基于MC9S12XS128單片機的觸發裝置研究

摘 要：車輛輪對磨耗參數的檢測，對保證車輛安全運行具有重要作用。為了解決動態檢測圖像采集過程中，運動車輛輪對的定位與圖像采集問題，文章基于飛思卡爾MC9S12XS128單片機，設計了適用于輪對動態檢測環境的多通道觸發裝置。該裝置以雙單片機組為控制核心，綜合考慮并解決了電源控制、傳感器輸入信號捕捉與相機觸發信號的控制等問題。最后通過實驗表明，該觸發裝置運行穩定，重復性實驗中的被測物偏移誤差小于0.1mm。

關鍵詞：Mc9s12xs128；單片機；觸發；輪對；檢測

1 引言

在整個鐵路車輛運行系統中，車輛輪對作為與鋼軌直接接觸的部件，是直接影響車輛是否能夠安全行駛的重要因素[1， 2]。車輛輪對參數的測量方法主要包括兩大類，即靜態檢測法和動態檢測法[3]。

靜態檢測法是針對車輛在靜止狀態時進行檢測，存在受操作者主觀影響，自動化程度較低等問題[4]。動態檢測方法采用機器視覺和圖像處理技術，具有非接觸和檢測速度快等優點，能夠減少檢測過程中的人為誤差，并提升檢測效率[5， 6]。采用動態檢測方法實現輪對在線檢測首先要對被測物進行準確定位并采集圖像。對于這種高精度觸發裝置，未見相關文獻描述，本文基于飛思卡爾MC9S12XS128單片機設計了一種適用于車輛輪對在線檢測環境的實時圖像采集觸發裝置。該裝置實現了車輛輪對磨耗在線檢測中，對多個不同工位車輛輪對的準確定位和對應相機的觸發控制。

2 觸發裝置總體設計

觸發裝置主要用于實現輪對動態檢測中控制圖像采集設備在被測輪對到達設計位置的時刻，進行準確有效拍攝的關鍵功能。要準確描述輪對狀態需對同一輪對的多個位置進行檢測。為此設計的觸發裝置，分別在軌道左右側各設置兩組檢測單元，對輪對圖像進行多次采集。

以圖1所示左一組檢測單元為例，一組三個接近傳感器安裝在鐵軌上，用于檢測車輛的速度信息，結合最后一處傳感器與CCD相機之間的距離由核心控制處理單元對相機拍攝時間進行計算。

圖1 檢測單元示意圖

在經過一定的延時后，車輛輪對到達圖1所示設定位置。在該位置，線激光源在輪對表面形成一條亮光帶即光截曲線，觸發裝置產生外部觸發信號控制CCD相機采集該光截曲線圖像。所獲圖像中光截曲線的形狀及位置包含了被測輪對的相關參數信息，在計算機上完成后續運算，通過與標準輪對的參數進行比對就能獲得詳細的磨耗信息。

觸發裝置需要實現控制四路通道的功能，如圖2觸發裝置示意圖所示，本裝置設計了以MC9S12XS128單片機組為核心的控制電路，配合控制程序實現信號采集、處理與控制功能。綜合考慮傳感器數量較多和整體電路設計的簡化，采用了以兩塊單片機為核心的控制處理單元設計方案，兩塊單片機分別負責一側各兩路通道的信號檢測、處理與觸發信號的輸出控制。

3 電源控制

由于激光光源、激光位移傳感器等設備使用壽命有限，而且長時間保持上電狀態造成電力資源的浪費，因此觸發裝置通過左前和右后各一組兩個接近傳感器來判斷對車輛是否處于檢測段中，MCU通過改變引腳的高低位控制固態繼電器來實現對電源開閉的控制。如圖3進出線判斷與控制軟件流程圖所示，當車輛第一只輪對進入檢測段，依次觸發進線組接近傳感器，程序根據傳感器檢出時間初步判斷輪對速度是否符合設計檢測范圍0-15km/h，速度合格則令固態繼電器控制位為高，接通電源。當車輛最后一只輪對離開檢測段，獲得出線組接近傳感器檢出時間，當該值與系統當前時間之差超過限定時間，則認為車輛已全部離開檢測段，關閉電源。

