摘 要：車輛輪對磨耗參數(shù)的檢測，對保證車輛安全運(yùn)行具有重要作用。為了解決動(dòng)態(tài)檢測圖像采集過程中，運(yùn)動(dòng)車輛輪對的定位與圖像采集問題，文章基于飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)，設(shè)計(jì)了適用于輪對動(dòng)態(tài)檢測環(huán)境的多通道觸發(fā)裝置。該裝置以雙單片機(jī)組為控制核心，綜合考慮并解決了電源控制、傳感器輸入信號捕捉與相機(jī)觸發(fā)信號的控制等問題。最后通過實(shí)驗(yàn)表明，該觸發(fā)裝置運(yùn)行穩(wěn)定，重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中的被測物偏移誤差小于0.1mm。

關(guān)鍵詞：Mc9s12xs128；單片機(jī)；觸發(fā)；輪對；檢測

1 引言

在整個(gè)鐵路車輛運(yùn)行系統(tǒng)中，車輛輪對作為與鋼軌直接接觸的部件，是直接影響車輛是否能夠安全行駛的重要因素[1， 2]。車輛輪對參數(shù)的測量方法主要包括兩大類，即靜態(tài)檢測法和動(dòng)態(tài)檢測法[3]。

靜態(tài)檢測法是針對車輛在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)進(jìn)行檢測，存在受操作者主觀影響，自動(dòng)化程度較低等問題[4]。動(dòng)態(tài)檢測方法采用機(jī)器視覺和圖像處理技術(shù)，具有非接觸和檢測速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠減少檢測過程中的人為誤差，并提升檢測效率[5， 6]。采用動(dòng)態(tài)檢測方法實(shí)現(xiàn)輪對在線檢測首先要對被測物進(jìn)行準(zhǔn)確定位并采集圖像。對于這種高精度觸發(fā)裝置，未見相關(guān)文獻(xiàn)描述，本文基于飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種適用于車輛輪對在線檢測環(huán)境的實(shí)時(shí)圖像采集觸發(fā)裝置。該裝置實(shí)現(xiàn)了車輛輪對磨耗在線檢測中，對多個(gè)不同工位車輛輪對的準(zhǔn)確定位和對應(yīng)相機(jī)的觸發(fā)控制。

2 觸發(fā)裝置總體設(shè)計(jì)

觸發(fā)裝置主要用于實(shí)現(xiàn)輪對動(dòng)態(tài)檢測中控制圖像采集設(shè)備在被測輪對到達(dá)設(shè)計(jì)位置的時(shí)刻，進(jìn)行準(zhǔn)確有效拍攝的關(guān)鍵功能。要準(zhǔn)確描述輪對狀態(tài)需對同一輪對的多個(gè)位置進(jìn)行檢測。為此設(shè)計(jì)的觸發(fā)裝置，分別在軌道左右側(cè)各設(shè)置兩組檢測單元，對輪對圖像進(jìn)行多次采集。

以圖1所示左一組檢測單元為例，一組三個(gè)接近傳感器安裝在鐵軌上，用于檢測車輛的速度信息，結(jié)合最后一處傳感器與CCD相機(jī)之間的距離由核心控制處理單元對相機(jī)拍攝時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

圖1 檢測單元示意圖

在經(jīng)過一定的延時(shí)后，車輛輪對到達(dá)圖1所示設(shè)定位置。在該位置，線激光源在輪對表面形成一條亮光帶即光截曲線，觸發(fā)裝置產(chǎn)生外部觸發(fā)信號控制CCD相機(jī)采集該光截曲線圖像。所獲圖像中光截曲線的形狀及位置包含了被測輪對的相關(guān)參數(shù)信息，在計(jì)算機(jī)上完成后續(xù)運(yùn)算，通過與標(biāo)準(zhǔn)輪對的參數(shù)進(jìn)行比對就能獲得詳細(xì)的磨耗信息。

觸發(fā)裝置需要實(shí)現(xiàn)控制四路通道的功能，如圖2觸發(fā)裝置示意圖所示，本裝置設(shè)計(jì)了以MC9S12XS128單片機(jī)組為核心的控制電路，配合控制程序?qū)崿F(xiàn)信號采集、處理與控制功能。綜合考慮傳感器數(shù)量較多和整體電路設(shè)計(jì)的簡化，采用了以兩塊單片機(jī)為核心的控制處理單元設(shè)計(jì)方案，兩塊單片機(jī)分別負(fù)責(zé)一側(cè)各兩路通道的信號檢測、處理與觸發(fā)信號的輸出控制。

3 電源控制

由于激光光源、激光位移傳感器等設(shè)備使用壽命有限，而且長時(shí)間保持上電狀態(tài)造成電力資源的浪費(fèi)，因此觸發(fā)裝置通過左前和右后各一組兩個(gè)接近傳感器來判斷對車輛是否處于檢測段中，MCU通過改變引腳的高低位控制固態(tài)繼電器來實(shí)現(xiàn)對電源開閉的控制。如圖3進(jìn)出線判斷與控制軟件流程圖所示，當(dāng)車輛第一只輪對進(jìn)入檢測段，依次觸發(fā)進(jìn)線組接近傳感器，程序根據(jù)傳感器檢出時(shí)間初步判斷輪對速度是否符合設(shè)計(jì)檢測范圍0-15km/h，速度合格則令固態(tài)繼電器控制位為高，接通電源。當(dāng)車輛最后一只輪對離開檢測段，獲得出線組接近傳感器檢出時(shí)間，當(dāng)該值與系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間之差超過限定時(shí)間，則認(rèn)為車輛已全部離開檢測段，關(guān)閉電源。

