基于STM32的动车组轴温监测报警系统

2022-07-27伍川辉李恒奎

仪表技术与传感器 2022年6期

于涛，伍川辉，邓越，杨岗，李恒奎

(1.西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111)

0 引言

动车运行过程中对于轴承的状态监测可以帮助列车驾驶人员分析列车状态，规避运行风险[1]。目前，我国动车监测采用双线制Pt100温度传感器进行测量，存在监测精度误差大的问题[2]。为此，本文针对动车组轴温监测准确性要求不断提升的问题，设计了基于STM32的轴温监测报警系统。通过安装在列车转向架轴端的双路冗余四线制Pt100温度传感器分别获取多路车轴轴承温度，利用多个STM芯片进行轴温数据的内部传输和存储，配合以太网交换芯片将轴温数据发送至列车控制与管理系统，在轴温数据异常情况下判断异常原因，做出预警和报警。

1 轴温监测报警系统硬件总体结构

轴温监测报警系统要求快速、稳定、准确、高性价比等特点：要求设备能快速对多路输入的轴温进行监测，实现对轴承的状态监测，并对采集的数据进行快速处理和上传列车管理系统[3]；要求设备稳定运行并可以正确对采集数据进行计算、存储和通信[4]；要求设备可以准确地使用列车以太网，与列车管理系统通信[5]；同时要满足尽可能高的性价比，降低整机成本。

基于以上性能要求，本轴温监测报警系统的硬件总体结构主要由主控模块、电源模块、温度检测模块、CAN通信模块、存储模块与以太网通信模块构成。系统硬件架构如图1所示。

图1 系统硬件结构框图

外部连接的传感器会通过不同的独立接线位置，连接到温度检测模块的不同通路上，完成对于多通道的温度信号采集；列车供给的电能经过电源模块的转换，给整体系统供电；CAN通信为多个温度检测模块与通信模块提供信息传输的通道；通信模块将整体的检测数据打包发送至列车管理系统。

2 轴温监测报警系统主要模块设计

2.1 主控模块

主控模块是整个检测系统的核心器中，起到数据处理和控制的作用。通信板卡的主控模块使用STM32F407ZGT6作为主控芯片。这款芯片基于ARM Cortex M4架构，支持以太网10/100 Mbps接口，配合以太网PHY芯片可与列车的网络进行通信[6]。温度检测板卡的主控模块选择STM32F103RET6。它基于ARM Cortex M3架构，拥有片内ADC、FLASH、UART等片上资源，简化了监测系统的电路设计和固件程序开发流程[7]。

这两款芯片的基础外围电路由外部晶振时钟电路、复位电路、SWD程序烧录电路和存储电路组成。图2为温度检测板卡的总体框图，图3为通信板卡的总体框图。

图2 温度检测板卡总体框图

图3 通信板卡总体框图

2.2 电源模块

轴温监测报警系统采用列车上的DC 110 V进行供电，内部使用DC-DC电源模块URB1D24LMD-20WR3模块将DC 110 V直流电降压至24 V，再将24 V电压降低，利用不同的DC电源芯片，转换成监测系统中所有芯片所需要的电压，如5 V的模数转换器芯片电源，3.3 V的板卡主处理器电源等[8]。URB1D24LMD-20WR3是DC-DC电源模块，能将40～160 V的直流电转换为电压为24 V、功率为20 W的直流电，转换效率可达86%。同时，该模块带有欠压保护，输出出现过流、短路、过压保护等功能，能较好地应对供电中的大部分异常情况，在72～110 V的铁路车载电子设备有大量的应用。具体实现电路如图4所示。

图4 URB1D24LMD-20WR3电源模块电路图

2.3 采集电路设计

本轴温监测报警系统采集电路主要进行多路列车轴温输入的采集。结合CRH多种车型已有的轴温监测方案，最终确定使用模数转换器ADS1248对四线制Pt100温度传感器进行测量[9]。温度传感器封装在与之配套的接触式轴温监测探针中。ADS1248是具有24位精度的低噪声的模数转换芯片，它的A/D转换速率能达到2 KSPS。芯片共28个引脚，提供了8个通用的I/O口和2个单独的电流源输出口，内部还包括多路选择开关，对其配置可切换采集的通道；低噪声可编程放大器支持放大128倍，对于采集微弱信号有着明显的效果。在使用时，STM32芯片通过串行外设接口(SPI)总线与ADS1248进行通信。ADS1248利用恒流源对Pt100进行供电，再将电压差分信息传出，进行数据采集。ADS1248的接口电路如图5所示。

