劉建明　王侃偉　馬　鳴

摘 要：在鐵路安全運輸工作中，紅外線探測設備的故障判別及處理在紅外管理占有非常重要的地位，紅外故障判別和處理主要以人工分析方式為主，存在著紅外設備使用率降低等弊端。提出一種實現(xiàn)紅外設備故障報警以及控制自動化方法，包括磁頭檢測、探頭檢測、通道檢測等功能，并首次提出采用電子羅盤對磁頭位姿進行檢測，在實際故障診斷中具有實際意義，經過實驗驗證，達到滿意效果。

關鍵詞：故障檢測；嵌入式；磁頭檢測；電子羅盤

中圖分類號：TP29文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-186-04

Design and Realization of Infrared Equipment

Long-distance Alarm System Based on TMS320F240

LIU Jianming WANG Kanwei2,MA Ming3

(1.Shaanxi Province Electronic Products Examination Institute,Xi′an,710004,China;

2.Northwestern Polytechnical University,Xi′an,710072,China;

3.Shaanxi Province Public Security Department,Xi′an,710004,China)

Abstract：In the railway safety-transportation,fault estimation and disposal of the infrared detecting equipment plays a very important role in infrared management.The infrared fault is mainly distinguished and deposed by manual analysis,so it brings out many disadvantages,for example,the infrared equipment runs inefficiently.A method of infrared fault alarm and control automation,including magnetism-head detection,probe detection and channel detection functions are proposed,the electronic compass is first applied to detect the magnetic head position posture.It is very significant for the practical fault detection,the satisfactory effect is achieved by experimental verification.

Keywords：fault detection;embedded;magnetism-head detection;electronic compass

0 引 言

鐵路車輛紅外線軸溫探測技術是近二、三十年發(fā)展起來的一門新技術，主要應用在防止客貨列車燃切軸事故上，特別是20世紀90年代發(fā)展起來二代機軸溫探測技術是一門集工程控制、信息網(wǎng)絡及自動化控制的新興技術，它對防止客貨列車燃切軸事故，保證行車安全起到了重要的作用。

紅外線軸溫探測二代機技術主要是將各個探測站采集到的軸溫數(shù)據(jù)進行熱軸判別和處理后，通過電務通道上傳至信息監(jiān)測中心和查詢終端，其中計算機完成的主要功能是對軸溫探測流水數(shù)據(jù)、熱軸流水數(shù)據(jù)的處理，但隨著紅外技術的不斷發(fā)展和紅外管理工作的進一步規(guī)范，特別是隨著紅外線在保證鐵路行車安全的作用和地位的提高，如何及時快速處理紅外設備故障以及快速準確判斷紅外設備故障，成為目前紅外工作的重要組成部分，僅僅通過對軸溫探測的流水數(shù)據(jù)進行分析來判斷故障已經遠遠不能滿足紅外管理運用工作的需求，必須將相關的紅外設備故障通過故障報警系統(tǒng)自動判別后通知相關人員進行快速處理。

1 概 述

在鐵路安全運輸工作中，紅外線探測設備的故障判別及處理在紅外管理占有非常重要的地位，長期以來，紅外故障判別和處理主要以人工分析方式為主，存在著紅外設備使用率降低等弊端。隨著紅外工作的進一步規(guī)范和強化，實現(xiàn)紅外設備故障報警以及控制自動化，從人控轉變?yōu)闄C控已成為紅外故障處理的必然趨勢。

紅外線設備遠程報警系統(tǒng)，是利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)紅外線設備復位，可實現(xiàn)對紅外線設備的無人檢測遠程報警，遠程控制紅外線設備，機房熱分機啟動等，以保證紅外線設備的正常工作，該設備極大地提高了紅外線設備運行的安全性、可靠性及設備故障的及時性，極大地提高了行車保安設備的安全性。

2 本系統(tǒng)主要完成功能

紅外線遠程智能遠程報警系統(tǒng)是采用單片機控制實現(xiàn)遠程報警，與圖像監(jiān)控等手段相結合，能夠準確快速地實現(xiàn)遠程故障報警，系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

