地鐵巡檢線掃激光傳感器控制裝置設計與實現

摘" 要：地鐵軌道日常巡檢中需要2臺線掃激光傳感器實現地鐵軌道面的圖像掃描，2臺線掃激光傳感器同時采樣時激光疊加部分會出現干擾，導致該部分采樣數據異常。設計一種通過單片機控制2臺線掃傳感器采樣的控制裝置。裝置通過單片機IO口輸出異步時序控制線掃傳感器異步采樣，通過自帶網口和擴展網口讀取掃描數據，通過串口控制4G/GPRS模塊將數據遠程傳輸到巡檢自動化控制后臺。

關鍵詞：線掃激光傳感器；干擾；異步時序；擴展網口；遠程傳輸

中圖分類號：U458.1 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）15-0105-04

Abstract： In the daily inspection of subway track， two linear scanning laser sensors are required to realize the image scanning of subway track surface. When two linear scanning laser sensors sample at the same time， the laser superposition part will be interfered， resulting in abnormal sampling data of this part. A control device is designed to control the sampling of two linear scanning sensors through a single chip computer. The device outputs asynchronous time sequence control line scan sensor asynchronous sampling through the single chip microcomputer IO port， reads the scanning data through its own network port and extended network port， and transmits the data remotely to the inspection automation control background through the serial port control 4G/GPRS module.

Keywords： line scan laser sensor; interference; asynchronous timing; extended network port; remote transmission

地鐵軌道日常巡檢目前已經逐步實現無人值守自動化操作，每日在地鐵運營結束后，通過運行在軌道上的自動化巡檢小車沿著地鐵隧道進行日常安全巡檢，檢查地鐵隧道面和軌面是否出現異常[1-2]。

在無人自動化巡檢中，核心基礎技術是通過各種傳感器采集現場數據[3-4]，并將數據傳輸到巡檢自動化控制后臺進行分析和判斷。線掃激光傳感器是地鐵巡檢中常用的現場數據采集設備，通過發出線性激光掃描地鐵隧道面和軌面。由于軌道面較寬，通常1臺線掃激光傳感器無法完全掃描地鐵軌道的整個橫截面，需要2臺線掃激光傳感器并行才能獲取整個地鐵軌道橫截面。但是2臺線掃激光傳感器在工作時如不加控制，則會出現各自發出的掃描激光信號疊加的情況，而疊加部分的激光信號會相互干擾使該部分掃描數據失真，從而引起巡檢后臺無法依據該數據分析疊加部分的現場是否出現異常狀況，導致自動化巡檢失敗。本文設計了一種地鐵巡檢線掃激光傳感器控制裝置，該裝置通過IO口發出異步時序配合2個網口實現2臺線掃激光傳感器的掃描數據采集，解決線掃激光傳感器掃描激光信號疊加干擾問題。獲取數據后，實時通過遠程通信模塊將采集數據傳輸到巡檢后臺，供后臺巡檢自動化控制平臺軟件分析。

1" 整體設計方案

地鐵巡檢線掃激光傳感器控制裝置系統控制2臺線掃激光傳感器整體架構設計如圖1所示。線掃激光傳感器控制裝置通過異步控制信號控制2臺線掃激光傳感器的使能信號，實現2臺線掃激光傳感器的異步數據采集，從而確保各自的線掃激光信號無疊加干擾，保障掃描采集數據正確。通過2個網口連接2臺線掃激光傳感器讀取各傳感器的掃描數據，采集完成后，如果判斷數據出現異常，則可通過遠程模塊將該數據遠程傳輸到巡檢自動化控制后臺，后臺分析異常數據然后給出對應維護操作。

2 硬件系統設計

2.1" 硬件電路組成

線掃激光傳感器控制裝置采用模塊化設計，主要硬件由主控MCU模塊、自帶網口模塊、擴展網口模塊、異步控制信號模塊、遠程通信模塊和電源模塊組成，如圖2所示。

2.2" 主控MCU模塊

主控模塊采用STM32F207VET6作為校驗裝置的MCU。STM32F207VET6以32位的Cortex-M4 RISC為內核，工作頻率最高可至120 MHz，內存Flash最高可達到512 KB，具有超低功耗特性和較強的運算處理能力，內置存儲器保護單元，可適用于多種應用場景。主控CPU負責異步控制信號的產生、網口數據的讀取和遠程模塊數據的發送，可以很好地完成該系統所需設計，如圖3所示。

2.3" 自帶網口模塊

自帶網口模塊是利用主控MCU自帶的MAC接口功能，外接一個網口收發物理芯片實現，收發物理芯片選用LAN8720A，是SMSC公司設計的一個體積小、功耗低、全能型10/100 Mbps的以太網物理層收發器。該芯片寄存器配置與數據傳輸的接口是相互獨立的，寄存器配置接口為SMI，數據傳輸接口為RMII，SMI接口為一根時鐘線、一根數據線，被稱做串行管理接口。RMII接口用來傳輸數據，相比MII接口更加精簡，被稱做精簡MII接口，針對消費類電子和企業應用而設計的。同時，LAN8720A內部集成PLL，可以將25 MHz的時鐘源陪頻到50 MHz，并在指定引腳輸出該時鐘，所以可以直接使其與REF_CLK連接達到提供50 MHz時鐘的效果。LAN8720A通過RMII與主控MCU的MAC連接，如圖4所示。

