，，2，陸長(zhǎng)海

(1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044；2.北京交大創(chuàng)新科技中心，北京 100044)

Design of Vehicle Unbalanced Load Detection System

ZHAO Peng1，LIU Biao1，2，LU Changhai1

(1.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing，100044，China；

2.Innovation and Technology Center of Beijing Jiaotong University，Beijing，100044，China)

列車車載式超偏載檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙鵬1，劉彪1，2，陸長(zhǎng)海1

(1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044；2.北京交大創(chuàng)新科技中心，北京 100044)

Design of Vehicle Unbalanced Load Detection System

ZHAO Peng1，LIU Biao1，2，LU Changhai1

(1.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing，100044，China；

2.Innovation and Technology Center of Beijing Jiaotong University，Beijing，100044，China)

摘要：針對(duì)當(dāng)前快速鐵路貨運(yùn)安全行車的背景，設(shè)計(jì)了一種車載式超偏載檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)列車是否發(fā)生超偏載并及時(shí)報(bào)警。該系統(tǒng)的配重檢測(cè)模塊基于MC9S12DG128設(shè)計(jì)，檢測(cè)每列車體前后2個(gè)轉(zhuǎn)向架上的空氣彈簧壓力，通過串口將數(shù)據(jù)傳送給車載網(wǎng)關(guān)，車載網(wǎng)關(guān)基于Cortex-A8平臺(tái)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)空氣彈簧的氣壓-負(fù)載特性，計(jì)算出車廂載重情況。試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)列車的超偏載檢測(cè)，對(duì)推進(jìn)快速鐵路貨運(yùn)發(fā)展具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：鐵路貨運(yùn)；配重檢測(cè)；車載網(wǎng)關(guān)；上位機(jī)監(jiān)控

中圖分類號(hào)：U272.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)10-0003-04

收稿日期：2015-06-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61401017)

Abstract：In view of the safety of current rapid rail freight in the background，this paper designs a vehicle unbalanced load detection system，used to detect whether the train load is overloaded or unbalanced and alarm timely. Weight detection module of this system is based on MC9S12DG128，and it acquires the four air spring pressure under the carriage，sends the data to the gateway. The gateway is based on Cortex-A8 platform，it converts the protocol and transmits the data to the upper monitor，the upper monitor can calculate the carriage load according to the load characteristics of the air spring. Experiments show that the system can realize the train overload and unbalanced load detection，which has practical significance and application value to promote the rapid development of the railway freight.

作者簡(jiǎn)介：趙鵬(1990-)男，河北保定人，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)；劉彪(1982-)男，河北保定人，博士后，講師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)；陸長(zhǎng)海(1990-)男，江蘇興化人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

Key words：railway freight；load detection；vehicle gateway；PC monitor

0引言

鐵路貨運(yùn)車輛的超載以及偏載一直以來(lái)都是危及鐵路安全運(yùn)輸?shù)闹饕獑栴}，因此而發(fā)生的切軸、掉道等事故時(shí)有發(fā)生。超偏載是指貨物的總重量和合重心分別超出了規(guī)定的范圍。當(dāng)前正在研制中的貨運(yùn)動(dòng)車組，由于其高速運(yùn)行，發(fā)生超偏載而出現(xiàn)事故的可能性更大。目前，檢測(cè)列車超偏載多采用地面固定式軌道衡裝置，由于其安裝復(fù)雜，造價(jià)高，且不具有實(shí)時(shí)性等，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。設(shè)計(jì)的車載式超偏載檢測(cè)系統(tǒng)克服了以上地面檢測(cè)裝置的缺點(diǎn)和不足，對(duì)安裝在每列車體前后2個(gè)轉(zhuǎn)向架上的空氣彈簧壓力進(jìn)行檢測(cè)?？諝鈴椈晒ぷ鲿r(shí)，內(nèi)腔沖入壓縮空氣，形成一個(gè)壓縮空氣氣柱。當(dāng)載荷量增加時(shí)，彈簧的高度會(huì)下降，內(nèi)腔容積變小，彈簧的剛度增加，內(nèi)腔空氣柱的有效承載面積加大，此時(shí)空氣彈簧的承載能力增加。當(dāng)載荷量減小時(shí)，彈簧的高度升高，內(nèi)腔容積增大，彈簧的剛度減小，內(nèi)腔空氣柱的有效承載面積減小，此時(shí)空氣彈簧的承載能力也會(huì)減小。因此，根據(jù)空氣彈簧的氣壓-負(fù)載特性可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)列車載重情況，實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警功能。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于推進(jìn)快速鐵路貨運(yùn)具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

