基于无线通讯的精密钢轨平直度测量仪的设计

宋合志，张宪金

（北京劳动保障职业学院，北京，100029）

0 引言

近年来，中国高速铁路技术有了飞速的发展，这对机车线路检测维护的精度要求越来越高。轨道是机车运动的载体与基础，其中，作为轨道中最重要的组成部件钢轨直接承受机车、车辆荷载，其技术状态和水平直接影响着铁路的运输能力和行车安全。

目前，铁路部门使用手工检测的方法落后，即使用1m钢尺，紧贴钢轨的轨面和侧面，结合塞尺进行测量，人工记录，不仅效率低下而且精度低，已了经远远不能适应高速铁路时代的钢轨平直度自动化测量的需求。钢轨顶面短波不平顺一方面对铁路行车的噪音、振动、安全和轮轨冲击荷载均有很大影响，另一方面钢轨轨面短波不平顺引会引起增大车轮对钢轨的荷载、导致轮轨间形成巨大的作用力，可能会引发钢轨、车轮及部件的损伤断裂，导致安全事故。因此，开发高精度、高效轻便的轨面短波不平顺检测装置----新型的钢轨焊接接头平直度检测仪，意义重大。

1 系统结构设计

1.1 测量原理分析

钢轨平直度测量仪器工作时，仪器固定于钢轨的顶面（单面测量），步进电机在上位机软件控制之下带动测量部件（主控电路板、激光器、ZigBee模块、霍尔传感器等）移动。激光传感器的检测原理是激光三角测距法，即激光束垂直于被测平面发射，然后CCD技术检测反射激光束的精确位移，即可通过计算获取被测平面到激光发射器的较精确的距离。

1.2 系统结构图

系统简易结构框图如图1所示，其中，1.测量仪支架（外壳）；2.导轨；3.控制主板；4.激光传感器；5.步进电机；6.霍尔传感器；7.电池；8.便携电脑（PDA）

图1 系统结构简图

控制主板的结构功能框图如图2所示，其中:1.CPU；2.控制总线；3.光电隔离芯片；4.电机驱动芯片；5.步进电机控制接口；6.无线传输模块；7.霍尔传感器接口

钢轨平直度检测仪主要由机架、便携电脑两大部分组成。

系统简易结构框图如图1所示，其中，机架部分包括测量仪支架（外壳）、导轨、控制主板、激光传感器、步进电机、霍尔传感器、电池等,是测量仪表的前端，也是系统的主体部分，主要接收、执行上位机的指令，并完成具体的移动数据采集、初步处理好和串行传输任务；便携电脑（PDA）包括嵌入式主机、电池、外接无线传输模块等，主要完成相应操作指令的发送、数据的接收、处理、计算与显示。控制主板的结构功能框图如图2所示，控制主板是下位机的核心部分，包括CPU、控制总线、光电隔离、电机驱动、步进电机控制、无线传输模块和霍尔传感器接口等。

图2 控制主板结构框图

其中，主要的功能模块如下所述：

传感器：一种高精度的线性激光位移传感器，可输出与位移成线性关系的模拟信号，在前向通道中，经过处理的微弱的模拟信号，被送入STM32F103的高速采样端口，完成前端数据的采集工作。

无线传输模块：具有双向通信功能，将控制主板采集到的AD数据，通过ZigBee技术以无线方式传输到便携电脑（PDA），同时，可以将便携电脑（PDA）的指令信息发送到STM32F103的数据接收端口；电源模块：是平直度的关键的功能单元之一，通过DC/DC降压和升压技术，为激光传感器、控制主板等提供精准直流稳压电源；便携电脑主机：对数字化信号进行处理、存储，实时显示测量数据，判断数据（测量误差）是否超限，并实时显示钢轨平直度的不规则的数据波形。

2 硬件平台设计

2.1 系统硬件基本结构

其中:1.激光器；2.激光器信号调理通道；3.DC-DC电源变换单元；4.STM32F103CT6微控制器；5.步进电机；6.步进电机驱动电路；7.开关型霍尔器件；8 .霍尔器件信号处理电； 9.系统调试串；10和11 .ZigBee串行通信模块；12 PDA手持终端。

