0 引言
列車(chē)在高速運(yùn)行的過(guò)程中，機(jī)車(chē)與鋼軌的頻繁沖擊會(huì)造成車(chē)輛軸承的發(fā)熱，當(dāng)軸承磨損和產(chǎn)生缺陷時(shí)，會(huì)造成機(jī)損從而影響車(chē)輛的正常運(yùn)行，甚至出現(xiàn)熱切軸，直接導(dǎo)致火車(chē)發(fā)生故障翻車(chē)，給國(guó)家和社會(huì)在鐵路運(yùn)輸造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前我國(guó)大部分采用紅外軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但這種設(shè)備易受外界環(huán)境影響、探測(cè)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(xiàn)率低、誤報(bào)率極高、而且外界因素對(duì)其工作狀態(tài)容易產(chǎn)生很大的干擾，失真嚴(yán)重，極有可能給發(fā)出錯(cuò)誤的溫度提示，影響鐵路運(yùn)輸?shù)恼９ぷ鱗1-2].針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的列車(chē)軸承是否溫度過(guò)高，如軸溫超過(guò)預(yù)設(shè)定值，就發(fā)出報(bào)警信號(hào)，機(jī)車(chē)司機(jī)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(jì)損失，維護(hù)鐵路運(yùn)輸?shù)恼＿\(yùn)行。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
高速列車(chē)有多節(jié)車(chē)廂組成，每節(jié)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(shè)計(jì)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(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。絕大多數(shù)列車(chē)軸溫報(bào)警裝置仍然沿用了傳統(tǒng)的單車(chē)分散報(bào)警的模式，又考慮到列車(chē)存在經(jīng)常調(diào)換機(jī)車(chē)車(chē)頭和車(chē)廂的問(wèn)題，所以在傳輸方式上系統(tǒng)選用了2.4G無(wú)線(xiàn)通信傳輸方式。
為了防止數(shù)據(jù)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(tǒng)主要由多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)部署在駕駛艙內(nèi)的監(jiān)測(cè)臺(tái)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)溫度傳感器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，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(jī)車(chē)頭的監(jiān)測(cè)控制臺(tái)，進(jìn)行分析、顯示，供機(jī)車(chē)司機(jī)或者地面車(chē)輛檢修部門(mén)隨時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛運(yùn)行時(shí)軸溫的變化情況。在列車(chē)運(yùn)輸過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)軸溫異常時(shí)，監(jiān)測(cè)臺(tái)能發(fā)出報(bào)警信號(hào)給司機(jī)，提醒及時(shí)停車(chē)采取一定的措施排除故障，降低了機(jī)車(chē)在運(yùn)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(yùn)行的安全。
2 硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)節(jié)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(chǔ)器K9F5608和電源管理模塊等組成。其中監(jiān)測(cè)臺(tái)還包括報(bào)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(duì)信息進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā)，以及對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示。數(shù)據(jù)采集單元主要是通過(guò)溫度傳感器對(duì)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?cái)?shù)據(jù)，并與列車(chē)監(jiān)測(cè)臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成如圖2所示。
圖2 節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成
2.1 微控制器ATmega128L
考慮到控制器既要滿(mǎn)足系統(tǒng)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(duì)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(dá)16MIPS,具有片內(nèi)128k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，4k字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和4k字節(jié)的E2PROM;具有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)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(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口、8路10位ADC、兩路8位PWM、與IEEE1149.1規(guī)范兼容的JTAG測(cè)試接口用于片上調(diào)試，以及6種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式。控制器的ADC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(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，PWM口用來(lái)驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)的報(bào)警單元，數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)與存儲(chǔ)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(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，支持Shock-Burst和Enhanced Shock-Burst兩種數(shù)據(jù)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(jié)能設(shè)計(jì)更方便，接口最高速率可以到達(dá)8Mbps,工作電壓1.9~3.6V,采用SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸速率最高達(dá)2Mbps,并有自動(dòng)應(yīng)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(shè)置[3].
2.3 溫度傳感器PT100
常用的接觸式測(cè)溫傳感器有熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)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(jiān)測(cè)節(jié)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(biāo)準(zhǔn)等同，因此PT100主要用來(lái)測(cè)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(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正需要在微處理系統(tǒng)中使用，將鉑電阻的電阻值和溫度對(duì)應(yīng)起來(lái)后存入EEPROM 中，根據(jù)電路中實(shí)測(cè)值以查表方式計(jì)算相應(yīng)溫度值。常用的Pt電阻采樣電路有兩種：一為橋式測(cè)溫電路；另一為恒流源式測(cè)溫電路。
系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用的是是第一種橋式電流測(cè)溫電路，其具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
2.4 存儲(chǔ)器K9F5608
存儲(chǔ)器K9F5608 是三星公司生產(chǎn)的32MBytes容量的NAND Flash芯片，用來(lái)存儲(chǔ)臨時(shí)的軸溫?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)通信中斷時(shí)可以把數(shù)據(jù)存在K9F5608中，待通信恢復(fù)正常后再將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測(cè)臺(tái)。它具有8位數(shù)據(jù)/地址復(fù)用接口以及CLE、ALE、WP、R/B、CE等控制信號(hào)，硬件接口比較簡(jiǎn)單，但讀寫(xiě)時(shí)序相對(duì)較復(fù)雜，需要依次送入命令、地址、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)復(fù)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(chǔ)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(duì)Flash數(shù)據(jù)﹑地址與命令的傳輸；用控制器的PG口來(lái)完成對(duì)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(hào)來(lái)選擇FLASH是讀還是寫(xiě)，在總線(xiàn)上傳輸?shù)囊话沩樞驗(yàn)椋?/p>
命令->地址->命令/數(shù)據(jù)。
3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件和監(jiān)測(cè)臺(tái)軟件兩部分。為了確保正常通信，采用問(wèn)答方式，即控制臺(tái)依次與每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)建立通信，收到節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，再收取下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)信息，這樣就避免了阻塞的情況，確保數(shù)據(jù)的可靠性[6].
