動車組BTM天線靈敏度測量裝置

王 睿，曾還尤，黃威新，吉興隆

應(yīng)答器傳輸子系統(tǒng)（Balise Transmission Module，BTM）是列車自動防護(hù)車載設(shè)備的關(guān)鍵部分，主要負(fù)責(zé)接收、解調(diào)地面應(yīng)答器信號，并將解調(diào)后的信息傳送給車載主控單元［1］。BTM天線位于動車組頭車底部，主要功能是在列車經(jīng)過地面應(yīng)答器時，激活應(yīng)答器并獲取信號。BTM天線的靈敏度是直接反映BTM設(shè)備運(yùn)行狀況的重要參數(shù)，決定了車載設(shè)備能否正常接收地面應(yīng)答器的信息。

1 BTM天線靈敏度測量工作現(xiàn)狀

1.1 測量精度低

現(xiàn)行BTM天線靈敏度測量主要使用卷尺。測量人員需要一手托舉測試用應(yīng)答器，一手使用卷尺，同時還要用對講機(jī)與車上作業(yè)人員進(jìn)行聯(lián)系，掌握當(dāng)前BTM主機(jī)燈位情況，以確定是否感應(yīng)到應(yīng)答器。這種測量方式只能通過目測大致讀取數(shù)據(jù)，測量精度難以保證。

1.2 存在人身安全風(fēng)險

BTM天線與地面應(yīng)答器通過射頻信號進(jìn)行通信。天線在應(yīng)答器上方會發(fā)射27.095 MHz、43 dBm的射頻能量波用于激活應(yīng)答器［2］，應(yīng)答器被激活后，再將所存儲的報文信息以射頻方式返回給 天 線。通 過 查 閱GB_8702—2014［3］等 標(biāo) 準(zhǔn)，27.095 MHz的射頻能量波功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。因此測量人員處于電磁輻射危險下，存在著一定的人身安全風(fēng)險。

1.3 勞動效率低

在當(dāng)前的測量流程中，需要2人配合作業(yè)，1人在車底進(jìn)行測量，1人在車上觀察燈顯情況，并將相關(guān)信息通過對講機(jī)告知車底人員。而動車組車載設(shè)備檢修一般是單人作業(yè)，這就需要額外調(diào)配人力，勞動效率比較低下。

1.4 管理難度高

雖然根據(jù)天線靈敏度可以反映BTM設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行故障診斷，但由于作業(yè)存在一定的風(fēng)險，且測量精度不高，測量難以常態(tài)化，只能結(jié)合設(shè)備大修、故障處置時進(jìn)行零星排查。因此，設(shè)備管理單位很難及時有效地監(jiān)測管內(nèi)動車組BTM天線靈敏度，對全面掌握設(shè)備狀況造成了一定的阻礙。

針對以上問題，為了提高BTM天線靈敏度測量精度及效率，本文研發(fā)了一款BTM天線靈敏度測量裝置（簡稱“測量裝置”）。

2 功能設(shè)計

測量裝置的主要設(shè)計思路是按照動車組BTM天線靈敏度測量的相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)，針對存在的主要問題，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控、無線控制等技術(shù)，合理改進(jìn)作業(yè)環(huán)節(jié)，使新舊作業(yè)方式無縫銜接，最大程度地保證生產(chǎn)工作的正常進(jìn)行。

測量裝置的功能架構(gòu)和單元組成見圖1，主要包含車上人機(jī)交互終端和車底測距執(zhí)行單元2部分。車底測距執(zhí)行單元通過電動伸縮桿，帶動測試應(yīng)答器上下動作，測距傳感器實(shí)時采集測試應(yīng)答器與BTM天線的距離，并通過無線模塊遠(yuǎn)程發(fā)送到車上人機(jī)交互終端。距離數(shù)據(jù)經(jīng)適配終端轉(zhuǎn)換后，可在不同平臺的上位機(jī)軟件中顯示。作業(yè)人員查看當(dāng)前距離數(shù)據(jù)，并結(jié)合BTM主機(jī)燈顯情況測量BTM天線靈敏度。該裝置主要實(shí)現(xiàn)如下功能。