車載式超偏載檢測(cè)系統(tǒng)主要由配重檢測(cè)單元、車載網(wǎng)關(guān)、上位機(jī)監(jiān)控組成。配重檢測(cè)單元由MC9S12DG128、AD采集模塊、串口模塊構(gòu)成，用于檢測(cè)一節(jié)車廂對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向架上4個(gè)空氣彈簧的氣壓值，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)由Cortex-A8、串口模塊、以太網(wǎng)模塊構(gòu)成，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)監(jiān)控終端，上位機(jī)通過空氣彈簧的氣壓-負(fù)載特性，計(jì)算出車廂載重值，然后根據(jù)超偏載模型判斷列車是否發(fā)生超偏載并及時(shí)報(bào)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1　配重檢測(cè)模塊

2.1.1傳感器選型

設(shè)計(jì)選擇電流型氣壓傳感器，其傳輸信號(hào)能力比電壓型氣壓傳感器強(qiáng)，型號(hào)為JYB-KO-HAG，量程范圍為0～1 MPa，輸出電流為4～20 mA，通過在氣壓傳感器回路中串接200Ω電阻，測(cè)量電阻兩端的電壓信號(hào)來(lái)獲得氣壓信號(hào)。通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣壓值與電壓值成線性關(guān)系，由經(jīng)驗(yàn)公式得知這是一元線性回歸模型，在Matlab下調(diào)用最小二乘法polyfit()函數(shù)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估擬合，得到擬合曲線y=248.9x-246.8。再對(duì)已建立的一元線性回歸數(shù)學(xué)模型用regress()函數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，將超出期望值的點(diǎn)剔除后用剩余的點(diǎn)重新計(jì)算，最終得到的曲線方程為y=249.5x-247.1。氣壓傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　氣壓傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)

2.1.2主控制器電路

主控制器選用飛思卡爾公司的工業(yè)級(jí)雙核16位芯片MC9S12DG128，該芯片擁有16位雙核處理單元，2個(gè)異步串行通信接口，內(nèi)置10位逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以根據(jù)需要配置相應(yīng)的寄存器，設(shè)置不同的采樣率。主控器采集到4路電壓信號(hào)后，通過串口與車載網(wǎng)關(guān)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

2.1.3AD采集和串口通信電路

氣壓傳感器回路串聯(lián)電阻后輸出電壓值為0.8～4 V，滿足MC9S12DG128單片機(jī)的AD輸入要求?？赏ㄟ^電壓跟隨器與AD引腳直接相連，AD采集模塊使用外部參考電壓4.096 V供電。電壓值可表示為：被測(cè)電壓=(AD結(jié)果采樣)×基準(zhǔn)/AD位數(shù)，其中10位AD位數(shù)為1 024。電壓跟隨器的運(yùn)放型號(hào)選擇OPA系列，起到緩沖、隔離、提高帶負(fù)載能力的作用。串口通信采用max232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

2.2　車載網(wǎng)關(guān)模塊

由于串口傳輸距離有限，需要車載網(wǎng)關(guān)將串口接收到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。主控制器選用Samsung公司的ARM處理器S5PV210。該處理器基于Cortex-A8架構(gòu)，支持ARM V7指令集，具有64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，主頻最高可達(dá)1 GHz。提供了包括串口、LCD、IIC、SPI等豐富的外部接口資源。

