基于STM32车载查询器故障诊断系统设计

段智博，肖曼琳，金 捷

（1上海工程技术大学 城市轨道交通学院，上海 201620；2上海申通地铁集团有限公司 技术中心，上海 201620）

0 引 言

城市轨道交通中，应答器传输系统是重要的列车定位系统，系统由车载定位天线、查询器、地面信标组成。查询器为系统的核心设备，其主要完成地面信标位置的获取、信标报文数据的接收与解析以及双向数据传输等功能。在实际运营过程中，由于列车振动、线路老化等原因造成设备故障，无法对列车定位，影响列车运行。目前针对车载设备的检测方法与设备较少，检修只能在试车线或车库内进行，故障处理方式是整体更换故障设备，其维修成本较高、工作效率低下，且十分依赖设备供应商。

本文利用STM32单片机开发车载查询器故障诊断系统，该系统通过实时采集列车运行时查询器各端口数据，使用上位机故障诊断软件，即可对查询器进行故障诊断。利用该系统可以有效诊断查询器故障情况，便于维护人员快速检修与维护，降低了检修成本，提升了工作效率。

1 查询器离线检测

1.1 查询器工作原理

应答器传输系统采用RFID技术，是经典的点式传输系统。该系统的工作原理为车载天线持续发送902 MHz～928 MHz的高频激励信号，在列车经过地面信标上方时，根据电磁感应原理，高频激励信号使信标获得能量，根据电磁感应产生的感应电压，驱动信标内部调制电路对信标携带的线路信息信号进行调制；随后发射电路将调制信号发送出去，车载天线接收后传送给查询器。查询器对接收到的信号进行放大、滤波、解调、解码后，实时传送给列控中心，实现列车定位等功能。因此，查询器是应答器传输系统的核心设备。应答器传输系统的工作原理如图1所示。

图1 应答器传输系统工作原理Fig.1 Working principle of balise transmission system

1.2 查询器端口功能简介

应答器传输系统的车载部分由车载定位天线和查询器组成，两者通过电缆相连接。在不破坏和拆解查询器的前提下，可在实验室中利用可编程电源、示波器、频谱仪等设备搭建测试环境，对查询器进行黑盒测试，确定查询器各端口功能，见表1，查询器的前面板示意图如图2所示。

图2 查询器前面板Fig.2 Front panel of transponder interrogator

表1 查询器端口功能表Tab.1 Function table of transponder interrogator port

利用实验室搭建的查询器检测环境，对查询器端口数据进行多次采集，统计分析端口数据后，得出端口数据与查询器工作状态的对应关系，根据端口异常数据判断查询器出现的故障情况见表2。

表2 查询器异常状态汇总Tab.2 Summary of transponder interrogator abnormal status

2 系统设计与实现

根据查询器端口数据与工作状态的对应关系，本文设计开发了查询器故障诊断系统。故障诊断系统由硬件采集设备与故障诊断软件组成。其中，硬件采集设备实现查询器端口数据的实时采集、传输与存储；软件部分则利用MATLAB Appdesigner工具，设计开发故障诊断软件。该软件可在上位机对采集到的数据进行分析处理、波形绘制、快速判断并显示查询器故障情况。故障诊断系统的整体架构如图3所示。

图3 故障诊断系统整体框架Fig.3 Overall framework of fault diagnosis system

由图3可见，故障诊断系统的主要功能如下：

（1）实时采集查询器I／O端口1、2、3号电压数据以及RS232串口数据报文并传输至上位机存储；

（2）上位机故障诊断软件对采集到的数据进行分析处理：

①判断有无信标丢失及解析异常信标；

②判断电源供电是否充足、射频天线工作状态是否良好；

③根据采集到的数据判断风险信标位置。

2.1 硬件设计

故障诊断系统采用STM32F103ZET6单片机芯片作为硬件电路的主控芯片，该芯片是双RC晶振，可提供8 M和32 K的稳定时钟频率。电路调试方式可使用JTAG、SWD，利用J－LINK下载器下载控制程序，实现高速低成本的开发方案。

单片机主控电路负责查询器各端口数据的采集以及传输，考虑到查询器各端口数据类型不一致，因此在采集I／O电压口模拟量数据时，选择AD7606模数转换芯片进行数据采集，串口数据的采集选用MAX3232电平转换芯片。为保证数据高速传输且减少数据丢失，选用W5100单片网络接口芯片通过以太网进行数据传输。

2.1.1 电源稳压电路设计

故障诊断系统的电源电路是为了驱动STM32单片机芯片、AD7606模数转换芯片、W5100单片网络接口芯片以及MAX3232电平转换芯片等部件，这些芯片所需供电电压均为3.3 V。设计通过LM1117稳压器，将5 V的输入电压转换为芯片所需的供电电压，以保证电路供电稳定。电源稳压电路如图4所示。

图4 电源稳压电路Fig.4 Power supply voltage stabilizing circuit

2.1.2 I／O电压口数据采集电路设计

AD7606芯片可支持8路数据同步采样，可以满足本系统数据采集的需求。数据采集电路如图5所示。该电路将查询器I／O电压口3个引脚的模拟电压数据通过AD7606芯片进行模数转换，将一号引脚与P2－1引脚相连，二号引脚与P2－2引脚相连，三号引脚与P2－4相连。该芯片进行模数转换时，芯片采样率设定为1 000 Hz，占空比为50%。