4 傳感器輸入信號捕捉

輪對在線檢測中使用接近傳感器來實(shí)現(xiàn)對輪對的探測，接近傳感器在檢出后產(chǎn)生一個(gè)具有一定脈寬的脈沖信號，因此需要控制處理單元實(shí)現(xiàn)對該信號的捕捉。輸入捕捉功能是MC9S12XS128 MCU 的基本功能之一，用于監(jiān)測外部事件的輸入信號。當(dāng)外部信號發(fā)生變化時(shí)，在輸入捕捉引腳上發(fā)生一個(gè)指定的上升沿或下降沿沿跳變。若在該引腳的輸入捕捉控制寄存器中設(shè)定允許輸入捕捉中斷，則該外部信號會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)產(chǎn)生輸入捕捉中斷。在本系統(tǒng)中利用中斷響應(yīng)方法可以得到傳感器信號發(fā)生變化的時(shí)刻。如圖4所示，通過記錄輸入信號相鄰的兩個(gè)不同極性的沿跳變時(shí)間，可以計(jì)算出該脈沖信號中間時(shí)刻作為傳感器檢出時(shí)間。

MC9S12XS128 MCU的PT0～PT7是輸入捕捉的外部針腳。當(dāng)寄存器控制位IOSx=0時(shí)，則將與x值相應(yīng)的通道設(shè)置成為輸入捕捉通道。當(dāng)該引腳檢測到有上升沿或下降沿時(shí)，如果輸入捕捉控制寄存器TIE中允許輸入捕捉中斷，則捕捉到傳感器信號時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入對應(yīng)中斷服務(wù)程序。

5 相機(jī)觸發(fā)信號控制

在獲得同組三個(gè)傳感器的檢出時(shí)間后，結(jié)合事先標(biāo)定測量的傳感器實(shí)際安裝間距，可以計(jì)算得到輪對在1號傳感器和2號傳感器之間的運(yùn)行速度v1，2號傳感器和3號傳感器之間的運(yùn)行速度v2，以及加速度a，則被測輪對到達(dá)相機(jī)拍攝位置的時(shí)間即相機(jī)觸發(fā)信號的輸出時(shí)間為

（1）

其中v3為被測輪對在3號傳感器檢出時(shí)的瞬時(shí)速度，s為3號傳感器與設(shè)定拍攝位置間距。

6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)

由于觸發(fā)裝置需要處理多達(dá)16路接近傳感器的檢測信號，并控制4路相機(jī)、4路激光光源和2路激光位移傳感器的電源供應(yīng)和信號控制，因此設(shè)計(jì)了核心電路板來實(shí)現(xiàn)對多路信號的集中處理。單片機(jī)最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)為直插式，可隨時(shí)插拔進(jìn)行更換和維護(hù)，采用接插件對輸入信號和控制信號進(jìn)行轉(zhuǎn)接，方便可靠，可維護(hù)性強(qiáng)。圖5為觸發(fā)裝置核心電路板實(shí)物。

由于四個(gè)檢測單元軟硬件設(shè)計(jì)基本相同，為了驗(yàn)證觸發(fā)裝置工作的正常與否，對其中一個(gè)檢測單元進(jìn)行了驗(yàn)證測試。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，被測物以一定速度通過左側(cè)一號檢測單元。通過對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的被測物進(jìn)行圖像采集來測試觸發(fā)裝置對運(yùn)動(dòng)被測物的定位精度與圖像采集效果。

在本次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中，通過對所有被測物在圖像中的中心點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，被測物圖像中心點(diǎn)最大像素偏移值為1像素長度，實(shí)際最大偏移距離小于0.1mm。

7 結(jié)束語

本文針對車輛輪對動(dòng)態(tài)檢測的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一種四通道圖像采集觸發(fā)控制裝置。裝置功能能夠滿足輪對在線檢測需要，對運(yùn)動(dòng)輪對的檢測定位達(dá)到較高精度。整個(gè)觸發(fā)裝置能夠穩(wěn)定、可靠連續(xù)工作，實(shí)現(xiàn)對輪對的自動(dòng)檢測，所獲圖像清晰，位置準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)模糊小，可為圖像處理步驟中進(jìn)行后續(xù)參數(shù)計(jì)算提供良好的原始圖像。

參考文獻(xiàn)

[1]吳開華，張建華，嚴(yán)匡等.輪對綜合參數(shù)光電自動(dòng)檢測系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，（03）：298-301.

[2]高向東，謝子方，趙傳敏等.基于結(jié)構(gòu)光視覺傳感的輪對踏面擦傷快速檢測[J].鐵道學(xué)報(bào)，2008，（02）：23-27.

[3]李劍.輪對動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)應(yīng)用[J].鐵道車輛，2012，（04）：39-42.

[4]賀永勝.有關(guān)鐵路車輛輪對檢測技術(shù)綜述[J].科技傳播，2013，（17）：67-68.

[5]馮其波，陳士謙，崔建英等.輪對幾何參數(shù)動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)[J].中國鐵道科學(xué)，2008，（05）：138-144.

[6]高靜濤，戴立新，王澤勇.輪對狀態(tài)動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)應(yīng)用綜述[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2009，（07）：10-12.

作者簡介：周威祥（1988-），浙江溫州，2007年于杭州電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為杭州電子科技大學(xué)生命信息與儀器工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)闇y試計(jì)量技術(shù)及儀器。