本系統(tǒng)由兩部分組成：紅外線探測點和車輛段監(jiān)控系統(tǒng)。

紅外線探測點由單片機及Modem撥號，短距離無線通訊等部分組成，在系統(tǒng)滿足可靠性和通用性的前提下，紅外線探測點應實現(xiàn)以下幾個方面的故障報警自動化。

(1) 對紅外設備的磁頭故障(包括磁頭損壞、丟失、磁頭磁性不穩(wěn)定等)進行自動遠程報警。

(2) 對主輔機的通訊故障(不接車)進行自動報警，若為設備死機造成的故障，可進行遠程控制設備復位。

(3) 對紅外中心通訊故障或停電故障進行自動遠程報警。

(4) 可對附加的其他設備的工作或關閉進行遠程控制(如電扇、空調、掃雪器等)。

(5) 人員安全報警，當檢修人員在探測點進行檢測時，對火車接近進行報警，可保證檢測人員人身安全。

(6) 對房屋內人員的非法入侵進行自動遠程報警。

(7) 采用攝像拍攝的方法進行監(jiān)控，具有動態(tài)檢測進行報警功能，可實現(xiàn)人員入侵動態(tài)報警功能，考慮電話傳輸速度較慢，大量視頻圖像暫存于當?shù)兀瑱z查人員使用U盤可將數(shù)據(jù)導出。

車輛段監(jiān)控系統(tǒng)由服務器、Modem Pool、監(jiān)控LED顯示等部分組成。

主要完成對紅外線探測點故障信號監(jiān)控、紅外線故障信息導入鐵道部紅外線段級紅外線信息平臺，存儲、打印、顯示等功能。

3 主要實現(xiàn)方案

紅外線設備遠程報警系統(tǒng)能實時監(jiān)測紅外線設備的工作狀況，并通過安裝在紅外線設備機房的電話線把其數(shù)據(jù)傳送到車輛段中心電腦上,也可在任何有電話的地方用一臺電腦接收這些數(shù)據(jù),系統(tǒng)獨立工作,不影響紅外線設備工作,即使系統(tǒng)不工作(故障)也不會影紅外線設備工作。

3.1 主控制模塊

主控制模塊由信道檢測、靜態(tài)卡、傳感器、液晶及電源組成，主要實現(xiàn)功能：

(1) 實時接收各種模塊的數(shù)據(jù);

(2) 能通過64×128液晶點陣顯示各模塊狀態(tài)和數(shù)據(jù)，保存維修人員編碼;

(3) 與上級通過MODEM交換數(shù)據(jù);

(4) 偵聽主、輔機之間的大列波形。

存貯和顯示數(shù)據(jù)，主要包括最近14列車的大列波形；一日的信道狀態(tài)；三日的供電狀態(tài)，異常復位；一日探頭供電箱,及輔機的各種電壓值；近5日環(huán)溫、箱溫情況；近30日防盜、維修人員訪問情況；近30日探頭位置；最近14列車的1#、2#、3#磁頭的平均值、最大值、最小值和噪聲；探頭定標值；近4日停電情況。

系統(tǒng)構成如圖2所示。

系統(tǒng)采用嵌入式控制器32位ARM結構微處理器，外圍擴展存儲器接口，液晶顯示、鍵盤作為人機交互接口，通過RS 232和USB與PC機進行通訊,嵌入式控制器可支持工業(yè)現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)兩種網(wǎng)絡結構。嵌入式控制器采用基于μC/OS Ⅱ內核的RTOS操作系統(tǒng)。

3.2 探頭檢測模塊

這部分模塊主要目標是檢測探頭大列波形;定標值以及探頭位置；檢測探頭供電箱,及輔機的各種電壓；檢測磁頭狀態(tài)；檢測供電、上電、掉電、異常復位；檢測探測站與中心的信道狀態(tài)及環(huán)溫、箱溫等情況。采集二路下探波形，64點采樣，采集密度一樣，采集長度增加一倍，即提前半個軸箱開始，延后半個軸箱結束；通過RS 485口上傳主機探頭位置,對于檢測紅外線設備軸溫是否正常具有決定性意義，由于軸溫探測設備安裝在鐵軌旁邊，由于震動等原因，經常發(fā)生偏轉，導致紅外線設備檢測波形不正確，探測軸溫出現(xiàn)偏差，傳統(tǒng)檢測方法是采用三角尺測量，用香頭在三角尺上放置熱源，對比紅外線探頭波形校準，這種方法測量復雜，精確度較低。

