基于TMS320F240的紅外線設(shè)備遠程報警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

0 引 言
    鐵路車輛紅外線軸溫探測技術(shù)是近二、三十年發(fā)展起來的一門新技術(shù)，主要應(yīng)用在防止客貨列車燃切軸事故上，特別是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來二代機軸溫探測技術(shù)是一門集工程控制、信息網(wǎng)絡(luò)及自動化控制的新興技術(shù)，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(shù)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(wù)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?dāng)?shù)據(jù)、熱軸流水?dāng)?shù)據(jù)的處理，但隨著紅外技術(shù)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(shè)備故障以及快速準(zhǔn)確判斷紅外設(shè)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?dāng)?shù)據(jù)進行分析來判斷故障已經(jīng)遠遠不能滿足紅外管理運用工作的需求，必須將相關(guān)的紅外設(shè)備故障通過故障報警系統(tǒng)自動判別后通知相關(guān)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(shè)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(shè)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(shè)備故障報警以及控制自動化，從人控轉(zhuǎn)變?yōu)闄C控已成為紅外故障處理的必然趨勢。
    紅外線設(shè)備遠程報警系統(tǒng)，是利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)紅外線設(shè)備復(fù)位，可實現(xiàn)對紅外線設(shè)備的無人檢測遠程報警，遠程控制紅外線設(shè)備，機房熱分機啟動等，以保證紅外線設(shè)備的正常工作，該設(shè)備極大地提高了紅外線設(shè)備運行的安全性、可靠性及設(shè)備故障的及時性，極大地提高了行車保安設(shè)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(jié)合，能夠準(zhǔn)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(yīng)實現(xiàn)以下幾個方面的故障報警自動化。
    (1)對紅外設(shè)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(shè)備死機造成的故障，可進行遠程控制設(shè)備復(fù)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(shè)備的工作或關(guān)閉進行遠程控制(如電扇、空調(diào)、掃雪器等)。
    (5)人員安全報警，當(dāng)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(nèi)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(dāng)?shù)?，檢查人員使用U盤可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。
    車輛段監(jiān)控系統(tǒng)由服務(wù)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(dǎo)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。

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3 主要實現(xiàn)方案
    紅外線設(shè)備遠程報警系統(tǒng)能實時監(jiān)測紅外線設(shè)備的工作狀況，并通過安裝在紅外線設(shè)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(shè)備工作，即使系統(tǒng)不工作(故障)也不會影紅外線設(shè)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(fù)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(biāo)值；近4日停電情況。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

 系統(tǒng)采用嵌入式控制器32位ARM結(jié)構(gòu)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(luò)結(jié)構(gòu)。嵌入式控制器采用基于μC／OSⅡ內(nèi)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(biāo)是檢測探頭大列波形；定標(biāo)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(fù)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(jié)束；通過RS 485口上傳主機探頭位置，對于檢測紅外線設(shè)備軸溫是否正常具有決定性意義，由于軸溫探測設(shè)備安裝在鐵軌旁邊，由于震動等原因，經(jīng)常發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致紅外線設(shè)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(zhǔn)，這種方法測量復(fù)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(jīng)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(chǎn)。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(xué)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(biāo)準(zhǔn)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TD—CM3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><1f>
    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(zhǔn)好探頭位置后，記錄電子羅盤的數(shù)據(jù)輸出，當(dāng)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(zhuǎn)，需要再次校準(zhǔn)。
3．3 磁頭波形電壓檢測模塊[!--empirenews.page--]
    這部分模塊主要目標(biāo)是采集3路磁頭波形，在觸發(fā)處的位置需要保存，采集結(jié)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；220V，交流值；異常復(fù)位。采集電壓原理圖如圖3所示。

 檢測內(nèi)容如下：

⑤2x背溫輸出：3．33—2．33 V
    ⑥2x保護門電壓：±27 V
    ⑦2x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(shè)備檢修方法，可對紅外線設(shè)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(biāo)準(zhǔn)兼容；具有呼叫進程、載波、應(yīng)答音、長回環(huán)檢測的功能。TDK73M2901CL具有32DIP封裝，其引腳見圖4。

TDK73M2901CL內(nèi)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CRl用于控制TDK73M2901CL內(nèi)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(diào)寄存器TR則用于控制音頻信號的產(chǎn)生，在TR的控制下，MODEM可以產(chǎn)生DTMF信號、應(yīng)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～ADO D7D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0，控制寄存器CR0地址000，調(diào)制選擇：O發(fā)送模式，其中：1100=FSK模式，包括發(fā)送允許、應(yīng)答、始發(fā)模式；控制寄存器CRl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(fù)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(biāo)志、載波檢測、應(yīng)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(diào)控制寄存器TR，地址011，控制RDX包括發(fā)防衛(wèi)音、發(fā)應(yīng)答音、發(fā)送DTMF音模式，該四位對應(yīng)1～16 DTMF信號。
    接收端的MODEM按應(yīng)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(yīng)答音。雙方經(jīng)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(wù)器。在發(fā)送完DTMF(撥號信號)之后，程序需要檢測應(yīng)答音、發(fā)送和接收握手信號、循環(huán)發(fā)送本機代碼等內(nèi)容。雙方所用的通信程序框圖見圖5。[!--empirenews.page--]

4 實驗及測試結(jié)果
    系統(tǒng)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。
    主要技術(shù)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(fù)位時間，3 s左右。
    (5)1#，2#，熱分機接通時間大于2 min；
    (6)預(yù)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(shè)備遠程報警系統(tǒng)，經(jīng)過大量實驗，該系統(tǒng)共預(yù)報設(shè)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(yù)報準(zhǔn)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(yù)報故障準(zhǔn)確率提高。以往紅外指揮中心人員根據(jù)經(jīng)驗，由于沒有現(xiàn)場監(jiān)測信息，判斷故障準(zhǔn)確率低，維修工人得到故障通知后，分析判斷缺乏依據(jù)，經(jīng)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(zhǔn)確的故障預(yù)報，及時攜帶相關(guān)板件處理故障，設(shè)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(jié)冰等故障可以遠程控制排除，幾乎不影響探測站設(shè)備正常工作。