圖1 BTM天線靈敏度測量裝置功能架構(gòu)和單元組成

1）控制指令下發(fā)。車上人機(jī)交互終端通過無線模塊向車底測距執(zhí)行單元發(fā)送電機(jī)正反轉(zhuǎn)指令，電機(jī)帶動伸縮桿伸縮，實(shí)現(xiàn)測試應(yīng)答器升降，模擬不同高度應(yīng)答器，測試BTM天線靈敏度。

2）數(shù)據(jù)采集與傳輸。在測試應(yīng)答器升降過程中，測距傳感器以20 Hz的頻率采集應(yīng)答器距離BTM天線的高度，并將該數(shù)據(jù)通過無線模塊實(shí)時傳輸給車上人機(jī)交互終端。

3）數(shù)據(jù)顯示。車上人機(jī)交互終端接收到距離數(shù)據(jù)后，通過適配終端轉(zhuǎn)換成不同的接口，以便連接不同設(shè)備，并在筆記本電腦、手機(jī)或手持式顯示終端上顯示，作業(yè)人員可以實(shí)時查看該數(shù)據(jù)。

3 實(shí)現(xiàn)方法

測量裝置的功能實(shí)現(xiàn)包括硬件開發(fā)和軟件開發(fā)2部分。硬件開發(fā)包含硬件選型、硬件主體等，本文主要以車底測距執(zhí)行單元為例進(jìn)行介紹。軟件開發(fā)主要是為了滿足多樣化的使用需求，分別在Windows、Android以及單片機(jī)環(huán)境下，開發(fā)相應(yīng)的人機(jī)交互上位機(jī)軟件。

3.1 硬件選型

測量裝置的硬件主體包括車底測距執(zhí)行單元和車上人機(jī)交互終端，均采用STM32F407芯片作為主控芯片，可提供工作頻率為168 MHz的Cortex?-M4內(nèi)核性能，且利用意法半導(dǎo)體的ART加速器，實(shí)現(xiàn)了FLASH零等待狀態(tài)；含有17個頻率高達(dá)168 MHz的16位和32位定時器，以及包括6個USART接口和3個SPI接口在內(nèi)的15個通信接口；運(yùn)算功能強(qiáng)大且支持多種通信協(xié)議，可以滿足本測量裝置的需求。

由于測量裝置的現(xiàn)場檢修環(huán)境比較復(fù)雜，一方面既有的信號、通信設(shè)備會發(fā)射不同頻率的電磁波，可能會干擾測量數(shù)據(jù)通信；另一方面使用環(huán)境中還可能存在噪聲、粉塵、高溫等不良因素。因此，為有效降低環(huán)境因素對測量數(shù)據(jù)精度的影響，選用了激光測距傳感器。相對于毫米波、超聲波測距等，激光測距不僅測量精度高、效率高，還具有良好的抗干擾能力［4］。

在無線通信方面，選用遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio，LORA）進(jìn)行信息傳輸。LORA適合一些對傳輸速率要求不高、遠(yuǎn)距離低功耗的場景［5］。作為Semtech公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)，LORA利用433/470/868/915 MHz頻段，實(shí)現(xiàn)了超低功耗、超遠(yuǎn)距離傳輸，近年來在多個應(yīng)用領(lǐng)域得到了蓬勃發(fā)展［6］。LORA還具有較好的抗干擾能力，適合在電磁環(huán)境復(fù)雜的動車檢修所環(huán)境中使用，且可以有效降低供電負(fù)載，滿足測量裝置便攜移動的要求。

測量裝置的硬件基于STM32CubeIDE開發(fā)，可通過內(nèi)置的STM32CubeMX圖形工具配置STM32微控制器和微處理器［7］，從而大大簡化開發(fā)者對底層硬件的初始化和配置工作。

3.2 車底測距執(zhí)行單元

測距執(zhí)行單元以STM32F407開發(fā)板為核心控制單元，連接激光測距傳感器和LORA模塊。激光測距傳感器執(zhí)行距離采集，通過STM32F407處理距離數(shù)據(jù)，由LORA模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程發(fā)送。硬件連接及通信示意見圖2。

圖2 硬件連接及通信示意

STM32F407通過UART協(xié)議，與激光測距傳感器進(jìn)行串口通信。當(dāng)測距儀器發(fā)射出的激光經(jīng)被測物體反射后，由接收端接收回射激光，測距儀器記錄激光往返時間［8］。通過捕獲發(fā)送和接收激光信號時的電平特征，將2個捕獲值相減，再乘以時鐘周期就可以得到電平的持續(xù)時間，即1個測量周期內(nèi)光信號從發(fā)送至接收的時間；然后再乘以光速并除以2，即可得到當(dāng)前的距離信息。