采用電子羅盤可較好地解決這個問題，電子羅盤是測量方位角(航向角)比較經濟的一種儀器，本系統(tǒng)采用TDCM3電子羅盤傳感器模塊，TDCM3電子羅盤由美國Precision Navigation生產。模塊封裝了一個三軸磁強計和一個高性能的兩軸傾斜計,可以同時輸出俯仰和滾動角,以及三維的磁場測量值。以前所有的羅盤都必須保持水平才能保證精度,因而只能采用一種笨拙的萬向節(jié),或再加上液體的方法來保持傳感器的水平狀態(tài)。TDCM3則使用了一個高性能的傾斜計(傾斜傳感器),允許微處理器在數(shù)學上改正傾斜角,因此,它是一種消除了機械常平架的電子羅盤。TDCM3電子羅盤對水平方向的角度測量為360°,同時,按照可測量傾斜角度范圍,又分為20°,50°,80°。電子羅盤的數(shù)據(jù)輸出可以是RS 232或RS 485標準的數(shù)據(jù)字符輸出或者模擬輸出,并且可以由主控計算機發(fā)出控制指令,來控制TDCM3電子羅盤輸出數(shù)據(jù)的種類、格式以及工作方式。

完整的TDCM3電子羅盤的數(shù)據(jù)輸出為:

＄C〈compass〉P〈pitch〉R〈roll〉X〈Bx〉Y〈By〉Z〈Bz〉T〈temp〉E〈error code〉 校驗和〈cr〉〈lf〉

數(shù)據(jù)中包含有羅盤角度C,載體的傾斜角P和橫滾角度R,各向的磁場強度X,Y,Z,在開始校準好探頭位置后，記錄電子羅盤的數(shù)據(jù)輸出，當俯仰角、方位角發(fā)生變化時,根據(jù)需要取用TDCM3電子羅盤提供的數(shù)據(jù)進行對比。如果變化超過一定范圍，表明探頭發(fā)生偏轉，需要再次校準。

3.3 磁頭波形電壓檢測模塊

這部分模塊主要目標是采集3路磁頭波形，在觸發(fā)處的位置需要保存，采集結果通過RS 485口與主機通訊。電壓檢測模塊檢測27路模擬電壓；220 V，交流值；異常復位。采集電壓原理圖如圖3所示。

圖3 采集電壓原理圖

檢測內容如下：

① +24 V±1 V VACP-P＜15 mV

② -24 V±1 V VACP-P＜15 mV探頭電壓

③ +27 V+2 V或+27 V-1 V

④ -27 V-2 V或-27 V+1 V電機電壓

⑤ 2x背溫輸出：3.33-2.33 V

⑥ 2x保護門電壓：±27 V

⑦ 2x探頭噪聲和峰值(在自檢時采集)：Vp-p＜25 mV

3.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

系統(tǒng)在紅外線探測點將數(shù)據(jù)通過MODEM發(fā)送至車輛段監(jiān)控中心，中心計算機對數(shù)據(jù)可實時監(jiān)控，根據(jù)紅外線設備檢修方法，可對紅外線設備進行遠端維護。數(shù)據(jù)傳送主要采用TDK公司的TDK73M2901CL，它是一種高集成度的單片MODEM芯片，該芯片可以和8048或80C51單片機對接，接口電路簡單；采用串行口數(shù)據(jù)傳輸；既可以同步方式又可以異步方式工作，包括V.22擴充超速；與CCITT V.22,V.21,BELL 212A,103標準兼容；具有呼叫進程、載波、應答音、長回環(huán)檢測的功能。TDK73M2901CL具有32DIP封裝，其引腳見圖4。

圖4 TDK73M2901CL引腳原理圖

TDK73M2901CL內部有4個寄存器可用于控制和狀態(tài)的監(jiān)視。其中，控制寄存器CR0用于控制電話線路上數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?控制寄存器CR1用于控制TDK73M2901CL內部狀態(tài)與單片機之間的接口;檢測寄存器DR是一個只讀寄存器，它提供了監(jiān)視MODEM工作狀態(tài)的條件;音調寄存器TR則用于控制音頻信號的產生，在TR的控制下，MODEM可以產生DTMF信號、應答音信號和防衛(wèi)音信號,還可以在MODEM啟動和與對方聯(lián)系過程中對RXD引腳進行控制。