图5 数据采集电路Fig.5 Data acquisition circuit

2.1.3 串口数据传输电路设计

串口数据传输电路负责采集查询器RS232串口数据，该电路使用MAX3232电平转换芯片采集串口电平信号，电路设计如图6所示。

图6 串口数据电路Fig.6 Serial port data circuit

2.1.4 数据传输电路设计

数据传输电路将采集到的数据通过W5100网络接口芯片送入上位机网口，电路设计如图7所示。为提升传输速率、减少数据丢失，数据传输选用以太网数据传输方式，传输协议为UDP协议。

图7 数据传输电路Fig.7 Data transmission circuit

2.1.5 主控制程序

主控制程序是控制硬件电路工作的核心。电源接通后，初始化系统数据并驱动单片机芯片，控制模数转换芯片、串口电平转换芯片和网络接口芯片进行数据采集与传输。主控程序利用C语言编写，软件平台为keil5，可实现对程序进行编写、编译以及烧录等功能。主控制程序部分代码如图8所示。

图8 主控制程序代码Fig.8 Main control program code

2.2 软件开发

MATLAB是一款集成数学计算、数据分析、算法应用、程序开发等功能的科学计算平台，在科研领域有着广泛的应用。由于其语言简单直观、界面友善、数值计算功能强大等特点，在数据处理领域有着举足轻重的地位。鉴于MATLAB强大的数据处理与分析能力，本文选用MATLAB作为上位机数据分析处理的工具。选用MATLAB的好处不仅可以快速高效的处理数据，同时使用其自带的MATLAB Appdesigner工具可进行上位机软件界面的设计及功能的实现。

故障诊断软件的主要功能是对采集到的查询器端口数据进行分析与处理，依据查询器端口数据与工作状态的对应关系来判断查询器是否故障。故障诊断软件的设计流程如图9所示，具体功能如下：

图9 故障诊断软件Fig.9 Fault diagnosis software

（1）上位机存储数据的导入与处理。

①判断是否有信标丢失或解析异常的信标；

②判断实际运行过程中查询器供电及射频端口是否异常。

（2）根据输入的信标ID，绘制列车经过该信标时查询器I／O端口波形图。

（3）统计正常与异常解析的信标数，以及丢失的信标以及存在丢失风险的信标各自所占的比例以及信标ID。

故障诊断软件界面分为主程序、查询器状态检测、局部波形绘制、诊断结果4个模块。模块功能的实现通过在控件的回调函数中编写功能代码，回调函数是实现人机交互的桥梁。

在主程序模块中，利用MATLAB中的uigetfile函数实现上位机数据导入功能，编写功能代码实现数据处理与分析、统计信标丢失等功能。查询器状态检测模块，根据主程序分析处理的数据来判断查询器电源供电是否充足、射频端口工作是否异常。在局部波形绘制模块中，根据输入的信标ID绘制列车经过该信标时查询器I／O端口电压波形并统计波形参数信息。诊断结果模块中，自动统计所有信标处的波形参数信息，并对信标进行分类。统计完成后显示采集到的信标总数、丢失信标个数以及风险信标个数以及信标ID，并绘制各类信标所占的百分比。部分功能代码如图10所示。

图10 软件功能代码Fig.10 Software function code

3 系统功能验证

为验证查询器故障诊断系统的实用性及可靠性，本次实验实时采集上海地铁9号线列车运行时查询器各端口数据，并存储到上位机，并将上位机存储的数据利用故障诊断软件进行分析。

在列车运行时，利用故障诊断系统采集查询器各端口数据，并导入到上位机的故障诊断软件中，点击“数据处理”按钮执行主程序。实际线路上共有213个信标，数据采集到213个，信标丢失个数为0，说明列车运行时无信标丢失，主程序运行结果如图11（a）所示。点击“绘制I／O端口波形”按钮执行查询器检测功能，查询器状态检测结果如图11（b）所示。根据波形图显示，I／O端口的2、3号端口电压稳定，且供电指示灯与射频端口指示灯均显示为绿色，说明查询器供电以及射频端口在列车运行时工作正常。

图11 故障诊断结果Fig.11 Fault diagnosis results

输入信标ID，点击“绘制局部波形”按钮显示列车经过该信标时查询器I／O端口的电压波形并统计波形信息，局部波形绘制结果如图12（a）所示，诊断结果界面如图12（b）所示。诊断结果中显示共采集到213个信标数据，其中166个信标正常解析，47个信标存在丢失风险。将故障诊断系统的诊断结果与列控中心结果进行进行比对，诊断结果与列控中心保持一致，验证了故障诊断系统的实用性与可靠性。

图12 故障诊断结果Fig.12 Fault diagnosis results

4 结束语

目前国内针对车载应答查询器的故障检修仍是整体更换车载设备，无法找出故障的具体位置进行针对性的检修，检修成本较高且效率低下。本次设计的查询器故障诊断系统可对实际线路上采集到的数据进行分析并进行故障诊断，及时发现故障及时处理，在保障列车运行安全的同时，提升故障检测维修效率，降低维修成本，有良好的应用价值与实际意义。后续仍需多次进行上线测试，不断完善故障检测系统功能。