文｜于晶晶 巢佳 張靜 姜盼

鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控作為安全生產(chǎn)重點(diǎn)行業(yè)和領(lǐng)域，對(duì)提高運(yùn)營(yíng)效率、保證行車安全具有重大意義。目前鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控與減災(zāi)指揮調(diào)度系統(tǒng)領(lǐng)域正逐漸往信息化、自動(dòng)化、集成化、智能化等方向發(fā)展。為此，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一款可用于檢測(cè)鐵路防災(zāi)設(shè)備的便攜式傳感器模擬測(cè)試儀。該測(cè)試儀由ARM 處理器、STM32 單片機(jī)、5G通信模塊等部分組成，具有人機(jī)交互、數(shù)據(jù)輸入、輸出模擬等功能。此外，該測(cè)試儀還內(nèi)置小型鋰電池，在方便攜帶的同時(shí)還具備對(duì)外供電的功能，能更好地滿足鐵路線路上的故障診斷及數(shù)據(jù)傳輸模塊供電需求。

鐵路列車是日常生活中必不可少的公共交通設(shè)施，具有分布有序、覆蓋廣泛、速度快捷、便利生活等特點(diǎn)。作為安全生產(chǎn)重點(diǎn)行業(yè)和領(lǐng)域，安全穩(wěn)定是鐵路高質(zhì)量發(fā)展的核心內(nèi)容。據(jù)鐵路局集團(tuán)公司防災(zāi)系統(tǒng)運(yùn)用管理部門調(diào)查顯示，鐵路防災(zāi)系統(tǒng)故障報(bào)警主要集中在UPS電源故障、數(shù)據(jù)采集設(shè)備故障、通信網(wǎng)絡(luò)不通以及接口防護(hù)不到位導(dǎo)致線路受損等方面。因此，為了滿足鐵路路網(wǎng)規(guī)?？焖贁U(kuò)充和高質(zhì)量發(fā)展的要求，實(shí)現(xiàn)有效的鐵路專線防災(zāi)監(jiān)測(cè)是確保安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在此背景下，本文設(shè)計(jì)了一款便攜式傳感器模擬測(cè)試儀，該儀器具備對(duì)V200A、SHM30、WXT520等地鐵防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中常用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入檢測(cè)以及輸出模擬的功能。軟件部分為基于嵌入式Linux系統(tǒng)的UI交互程序編寫和主程序邏輯編寫，界面功能清晰，交互便捷。儀器內(nèi)部還預(yù)留USB接口、TF卡槽等，可方便工作人員或用戶擴(kuò)展其他定制型應(yīng)用。

一、系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)具有對(duì)高速線路防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中常用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入檢測(cè)、輸出模擬、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸記錄等功能。具體功能描述如下：

1.可通過RS485或電流環(huán)接口接入常用傳感器，借助傳感器數(shù)據(jù)輸入功能，通過液晶屏顯示的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器狀態(tài)；

2.將儀器接入現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)傳設(shè)備，可模擬傳感器數(shù)據(jù)以此來(lái)測(cè)試傳輸線路的通斷與否，或通過設(shè)定傳感器數(shù)值檢測(cè)當(dāng)前防災(zāi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性及報(bào)警功能的完整性。

3.通過儀器將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)傳輸至基站，供工作人員異地查看設(shè)備與數(shù)據(jù)詳情。

根據(jù)功能需求，本設(shè)計(jì)以移動(dòng)應(yīng)用處理器為核心，搭配STM32芯片，外圍增加7寸可觸摸液晶屏、遠(yuǎn)傳輸入通信模塊、RS485通訊模塊、5G模塊等。用戶可通過液晶屏上的功能鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模擬、收發(fā)等功能，同時(shí)設(shè)備內(nèi)置大容量鋰電池，方便用戶隨身攜帶的同時(shí)也便于戶外長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試與使用。

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要具備顯示、存儲(chǔ)及外接多模塊的功能，所以在核心芯片上選用了F1C200S和STM32F042F6P6兩種處理器來(lái)分工使用。

（一）F1C200S處理器

F1C200S基于ARM 9架構(gòu)，支持高清視頻解碼，內(nèi)置DDR1內(nèi)存，是一款開發(fā)簡(jiǎn)單，性價(jià)比較高的處理器。其作為主控芯片，與常用ST系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)類似，包含復(fù)位電路、晶振電路等模塊。其中復(fù)位電路采用軟件復(fù)位模式；晶振電路則由一個(gè)24 MHz無(wú)源晶振和兩個(gè)10PF匹配電容組成；并且引出TF卡引腳、USB、LCD、GPIO端口等以供后續(xù)使用。

