摘要：為避免高速列車在運(yùn)行中產(chǎn)生熱切軸現(xiàn)象，采用2.4GHz無線通信技術(shù)設(shè)計了軸溫集中監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由安裝在車軸上的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測臺組成；監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用ATmega128L作為微控制器，利用溫度傳感器PT100實(shí)現(xiàn)軸溫的采集，并通過無線模塊nRF24L01實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；監(jiān)測臺主要負(fù)責(zé)集中接收、處理、顯示和存儲各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)；當(dāng)軸溫過高時，報警提醒駕駛員采取緊急措施，避免發(fā)生事故；經(jīng)試驗表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測量運(yùn)行列車的軸溫狀態(tài)，給出了實(shí)驗結(jié)果并進(jìn)行了分析。

　　關(guān)鍵詞：軸溫集中監(jiān)測；列車安全；無線傳輸。

　　0 引言

　　列車在高速運(yùn)行的過程中，機(jī)車與鋼軌的頻繁沖擊會造成車輛軸承的發(fā)熱，當(dāng)軸承磨損和產(chǎn)生缺陷時，會造成機(jī)損從而影響車輛的正常運(yùn)行，甚至出現(xiàn)熱切軸，直接導(dǎo)致火車發(fā)生故障翻車，給國家和社會在鐵路運(yùn)輸造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前我國大部分采用紅外軸溫監(jiān)測系統(tǒng)，但這種設(shè)備易受外界環(huán)境影響、探測點(diǎn)受車身擺動影響定位困難等原因，使得軸溫過高告警兌現(xiàn)率低、誤報率極高、而且外界因素對其工作狀態(tài)容易產(chǎn)生很大的干擾，失真嚴(yán)重，極有可能給發(fā)出錯誤的溫度提示，影響鐵路運(yùn)輸?shù)恼９ぷ鳎?-2］。針對這種情況，設(shè)計了系統(tǒng)簡潔、布局小巧、靈敏度高、收發(fā)信息能力快速的高速列車軸溫集中監(jiān)測系統(tǒng)，可在第一時間發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的列車軸承是否溫度過高，如軸溫超過預(yù)設(shè)定值，就發(fā)出報警信號，機(jī)車司機(jī)可及時的停車檢查，有效地降低事故發(fā)生率，避免因事故而產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)損失，維護(hù)鐵路運(yùn)輸?shù)恼＿\(yùn)行。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　高速列車有多節(jié)車廂組成，每節(jié)列車車廂有兩個車軸架，每個車軸架上有兩個車軸，每個車軸兩端又有兩個軸箱。設(shè)計中在每個軸箱上安裝一個軸溫傳感器，每個軸架上設(shè)一個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。絕大多數(shù)列車軸溫報警裝置仍然沿用了傳統(tǒng)的單車分散報警的模式，又考慮到列車存在經(jīng)常調(diào)換機(jī)車車頭和車廂的問題，所以在傳輸方式上系統(tǒng)選用了2.4G無線通信傳輸方式。

　　為了防止數(shù)據(jù)阻塞，采用了輪詢問答方式進(jìn)行通信，大大提高了通信質(zhì)量和可靠度。系統(tǒng)主要由多個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和一個部署在駕駛艙內(nèi)的監(jiān)測臺組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　監(jiān)測節(jié)點(diǎn)通過溫度傳感器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，實(shí)時地將列車每個車軸的軸溫情況傳送到安裝在機(jī)車頭的監(jiān)測控制臺，進(jìn)行分析、顯示，供機(jī)車司機(jī)或者地面車輛檢修部門隨時監(jiān)測車輛運(yùn)行時軸溫的變化情況。在列車運(yùn)輸過程中，當(dāng)出現(xiàn)軸溫異常時，監(jiān)測臺能發(fā)出報警信號給司機(jī)，提醒及時停車采取一定的措施排除故障，降低了機(jī)車在運(yùn)行過程中因軸溫過高發(fā)生事故的幾率，從而確保列車運(yùn)行的安全。

　　2 硬件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的無線節(jié)點(diǎn)硬件主要由微控制器ATmega128L、溫度傳感器PT100、無線通信模塊nRF24L01、存儲器K9F5608和電源管理模塊等組成。其中監(jiān)測臺還包括報警和顯示屏單元。

