地鐵巡檢線掃激光傳感器控制裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘" 要：地鐵軌道日常巡檢中需要2臺(tái)線掃激光傳感器實(shí)現(xiàn)地鐵軌道面的圖像掃描，2臺(tái)線掃激光傳感器同時(shí)采樣時(shí)激光疊加部分會(huì)出現(xiàn)干擾，導(dǎo)致該部分采樣數(shù)據(jù)異常。設(shè)計(jì)一種通過單片機(jī)控制2臺(tái)線掃傳感器采樣的控制裝置。裝置通過單片機(jī)IO口輸出異步時(shí)序控制線掃傳感器異步采樣，通過自帶網(wǎng)口和擴(kuò)展網(wǎng)口讀取掃描數(shù)據(jù)，通過串口控制4G/GPRS模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)窖矙z自動(dòng)化控制后臺(tái)。

關(guān)鍵詞：線掃激光傳感器；干擾；異步時(shí)序；擴(kuò)展網(wǎng)口；遠(yuǎn)程傳輸

中圖分類號(hào)：U458.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）15-0105-04

Abstract： In the daily inspection of subway track， two linear scanning laser sensors are required to realize the image scanning of subway track surface. When two linear scanning laser sensors sample at the same time， the laser superposition part will be interfered， resulting in abnormal sampling data of this part. A control device is designed to control the sampling of two linear scanning sensors through a single chip computer. The device outputs asynchronous time sequence control line scan sensor asynchronous sampling through the single chip microcomputer IO port， reads the scanning data through its own network port and extended network port， and transmits the data remotely to the inspection automation control background through the serial port control 4G/GPRS module.

Keywords： line scan laser sensor; interference; asynchronous timing; extended network port; remote transmission

地鐵軌道日常巡檢目前已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)無人值守自動(dòng)化操作，每日在地鐵運(yùn)營結(jié)束后，通過運(yùn)行在軌道上的自動(dòng)化巡檢小車沿著地鐵隧道進(jìn)行日常安全巡檢，檢查地鐵隧道面和軌面是否出現(xiàn)異常[1-2]。

在無人自動(dòng)化巡檢中，核心基礎(chǔ)技術(shù)是通過各種傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)[3-4]，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖矙z自動(dòng)化控制后臺(tái)進(jìn)行分析和判斷。線掃激光傳感器是地鐵巡檢中常用的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過發(fā)出線性激光掃描地鐵隧道面和軌面。由于軌道面較寬，通常1臺(tái)線掃激光傳感器無法完全掃描地鐵軌道的整個(gè)橫截面，需要2臺(tái)線掃激光傳感器并行才能獲取整個(gè)地鐵軌道橫截面。但是2臺(tái)線掃激光傳感器在工作時(shí)如不加控制，則會(huì)出現(xiàn)各自發(fā)出的掃描激光信號(hào)疊加的情況，而疊加部分的激光信號(hào)會(huì)相互干擾使該部分掃描數(shù)據(jù)失真，從而引起巡檢后臺(tái)無法依據(jù)該數(shù)據(jù)分析疊加部分的現(xiàn)場是否出現(xiàn)異常狀況，導(dǎo)致自動(dòng)化巡檢失敗。本文設(shè)計(jì)了一種地鐵巡檢線掃激光傳感器控制裝置，該裝置通過IO口發(fā)出異步時(shí)序配合2個(gè)網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)2臺(tái)線掃激光傳感器的掃描數(shù)據(jù)采集，解決線掃激光傳感器掃描激光信號(hào)疊加干擾問題。獲取數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)通過遠(yuǎn)程通信模塊將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖矙z后臺(tái)，供后臺(tái)巡檢自動(dòng)化控制平臺(tái)軟件分析。

1" 整體設(shè)計(jì)方案

地鐵巡檢線掃激光傳感器控制裝置系統(tǒng)控制2臺(tái)線掃激光傳感器整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。線掃激光傳感器控制裝置通過異步控制信號(hào)控制2臺(tái)線掃激光傳感器的使能信號(hào)，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)線掃激光傳感器的異步數(shù)據(jù)采集，從而確保各自的線掃激光信號(hào)無疊加干擾，保障掃描采集數(shù)據(jù)正確。通過2個(gè)網(wǎng)口連接2臺(tái)線掃激光傳感器讀取各傳感器的掃描數(shù)據(jù)，采集完成后，如果判斷數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則可通過遠(yuǎn)程模塊將該數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)窖矙z自動(dòng)化控制后臺(tái)，后臺(tái)分析異常數(shù)據(jù)然后給出對(duì)應(yīng)維護(hù)操作。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1" 硬件電路組成