（二）RS485通信

本儀器的通信電路主要針對(duì)地鐵防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中的SHM30、WXT520等常用傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。RS485通信選用SP3485芯片，供電電源為3.3V，具有8個(gè)引腳，一般將RE和DE接在一起。單片機(jī)向外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將R3_UART_DIR置位1，單片機(jī)接收外界數(shù)據(jù)時(shí)，將R3_UART_DIR置位0。由于鐵路配套設(shè)備多用于戶外，受戶外天氣、線路狀況等不確定因素影響較多，且通信類元件抗雷電過電壓能力較差，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮配備防浪涌保護(hù)措施，所選組合元件必須具備響應(yīng)快和有一定的通流容量等特性。因此在RS485模塊的設(shè)計(jì)電路中，接口輸入端增加了EMC防護(hù)電路，氣體放電管同流能力最強(qiáng)，被放置于防雷電路前端用于吸收大電流沖擊，通過PTC去耦后連接TVS二極管，可以有效抑制氣體放電管吸收后的殘壓。

（三）電流環(huán)通信

電流環(huán)可以將電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，以電流作為數(shù)據(jù)傳輸載體，此方法一方面可以增強(qiáng)信號(hào)在有噪聲前提下的最大容限，另一方面可以提高信號(hào)的抗衰減能力。故通常被用于在惡劣的工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景或戶外環(huán)境下進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸。

為了保證現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與基站信號(hào)之間的傳輸，本儀器也提供了電流環(huán)通信接口。輸入端通過EMC防護(hù)電路及光耦芯片隔離后接收串行數(shù)據(jù)RMT_PKG，數(shù)據(jù)再經(jīng)過緩沖器整形后送入F1C200S處理器進(jìn)行處理。

（四）5G通信

本設(shè)計(jì)中的5G模塊采用中移MF309模組，模組提供兩路通信接口，分別為主串口和調(diào)試串口。其中主串口支持默認(rèn)波特率為115200 bps，用于數(shù)據(jù)傳輸和AT命令傳送。調(diào)試串口支持波特率為115200 bps，用于部分日志輸出。在電路上，因?yàn)槟＝M串口電平為1.8 V，所以與單片機(jī)進(jìn)行通信時(shí)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。因此設(shè)計(jì)中采用TI公司的TXS0108EPWR芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以保證正常通信。

（五）TF卡存儲(chǔ)

TF卡作為本系統(tǒng)的啟動(dòng)介質(zhì)，集成了UBOOT引導(dǎo)功能以及Linux內(nèi)核和基礎(chǔ)文件系統(tǒng)。設(shè)計(jì)采用的TF卡為貼片式MicroSD卡（TF卡），其中SD0_CMD、SD0_CLK和四根數(shù)據(jù)線SD0_D0～SD0_D3，均接10 kΩ的上拉電阻。

（六）對(duì)外供電功能

本設(shè)計(jì)內(nèi)部自帶的鋰電池可用于對(duì)外部設(shè)備供電，提供的電壓為24 V，但是24 V為電池電壓，此電壓存在波動(dòng)范圍，由于電池放電后內(nèi)阻由小變大，其輸出電壓也會(huì)發(fā)生變化，但是額定值是24 V。另外，輸出電源的負(fù)載能力是1 A，超過額定負(fù)載能力可能觸發(fā)保險(xiǎn)絲動(dòng)作。

三、系統(tǒng)軟件控制流程設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件分為基于嵌入式Linux系統(tǒng)的UI交互程序編寫和主程序邏輯編寫。系統(tǒng)軟件整體控制流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件整體控制流程圖

UI交互程序編寫使用Linux上運(yùn)行Qt的方式。對(duì)于跨平臺(tái)開發(fā)環(huán)境來(lái)說，Qt是一種目前非常流行的方式，像現(xiàn)在廣泛使用的WPS Office以及Google Earth等都是采用Qt來(lái)開發(fā)的。在本設(shè)計(jì)中，Qt集成開發(fā)環(huán)境安裝完成后需要下載Qt源代碼對(duì)GUI圖形庫(kù)進(jìn)行交叉編譯，將編譯完成的Qt庫(kù)移植到F1C200S的文件系統(tǒng)中，啟動(dòng)后將會(huì)通過應(yīng)用加載Qt界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

主程序邏輯編寫則采用C++語(yǔ)言程序編寫，GUI人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)與開發(fā)采用QtCreator進(jìn)行應(yīng)用程序交叉編譯，完成后移植到ARM主機(jī)上運(yùn)行，對(duì)于傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，則使用STM32單片機(jī)進(jìn)行輔助。

