基于STM32的客车轴报联网检测试验台设计

刘付刚，宫丹丹，王重宇

(黑龙江科技大学 电信学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

铁路运输是我国重要的交通基础设施，也是资源和环境友好型的运输方式之一，在我国具有重要的地位和作用. 目前，我国铁路的运输效率、 货物发送量、 运输密度和旅客周转量均居世界首位，国内旅客周转量占全社会旅客周转量的1/3以上，国内货物周转量占全社会货物周转量的55%以上. 铁路运输事业的头等大事是行车安全，作为影响车辆安全的关键设备，客车轴承性能状态的监测尤为重要[1-4]. 当有异常升温时，则说明轴承运用条件恶化，润滑条件变坏，造成轴承零件变形，如不及时发现并进行处理，会导致严重的行车事故[5]. 故在列车运行期间，需要通过轴温监测报警器(简称“轴报”)来实时监测转向机构的轴承以及轮对轴承的温度[6]，实现对轴承的运行状态监测，避免因轴承温度过高引起列车脱轨事故. 目前Liu提出了一种新型轴温监测系统，解决了异常值、 缺失值等问题，降低了误报率[7]； 曹源等提出了基于动态时间规整(Dynamic Time Warping,DTW)的车辆轴温监测方法，监测了轴温状态，消除了由于轴温跳边等因素对轴温状态监测的影响[8]； 刘泉龙针对轴温报警装置在运用过程中出现的易发故障，分析了误报警故障原因，并提出了相应的处置措施[9]. 本文针对目前使用的各型号轴温监测报警器，通过单片机模拟温度数据的方式设计了轴报联网检测试验台，可以一次对20台轴报的性能进行检测，大大提高了产品检测检修的效率.

1 试验台总体设计方案

目前服役于列车运行的轴温报警检测器为双控制器嵌入式设备. 如图1 所示，控制器(MCU)A 采集各轴位的温度数据，控制器(MCU)B与驱动ST7540电力载波芯片[10]进行数据交互，将数据上传到电力载波总线上，并与其它设备进行数据交互.

图1 轴报设备联网模型

根据图1 轴报设备联网运行的实际情况，设计了一种能够在轴报设备联网状态下检测各功能指标的试验台，根据(铁总运[2015]29号)文件要求，试验台可接入的轴报设备不大于20台，故设计的试验台接口数为20个. 该试验台所要实现的功能如下：

1)自动识别轴报上的车厢顺位号是否重号；

2) 一台轴报设备发生报警时，联网的所有轴报设备均报警并显示报警设备源；

3) 报警设备消音后，该轴报设备仍报警提示，但其它轴报设备报警音消除；

4) 若两台轴报设备同时报警，联网轴报设备交替显示两处报警源；

5) 联网轴报设备的记录仪工作时长不少于30 min，可通过储存卡下载数据，数据记录间隔时间为10 min.

根据以上功能，试验台设计的方案框图如图2 所示，试验台通过上位机将二进制车厢顺位号，轴位号，轴温这些数据通过串口送至处理器1，处理器1将二进制的轴温等数据变成模拟温度值，上传至轴报设备的(MCU)A，随后(MCU)A将这些数据传递给(MCU)B，通过(MCU)B中的ST7540芯片对数据进行调制，使轴温数据变成电力载波信号并送至组网的总线上； 处理器2通过驱动ST7540芯片将组网总线中的数据获取下来，进行解调，将数据上传至上位机进行相应的处理.

图2 试验台设计方案框图Fig.2 Block diagram of test bed design scheme

2 试验台主板电路设计

试验台主板主要电路有电源模块、 MCU模块、 数据上传模块、 通信模块.

2.1 电源模块

根据列车轴报的供电需求，本系统所需电源主要有DC-48V, DC-10V, DC-5V.

图3 电源模块原理图Fig.3 Schematic diagram of power module

其中DC-48V为20套轴报设备供电[11]，DC-10V为ST7540电力载波模块供电，DC-5V为主板供电. 为减小主板设计体积和符合机车电源要求，以上电源供电均直接采用轴报系统供电模块. 另外，主板单片机芯片DC-3.3V为DC-5V通过芯片1117-3.3V转换得到，电路图如图3 所示.

2.2 MCU模块

MCU模块由STM32F103R8T6及其辅助电路等组成，该处理器资源丰富，能对多个操作并行执行，满足设计的要求[12]. 在本设计中采用双核控制系统，单独使用上位机不能实现与轴温报警器直接通信，此模块采用的双核系统设计完成了轴温报警器与上位机之间的通信，由(MCU)A直接传输轴温报警器的温度数据，(MCU)B通过驱动电力载波芯片实现轴温报警器之间的正常通信，实现轴温报警器联网功能. MCU模块电路如图4 所示.

(a) 处理器1与轴报连接(b) 处理器2与总线连接图4 MCU模块电路图Fig.4 MCU module circuit diagram

2.3 数据上传模块

处理器与轴温报警器之间的通信需要的数据线高达180路，仅靠单个处理器无法实现，为节约接口资源和设计成本，本系统通过设计单个MCU控制74HC138和SN245级联的电路，实现了29路 IO口对180个轴位温度模拟数据的上传. 具体实现原理如图5 所示.

图5(a) 中T/R_UA端连接(MCU)A中的IO口，MCU控制A，B，C输入状态，决定输出状态，输出引脚连接图5(c)中SN245的传输方向选择端OE. 图5(b)中OE_UA端连接(MCU)A中的IO口，MCU控制A，B，C输入状态，决定输出状态，输出引脚连接图5(c)中SN245的使能端OE.

