基于無(wú)線(xiàn)傳輸的高速列車(chē)軸溫集中監測系統

0 引言

列車(chē)在高速運行的過(guò)程中，機車(chē)與鋼軌的頻繁沖擊會(huì )造成車(chē)輛軸承的發(fā)熱，當軸承磨損和產(chǎn)生缺陷時(shí)，會(huì )造成機損從而影響車(chē)輛的正常運行，甚至出現熱切軸，直接導致火車(chē)發(fā)生故障翻車(chē)，給國家和社會(huì )在鐵路運輸造成巨大的經(jīng)濟損失。目前我國大部分采用紅外軸溫監測系統，但這種設備易受外界環(huán)境影響、探測點(diǎn)受車(chē)身擺動(dòng)影響定位困難等原因，使得軸溫過(guò)高告警兌現率低、誤報率極高、而且外界因素對其工作狀態(tài)容易產(chǎn)生很大的干擾，失真嚴重，極有可能給發(fā)出錯誤的溫度提示，影響鐵路運輸的正常工作[1-2].針對這種情況，設計了系統簡(jiǎn)潔、布局小巧、靈敏度高、收發(fā)信息能力快速的高速列車(chē)軸溫集中監測系統，可在第一時(shí)間發(fā)現運行中的列車(chē)軸承是否溫度過(guò)高，如軸溫超過(guò)預設定值，就發(fā)出報警信號，機車(chē)司機可及時(shí)的停車(chē)檢查，有效地降低事故發(fā)生率，避免因事故而產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟損失，維護鐵路運輸的正常運行。

1 系統總體設計

高速列車(chē)有多節車(chē)廂組成，每節列車(chē)車(chē)廂有兩個(gè)車(chē)軸架，每個(gè)車(chē)軸架上有兩個(gè)車(chē)軸，每個(gè)車(chē)軸兩端又有兩個(gè)軸箱。設計中在每個(gè)軸箱上安裝一個(gè)軸溫傳感器，每個(gè)軸架上設一個(gè)監測節點(diǎn)。絕大多數列車(chē)軸溫報警裝置仍然沿用了傳統的單車(chē)分散報警的模式，又考慮到列車(chē)存在經(jīng)常調換機車(chē)車(chē)頭和車(chē)廂的問(wèn)題，所以在傳輸方式上系統選用了2.4G無(wú)線(xiàn)通信傳輸方式。

為了防止數據阻塞，采用了輪詢(xún)問(wèn)答方式進(jìn)行通信，大大提高了通信質(zhì)量和可靠度。系統主要由多個(gè)監測節點(diǎn)和一個(gè)部署在駕駛艙內的監測臺組成。系統結構示意如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

監測節點(diǎn)通過(guò)溫度傳感器將模擬信號轉換成數字信號，實(shí)時(shí)地將列車(chē)每個(gè)車(chē)軸的軸溫情況傳送到安裝在機車(chē)頭的監測控制臺，進(jìn)行分析、顯示，供機車(chē)司機或者地面車(chē)輛檢修部門(mén)隨時(shí)監測車(chē)輛運行時(shí)軸溫的變化情況。在列車(chē)運輸過(guò)程中，當出現軸溫異常時(shí)，監測臺能發(fā)出報警信號給司機，提醒及時(shí)停車(chē)采取一定的措施排除故障，降低了機車(chē)在運行過(guò)程中因軸溫過(guò)高發(fā)生事故的幾率，從而確保列車(chē)運行的安全。

2 硬件結構

系統的無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)硬件主要由微控制器ATmega128L、溫度傳感器PT100、無(wú)線(xiàn)通信模塊nRF24L01、存儲器K9F5608和電源管理模塊等組成。其中監測臺還包括報警和顯示屏單元。

硬件部件的控制器單元主要功能在于控制溫度傳感器采集列車(chē)的軸溫信息，并對信息進(jìn)行處理和轉發(fā)，以及對接受到的數據進(jìn)行分析、顯示。數據采集單元主要是通過(guò)溫度傳感器對軸溫信息的采集。無(wú)線(xiàn)通信單元用于發(fā)送采集到的軸溫數據，并與列車(chē)監測臺進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。節點(diǎn)硬件構成如圖2所示。