寄存器名稱、地址、數(shù)據(jù)位如下： AD2～AD0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,控制寄存器CR0地址000,調制選擇：0發(fā)送模式,其中:1 100=FSK模式，包括發(fā)送允許、應答、始發(fā)模式;控制寄存器CR1 地址001,數(shù)據(jù)發(fā)送方式:允許中斷，包括旁路編碼、時鐘控制、復位操作、測試模式，其中：00=正常； 檢測寄存器DR 地址010，包括接收數(shù)據(jù)、介碼標志、載波檢測、應答音、呼叫過程、長環(huán)檢測等模式；若條件檢測到為“1”,否則為“0”；音調控制寄存器TR，地址011，控制RDX包括發(fā)防衛(wèi)音、發(fā)應答音、發(fā)送DTMF音模式，該四位對應1～16 DTMF信號。

接收端的MODEM按應答方式接線，單片機89C51平時處于巡回檢測電話振鈴信號的狀態(tài)，一旦檢測到該信號，則可將J2吸合，在2 s左右的沉默之后，啟動MODEM發(fā)送應答音。雙方經過簡短的握手過程之后，89C51便將收到的對方代碼存儲至數(shù)據(jù)服務器。在發(fā)送完DTMF(撥號信號)之后，程序需要檢測應答音、發(fā)送和接收握手信號、循環(huán)發(fā)送本機代碼等內容。

雙方所用的通信程序框圖見圖5。

圖5 通信流程圖

4 實驗及測試結果

系統(tǒng)設計完成后，可脫機值守方式工作， 122×32點陣LCD可實時顯示時鐘、操作狀態(tài)，并具有15鍵操作鍵盤，可獨立完成故障檢測及查詢等功能(外形尺寸：255 mm(高)×176 mm(寬)×100 mm(厚))，提供RS 232/RS 485,RJ45接口，支持局域網(wǎng)連接；提供識別記錄的標準數(shù)據(jù)格式。

主要技術參數(shù)：

(1) 通訊報警時間：5 min；

(2) 1#,2#,3#磁頭報警時間:有過車時，4 min；

(3) 檢測車輛速度范圍：3~200 km/h；

(4) 復位時間，3 s左右。

(5) 1#,2#,熱分機接通時間大于2 min；

(6) 預留控制接通時間，大于2 min。

為驗證系統(tǒng)性能，在測試點安裝紅外線設備遠程報警系統(tǒng)，經過大量實驗,該系統(tǒng)共預報設備故障302起，其中停電276起，與中心通訊故障9起(通訊部門通道問題8起，主機死機1起)，不接車或漏接車故障4起，保護門故障10起(其中異物遮擋8起)，2＃,3＃磁頭故障6起，主副機通信故障1起，預報準確率達到100%，指揮中心的值班員和維修工的勞動強度大大降低,預報故障準確率提高。以往紅外指揮中心人員根據(jù)經驗，由于沒有現(xiàn)場監(jiān)測信息，判斷故障準確率低，維修工人得到故障通知后，分析判斷缺乏依據(jù)，經常發(fā)生所帶板件與故障點不符的情況，加上交通不便，故障處理起來就比較困難。使用紅外線遠程監(jiān)控測試儀后，錯報的故障幾乎沒有，使得維修工人可以根據(jù)準確的故障預報，及時攜帶相關板件處理故障，設備的停機時間大幅度減少。該系統(tǒng)為壓縮故障延時和及時處理故障提供了幫助，而且由于死機、雪堵、結冰等故障可以遠程控制排除，幾乎不影響探測站設備正常工作。

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作者簡介 劉建明 男，1965年出生，四川開江人，學士。主要研究方向為電子儀器與測量。

王侃偉 男，1975年出生，陜西寶雞人，博士，講師。主要研究方向為圖像/圖形處理、計算機視覺。

馬 鳴 男，1980年出生，陜西黃陵人，學士，助理工程師。主要研究方向為監(jiān)控工程。