為加快進(jìn)度，主控板采用廣州天嵌公司生產(chǎn)的核心板TQ210進(jìn)行開發(fā)。集成S5PV210處理器、1GB DDR2、1GB Nandflash、并帶有JTAG接口，采用TI專為TQ210設(shè)計(jì)的電源管理芯片TPS659101，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)可大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。該主控板主要實(shí)現(xiàn)S5PV210最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

外圍電路包括主要包括電源電路、串口電路、和以太網(wǎng)通信電路。車載網(wǎng)關(guān)采用車上110 V直流電壓供電，使用DC-DC變換器將110 V變換為5 V，穩(wěn)壓芯片AP1117-3.3將5 V變換為3.3 V，給主控板供電。串口電路通過max232實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。以太網(wǎng)具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定等特點(diǎn)，被廣泛使用。網(wǎng)絡(luò)接口芯片選用高度集成的、低成本的以太網(wǎng)MAC處理器DM9000，支持MII/RMII接口和8/16/32位的處理器接口方式，10M/100M收發(fā)器。

2.3　上位機(jī)監(jiān)控

上位機(jī)監(jiān)控終端選用研華公司適用于鐵路應(yīng)用的工業(yè)級(jí)平板電腦，型號(hào)為TPC-8100TR。此設(shè)備為10.4寸液晶顯示屏，為電阻式觸摸屏，滿足EN50155標(biāo)準(zhǔn)和IP65防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，全部對(duì)外接口采用了M12接頭，溫度范圍為-30°～70°。帶有2路USB接口、4路串行接口、1路電源接口和2路以太網(wǎng)接口，采用110 V直流供電。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)組成框圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1　配重檢測(cè)模塊

程序流程圖如圖3所示。配重檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化、信號(hào)采集與處理、串口通信。其中，系統(tǒng)初始化、信號(hào)采集與處理放在主程序中執(zhí)行，串口通信相關(guān)程序放在定時(shí)中斷程序中執(zhí)行。系統(tǒng)初始化主要包括設(shè)置總線頻率、I/O初始化、A/D采樣速率、串口通信速率、定時(shí)中斷周期，按照設(shè)定的通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖3　程序流程

3.2　車載網(wǎng)關(guān)模塊

車載網(wǎng)關(guān)以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，在Linux環(huán)境下使用Qt開發(fā)應(yīng)用程序。嵌入式Linux操作系統(tǒng)開發(fā)包括開發(fā)環(huán)境的搭建(Ubuntu、交叉編譯工具arm-linux-gcc)、U-Boot的移植、Linux內(nèi)核的移植(修改頂層Makefile中的ARCH和CROSS_COMPILE、修改MTD分區(qū)、移植YAFFS文件系統(tǒng))、構(gòu)建根文件系統(tǒng)(移植根文件系統(tǒng)制作工具busybox)、內(nèi)核調(diào)試。

使用Qt類庫(kù)編寫串口通信和以太網(wǎng)通信應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換。Qt是面向?qū)ο蟮目蚣?，使用特殊的代碼生成擴(kuò)展以及一些宏，易于擴(kuò)展，允許組件編程。Qt的良好封裝機(jī)制使得模塊化程度非常高，可重用性較好，對(duì)于用戶開發(fā)來(lái)說是非常方便的。Qt提供了信號(hào)/槽的安全類型來(lái)替代回調(diào)，這使得各個(gè)元件之間的協(xié)同工作變得十分簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)中使用第3方類Posix_QextSerialPort實(shí)現(xiàn)串口通信。初始化程序主要包括打開串口、設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位、流控制，使用輪詢方式接收數(shù)據(jù)。

應(yīng)用程序使用TCP/IP協(xié)議棧提供的數(shù)據(jù)通訊功能。TCP是面向可靠連接即傳輸前必須先通過“三重握手”在主機(jī)間建立TCP接入，它所傳輸數(shù)據(jù)流采用了順序號(hào)和應(yīng)答機(jī)制，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失、段的失序和對(duì)傳輸錯(cuò)誤的排除，所以TCP協(xié)議提供的是數(shù)據(jù)流的可靠傳輸。