4 傳感器輸入信號捕捉

輪對在線檢測中使用接近傳感器來實現對輪對的探測，接近傳感器在檢出后產生一個具有一定脈寬的脈沖信號，因此需要控制處理單元實現對該信號的捕捉。輸入捕捉功能是MC9S12XS128 MCU 的基本功能之一，用于監測外部事件的輸入信號。當外部信號發生變化時，在輸入捕捉引腳上發生一個指定的上升沿或下降沿沿跳變。若在該引腳的輸入捕捉控制寄存器中設定允許輸入捕捉中斷，則該外部信號會導致單片機產生輸入捕捉中斷。在本系統中利用中斷響應方法可以得到傳感器信號發生變化的時刻。如圖4所示，通過記錄輸入信號相鄰的兩個不同極性的沿跳變時間，可以計算出該脈沖信號中間時刻作為傳感器檢出時間。

MC9S12XS128 MCU的PT0～PT7是輸入捕捉的外部針腳。當寄存器控制位IOSx=0時，則將與x值相應的通道設置成為輸入捕捉通道。當該引腳檢測到有上升沿或下降沿時，如果輸入捕捉控制寄存器TIE中允許輸入捕捉中斷，則捕捉到傳感器信號時，系統會進入對應中斷服務程序。

5 相機觸發信號控制

在獲得同組三個傳感器的檢出時間后，結合事先標定測量的傳感器實際安裝間距，可以計算得到輪對在1號傳感器和2號傳感器之間的運行速度v1，2號傳感器和3號傳感器之間的運行速度v2，以及加速度a，則被測輪對到達相機拍攝位置的時間即相機觸發信號的輸出時間為

（1）

其中v3為被測輪對在3號傳感器檢出時的瞬時速度，s為3號傳感器與設定拍攝位置間距。

6 系統實現與實驗

由于觸發裝置需要處理多達16路接近傳感器的檢測信號，并控制4路相機、4路激光光源和2路激光位移傳感器的電源供應和信號控制，因此設計了核心電路板來實現對多路信號的集中處理。單片機最小系統板設計為直插式，可隨時插拔進行更換和維護，采用接插件對輸入信號和控制信號進行轉接，方便可靠，可維護性強。圖5為觸發裝置核心電路板實物。

由于四個檢測單元軟硬件設計基本相同，為了驗證觸發裝置工作的正常與否，對其中一個檢測單元進行了驗證測試。實驗裝置如圖6所示，被測物以一定速度通過左側一號檢測單元。通過對運動狀態下的被測物進行圖像采集來測試觸發裝置對運動被測物的定位精度與圖像采集效果。

在本次重復性實驗中，通過對所有被測物在圖像中的中心點坐標進行統計，被測物圖像中心點最大像素偏移值為1像素長度，實際最大偏移距離小于0.1mm。

7 結束語

本文針對車輛輪對動態檢測的實際需要，設計了一種四通道圖像采集觸發控制裝置。裝置功能能夠滿足輪對在線檢測需要，對運動輪對的檢測定位達到較高精度。整個觸發裝置能夠穩定、可靠連續工作，實現對輪對的自動檢測，所獲圖像清晰，位置準確，運動模糊小，可為圖像處理步驟中進行后續參數計算提供良好的原始圖像。

參考文獻

[1]吳開華，張建華，嚴匡等.輪對綜合參數光電自動檢測系統[J].儀器儀表學報，2006，（03）：298-301.

[2]高向東，謝子方，趙傳敏等.基于結構光視覺傳感的輪對踏面擦傷快速檢測[J].鐵道學報，2008，（02）：23-27.

[3]李劍.輪對動態檢測系統應用[J].鐵道車輛，2012，（04）：39-42.

[4]賀永勝.有關鐵路車輛輪對檢測技術綜述[J].科技傳播，2013，（17）：67-68.

[5]馮其波，陳士謙，崔建英等.輪對幾何參數動態測量系統[J].中國鐵道科學，2008，（05）：138-144.

[6]高靜濤，戴立新，王澤勇.輪對狀態動態檢測系統應用綜述[J].鐵道技術監督，2009，（07）：10-12.

作者簡介：周威祥（1988-），浙江溫州，2007年于杭州電子科技大學獲學士學位，現為杭州電子科技大學生命信息與儀器工程學院碩士研究生，主要研究方向為測試計量技術及儀器。