LKJ接口信息在線監(jiān)測(cè)裝置研制

馮真強(qiáng)

（成都局集團(tuán)公司成都電務(wù)綜合維修段，四川成都 610000）

1 LKJ 設(shè)備的基本概況

根據(jù)成都電務(wù)綜合維修段對(duì)近一年LKJ 設(shè)備質(zhì)量缺點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，超過(guò)40%以上質(zhì)量缺點(diǎn)均為與機(jī)務(wù)相關(guān)接口部分質(zhì)量問(wèn)題，主要集中在速度傳感器、110 V 電源。目前對(duì)速度傳感器輸出信號(hào)的高低電平是否達(dá)標(biāo)、占空比是否合格、相位差是否準(zhǔn)確等，只能在上車(chē)前通過(guò)速度傳感器測(cè)試臺(tái)進(jìn)行確認(rèn)，一旦上車(chē)，缺乏有效、持續(xù)、在線的監(jiān)測(cè)機(jī)制，目前國(guó)內(nèi)尚屬空白。速度傳感器設(shè)備質(zhì)量隱患只有在速度傳感器各項(xiàng)參數(shù)發(fā)生嚴(yán)重變化、影響速度值計(jì)算時(shí)才能暴露出來(lái)，而此時(shí)已經(jīng)影響到設(shè)備的正常運(yùn)用。

機(jī)車(chē)提供給110 V 直流電源給LKJ 設(shè)備。由于機(jī)車(chē)在柴油機(jī)啟動(dòng)、劈相機(jī)啟動(dòng)、主斷路器分合等操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁干擾，而LKJ 設(shè)備屬精密電子設(shè)備，對(duì)110 V 電源質(zhì)量有較高要求。一旦機(jī)車(chē)過(guò)電壓吸收片性能下降，將引起LKJ 長(zhǎng)期受到電磁干擾，影響正常工作。而過(guò)電壓吸收片難以測(cè)試，故障分析也難以取證，造成管理上極其困難。

2 研究目標(biāo)

（1）LKJ 速度信號(hào)接口質(zhì)量檢測(cè)。產(chǎn)品能對(duì)LKJ 采集的速度信號(hào)（光電轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號(hào)）質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括信號(hào)的周期、占空比、相位差、高電平、低電平、邊沿時(shí)間和傳感器工作電源。通過(guò)對(duì)傳感器輸出信號(hào)指標(biāo)的全面檢測(cè)分析，可提前預(yù)判傳感器故障，提高行車(chē)安全。

（2）LKJ 工況信號(hào)接口檢測(cè)。產(chǎn)品能夠?qū)KJ 采集的工況信號(hào)的電平進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容包括向前、向后、零位、牽引、制動(dòng)信號(hào)的電壓幅值及電壓峰值。通過(guò)對(duì)工況電平信號(hào)檢測(cè)，能提前發(fā)現(xiàn)工況異常干擾信號(hào)，及時(shí)提醒相關(guān)檢修部門(mén)處理。

（3）LKJ 工作電源檢測(cè)。裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)LKJ 的工作電源進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容為電源電壓，便于了解LKJ 設(shè)備供電電源波動(dòng)情況。

（4）檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸。裝置能夠通過(guò)無(wú)線模塊，將檢測(cè)的接口信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)降孛娣?wù)器，并可根據(jù)需要轉(zhuǎn)發(fā)到指定人員，實(shí)現(xiàn)LKJ 的接口信息實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

（5）LKJ 接口信息異常提醒。LKJ 接口信息異常后，通過(guò)車(chē)上提醒和車(chē)下提醒同時(shí)進(jìn)行異常提醒，便于異常及時(shí)分析和處理。車(chē)上提醒：LKJ 接口信息異常后，裝置通過(guò)數(shù)碼管顯示異常代碼進(jìn)行提示；車(chē)下提醒：地面服務(wù)器接收到LKJ 接口信息異常后，主動(dòng)推送異常消息給指定人員。

（6）檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄保存。裝置具有儲(chǔ)存功能，能夠掉電保存檢測(cè)的數(shù)據(jù)記錄，便于歷史信息查詢和追蹤。

3 研究實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)需要采集機(jī)車(chē)速度信號(hào)、工況信號(hào)；需要工作電源；需要將采集數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送到地面分析軟件，系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成

3.2 電路設(shè)計(jì)

產(chǎn)品主要硬件為監(jiān)測(cè)裝置和無(wú)線發(fā)送裝置，其中監(jiān)測(cè)裝置根據(jù)功能分為電源板、檢測(cè)板、電壓采集板和控制板。

3.3 監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

3.3.1 電源板設(shè)計(jì)

電源板實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置的電源轉(zhuǎn)換及電源隔離功能，為控制板、檢測(cè)板、電壓采集板提供工作電源，由電源保護(hù)電路及電源轉(zhuǎn)換電路組成如圖2 所示。

圖2 電源保護(hù)電路

3.3.2 檢測(cè)板設(shè)計(jì)

檢測(cè)板實(shí)現(xiàn)對(duì)LKJ 速度信號(hào)接口檢測(cè)功能，能檢測(cè)速度信號(hào)的周期、高電平、低電平、邊沿時(shí)間、占空比，并通過(guò)485 總線將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給控制板處理。檢測(cè)板和控制板電氣隔離，隔離電壓1000 V。每個(gè)檢測(cè)板實(shí)現(xiàn)1 組（2 通道）信號(hào)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)6通道檢測(cè)需要3 塊檢測(cè)板。

