LKJ接口信息在線監測裝置研制

馮真強

（成都局集團公司成都電務綜合維修段，四川成都 610000）

1 LKJ 設備的基本概況

根據成都電務綜合維修段對近一年LKJ 設備質量缺點的統計發現，超過40%以上質量缺點均為與機務相關接口部分質量問題，主要集中在速度傳感器、110 V 電源。目前對速度傳感器輸出信號的高低電平是否達標、占空比是否合格、相位差是否準確等，只能在上車前通過速度傳感器測試臺進行確認，一旦上車，缺乏有效、持續、在線的監測機制，目前國內尚屬空白。速度傳感器設備質量隱患只有在速度傳感器各項參數發生嚴重變化、影響速度值計算時才能暴露出來，而此時已經影響到設備的正常運用。

機車提供給110 V 直流電源給LKJ 設備。由于機車在柴油機啟動、劈相機啟動、主斷路器分合等操作時會產生強大的電磁干擾，而LKJ 設備屬精密電子設備，對110 V 電源質量有較高要求。一旦機車過電壓吸收片性能下降，將引起LKJ 長期受到電磁干擾，影響正常工作。而過電壓吸收片難以測試，故障分析也難以取證，造成管理上極其困難。

2 研究目標

（1）LKJ 速度信號接口質量檢測。產品能對LKJ 采集的速度信號（光電轉速傳感器輸出的信號）質量進行檢測，檢測內容包括信號的周期、占空比、相位差、高電平、低電平、邊沿時間和傳感器工作電源。通過對傳感器輸出信號指標的全面檢測分析，可提前預判傳感器故障，提高行車安全。

（2）LKJ 工況信號接口檢測。產品能夠對LKJ 采集的工況信號的電平進行檢測。檢測內容包括向前、向后、零位、牽引、制動信號的電壓幅值及電壓峰值。通過對工況電平信號檢測，能提前發現工況異常干擾信號，及時提醒相關檢修部門處理。

（3）LKJ 工作電源檢測。裝置能夠實現對LKJ 的工作電源進行檢測。檢測內容為電源電壓，便于了解LKJ 設備供電電源波動情況。

（4）檢測數據實時遠程傳輸。裝置能夠通過無線模塊，將檢測的接口信息遠程傳輸到地面服務器，并可根據需要轉發到指定人員，實現LKJ 的接口信息實時監控功能。

（5）LKJ 接口信息異常提醒。LKJ 接口信息異常后，通過車上提醒和車下提醒同時進行異常提醒，便于異常及時分析和處理。車上提醒：LKJ 接口信息異常后，裝置通過數碼管顯示異常代碼進行提示；車下提醒：地面服務器接收到LKJ 接口信息異常后，主動推送異常消息給指定人員。

（6）檢測數據記錄保存。裝置具有儲存功能，能夠掉電保存檢測的數據記錄，便于歷史信息查詢和追蹤。

3 研究實現

3.1 系統實現

系統需要采集機車速度信號、工況信號；需要工作電源；需要將采集數據遠程傳送到地面分析軟件，系統組成如圖1 所示。

圖1 系統組成

3.2 電路設計

產品主要硬件為監測裝置和無線發送裝置，其中監測裝置根據功能分為電源板、檢測板、電壓采集板和控制板。

3.3 監測裝置設計

3.3.1 電源板設計

電源板實現監測裝置的電源轉換及電源隔離功能，為控制板、檢測板、電壓采集板提供工作電源，由電源保護電路及電源轉換電路組成如圖2 所示。

圖2 電源保護電路

3.3.2 檢測板設計

檢測板實現對LKJ 速度信號接口檢測功能，能檢測速度信號的周期、高電平、低電平、邊沿時間、占空比，并通過485 總線將檢測結果發送給控制板處理。檢測板和控制板電氣隔離，隔離電壓1000 V。每個檢測板實現1 組（2 通道）信號檢測，實現6通道檢測需要3 塊檢測板。

（1）邊沿采樣電路。邊沿時間是信號的從10%變化到90%所需要的時間，采用2 個比較器實現邊沿時間測試。1 個比較器閥值設置在10%，另外一個比較器閥值設置在90%。上升沿計算方法：10%閥值比較器發生翻轉時間為t1，90%閥值比較器發生翻轉時間為t2，那么上升壓時間為Tr=t2-t1。下降沿計算，同理可得。

（2）處理芯片。MCU 處理模塊采用STM32F103RCT6 作為主控芯片，它是基于ARM Cortex-M3 的微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式應用中。

3.4 無線發送模塊設計

3.4.1 無線發送模功能要求

（1）能夠通過無線網絡，發送產品的運行數據。

（2）通能帶GPS 定位模塊，實現產品定位功能。

3.4.2 詳細設計

由于定位技術和4G 技術在各行業運用已經成熟，且功能需求明確，需要基本不會變更，采用已經運用成熟的DTU 模塊進行快速開發設計。性能、價格、周期均可以比較好的滿足產品要求。

DTU 模塊采用Q560 4G LTE 全網通DTU 模塊，是一款基于4G/3G/2G 網絡自適應的真正全網通無線數據傳輸終端設備，232+485 接口設計，提供全透明數據/協議傳輸/HTTP/組態等協議工作模式，可以方便的實現遠程、無線、網絡化的通信方式，輕松實現與Internet 的無線連接，具有體積小、穩定性高、抗干擾強、組網靈活、安裝簡單、維護成本低等特點。

3.5 嵌入式軟件設計

3.5.1 檢測板軟件設計

檢測板實現速度信號的高低電平檢測及周期、相位差、占空比檢測。其根本原理就是電平檢測和信號時間檢測，由于信號時間檢測對時間要求比較高，中斷跳轉越小越好，所以檢測板不采用操作系統，程序分為啟動程序、接口驅動程序和應用程序。

3.5.2 周期及占空比計算

周期、上升沿、占空比通過捕獲（外部中斷）和定時器中斷實現，具體流程如圖3 所示。

3.5.3 高低電平計算

信號的高低電平計算通過定時器及ADC 轉換器實現，電平采樣最好實在信號的1/4 和3/4 周期時采樣，具體流程如圖4 所示。

3.5.4 控制板軟件設計

控制板主要實現和檢測板數據通信、和無線發送模塊數據通信、采集電壓采集板的電壓信號、保存數據記錄、顯示運行狀態。控制板軟件基于UCOS Ⅲ系統，主要分為3 層，即APL，FML/OS 和HAL。

圖3 周期及占空比計算流程

圖4 高低電平計算流程

3.6 外形結構設計

裝置采用能耗統計裝置同款標準型材。該型材結構簡單、美觀、強度合適且可共用現有的統計模塊的包裝箱。

4 未來展望

監控裝置是中國鐵路保證行車安裝的重要設備，以監控裝置為主的中國列車運行控制系統是鐵路機車的主要組成部分。可靠有效的速度信號是監控裝置可靠運行的必要條件，目前國內無針對傳感器速度信號在線檢測的設備，如果速度信號出現故障將會造成監控裝置運行異常甚至造成行車安全事故。傳統速度傳感器故障后再處理的方式已逐漸不滿足越來安全、高效的行車需求。

本裝置可以實時采集機車速度傳感器信號和工況信號，并通過大數據分析對信號質量變化趨勢做出預判，在信號完全故障前進行提醒檢修處理。通過預判提前更換傳感器，降低信號發生的故障率，為機車安全、高效行車提供的技術支持。