3.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件
監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)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(tái)指令狀態(tài)。當(dāng)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(dāng)前軸溫信息，與節(jié)點(diǎn)ID打包正數(shù)據(jù)幀后發(fā)送到監(jiān)測(cè)臺(tái)，并繼續(xù)進(jìn)入到接收指令狀態(tài)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖4所示。
3.2 數(shù)據(jù)格式
系統(tǒng)了制定了簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)幀格式，如表1所示。
圖4 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程
表1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)
每個(gè)幀的幀頭都以‘start'’開(kāi)始，占用5個(gè)字節(jié)；然后是占用3個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID,可以認(rèn)為是節(jié)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(jié)的溫度值。當(dāng)監(jiān)測(cè)臺(tái)發(fā)送指令時(shí)，每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)都收到數(shù)據(jù)，但只有指令中ID與節(jié)點(diǎn)ID匹配時(shí)才會(huì)將該數(shù)據(jù)返回給監(jiān)測(cè)臺(tái)，如果不匹配則不做任何處理。
3.3 監(jiān)測(cè)臺(tái)指令幀結(jié)構(gòu)
監(jiān)測(cè)臺(tái)與各監(jiān)測(cè)節(jié)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(jié)構(gòu)如表2所示。
表2 監(jiān)測(cè)臺(tái)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)
每個(gè)指令幀也是以“start”開(kāi)始，占用5個(gè)字節(jié)；然后是需要提供溫度數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)ID,占用3個(gè)字節(jié)；再接下來(lái)是指令的有無(wú)效，占用1個(gè)字節(jié)；最后是以“end”的幀尾結(jié)束符，占用3個(gè)字節(jié)。
3.4 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收
發(fā)送數(shù)據(jù)。首先將nRF24L01配置為工作在PTX 模式，接著把地址TX_ADDR和數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫(xiě)入nRF24L01緩存區(qū)，置CE為高電平并保持至少10μs,拉低CE后發(fā)射數(shù)據(jù)，并立即進(jìn)入接收模式等待應(yīng)答信號(hào)。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)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(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)，若重發(fā)次數(shù)ARC_CNT達(dá)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(yīng)處理。發(fā)射成功后，進(jìn)入空閑模式。
接收數(shù)據(jù)。首先將nRF24L01配置為PRX接收模式，接著延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來(lái)。當(dāng)接收方檢測(cè)到有效的地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在接收堆棧中，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，通知處理器讀取數(shù)據(jù)，接收完數(shù)據(jù)后進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)并回傳應(yīng)答信號(hào)，接收成功，CE變低進(jìn)入空閑模式[5].
4 試驗(yàn)結(jié)果與分析
試驗(yàn)采用雙層集裝箱車(chē)，分別對(duì)空載和載重的兩種不同情況車(chē)廂進(jìn)行了測(cè)試。空載車(chē)廂自重為25t,載重車(chē)廂重為78t.
兩種情況的測(cè)量結(jié)果如圖5所示。
圖5 測(cè)試結(jié)果
由于列車(chē)運(yùn)行情況相對(duì)復(fù)雜，軸溫與速度、運(yùn)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(duì)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，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加軸溫越高，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，運(yùn)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(dá)到71.45℃；在運(yùn)行穩(wěn)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(yùn)轉(zhuǎn)溫度越高，并且上升速度越快。
5 結(jié)論
針對(duì)目前列車(chē)軸溫探測(cè)存在的不足，借助于現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)，擺脫了傳統(tǒng)有線(xiàn)的傳輸方式，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行中的列車(chē)軸承情況，如超過(guò)軸溫監(jiān)測(cè)預(yù)設(shè)定值，就發(fā)出報(bào)警信號(hào)，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(jì)損失。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到兩種載重情況運(yùn)行列車(chē)的軸溫?cái)?shù)據(jù)，分析了提速列車(chē)的軸溫變化規(guī)律，給改進(jìn)熱軸預(yù)報(bào)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)維護(hù)鐵路運(yùn)輸?shù)恼＿\(yùn)行和高速鐵路的發(fā)展具有重要意義。