圖2 節點(diǎn)硬件構成

2.1 微控制器ATmega128L

考慮到控制器既要滿(mǎn)足系統的需求，又要保持低功耗和小體積的特性，故選用了8位微控制器ATmega128L,相對于其他通用的8位微控制器來(lái)說(shuō)，它具有非常豐富的資源，工作于16MHz時(shí)性能高達16MIPS,具有片內128k字節的程序存儲器，4k字節的數據存儲器和4k字節的E2PROM;具有兩個(gè)16位定時(shí)器/計數器；具有53個(gè)通用I/O 口線(xiàn)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、兩個(gè)USART、可工作于主機/從機模式的SPI串行接口、8路10位ADC、兩路8位PWM、與IEEE1149.1規范兼容的JTAG測試接口用于片上調試，以及6種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式?？刂破鞯腁DC口與PT100的輸出連接，SPI接口與無(wú)線(xiàn)通信模塊nRF24L01連接實(shí)現數據的收發(fā)，PWM口用來(lái)驅動(dòng)監測臺的報警單元，數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)與存儲器配合使用。

2.2 無(wú)線(xiàn)通信模塊nRF24L01

nRF24L01是工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 頻段的單片射頻收發(fā)器，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，支持Shock-Burst和Enhanced Shock-Burst兩種數據傳輸方式，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9mA,接收時(shí)，工作電流只有12.3mA,多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節能設計更方便，接口最高速率可以到達8Mbps,工作電壓1.9~3.6V,采用SPI接口進(jìn)行數據的收發(fā)，無(wú)線(xiàn)數據的傳輸速率最高達2Mbps,并有自動(dòng)應答和自動(dòng)重發(fā)射功能。輸出功率、頻道分配及協(xié)議的選擇可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設置[3].

2.3 溫度傳感器PT100

常用的接觸式測溫傳感器有熱電偶、熱電阻、半導體石英晶體等，鉑熱電阻在0℃時(shí)的電阻值稱(chēng)R （0℃）和100℃時(shí)的電阻值稱(chēng)R （100℃）以及R （100℃）/R （0℃）叫做比值W100.監測節點(diǎn)溫度傳感器采用的是鉑電PT100,PT100的含義為（0℃）時(shí)的名義電阻值為100Ω，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨之變化而變化，且電阻與溫度的關(guān)系即分度特性完全和IEC標準等同，因此PT100主要用來(lái)測量-200~+600℃的溫度。鉑電阻的電阻值與溫度成非線(xiàn)性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線(xiàn)性校正[4].校正分為模擬電路校正和微處理器數字化校正，模擬校正有很多現成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數字化校正需要在微處理系統中使用，將鉑電阻的電阻值和溫度對應起來(lái)后存入EEPROM 中，根據電路中實(shí)測值以查表方式計算相應溫度值。常用的Pt電阻采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路；另一為恒流源式測溫電路。

系統中監測節點(diǎn)采用的是是第一種橋式電流測溫電路，其具有測量準確度高、測量范圍大、復現性和穩定性好等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 存儲器K9F5608

存儲器K9F5608 是三星公司生產(chǎn)的32MBytes容量的NAND Flash芯片，用來(lái)存儲臨時(shí)的軸溫數據，當通信中斷時(shí)可以把數據存在K9F5608中，待通信恢復正常后再將這些數據發(fā)送至監測臺。它具有8位數據/地址復用接口以及CLE、ALE、WP、R/B、CE等控制信號，硬件接口比較簡(jiǎn)單，但讀寫(xiě)時(shí)序相對較復雜，需要依次送入命令、地址、數據等。實(shí)際需要輸入24位的地址用來(lái)尋址，由于該芯片與控制器ATmega128L的接口是8位地址數據復用線(xiàn)，所以需要3個(gè)周期才能完成24位地址的輸入[5].存儲器K9F5608外圍電路如圖3所示。

圖3 K9F5608外圍電路

控制器ATmega128L的PA口完成對Flash數據﹑地址與命令的傳輸；用控制器的PG口來(lái)完成對Flash傳輸狀態(tài)的選擇，如CLE、ALE、R/B、CE等；用控制器的WE和RD信號來(lái)選擇FLASH是讀還是寫(xiě)，在總線(xiàn)上傳輸的一般順序為：

命令->地址->命令/數據。

3 軟件設計

系統軟件包括監測節點(diǎn)軟件和監測臺軟件兩部分。為了確保正常通信，采用問(wèn)答方式，即控制臺依次與每個(gè)監測節點(diǎn)建立通信，收到節點(diǎn)發(fā)來(lái)的數據后，再收取下一個(gè)節點(diǎn)的溫度數據信息，這樣就避免了阻塞的情況，確保數據的可靠性[6].