（一）傳感器數(shù)據(jù)輸入流程

傳感器數(shù)據(jù)輸入功能用于掛接已有的傳感器并進(jìn)行傳感器功能測(cè)試，當(dāng)確認(rèn)外部硬件設(shè)備連線正確無(wú)誤后，則可以進(jìn)行操作。點(diǎn)擊液晶面板上的“傳感器輸入檢測(cè)”選項(xiàng)卡，在通訊設(shè)置區(qū)輸入對(duì)應(yīng)參數(shù)后，將UI界面讀取的通信參數(shù)寫入struct termios結(jié)構(gòu)體，啟動(dòng)open函數(shù)打開串口來(lái)獲取傳感器數(shù)據(jù)包。經(jīng)字符串匹配后，使用Qt setNum函數(shù)將獲取的氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)值類型，通過UI控件顯示到相應(yīng)的參數(shù)框里。

（二）傳感器數(shù)據(jù)輸出流程

傳感器數(shù)據(jù)輸出功能用于模擬所選型號(hào)傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送功能。在確認(rèn)本儀器信號(hào)線正確連接后可進(jìn)行操作。點(diǎn)擊液晶面板上的“傳感器輸出檢測(cè)”選項(xiàng)卡，設(shè)定所需參數(shù)和發(fā)送方式后啟動(dòng)Open函數(shù)打開串口。當(dāng)選擇數(shù)值方式為遞增或遞減時(shí)，界面會(huì)將當(dāng)前值加載到內(nèi)存，進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算并通過Qtimer定時(shí)器啟動(dòng)數(shù)據(jù)周期性發(fā)送。當(dāng)然也可通過Qsrand函數(shù)進(jìn)行偽隨機(jī)數(shù)值隨機(jī)發(fā)送測(cè)試。此過程中數(shù)值均會(huì)實(shí)時(shí)刷新到UI界面中。

（三）遠(yuǎn)傳輸入流程

此流程與傳感器輸入流程相似，同樣打開串口后，使用位操作將獲得的數(shù)據(jù)包內(nèi)容轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，啟動(dòng)Qtimer定時(shí)器周期性監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)傳連接是否超時(shí)，同時(shí)另設(shè)一個(gè)定時(shí)器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)值是否正常。

（四）其他設(shè)置流程

本儀器的“設(shè)置”選項(xiàng)卡可以用于系統(tǒng)時(shí)間調(diào)整和觸摸屏校準(zhǔn)。在時(shí)間設(shè)置setTime函數(shù)和日期設(shè)置setDate函數(shù)中調(diào)整內(nèi)容，點(diǎn)擊“保存時(shí)間”即可。要校準(zhǔn)觸摸屏點(diǎn)擊“觸摸屏校準(zhǔn)”，之后按提示點(diǎn)擊即可。

四、系統(tǒng)測(cè)試

本設(shè)計(jì)在硬件軟件搭建完畢的基礎(chǔ)上，需進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。

首先打開電源，系統(tǒng)啟動(dòng)，啟動(dòng)后主菜單如圖2所示。其中界面分別由功能選項(xiàng)卡區(qū)，當(dāng)前選項(xiàng)卡的設(shè)置區(qū)，通訊參數(shù)設(shè)置區(qū)和快速功能切換區(qū)組成。

圖2 主功能菜單

在現(xiàn)場(chǎng)待測(cè)設(shè)備接入后，開始檢測(cè)并分析需檢測(cè)設(shè)備發(fā)送至本儀器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行輸入檢測(cè)，數(shù)據(jù)分析的結(jié)果通過液晶面板上對(duì)應(yīng)框顯示。

其次，可以點(diǎn)擊傳感器輸出檢測(cè)選項(xiàng)卡，利用輸出模擬模式，檢測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送功能，此功能可通過終端系統(tǒng)觀察輸出數(shù)據(jù)是否正常顯示，或者用于診斷防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的工作性能。

最后，檢測(cè)正常的設(shè)備將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)傳送到就近的通信基站內(nèi)，由監(jiān)控單元對(duì)信息進(jìn)行進(jìn)一步的匯聚處理。

五、總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于F1C200S和STM32F042F6P6兩種處理器的便攜式傳感器模擬測(cè)試儀，其優(yōu)點(diǎn)在于具備觸摸式人機(jī)交互界面，使用方便快捷；支持對(duì)外部設(shè)備供電；支持四種類型以上的常用傳感器，精準(zhǔn)匹配鐵路線路設(shè)備；擁有工作參數(shù)記錄的功能，能提高工作效率；配備防浪涌保護(hù)措施，大大提高了在戶外使用的安全性；設(shè)備內(nèi)置大容量鋰電池，方便用戶隨身攜帶的同時(shí)也能滿足戶外長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試與使用；配備5G模組，方便工作人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息等。該設(shè)計(jì)為工作人員或用戶在日常地檢測(cè)過程中提供了便攜、可靠的方案，具有很好的實(shí)用性。本儀器后期還可以在硬件接口方面和軟件系統(tǒng)方面進(jìn)行拓展，增加符合有關(guān)行業(yè)或崗位要求的功能，具有很好的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。