基于STM32車載查詢器故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

段智博，肖曼琳，金 捷

（1上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620；2上海申通地鐵集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，上海 201620）

0 引 言

城市軌道交通中，應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)是重要的列車定位系統(tǒng)，系統(tǒng)由車載定位天線、查詢器、地面信標(biāo)組成。查詢器為系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主要完成地面信標(biāo)位置的獲取、信標(biāo)報(bào)文數(shù)據(jù)的接收與解析以及雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。在?shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，由于列車振動(dòng)、線路老化等原因造成設(shè)備故障，無法對(duì)列車定位，影響列車運(yùn)行。目前針對(duì)車載設(shè)備的檢測(cè)方法與設(shè)備較少，檢修只能在試車線或車庫內(nèi)進(jìn)行，故障處理方式是整體更換故障設(shè)備，其維修成本較高、工作效率低下，且十分依賴設(shè)備供應(yīng)商。

本文利用STM32單片機(jī)開發(fā)車載查詢器故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集列車運(yùn)行時(shí)查詢器各端口數(shù)據(jù)，使用上位機(jī)故障診斷軟件，即可對(duì)查詢器進(jìn)行故障診斷。利用該系統(tǒng)可以有效診斷查詢器故障情況，便于維護(hù)人員快速檢修與維護(hù)，降低了檢修成本，提升了工作效率。

1 查詢器離線檢測(cè)

1.1 查詢器工作原理

應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)采用RFID技術(shù)，是經(jīng)典的點(diǎn)式傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理為車載天線持續(xù)發(fā)送902 MHz～928 MHz的高頻激勵(lì)信號(hào)，在列車經(jīng)過地面信標(biāo)上方時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，高頻激勵(lì)信號(hào)使信標(biāo)獲得能量，根據(jù)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，驅(qū)動(dòng)信標(biāo)內(nèi)部調(diào)制電路對(duì)信標(biāo)攜帶的線路信息信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；隨后發(fā)射電路將調(diào)制信號(hào)發(fā)送出去，車載天線接收后傳送給查詢器。查詢器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、解調(diào)、解碼后，實(shí)時(shí)傳送給列控中心，實(shí)現(xiàn)列車定位等功能。因此，查詢器是應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的核心設(shè)備。應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of balise transmission system

1.2 查詢器端口功能簡(jiǎn)介

應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的車載部分由車載定位天線和查詢器組成，兩者通過電纜相連接。在不破壞和拆解查詢器的前提下，可在實(shí)驗(yàn)室中利用可編程電源、示波器、頻譜儀等設(shè)備搭建測(cè)試環(huán)境，對(duì)查詢器進(jìn)行黑盒測(cè)試，確定查詢器各端口功能，見表1，查詢器的前面板示意圖如圖2所示。

圖2 查詢器前面板Fig.2 Front panel of transponder interrogator

表1 查詢器端口功能表Tab.1 Function table of transponder interrogator port

利用實(shí)驗(yàn)室搭建的查詢器檢測(cè)環(huán)境，對(duì)查詢器端口數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采集，統(tǒng)計(jì)分析端口數(shù)據(jù)后，得出端口數(shù)據(jù)與查詢器工作狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)端口異常數(shù)據(jù)判斷查詢器出現(xiàn)的故障情況見表2。

表2 查詢器異常狀態(tài)匯總Tab.2 Summary of transponder interrogator abnormal status

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)查詢器端口數(shù)據(jù)與工作狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了查詢器故障診斷系統(tǒng)。故障診斷系統(tǒng)由硬件采集設(shè)備與故障診斷軟件組成。其中，硬件采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)查詢器端口數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸與存儲(chǔ)；軟件部分則利用MATLAB Appdesigner工具，設(shè)計(jì)開發(fā)故障診斷軟件。該軟件可在上位機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、波形繪制、快速判斷并顯示查詢器故障情況。故障診斷系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 故障診斷系統(tǒng)整體框架Fig.3 Overall framework of fault diagnosis system

由圖3可見，故障診斷系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）實(shí)時(shí)采集查詢器I／O端口1、2、3號(hào)電壓數(shù)據(jù)以及RS232串口數(shù)據(jù)報(bào)文并傳輸至上位機(jī)存儲(chǔ)；

（2）上位機(jī)故障診斷軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理：

①判斷有無信標(biāo)丟失及解析異常信標(biāo)；

②判斷電源供電是否充足、射頻天線工作狀態(tài)是否良好；

③根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)判斷風(fēng)險(xiǎn)信標(biāo)位置。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

