紅外激光燈測(cè)試儀的研制

何江燕

（中國(guó)鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司科研所 工程師 內(nèi)蒙 呼和浩特市 010050）

隨著中國(guó)鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，對(duì)安全監(jiān)控的要求也更高。2016 年，中國(guó)鐵路總公司發(fā)布了《中國(guó)鐵路總公司關(guān)于發(fā)布設(shè)計(jì)時(shí)速200公里及以上鐵路區(qū)間線路視頻監(jiān)控設(shè)置有關(guān)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)的通知》（鐵總建設(shè)［2016］18 號(hào)），對(duì)鐵路區(qū)間線路進(jìn)行視頻監(jiān)控的增強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)建設(shè)提出更高的要求。為有效防范列車(chē)運(yùn)行中治安、意外事故及恐怖事件的發(fā)生，中國(guó)鐵路呼和浩特局有限公司新建高鐵線路呼張客專(zhuān)已安裝大量的紅外激光攝像機(jī)，隨著包銀客專(zhuān)等其它線路的新建，紅外激光攝像機(jī)安裝的數(shù)量將大幅增加。目前，無(wú)論是一體化紅外激光燈或者光纖耦合式紅外激光燈在光照強(qiáng)度、光斑角度、光斑勻化處理、電壓大小與光強(qiáng)變化等功能方面的測(cè)試只能局限在激光攝像機(jī)整機(jī)情況下進(jìn)行觀察測(cè)試，測(cè)試過(guò)程極不方便，且測(cè)試效果也不理想。針對(duì)這種情況，研制了一種現(xiàn)場(chǎng)使用方便、安全可靠，測(cè)試效果較好，提高工作效率、可對(duì)不同型號(hào)、不同規(guī)格的激光燈進(jìn)行性能檢測(cè)的紅外激光燈測(cè)試儀。

1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

紅外激光燈測(cè)試儀系統(tǒng)主板MCU 采用的是STM32F429（Cortex-M 內(nèi)核4），主板是整個(gè)激光燈測(cè)試儀的核心，負(fù)責(zé)完成圖像讀取、檢測(cè)電路采集及運(yùn)算，以及激光燈光斑數(shù)據(jù)的存取及激光燈光斑角度的調(diào)整。主板設(shè)計(jì)了RS232（SP3232 芯片）接口、RS485（MAX485 芯片）接口和microUSB 接口，滿足不同激光燈光斑角度的初始化設(shè)定。光斑角度可以通過(guò)激光燈測(cè)試儀的按鍵進(jìn)行變化，設(shè)計(jì)了控制激光燈通過(guò)電流大小的6個(gè)按鍵，其中2個(gè)按鍵負(fù)責(zé)電流變化，其余4 個(gè)按鍵對(duì)激光燈的光斑位置可進(jìn)行預(yù)設(shè)置，應(yīng)用這4 個(gè)按鍵可觀察不同變倍情況下激光燈光斑的勻化效果。紅外激光燈測(cè)試儀硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

研制的紅外激光燈測(cè)試儀是一種激光燈的檢測(cè)儀器，可對(duì)不同型號(hào)、不同規(guī)格的激光燈進(jìn)行性能檢測(cè)。其工作原理主要是通過(guò)對(duì)激光燈的功率、角度、電壓、額定功率等信號(hào)進(jìn)行采集，然后運(yùn)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合處理，計(jì)算出激光燈的各個(gè)性能參數(shù)，以此判斷產(chǎn)品的合格與否。

2 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

紅外激光燈測(cè)試儀軟件部分采用德國(guó)的KEIL公司的MDK5.14 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該版本使用uVision5 IDE 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，是目前針對(duì)ARM 處理器，尤其是Cortex M內(nèi)核處理器的最佳開(kāi)發(fā)工具。MDK5同時(shí)加強(qiáng)了Cortex-M 微控制器開(kāi)發(fā)的支持，并且對(duì)傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式和界面進(jìn)行了升級(jí)。MDK5由兩部分組成：MDK Core 和Software Packs。其中，Software Packs 可以獨(dú)立于工具鏈進(jìn)行新芯片支持和中間庫(kù)的升級(jí)。紅外激光燈測(cè)試儀硬件部分實(shí)現(xiàn)了激光燈電功率的檢測(cè)、光斑圖像的查看，激光燈光斑值的設(shè)定及存儲(chǔ)。軟件部分主要實(shí)現(xiàn)液晶屏的顯示，串口通訊，按鍵掃描，攝像頭圖像采集等功能。

2.1 系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)將內(nèi)存中一部分劃分為顯存，STM32F429包含DCMI數(shù)字?jǐn)z像頭接口，負(fù)責(zé)將攝像頭采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到顯存中，然后由STM32F429 的DMA2D 連續(xù)將數(shù)據(jù)顯示到液晶屏，在初始化中進(jìn)行配置，主程序中無(wú)需重復(fù)配置。初始化結(jié)束后，攝像頭采集及屏幕顯示不用再進(jìn)行干預(yù)，只需在調(diào)整時(shí)進(jìn)行配置，或在頂層顯示文字或其他數(shù)據(jù)時(shí)處理即可。軟件系統(tǒng)流程如圖2所示：