（1）邊沿采樣電路。邊沿時(shí)間是信號(hào)的從10%變化到90%所需要的時(shí)間，采用2 個(gè)比較器實(shí)現(xiàn)邊沿時(shí)間測(cè)試。1 個(gè)比較器閥值設(shè)置在10%，另外一個(gè)比較器閥值設(shè)置在90%。上升沿計(jì)算方法：10%閥值比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)間為t1，90%閥值比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)間為t2，那么上升壓時(shí)間為T(mén)r=t2-t1。下降沿計(jì)算，同理可得。

（2）處理芯片。MCU 處理模塊采用STM32F103RCT6 作為主控芯片，它是基于ARM Cortex-M3 的微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式應(yīng)用中。

3.4 無(wú)線發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

3.4.1 無(wú)線發(fā)送模功能要求

（1）能夠通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送產(chǎn)品的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

（2）通能帶GPS 定位模塊，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定位功能。

3.4.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

由于定位技術(shù)和4G 技術(shù)在各行業(yè)運(yùn)用已經(jīng)成熟，且功能需求明確，需要基本不會(huì)變更，采用已經(jīng)運(yùn)用成熟的DTU 模塊進(jìn)行快速開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。性能、價(jià)格、周期均可以比較好的滿足產(chǎn)品要求。

DTU 模塊采用Q560 4G LTE 全網(wǎng)通DTU 模塊，是一款基于4G/3G/2G 網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)的真正全網(wǎng)通無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)備，232+485 接口設(shè)計(jì)，提供全透明數(shù)據(jù)/協(xié)議傳輸/HTTP/組態(tài)等協(xié)議工作模式，可以方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、無(wú)線、網(wǎng)絡(luò)化的通信方式，輕松實(shí)現(xiàn)與Internet 的無(wú)線連接，具有體積小、穩(wěn)定性高、抗干擾強(qiáng)、組網(wǎng)靈活、安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低等特點(diǎn)。

3.5 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

3.5.1 檢測(cè)板軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)板實(shí)現(xiàn)速度信號(hào)的高低電平檢測(cè)及周期、相位差、占空比檢測(cè)。其根本原理就是電平檢測(cè)和信號(hào)時(shí)間檢測(cè)，由于信號(hào)時(shí)間檢測(cè)對(duì)時(shí)間要求比較高，中斷跳轉(zhuǎn)越小越好，所以檢測(cè)板不采用操作系統(tǒng)，程序分為啟動(dòng)程序、接口驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。

3.5.2 周期及占空比計(jì)算

周期、上升沿、占空比通過(guò)捕獲（外部中斷）和定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)，具體流程如圖3 所示。

3.5.3 高低電平計(jì)算

信號(hào)的高低電平計(jì)算通過(guò)定時(shí)器及ADC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，電平采樣最好實(shí)在信號(hào)的1/4 和3/4 周期時(shí)采樣，具體流程如圖4 所示。

3.5.4 控制板軟件設(shè)計(jì)

控制板主要實(shí)現(xiàn)和檢測(cè)板數(shù)據(jù)通信、和無(wú)線發(fā)送模塊數(shù)據(jù)通信、采集電壓采集板的電壓信號(hào)、保存數(shù)據(jù)記錄、顯示運(yùn)行狀態(tài)?？刂瓢遘浖赨COS Ⅲ系統(tǒng)，主要分為3 層，即APL，F(xiàn)ML/OS 和HAL。

圖3 周期及占空比計(jì)算流程

圖4 高低電平計(jì)算流程

3.6 外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置采用能耗統(tǒng)計(jì)裝置同款標(biāo)準(zhǔn)型材。該型材結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、美觀、強(qiáng)度合適且可共用現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)模塊的包裝箱。

4 未來(lái)展望

監(jiān)控裝置是中國(guó)鐵路保證行車(chē)安裝的重要設(shè)備，以監(jiān)控裝置為主的中國(guó)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)是鐵路機(jī)車(chē)的主要組成部分。可靠有效的速度信號(hào)是監(jiān)控裝置可靠運(yùn)行的必要條件，目前國(guó)內(nèi)無(wú)針對(duì)傳感器速度信號(hào)在線檢測(cè)的設(shè)備，如果速度信號(hào)出現(xiàn)故障將會(huì)造成監(jiān)控裝置運(yùn)行異常甚至造成行車(chē)安全事故。傳統(tǒng)速度傳感器故障后再處理的方式已逐漸不滿足越來(lái)安全、高效的行車(chē)需求。

本裝置可以實(shí)時(shí)采集機(jī)車(chē)速度傳感器信號(hào)和工況信號(hào)，并通過(guò)大數(shù)據(jù)分析對(duì)信號(hào)質(zhì)量變化趨勢(shì)做出預(yù)判，在信號(hào)完全故障前進(jìn)行提醒檢修處理。通過(guò)預(yù)判提前更換傳感器，降低信號(hào)發(fā)生的故障率，為機(jī)車(chē)安全、高效行車(chē)提供的技術(shù)支持。