線掃激光傳感器控制裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，主要硬件由主控MCU模塊、自帶網(wǎng)口模塊、擴(kuò)展網(wǎng)口模塊、異步控制信號(hào)模塊、遠(yuǎn)程通信模塊和電源模塊組成，如圖2所示。

2.2" 主控MCU模塊

主控模塊采用STM32F207VET6作為校驗(yàn)裝置的MCU。STM32F207VET6以32位的Cortex-M4 RISC為內(nèi)核，工作頻率最高可至120 MHz，內(nèi)存Flash最高可達(dá)到512 KB，具有超低功耗特性和較強(qiáng)的運(yùn)算處理能力，內(nèi)置存儲(chǔ)器保護(hù)單元，可適用于多種應(yīng)用場景。主控CPU負(fù)責(zé)異步控制信號(hào)的產(chǎn)生、網(wǎng)口數(shù)據(jù)的讀取和遠(yuǎn)程模塊數(shù)據(jù)的發(fā)送，可以很好地完成該系統(tǒng)所需設(shè)計(jì)，如圖3所示。

2.3" 自帶網(wǎng)口模塊

自帶網(wǎng)口模塊是利用主控MCU自帶的MAC接口功能，外接一個(gè)網(wǎng)口收發(fā)物理芯片實(shí)現(xiàn)，收發(fā)物理芯片選用LAN8720A，是SMSC公司設(shè)計(jì)的一個(gè)體積小、功耗低、全能型10/100 Mbps的以太網(wǎng)物理層收發(fā)器。該芯片寄存器配置與數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谑窍嗷オ?dú)立的，寄存器配置接口為SMI，數(shù)據(jù)傳輸接口為RMII，SMI接口為一根時(shí)鐘線、一根數(shù)據(jù)線，被稱做串行管理接口。RMII接口用來傳輸數(shù)據(jù)，相比MII接口更加精簡，被稱做精簡MII接口，針對(duì)消費(fèi)類電子和企業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。同時(shí)，LAN8720A內(nèi)部集成PLL，可以將25 MHz的時(shí)鐘源陪頻到50 MHz，并在指定引腳輸出該時(shí)鐘，所以可以直接使其與REF_CLK連接達(dá)到提供50 MHz時(shí)鐘的效果。LAN8720A通過RMII與主控MCU的MAC連接，如圖4所示。

2.4" 擴(kuò)展網(wǎng)口模塊

由于主控MCU只有1個(gè)網(wǎng)絡(luò)外接MAC口，而地鐵巡檢需要2臺(tái)線掃激光傳感器，因?yàn)槊颗_(tái)線掃激光傳感器的數(shù)據(jù)需要快速讀取，因此對(duì)外均提供網(wǎng)口讀取數(shù)據(jù)。因此本文通過主控MCU的高速SPI接口外接1個(gè)擴(kuò)展網(wǎng)口模塊實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)展網(wǎng)口模塊選用W5500，其是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太網(wǎng)控制器，為嵌入式系統(tǒng)提供了更加簡易的互聯(lián)網(wǎng)連接方案。W5500模塊集成了TCP/IP協(xié)議棧，10/100 M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）及物理層（PHY），使得用戶使用單芯片就能夠在其應(yīng)用中拓展網(wǎng)絡(luò)連接。W5500提供了SPI（外設(shè)串行接口）從而能夠更加容易與主控MCU整合。而且，W5500的使用了新的高效SPI協(xié)議支持80 MHz速率，從而能夠更好地實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)通訊。為了減少系統(tǒng)能耗，W5500還提供了網(wǎng)絡(luò)喚醒模式（WOL）及掉電模式供客戶選擇使用，具體電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.5" 異步控制信號(hào)模塊

異步控制信號(hào)模塊由主控MCU通過定時(shí)中斷控制IO端口引腳產(chǎn)生方波實(shí)現(xiàn)，為使IO端口引腳產(chǎn)生的方波能夠成為控制線掃激光傳感器工作的使能信號(hào)，需進(jìn)行電平調(diào)制轉(zhuǎn)換，如圖6所示。由圖可知，經(jīng)過2個(gè)隔離光耦后輸出的電平信號(hào)極性正好相反，而線掃激光傳感器的使能信號(hào)為低電平有效，因此同一時(shí)刻左右2臺(tái)線掃激光傳感器只能有1臺(tái)使能在工作，從而能夠避免2臺(tái)線掃激光傳感器因同時(shí)工作產(chǎn)生激光信號(hào)疊加干擾導(dǎo)致的數(shù)據(jù)失真問題。