故障診斷系統(tǒng)采用STM32F103ZET6單片機(jī)芯片作為硬件電路的主控芯片，該芯片是雙RC晶振，可提供8 M和32 K的穩(wěn)定時(shí)鐘頻率。電路調(diào)試方式可使用JTAG、SWD，利用J－LINK下載器下載控制程序，實(shí)現(xiàn)高速低成本的開發(fā)方案。

單片機(jī)主控電路負(fù)責(zé)查詢器各端口數(shù)據(jù)的采集以及傳輸，考慮到查詢器各端口數(shù)據(jù)類型不一致，因此在采集I／O電壓口模擬量數(shù)據(jù)時(shí)，選擇AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，串口數(shù)據(jù)的采集選用MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片。為保證數(shù)據(jù)高速傳輸且減少數(shù)據(jù)丟失，選用W5100單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.1.1 電源穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

故障診斷系統(tǒng)的電源電路是為了驅(qū)動(dòng)STM32單片機(jī)芯片、AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、W5100單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片以及MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片等部件，這些芯片所需供電電壓均為3.3 V。設(shè)計(jì)通過LM1117穩(wěn)壓器，將5 V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為芯片所需的供電電壓，以保證電路供電穩(wěn)定。電源穩(wěn)壓電路如圖4所示。

圖4 電源穩(wěn)壓電路Fig.4 Power supply voltage stabilizing circuit

2.1.2 I／O電壓口數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

AD7606芯片可支持8路數(shù)據(jù)同步采樣，可以滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的需求。數(shù)據(jù)采集電路如圖5所示。該電路將查詢器I／O電壓口3個(gè)引腳的模擬電壓數(shù)據(jù)通過AD7606芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將一號(hào)引腳與P2－1引腳相連，二號(hào)引腳與P2－2引腳相連，三號(hào)引腳與P2－4相連。該芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，芯片采樣率設(shè)定為1 000 Hz，占空比為50%。

圖5 數(shù)據(jù)采集電路Fig.5 Data acquisition circuit

2.1.3 串口數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)

串口數(shù)據(jù)傳輸電路負(fù)責(zé)采集查詢器RS232串口數(shù)據(jù)，該電路使用MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片采集串口電平信號(hào)，電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 串口數(shù)據(jù)電路Fig.6 Serial port data circuit

2.1.4 數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸電路將采集到的數(shù)據(jù)通過W5100網(wǎng)絡(luò)接口芯片送入上位機(jī)網(wǎng)口，電路設(shè)計(jì)如圖7所示。為提升傳輸速率、減少數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)傳輸選用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸協(xié)議為UDP協(xié)議。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸電路Fig.7 Data transmission circuit

2.1.5 主控制程序

主控制程序是控制硬件電路工作的核心。電源接通后，初始化系統(tǒng)數(shù)據(jù)并驅(qū)動(dòng)單片機(jī)芯片，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、串口電平轉(zhuǎn)換芯片和網(wǎng)絡(luò)接口芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸。主控程序利用C語言編寫，軟件平臺(tái)為keil5，可實(shí)現(xiàn)對(duì)程序進(jìn)行編寫、編譯以及燒錄等功能。主控制程序部分代碼如圖8所示。

圖8 主控制程序代碼Fig.8 Main control program code

2.2 軟件開發(fā)

MATLAB是一款集成數(shù)學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、算法應(yīng)用、程序開發(fā)等功能的科學(xué)計(jì)算平臺(tái)，在科研領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于其語言簡(jiǎn)單直觀、界面友善、數(shù)值計(jì)算功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域有著舉足輕重的地位。鑒于MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與分析能力，本文選用MATLAB作為上位機(jī)數(shù)據(jù)分析處理的工具。選用MATLAB的好處不僅可以快速高效的處理數(shù)據(jù)，同時(shí)使用其自帶的MATLAB Appdesigner工具可進(jìn)行上位機(jī)軟件界面的設(shè)計(jì)及功能的實(shí)現(xiàn)。

故障診斷軟件的主要功能是對(duì)采集到的查詢器端口數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，依據(jù)查詢器端口數(shù)據(jù)與工作狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系來判斷查詢器是否故障。故障診斷軟件的設(shè)計(jì)流程如圖9所示，具體功能如下：

圖9 故障診斷軟件Fig.9 Fault diagnosis software

（1）上位機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與處理。

①判斷是否有信標(biāo)丟失或解析異常的信標(biāo)；

②判斷實(shí)際運(yùn)行過程中查詢器供電及射頻端口是否異常。

（2）根據(jù)輸入的信標(biāo)ID，繪制列車經(jīng)過該信標(biāo)時(shí)查詢器I／O端口波形圖。

（3）統(tǒng)計(jì)正常與異常解析的信標(biāo)數(shù)，以及丟失的信標(biāo)以及存在丟失風(fēng)險(xiǎn)的信標(biāo)各自所占的比例以及信標(biāo)ID。