2.2 硬件平台设计概述

系统硬件平台包括下位机和上位机（PDA）两部分，STM32F103VET6是意法半导体有限公司生产的32位基于Cortex-M3内核的增强型的微控制器，本文选用STM32F103 VET6，作为数据采集器的控制芯片，同时，配置其他外围硬件电路，在上位机的指令下，主要完成激光测控与数据传输任务，包括步进电机的精密步进驱动、激光器精密高速采样、霍尔位移检测，数据处理与传输等。STM32F103VET6芯片功能强大而且功耗极低，其中12通道的DMA控制器，支持ADC、SPI、USART等众多片上外设，极适合于对模拟信号的高速数据采集。STM32F103VET6拥有众多GPIO口，其中，3个GPIO口用于电机驱动芯片输出控制，1个GPIO口用于霍尔检测；另外，还需要2个UART串行通信接口，用于和上位机或PDA的通信，1-2路12位ADC采样接口，用于采集激光传感器位置信息。电机驱动部分选用THB6128作为步进电机驱动芯片。为了增强系统的稳定性，电源部分设计采用了隔离措施，另外，为得到稳定的传输数据，为ZigBee无线通信模块设计制作了专用微型天线，在不增加空间体积的情况下，增大了通信距离，提升了数据传输的稳定性。

ZigBee技术是一种低带宽、速率可调的短距离无线通信技术，具有节点密集、低功耗、方便路由、安全等优点，目前已经广泛应用于物联网的工控和物联网无线传感器网络领域。

本硬件设计中，用于测量的装置与上位机之间通过ZigBee无线模块进行通信，给工程测量提供极其便捷的操作方式。

上位机PDA是一个基于嵌入式Windows CE操作系统下、以32位ARM920T高速处理器内核为核心的控制平台，实时性好，可支持多任务切换，控制系统平台上的人机交互界面。如图3所示，PDA通过10、11两个ZigBee模块，实现与下位机之间的无线信息传输。

图3 硬件电路框图

3 系统软件设计

如上所述，精密平直度测量仪包括上、下位机两部分组成，两者之间通过一对ZigBee通信模块进行数据的交换。即由上位机主动发起通信指令，包括：测量、重发数据、停止测量等几种指令，组成不同的指令信息帧，通过串行通信端口和ZigBee模块发往下位机；同时，上位机本身也设置成串行中断接收模式，以中断模式接收来自下位机的数据和回复信息，并以时钟控件作为嵌入式系统任务调度的时间参考。

3.1 下位机软件设计

在下位机中，设置STM32F103VET6微处理器的串口，以中断模式进行数据的接收与发送。如图4所示，是下位机主程序流程图，在进行一系列初始化设置之后，下位机的微处理器便进入循环判断与等待之中，有“测量”、“重发”、“停止”等三条指令及其对应的指令标识，并调用相应的子程序完成具体任务。其中，“测量”指令对应的子程序最为复杂，担负着三个核心任务：

图4 主程序流程图

其一，启动步进电机，根据固定的检测流程完成步进电机的复位；

其二，驱动步进电机近似匀速运动，在预定的时间窗内，完成定距运动，并同时采集钢轨表面纵、横两个方向的激光测距数据，并同时存储；

其三，将下位机的实时采样数据传输到上位机。

如图5所示，是下位机的中断子程序流程图，以中断模式接收和发送数据，共完成两大功能。

图5 中断子程序流程图

其一，在中断子程序中完成上位机下行指令帧的接收与信息解析，为了降低误码率，采用了“奇”、“偶”校验，根据信息帧的解析结果，设置相应标识位。

其二，将准备上传的采样数据，采用实时发送或定位发送两种模式，及时上传采样数据，以便上位机及时处理，上位机根据接收的数据。经过校验判断，决定是否让下位机重发测量数据。

3.2 上位机软件设计

上位机PDA系统，是一个基于嵌入式Windows CE操作系统下、以32位ARM920T高速处理器内核为核心的控制平台，因此，上位机的软件是一个多任务实时操作系统。分为初始化参数设置、标定、开始测量、计算、停止测量等任务。其中，标定、开始测量、计算是上位机嵌入式系统的核心调度任务，分别完成标准钢轨顶面、侧面的数据标定任务，具体的钢轨顶面、侧面的数据测量任务，和偏差计算、规定范围内偏差坐标显示与最大偏差点的坐标显示等系列功能，其中标定程序流程如图6所示。

图6 标定程序流程图

标定是钢轨平直度精确精密测量的基准和基础，所以如何尽最大限度地拟合标准钢轨的基准面，是平直度设计的核心技术之一，本设计中采用了最小二乘拟合算法和系列平滑滤波技术，使标定值限度地逼近了标准钢轨的理想轨道平面。

4 结束语

钢轨平直度测量仪在1米的测量基长范围内，能够连续测量钢轨的顶面、侧面的平直度数据，测量精度优于0.03mm。基于嵌入式WinCE的PDA软件界面，具有良好的人-机交互界面，即可以直观显示波形曲线，又能输出特定数据，设计中采用了精密激光传感器和先进的改进的最小二乘拟合算法，有着更加精确的测量精度，同时，整个仪器结构紧凑，重量较低，便于携带，“一键”化智能操作，大大提升了检测效率。