图5 ADS1248接口电路图

采集系统的框图如图6所示，通过对其进行试验证明，该芯片能够满足对多路轴温数据采集的速度和精度要求，可用于此轴温监测报警系统。

图6 ADS1248采集电路框图

2.4 通信电路设计

本轴温监测报警系统通信电路包括CAN总线通信和列车通信网络通信，这两种方式协调合作，共同对轴温数据进行实时传递[10]。其中CAN总线通信电路负责将多个采集板卡的多路轴温数据发送至通信板卡上，进行数据整合与存储。而列车通信网络用来让通信板卡与列车管理系统建立连接，实时交换轴温采集结果，并在轴温异常时进行报警。多通信方式协同合作，使整个轴温监测报警系统具有传输速度较快、信号稳定、延迟较低、传递数据差错少等特性。

CAN总线的通信采用CAN隔离收发芯片TD301DCANHE。这款芯片的主要功能是将TTL/CMOS电平转换为符合CAN协议的差分电平，并实现信号隔离的功能；芯片的制造采用了IC集成化技术，做到了对于电源的隔离、CAN信号的隔离、CAN总线数据的收发和总线的保护；同时具有低电磁辐射和高抗电磁干扰性，适合在本监测报警系统中使用。板卡上的CAN通信电路如图7所示。

图7 CAN总线通信电路图

列车通信网络通信选用常见的百兆以太网芯片LAN8720A。该芯片是支持10 Mbps和100 Mbps通讯速度的独立以太网控制器；芯片内部具有PHY功能，符合IEEE802.3-2005网络协议；与F4系列MCU内部集成的以太网外设使用引脚连接，进行通信，并且有专用的DMA控制器，保证数据传递的实时性，适合在铁路车载电子设备上使用。整体的通信电路框图如图8所示。

图8 LAN8720A电路图

3 轴温监测报警系统软件设计

轴温监测报警系统的软件是基于RT-Thread嵌入式实时操作系统设计的。RT-Thread操作系统是来自中国的开源免费的嵌入式实时操作系统，具有丰富的组件、软件包和极好的扩展性，遵循GPLv2+许可协议[11]。RT-Thread 操作系统包含多种功能模块：finsh 控制台、I/O设备管理、通用外设接口、虚拟文件系统、网络框架等模块[12]。RT-Thread 操作系统的优点是体积小、实时性高、成本低、占用资源比较小、低功耗、内核可剪裁[13]。综上，本轴温监测报警系统选用RT-Thread作为整个系统的软件操作平台。

轴温监测报警系统的软件部分主要包括2个板卡各自的软件代码。在2个板卡上各任务线程分别完成各自的功能，并同时协作，完成数据的采集和发送，达到系统设计的目标。

3.1 温度检测板卡检测流程

温度检测板卡开始运行后，RT-Thread系统首先对使用的外设进行初始化，并进行系统内核的初始化。随后创建ADS1248采样线程，温度处理线程和CAN发送线程，分配对应的优先级，并调度它们运行。之后的流程中对多路传感器进行采样，整理成对应的温度后放入缓冲区结构体。如果数据符合轴温预警的条件，便将缓冲区结构体中对应的报警数据位置为1，随后调用CAN通信任务将缓冲区结构体发送至通信板卡。具体的软件操作流程如图9所示。

图9 温度板卡运行流程图

3.2 通信任务

通信板卡运行时，首先初始化外设和RT-Thread操作系统。随后创建CAN接收线程、数据处理线程和TRDP发送线程。CAN接收线程将温度检测板卡发送的CAN报文存储到对应序号的结构体。数据处理线程会检查数据包的报警位和数据正确性，随后将数据按照TRDP协议的要求进行封包，最后调用TRDP发送线程进行发送。具体的软件流程如图10所示。

图10 通信板卡运行流程图

4 轴温监测报警系统性能分析

本文基于STM32的列车轴温监测报警系统要求轴温监测精度为±2 ℃。列车各监测点温度随列车运行时间增加，会出现不同程度的温升，为验证轴温监测报警系统的工作性能，对实际使用的轴温传感器进行不同温度下的模拟试验验证。试验中监测系统对8路四线制传感器进行采样，采样频率为50 Hz，并使用六类双屏蔽网线连接计算机，抓取传输数据。试验过程中，采集系统轮流对传感器进行采样，在内部计算和打包后经过以太网芯片发送。系统运行过程中，温度检测结果的打印截图如图11所示。利用计算机对以太网数据包的捕获截图如图12所示。

图11 温度检测打印截图

图12 以太网通信捕获截图

动车中对于轴承温度的检测范围是-40～215 ℃，因此在这个温度范围内确定了5组检测点，对理论性能和实际性能进行比较。经过对传感器组的多次测量，测试结果整理如表1所示。由表1可知，整体设计的轴温监测系统测温性能稳定，在测温范围内误差在±1 ℃内，完成了对目标的高精度测温，并且数据正确发送至外部接收设备。试验结果表明：重复测量多次得到的数据达到监测精度要求，延迟低，该系统能满足实际应用和工程测量要求。