由于8節(jié)車廂網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)通信，上位機(jī)必須確定接收的數(shù)據(jù)是來(lái)自于哪節(jié)車廂，以及分別對(duì)應(yīng)車廂哪個(gè)空氣彈簧氣壓值，因此需要對(duì)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行格式化處理。當(dāng)系統(tǒng)將串口數(shù)據(jù)發(fā)送以太網(wǎng)前，首先進(jìn)行串口數(shù)據(jù)封裝，在數(shù)據(jù)包中填入源地址，然后進(jìn)行TCP/IP逐層封裝發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)包先進(jìn)行TCP解析，再進(jìn)行串口數(shù)據(jù)幀的解析，確定數(shù)據(jù)的來(lái)源。

在從串口接收數(shù)據(jù)發(fā)送至以太網(wǎng)的情況下，由于相對(duì)以太網(wǎng)來(lái)說，串口是一個(gè)慢速連接過程，如果對(duì)于每一個(gè)小分組都單獨(dú)通過一個(gè)TCP包發(fā)送的話，當(dāng)帶寬很窄或是通信量很大時(shí)，出現(xiàn)擁塞的可能性會(huì)增加，這將降低網(wǎng)絡(luò)的效率。在通常的TCP/IP實(shí)現(xiàn)中，一般采用Nagle算法把較小的包組裝為更大的幀來(lái)解決這個(gè)問題。但是在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中沒有實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。因此，在系統(tǒng)中通過定義一個(gè)512字節(jié)的循環(huán)隊(duì)列來(lái)作為數(shù)據(jù)收發(fā)的緩沖區(qū)，如圖4所示。Head和Tail分別指向隊(duì)列的頭部和尾部，當(dāng)Head=Tail時(shí)表示隊(duì)列空，(Head+1)Mod512=Tail表示隊(duì)列已滿，空閑緩沖區(qū)的大小也可以通過Head和Tail指針計(jì)算。

圖4　循環(huán)隊(duì)列作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

3.3　上位機(jī)監(jiān)控軟件

表2空氣彈簧負(fù)載-氣壓特性標(biāo)定數(shù)據(jù)

負(fù)載/kN0306090120150180210240氣壓/kPa150171195213235260285310334負(fù)載/kN270300330360390420450氣壓/kPa360385404434465495525

(1)

(2)

令式(2)等于0，移項(xiàng)可得：

(3)

本實(shí)例中，對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，根據(jù)測(cè)得的16個(gè)樣本點(diǎn)以及上面所述公式，可以得到法方程組：

(4)

法方程組是對(duì)稱正定，因此存在惟一解。多元函數(shù)R有惟一駐點(diǎn)且是最小值點(diǎn)。經(jīng)過求解，得到系數(shù)a0=150.8，a1=0.677 4，a2=0.000 330 5，因此二次擬合曲線為f(x)=0.000 330 5x2+0.677 4x+150.8。

得到空氣彈簧的氣壓-負(fù)載特性后，上位機(jī)可據(jù)此計(jì)算出列車的載重值，然后根據(jù)鐵路部門規(guī)定的列車偏載模型式(5)、式(6)，判斷列車是否發(fā)生超偏載。當(dāng)發(fā)生超偏載情況時(shí)及時(shí)報(bào)警。

左右偏載為：

(5)

輪重也可以為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向架承重。

前后偏載為：

|前轉(zhuǎn)向架負(fù)重-后轉(zhuǎn)向架負(fù)重|≥10 t

(6)

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)快速鐵路貨運(yùn)安全行車的背景，設(shè)計(jì)了一種車載式超偏載檢測(cè)系統(tǒng)，即多點(diǎn)信息檢測(cè)使用混合網(wǎng)絡(luò)通信。主要包括傳感器、檢測(cè)設(shè)備、車廂網(wǎng)關(guān)、整車網(wǎng)關(guān)以及列車信息顯示設(shè)備。相比地面固定式檢測(cè)裝置具有成本低，安裝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。由于是基于空氣彈簧的靜態(tài)負(fù)載特性進(jìn)行研究，實(shí)際運(yùn)行中其特性還受到差壓閥、高度閥等其他因素的影響，所以會(huì)有一定的誤差，還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

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