)裝置工作的正常與否，對其中一個檢測單元進(jìn)行了驗(yàn)證測試。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，被測物以一定速度通過左側(cè)一號檢測單元。通過對運(yùn)動狀態(tài)下的被測物進(jìn)行圖像采集來測試觸發(fā)裝置對運(yùn)動被測物的定位精度與圖像采集效果。

在本次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中，通過對所有被測物在圖像中的中心點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，被測物圖像中心點(diǎn)最大像素偏移值為1像素長度，實(shí)際最大偏移距離小于0.1mm。

7 結(jié)束語

本文針對車輛輪對動態(tài)檢測的實(shí)際需要，設(shè)計了一種四通道圖像采集觸發(fā)控制裝置。裝置功能能夠滿足輪對在線檢測需要，對運(yùn)動輪對的檢測定位達(dá)到較高精度。整個觸發(fā)裝置能夠穩(wěn)定、可靠連續(xù)工作，實(shí)現(xiàn)對輪對的自動檢測，所獲圖像清晰，位置準(zhǔn)確，運(yùn)動模糊小，可為圖像處理步驟中進(jìn)行后續(xù)參數(shù)計算提供良好的原始圖像。

參考文獻(xiàn)

[1]吳開華，張建華，嚴(yán)匡等.輪對綜合參數(shù)光電自動檢測系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報，2006，（03）：298-301.

[2]高向東，謝子方，趙傳敏等.基于結(jié)構(gòu)光視覺傳感的輪對踏面擦傷快速檢測[J].鐵道學(xué)報，2008，（02）：23-27.

[3]李劍.輪對動態(tài)檢測系統(tǒng)應(yīng)用[J].鐵道車輛，2012，（04）：39-42.

[4]賀永勝.有關(guān)鐵路車輛輪對檢測技術(shù)綜述[J].科技傳播，2013，（17）：67-68.

[5]馮其波，陳士謙，崔建英等.輪對幾何參數(shù)動態(tài)測量系統(tǒng)[J].中國鐵道科學(xué)，2008，（05）：138-144.

[6]高靜濤，戴立新，王澤勇.輪對狀態(tài)動態(tài)檢測系統(tǒng)應(yīng)用綜述[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2009，（07）：10-12.

作者簡介：周威祥（1988-），浙江溫州，2007年于杭州電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為杭州電子科技大學(xué)生命信息與儀器工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)闇y試計量技術(shù)及儀器。