2.6" 遠(yuǎn)程通信模塊

遠(yuǎn)程通信模塊設(shè)計(jì)是通過主控MCU的串口外接一個(gè)4G/GPRS 模塊實(shí)現(xiàn)，模塊選擇有方科技的N720，該模塊是一款全網(wǎng)通4G工業(yè)模組，性能穩(wěn)定可靠。同時(shí)模塊體積小，便于集成。支持國內(nèi)移動(dòng)/聯(lián)通/電信3大運(yùn)營商的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)制式，支持全球各區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)嵌豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，完美兼容。模塊通過串口提供標(biāo)準(zhǔn)AT指令集進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，開發(fā)流程簡單，主控MCU只需將待發(fā)送數(shù)據(jù)按照指令集格式組成對(duì)應(yīng)AT指令，通過串口發(fā)送到模塊即可，模塊自動(dòng)將該數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的遠(yuǎn)程巡檢自動(dòng)化控制后臺(tái)，具體電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

2.7" 電源模塊

電源模塊基于24 V直流供電設(shè)計(jì)，輸入的24 V直流電路通過DC/DC模塊TPS54331轉(zhuǎn)換成5 V電源，再通過SPX1117轉(zhuǎn)換為3.3 V電源，具體電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的地鐵巡檢線掃激光傳感器控制裝置系統(tǒng)整體工作是1個(gè)裝置控制2臺(tái)線掃激光傳感器實(shí)現(xiàn)，2臺(tái)激光傳感器的使能信號(hào)線和數(shù)據(jù)讀取網(wǎng)口連接到線掃激光傳感器控制裝置，整體軟件程序流程圖如圖9所示。每次開始巡檢工作時(shí)，主控MCU記錄當(dāng)前啟動(dòng)時(shí)間，通過該時(shí)間可以方便遠(yuǎn)程巡檢自動(dòng)化控制后臺(tái)計(jì)算異常發(fā)生位置。隨后，主控MCU便通過定時(shí)中斷控制IO引腳產(chǎn)生異步控制方波，方波經(jīng)過調(diào)制電路輸出到2臺(tái)線掃激光傳感器的使能信號(hào)上，確保同一時(shí)刻只有一臺(tái)線掃激光傳感器在使能采集數(shù)據(jù)，另一臺(tái)在讀取數(shù)據(jù)，二者交叉進(jìn)行，確保無疊加干擾。主控MCU讀取到數(shù)據(jù)后經(jīng)過初步檢查，判斷數(shù)據(jù)是否異常，如果異常則將該異常數(shù)據(jù)按照遠(yuǎn)程無線模塊能夠識(shí)別的格式進(jìn)行組裝形成待發(fā)送數(shù)據(jù)集，再通過串口發(fā)送到遠(yuǎn)程通信模塊，再由遠(yuǎn)程通信模塊通過4G/GPRS無線方式將該信息發(fā)送到巡檢自動(dòng)化控制后臺(tái)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種地鐵巡檢線掃激光傳感器控制裝置。該控制裝置通過異步控制信號(hào)配合2個(gè)網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)對(duì)2臺(tái)線掃激光傳感器的激光信號(hào)掃描控制和讀數(shù)據(jù)控制，能夠解決2臺(tái)激光傳感器線掃激光信號(hào)的疊加干擾問題，同時(shí)還通過遠(yuǎn)程通信模塊將采集到的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸，讓巡檢自動(dòng)化控制后臺(tái)能夠及時(shí)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并對(duì)應(yīng)展開具體運(yùn)維部署。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂一鋒，陳淋.地鐵運(yùn)營隧道安全巡檢系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2014（10）：126-128．

[2] 李林鋒.地鐵車輛車底巡檢機(jī)器人的功能及其應(yīng)用分析[J]. 城市軌道交通研究，2022（1）：82-89．

[3] 魏秀琨，所達(dá)，魏德華，等.機(jī)器視覺在軌道交通系統(tǒng)狀態(tài)檢測中的應(yīng)用綜述[J].控制與決策，2021，36（2）：257-275．

[4] 李軍，朱國琦，樊曉東，等.地鐵隧道結(jié)構(gòu)機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)及應(yīng)用分析[J].測繪通報(bào)，2020（9），46（3）：27-32．