2.4" 擴展網口模塊

由于主控MCU只有1個網絡外接MAC口，而地鐵巡檢需要2臺線掃激光傳感器，因為每臺線掃激光傳感器的數據需要快速讀取，因此對外均提供網口讀取數據。因此本文通過主控MCU的高速SPI接口外接1個擴展網口模塊實現，擴展網口模塊選用W5500，其是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太網控制器，為嵌入式系統提供了更加簡易的互聯網連接方案。W5500模塊集成了TCP/IP協議棧，10/100 M以太網數據鏈路層（MAC）及物理層（PHY），使得用戶使用單芯片就能夠在其應用中拓展網絡連接。W5500提供了SPI（外設串行接口）從而能夠更加容易與主控MCU整合。而且，W5500的使用了新的高效SPI協議支持80 MHz速率，從而能夠更好地實現高速網絡通訊。為了減少系統能耗，W5500還提供了網絡喚醒模式（WOL）及掉電模式供客戶選擇使用，具體電路設計如圖5所示。

2.5" 異步控制信號模塊

異步控制信號模塊由主控MCU通過定時中斷控制IO端口引腳產生方波實現，為使IO端口引腳產生的方波能夠成為控制線掃激光傳感器工作的使能信號，需進行電平調制轉換，如圖6所示。由圖可知，經過2個隔離光耦后輸出的電平信號極性正好相反，而線掃激光傳感器的使能信號為低電平有效，因此同一時刻左右2臺線掃激光傳感器只能有1臺使能在工作，從而能夠避免2臺線掃激光傳感器因同時工作產生激光信號疊加干擾導致的數據失真問題。

2.6" 遠程通信模塊

遠程通信模塊設計是通過主控MCU的串口外接一個4G/GPRS 模塊實現，模塊選擇有方科技的N720，該模塊是一款全網通4G工業模組，性能穩定可靠。同時模塊體積小，便于集成。支持國內移動/聯通/電信3大運營商的2G/3G/4G網絡制式，支持全球各區域網絡，內嵌豐富的網絡協議，完美兼容。模塊通過串口提供標準AT指令集進行數據收發，開發流程簡單，主控MCU只需將待發送數據按照指令集格式組成對應AT指令，通過串口發送到模塊即可，模塊自動將該數據發送到指定的遠程巡檢自動化控制后臺，具體電路設計如圖7所示。

2.7" 電源模塊

電源模塊基于24 V直流供電設計，輸入的24 V直流電路通過DC/DC模塊TPS54331轉換成5 V電源，再通過SPX1117轉換為3.3 V電源，具體電路設計如圖8所示。

3 軟件系統設計

本文設計的地鐵巡檢線掃激光傳感器控制裝置系統整體工作是1個裝置控制2臺線掃激光傳感器實現，2臺激光傳感器的使能信號線和數據讀取網口連接到線掃激光傳感器控制裝置，整體軟件程序流程圖如圖9所示。每次開始巡檢工作時，主控MCU記錄當前啟動時間，通過該時間可以方便遠程巡檢自動化控制后臺計算異常發生位置。隨后，主控MCU便通過定時中斷控制IO引腳產生異步控制方波，方波經過調制電路輸出到2臺線掃激光傳感器的使能信號上，確保同一時刻只有一臺線掃激光傳感器在使能采集數據，另一臺在讀取數據，二者交叉進行，確保無疊加干擾。主控MCU讀取到數據后經過初步檢查，判斷數據是否異常，如果異常則將該異常數據按照遠程無線模塊能夠識別的格式進行組裝形成待發送數據集，再通過串口發送到遠程通信模塊，再由遠程通信模塊通過4G/GPRS無線方式將該信息發送到巡檢自動化控制后臺。

4 結束語

本文設計了一種地鐵巡檢線掃激光傳感器控制裝置。該控制裝置通過異步控制信號配合2個網口實現對2臺線掃激光傳感器的激光信號掃描控制和讀數據控制，能夠解決2臺激光傳感器線掃激光信號的疊加干擾問題，同時還通過遠程通信模塊將采集到的異常數據進行實時遠程傳輸，讓巡檢自動化控制后臺能夠及時對異常數據進行分析并對應展開具體運維部署。

參考文獻：

[1] 呂一鋒，陳淋.地鐵運營隧道安全巡檢系統及其應用[J].城市軌道交通研究，2014（10）：126-128．

[2] 李林鋒.地鐵車輛車底巡檢機器人的功能及其應用分析[J]. 城市軌道交通研究，2022（1）：82-89．

[3] 魏秀琨，所達，魏德華，等.機器視覺在軌道交通系統狀態檢測中的應用綜述[J].控制與決策，2021，36（2）：257-275．

[4] 李軍，朱國琦，樊曉東，等.地鐵隧道結構機器視覺檢測系統及應用分析[J].測繪通報，2020（9），46（3）：27-32．