LORA模塊通過專用的配置軟件發(fā)送AT指令進(jìn)行配置，這樣可以減輕主驅(qū)動程序開發(fā)的工作量，節(jié)省開發(fā)時間。在完成配置后，STM32F407可以使用SPI通信協(xié)議，直接與LORA模塊的SX1278芯片進(jìn)行通信，STM32F407將讀取到的傳感器數(shù)據(jù)寫入SX1278芯片發(fā)送緩沖區(qū)域。

車底測距執(zhí)行單元的升降動作通過電動推桿實(shí)現(xiàn)。推桿采用齒輪傳動與絲桿螺母的結(jié)構(gòu)，內(nèi)置電機(jī)首先通過齒輪箱進(jìn)行變速，然后帶動絲桿螺母運(yùn)動，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為推桿伸縮部件的直線運(yùn)動。通過電機(jī)正傳和反轉(zhuǎn)可以帶動推桿伸縮。該裝置使用的電動推桿原始高度1 100 mm，行程900 mm。

3.3 上位機(jī)軟件

作業(yè)人員在實(shí)際作業(yè)過程中出于不同的需要，如數(shù)據(jù)下載、故障處理等，可能會攜帶筆記本電腦、手機(jī)等不同移動設(shè)備。考慮到多樣化的實(shí)際作業(yè)場景，為了盡量減輕作業(yè)負(fù)重，提高人機(jī)交互終端的兼容性，開發(fā)了分別在單片機(jī)、Windows和Android平臺上使用的上位機(jī)軟件，通過適配終端，可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲煌囊苿釉O(shè)備中，人機(jī)交互終端示意見圖3。

圖3 人機(jī)交互終端示意

適配終端由3根串口轉(zhuǎn)接線組成，可以實(shí)現(xiàn)串口與USB、TYPE-C、UART接口的數(shù)據(jù)傳輸。使用時，輸入端連接LORA模塊的相應(yīng)端子，輸出端根據(jù)所連接的上位機(jī)終端類型選擇對應(yīng)的接口，連接后即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。適配終端示意見圖4。

圖4 適配終端示意

基于單片機(jī)的人機(jī)交互終端選用STM32F407作為主控芯片，將燒錄好顯示程序的芯片分別連接LCD顯示屏和適配終端，STM32F407從適配終端接收距離數(shù)據(jù)，并在LCD屏幕上顯示。

Windows平臺的上位機(jī)軟件基于LABVIEW開發(fā)實(shí)現(xiàn)，通過LABVIEW內(nèi)置的串口通信組件循環(huán)讀取適配終端USB接口發(fā)來的串口數(shù)據(jù)，并在前面板顯示組件中顯示。為了方便后期功能升級，在上位機(jī)軟件中還預(yù)留了數(shù)據(jù)發(fā)送功能。使用時，在上位機(jī)界面中配置相應(yīng)的通信參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，當(dāng)前距離信息會實(shí)時顯示在數(shù)據(jù)接收窗口。

Android平臺的上位機(jī)軟件基于APP inventor開發(fā)實(shí)現(xiàn)，其主要功能與Windows平臺類似。使用APP inventor中的串口通信組件循環(huán)讀取適配終端TYPE-C接口發(fā)送的串口數(shù)據(jù)，并在指定標(biāo)簽區(qū)域顯示。該平臺串口通信組件默認(rèn)設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等基本串口通信參數(shù)，所以在上位機(jī)中未提供相應(yīng)的選項(xiàng)卡。使用時，LORA模塊通過適配終端TYPE-C接口與安卓手機(jī)相連，在APP操作界面上打開串口即可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

4 結(jié)論

本文利用嵌入式信息技術(shù)手段，開發(fā)了一款可以有效改善生產(chǎn)條件、優(yōu)化作業(yè)流程的BTM天線靈敏度測量裝置，降低了作業(yè)人身安全風(fēng)險，提升了作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)了對BTM天線靈敏度的高精度測量。由于該裝置在應(yīng)用場景上具有較強(qiáng)的針對性，同時還具有成本低、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此比較適用于動車組車載設(shè)備的檢測、維修、生產(chǎn)，具有一定的應(yīng)用和推廣價值。