3.1 監測節點(diǎn)軟件

監測節點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統初始化，包括控制器各端口、寄存器和通信模塊nRF2401的配置等，之后進(jìn)入接收控制臺指令狀態(tài)。當接收到指令時(shí)，立即讀取傳感器PT100的輸出值，經(jīng)過(guò)查表處理得出當前軸溫信息，與節點(diǎn)ID打包正數據幀后發(fā)送到監測臺，并繼續進(jìn)入到接收指令狀態(tài)。監測節點(diǎn)軟件流程如圖4所示。

3.2 數據格式

系統了制定了簡(jiǎn)單的數據幀格式，如表1所示。

圖4 監測節點(diǎn)軟件流程

表1 監測節點(diǎn)數據幀結構

每個(gè)幀的幀頭都以‘start'’開(kāi)始，占用5個(gè)字節；然后是占用3個(gè)節點(diǎn)的ID,可以認為是節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中的地址；再接下來(lái)就是占用6個(gè)字節的溫度值。當監測臺發(fā)送指令時(shí)，每個(gè)監測節點(diǎn)都收到數據，但只有指令中ID與節點(diǎn)ID匹配時(shí)才會(huì )將該數據返回給監測臺，如果不匹配則不做任何處理。

3.3 監測臺指令幀結構

監測臺與各監測節點(diǎn)通信的時(shí)候主要是通過(guò)發(fā)送指令完成的，指令幀結構如表2所示。

表2 監測臺數據幀結構

每個(gè)指令幀也是以“start”開(kāi)始，占用5個(gè)字節；然后是需要提供溫度數據的節點(diǎn)ID,占用3個(gè)字節；再接下來(lái)是指令的有無(wú)效，占用1個(gè)字節；最后是以“end”的幀尾結束符，占用3個(gè)字節。

3.4 數據發(fā)送和接收

發(fā)送數據。首先將nRF24L01配置為工作在PTX 模式，接著(zhù)把地址TX_ADDR和數據TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫(xiě)入nRF24L01緩存區，置CE為高電平并保持至少10μs,拉低CE后發(fā)射數據，并立即進(jìn)入接收模式等待應答信號。如果收到應答，則認為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從發(fā)送堆棧中清除；若未收到應答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數據，若重發(fā)次數ARC_CNT達到上限，MAX_RT置高，TX_PLD 不會(huì )被清除；MAX_RT 或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，通知處理器做相應處理。發(fā)射成功后，進(jìn)入空閑模式。

接收數據。首先將nRF24L01配置為PRX接收模式，接著(zhù)延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數據的到來(lái)。當接收方檢測到有效的地址和CRC時(shí)，就將數據包存儲在接收堆棧中，同時(shí)中斷標志位RX_DR置高，IRQ變低，通知處理器讀取數據，接收完數據后進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)并回傳應答信號，接收成功，CE變低進(jìn)入空閑模式[5].

4 試驗結果與分析

試驗采用雙層集裝箱車(chē)，分別對空載和載重的兩種不同情況車(chē)廂進(jìn)行了測試?？蛰d車(chē)廂自重為25t,載重車(chē)廂重為78t.

兩種情況的測量結果如圖5所示。

圖5 測試結果

由于列車(chē)運行情況相對復雜，軸溫與速度、運行時(shí)間、制動(dòng)、載重和環(huán)境溫度等情況都有密切關(guān)系。從對圖5的分析看，具體關(guān)系是：速度越快，軸溫越高；列車(chē)啟動(dòng)階段，即0~30km之間，隨著(zhù)運行時(shí)間的增加軸溫越高，當達到一定程度時(shí)，運行時(shí)間不再軸溫；在行駛到43~50km處，列車(chē)制動(dòng)使車(chē)軸急劇升高，溫度達到71.45℃；在運行穩定狀態(tài)下，載重78t的車(chē)廂明顯比載重25t的車(chē)廂，溫度高6℃左右；另外，環(huán)境越高，軸溫越高。不難看出，載重越大，軸承運轉溫度越高，并且上升速度越快。

5 結論

針對目前列車(chē)軸溫探測存在的不足，借助于現代無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，設計了系統簡(jiǎn)潔、布局小巧、靈敏度高、收發(fā)信息能力快速的高速列車(chē)軸溫集中監測系統，擺脫了傳統有線(xiàn)的傳輸方式，可實(shí)時(shí)監測運行中的列車(chē)軸承情況，如超過(guò)軸溫監測預設定值，就發(fā)出報警信號，便于及時(shí)采取有效措施，有效地降低事故發(fā)生率，避免因事故而產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟損失。經(jīng)過(guò)實(shí)驗得到兩種載重情況運行列車(chē)的軸溫數據，分析了提速列車(chē)的軸溫變化規律，給改進(jìn)熱軸預報提供了數據基礎，對維護鐵路運輸的正常運行和高速鐵路的發(fā)展具有重要意義。