　　硬件部件的控制器單元主要功能在于控制溫度傳感器采集列車的軸溫信息，并對信息進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā)，以及對接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示。數(shù)據(jù)采集單元主要是通過溫度傳感器對軸溫信息的采集。無線通信單元用于發(fā)送采集到的軸溫數(shù)據(jù)，并與列車監(jiān)測臺進(jìn)行實(shí)時通信。節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成如圖2所示。

　　圖2 節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成

　　2.1 微控制器ATmega128L

　　考慮到控制器既要滿足系統(tǒng)的需求，又要保持低功耗和小體積的特性，故選用了8位微控制器ATmega128L，相對于其他通用的8位微控制器來說，它具有非常豐富的資源，工作于16MHz時性能高達(dá)16MIPS，具有片內(nèi)128k字節(jié)的程序存儲器，4k字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器和4k字節(jié)的E2PROM;具有兩個16位定時器/計數(shù)器；具有53個通用I/O 口線、實(shí)時時鐘RTC、兩個USART、可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口、8路10位ADC、兩路8位PWM、與IEEE1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口用于片上調(diào)試，以及6種可以通過軟件選擇的省電模式。控制器的ADC口與PT100的輸出連接，SPI接口與無線通信模塊nRF24L01連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，PWM口用來驅(qū)動監(jiān)測臺的報警單元，數(shù)據(jù)總線和地址總線與存儲器配合使用。

　　2.2 無線通信模塊nRF24L01

　　nRF24L01是工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 頻段的單片射頻收發(fā)器，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，支持Shock-Burst和Enhanced Shock-Burst兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9mA，接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計更方便，接口最高速率可以到達(dá)8Mbps，工作電壓1.9~3.6V，采用SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，無線數(shù)據(jù)的傳輸速率最高達(dá)2Mbps，并有自動應(yīng)答和自動重發(fā)射功能。輸出功率、頻道分配及協(xié)議的選擇可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置［3］。

　　2.3 溫度傳感器PT100

　　常用的接觸式測溫傳感器有熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體石英晶體等，鉑熱電阻在0℃時的電阻值稱R （0℃）和100℃時的電阻值稱R （100℃）以及R （100℃）/R （0℃）叫做比值W100.監(jiān)測節(jié)點(diǎn)溫度傳感器采用的是鉑電PT100，PT100的含義為（0℃）時的名義電阻值為100Ω，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨之變化而變化，且電阻與溫度的關(guān)系即分度特性完全和IEC標(biāo)準(zhǔn)等同，因此PT100主要用來測量-200~+600℃的溫度。鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正［4］。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正需要在微處理系統(tǒng)中使用，將鉑電阻的電阻值和溫度對應(yīng)起來后存入EEPROM 中，根據(jù)電路中實(shí)測值以查表方式計算相應(yīng)溫度值。常用的Pt電阻采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路；另一為恒流源式測溫電路。

　　系統(tǒng)中監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用的是是第一種橋式電流測溫電路，其具有測量準(zhǔn)確度高、測量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

　　2.4 存儲器K9F5608

　　存儲器K9F5608 是三星公司生產(chǎn)的32MBytes容量的NAND Flash芯片，用來存儲臨時的軸溫數(shù)據(jù)，當(dāng)通信中斷時可以把數(shù)據(jù)存在K9F5608中，待通信恢復(fù)正常后再將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測臺。它具有8位數(shù)據(jù)/地址復(fù)用接口以及CLE、ALE、WP、R/B、CE等控制信號，硬件接口比較簡單，但讀寫時序相對較復(fù)雜，需要依次送入命令、地址、數(shù)據(jù)等。實(shí)際需要輸入24位的地址用來尋址，由于該芯片與控制器ATmega128L的接口是8位地址數(shù)據(jù)復(fù)用線，所以需要3個周期才能完成24位地址的輸入［5］。存儲器K9F5608外圍電路如圖3所示。

　　圖3 K9F5608外圍電路

　　控制器ATmega128L的PA口完成對Flash數(shù)據(jù)﹑地址與命令的傳輸；用控制器的PG口來完成對Flash傳輸狀態(tài)的選擇，如CLE、ALE、R/B、CE等；用控制器的WE和RD信號來選擇FLASH是讀還是寫，在總線上傳輸?shù)囊话沩樞驗椋?/p>

　　命令-> 地址-> 命令/數(shù)據(jù)。