(a) 3-8译码器选择SN245传输方向

(b) 3-8译码器使能SN245

(c) SN245工作原理图图5 数据上传模块电路图Fig.5 Data upload module circuit diagram

2.4 通信模块

试验台通信模型如图6 所示，上位机与处理器采用RS485通信协议，轴报设备与上位机之间采用电力载波FSK调制方式[12]进行通信，数据交互形成回环. 上位机通过RS485通信模式[13]将控制指令传送给处理器1，处理器1按照具体指令配合数据上传模块的控制协议将温度模拟数据传送至指定的各轴报设备； 处理器2通过ST7540芯片对电力载波总线上的模拟数据信号进行解调，解调后的数据传送给上位机[14].

图6 试验台通信模块原理图Fig.6 Test bed communication module schematic diagram

3 试验台软件设计

本试验台选用单片机STM32F103R8T6为主控芯片，通过Keil MDK软件[15]编程来完成轴温报警器与上位机、 上位机与处理器之间的信息交互，从而实现对轴温报警器的性能进行检测. 图7 所示为该试验台软件设计流程图.

流程图中需要传输的有效信息有3个： 车厢顺位号(1-20)、 轴位号(1-9)、 和温度信息(0-125). 在发送数据之前需要判断轴报设备的型号，不同型号的轴报设备传输数据时需要不同的传输方式，发送数据时需要对数据进行CRC校验，来保证传输数据的完整性[16]. 处理器2主要负责对总线上的数据进行获取以及向总线上传输数据. 在对参数进行初始化之后，判断串口是否处于接收状态，若是，则把接收到的数据存入接收缓冲区，若不是，则需要对数据进行CRC校验，然后使能串口发送，将数据发送到FSK电力载波总线上.

另外，本试验台使用Visual Studio软件开发上位机软件，上位机界面如图8 所示. 上位机通过RS485通信协议实现对下位机主板的简单通信和控制，并对接收的数据进行存储和处理，完成检测记录、 报表、 记录查询、 数据统计分析以及报表打印等功能.

图7 软件设计流程图

图8 上位机界面显示样图Fig.8 PC interface display sample figure

4 试验台综合测试

轴温报警设备、 处理器1、 处理器2以及上位机联接在一起的平台，实现轴报联网，并检测轴温报警器的性能是否处于正常状态. 因旅客列车最大编组不超过20辆，故该平台最大可接入控制显示器数量不大于20台，当上位机向处理器发送数据后，该试验台又将上位机发送的数据反馈给上位机，以便检测轴报设备是否处于正常工作状态. 返回数据如下所示(所示数字均为16进制数)：

FF FF FD FE 01 86 36 79 15 19 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 00 FF EE B8 FF

FF FF FD FE 02 64 45 36 75 B5 20 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 00 FF DE B8 EF

FF FF FD FE 03 3A 45 30 19 B5 B5 21 B5 B5 B5 B5 B5 B5 00 FF C5 B8 7F

FF FF FD FE 04 B9 60 80 58 B5 B5 B5 22 B5 B5 B5 B5 B5 00 FF 04 F0 ED

FF FF FD FE 05 E7 41 10 36 B5 B5 B5 B5 23 B5 B5 B5 B5 00 FF DB E8 FF

FF FF FD FE 06 E7 37 54 37 60 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 A0 FF 98 F0 FF

FF FF FD FE 06 E7 37 54 37 60 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 AA FF 98 F0 FF

FF FF FD FE 06 E7 37 54 37 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 B5 00 FF 98 F0 FF

从上述返回数据即可得到：

1号车厢的1号轴位的轴温为23度，表明轴报设备无报警无消音.

2号车厢的2号轴位的轴温为32度，表明轴报设备无报警无消音.

3号车厢的3号轴位的轴温为33度，表明轴报设备无报警无消音.

4号车厢的4号轴位的轴温为34度，表明轴报设备无报警无消音.

5号车厢的5号轴位的轴温为35度，表明轴报设备无报警无消音.

6号车厢的1号轴位的轴温为96度，表明轴报设备有报警且无消音.

前6组数据的出现表明这6个轴温报警设备性能正常，无异常情况发生. 最后一组数据表明从上位机返回的数据中，未包含轴温等有用信息.

当测试过程中有异常情况出现时，即上位机返回的数据异常时，首先需要检查轴报设备是否处于正常工作状态. 若轴报设备是非正常工作，只需更换正常工作的轴报即可； 若轴报设备正常工作，此时需要检查接线电路是否有断路、 短路的现象，还要注意电路要防干扰，否则测试结果容易出现异常. 若轴报设备和接线部分均无异常，则表明数据上传和通信部分有问题待改进，需修改数据上传和通信的程序部分.

5 结 论

该试验台打破了传统的利用传感器对客车轴承进行测温而后再对轴报的性能进行检测的做法，直接通过上位机把模拟的有效信息(车厢顺位号、 轴位号、 温度信息)利用RS485通信协议传输至处理器1，随后处理器1通过单总线协议将模拟的温度等信息传输至轴报中的(MCU)A，轴报中的(MCU)B通过驱动电力载波芯片实现轴温报警器联网功能，处理器2则向总线上传输数据以及将总线上的数据获取至上位机，从而通过对返回的轴温等数据进行存储和处理，来查找故障轴报，以确保行车安全.

本试验台可同时接入20台轴报控制显示器，大幅度提高了轴报产品检测检修的效率，并且实现了轴温报警器系统联网通信的功能，可集中观察轴温报警器的测温状况、 温升报警功能. 从而达到系统实时在线对轴报设备的性能进行检测，为铁路客车运输安全提供坚实的保障.