故障診斷軟件界面分為主程序、查詢器狀態(tài)檢測(cè)、局部波形繪制、診斷結(jié)果4個(gè)模塊。模塊功能的實(shí)現(xiàn)通過在控件的回調(diào)函數(shù)中編寫功能代碼，回調(diào)函數(shù)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的橋梁。

在主程序模塊中，利用MATLAB中的uigetfile函數(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，編寫功能代碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與分析、統(tǒng)計(jì)信標(biāo)丟失等功能。查詢器狀態(tài)檢測(cè)模塊，根據(jù)主程序分析處理的數(shù)據(jù)來判斷查詢器電源供電是否充足、射頻端口工作是否異常。在局部波形繪制模塊中，根據(jù)輸入的信標(biāo)ID繪制列車經(jīng)過該信標(biāo)時(shí)查詢器I／O端口電壓波形并統(tǒng)計(jì)波形參數(shù)信息。診斷結(jié)果模塊中，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)所有信標(biāo)處的波形參數(shù)信息，并對(duì)信標(biāo)進(jìn)行分類。統(tǒng)計(jì)完成后顯示采集到的信標(biāo)總數(shù)、丟失信標(biāo)個(gè)數(shù)以及風(fēng)險(xiǎn)信標(biāo)個(gè)數(shù)以及信標(biāo)ID，并繪制各類信標(biāo)所占的百分比。部分功能代碼如圖10所示。

圖10 軟件功能代碼Fig.10 Software function code

3 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

為驗(yàn)證查詢器故障診斷系統(tǒng)的實(shí)用性及可靠性，本次實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)采集上海地鐵9號(hào)線列車運(yùn)行時(shí)查詢器各端口數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到上位機(jī)，并將上位機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)利用故障診斷軟件進(jìn)行分析。

在列車運(yùn)行時(shí)，利用故障診斷系統(tǒng)采集查詢器各端口數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入到上位機(jī)的故障診斷軟件中，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理”按鈕執(zhí)行主程序。實(shí)際線路上共有213個(gè)信標(biāo)，數(shù)據(jù)采集到213個(gè)，信標(biāo)丟失個(gè)數(shù)為0，說明列車運(yùn)行時(shí)無信標(biāo)丟失，主程序運(yùn)行結(jié)果如圖11（a）所示。點(diǎn)擊“繪制I／O端口波形”按鈕執(zhí)行查詢器檢測(cè)功能，查詢器狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果如圖11（b）所示。根據(jù)波形圖顯示，I／O端口的2、3號(hào)端口電壓穩(wěn)定，且供電指示燈與射頻端口指示燈均顯示為綠色，說明查詢器供電以及射頻端口在列車運(yùn)行時(shí)工作正常。

圖11 故障診斷結(jié)果Fig.11 Fault diagnosis results

輸入信標(biāo)ID，點(diǎn)擊“繪制局部波形”按鈕顯示列車經(jīng)過該信標(biāo)時(shí)查詢器I／O端口的電壓波形并統(tǒng)計(jì)波形信息，局部波形繪制結(jié)果如圖12（a）所示，診斷結(jié)果界面如圖12（b）所示。診斷結(jié)果中顯示共采集到213個(gè)信標(biāo)數(shù)據(jù)，其中166個(gè)信標(biāo)正常解析，47個(gè)信標(biāo)存在丟失風(fēng)險(xiǎn)。將故障診斷系統(tǒng)的診斷結(jié)果與列控中心結(jié)果進(jìn)行進(jìn)行比對(duì)，診斷結(jié)果與列控中心保持一致，驗(yàn)證了故障診斷系統(tǒng)的實(shí)用性與可靠性。

圖12 故障診斷結(jié)果Fig.12 Fault diagnosis results

4 結(jié)束語

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)車載應(yīng)答查詢器的故障檢修仍是整體更換車載設(shè)備，無法找出故障的具體位置進(jìn)行針對(duì)性的檢修，檢修成本較高且效率低下。本次設(shè)計(jì)的查詢器故障診斷系統(tǒng)可對(duì)實(shí)際線路上采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并進(jìn)行故障診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)處理，在保障列車運(yùn)行安全的同時(shí)，提升故障檢測(cè)維修效率，降低維修成本，有良好的應(yīng)用價(jià)值與實(shí)際意義。后續(xù)仍需多次進(jìn)行上線測(cè)試，不斷完善故障檢測(cè)系統(tǒng)功能。