圖2 軟件系統(tǒng)流程圖（一）

圖2 軟件系統(tǒng)流程圖（二）

2.2 串口數(shù)據(jù)通信軟件實(shí)現(xiàn)串口作為MCU的重要外部接口，也是軟件開(kāi)發(fā)重要的調(diào)試手段，激光燈數(shù)據(jù)的獲取及測(cè)試全部通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)，STM32F4的串口資源豐富，功能強(qiáng)大，STM32F429可提供6路串口，有分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器、支持同步單線通信和半雙工單線通訊、支持LIN、支持調(diào)制解調(diào)器操作、智能卡協(xié)議和IrDA SIR ENDEC 規(guī)范、具有DMA 等。串口設(shè)置可以總結(jié)為如下幾個(gè)步驟：

1）串口時(shí)鐘使能，GPIO 時(shí)鐘使能。

2）設(shè)置引腳復(fù)用器映射：調(diào)用GPIOPinAFConfig 函數(shù)。

3）GPIO 初始化設(shè)置：要設(shè)置模式為復(fù)用功能。

4）串口參數(shù)初始化：設(shè)置波特率，字長(zhǎng)，奇偶校驗(yàn)等參數(shù)。

5）開(kāi)啟中斷并且初始化NVIC，使能中斷（如果需要開(kāi)啟中斷才需要這個(gè)步驟）。

6）使能串口。

7）編寫(xiě)中斷處理函數(shù)：函數(shù)格式USARTxIRQHandler(x對(duì)應(yīng)串口號(hào)）。

2.3 電流檢測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)紅外激光燈測(cè)試儀能夠檢測(cè)激光燈電流，通過(guò)STM32F429的ADC通道進(jìn)行采集。STM32F429 有3 個(gè)ADC，每個(gè)ADC 有12 位、10 位、8 位和6 位可選，每個(gè)ADC 有16 個(gè)外部通道。另外還有兩個(gè)內(nèi)部ADC 源和VBAT 通道掛在ADC1上。ADC 具有獨(dú)立模式、雙重模式和三重模式，對(duì)于不同AD 轉(zhuǎn)換要求幾乎都有合適的模式可選。ADC 輸 入 范 圍 為：VREF-≤VIN≤VREF+。由VREF-、VREF+、VDDA、VSSA 這四個(gè)外部引腳決定。激光燈測(cè)試儀設(shè)計(jì)原理圖將VSSA和VREF-接地，把VREF+和VDDA 接3V3，得到ADC 的輸入電壓范圍為：0～3.3 V。激光燈測(cè)試儀使用ADC1進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，沒(méi)有注入通道。ADC配置的基本參數(shù)如圖3所示：

圖3 激光燈測(cè)試儀ADC配置

3 通信協(xié)議及測(cè)試

3.1 通信協(xié)議以佶達(dá)得激光燈為例。紅外激光燈通信協(xié)議如下:

1）數(shù)據(jù)格式：1位起始位、8位數(shù)據(jù)、1位停止位，無(wú)效驗(yàn)位。波特率：9 600 B/S；

2）命令格式：該協(xié)議中所有數(shù)值都為十六進(jìn)制數(shù)，同步字節(jié)始終為FFH，地址碼為激光燈的邏輯地址號(hào)，地址為0x01，指令碼表示不同的動(dòng)作，數(shù)據(jù)碼表示的相關(guān)數(shù)據(jù)值；校驗(yàn)碼=MOD［（字節(jié)2+字節(jié)3+字節(jié)4+字節(jié)5+字節(jié)6）/100 H］；

3）功能及命令：激光開(kāi)啟后DA值默認(rèn)設(shè)置為0xff；

開(kāi)激光FF 01 01 01 01 00 SUM 關(guān)激光FF 01 01 01 00 00 SUM

增大電流FF 01 01 02 00 00 SUM 減小電流FF 01 01 02 01 00 SUM

設(shè)置電流FF 01 01 03 P1 00 SUM(P1:0x00～0xff=DA）

TELE Offset FF 01 01 04 00 P1 SUM(P1 為電機(jī)要走的步數(shù)，范圍：0～255步）

WIDE Offset FF 01 01 04 01 P1 SUM

MOTOR Direct FF 01 01 05 P1 P2 SUM(P1P2:0x0001～0x1970）電機(jī)目的位置

0x0001：為原點(diǎn)位置也是最大角度對(duì)應(yīng)位置；0x1970：為最小角度對(duì)應(yīng)位置

MOTOR RESET FF 01 01 06 00 00 SUM

查詢命令:

查詢激光電源開(kāi)關(guān)：FF 01 02 01 00 00 SUM

返回：FF 01 02 01 P1 00 SUM(P1=0:激光關(guān)P1=1:激光開(kāi)）

查詢電流大小FF 01 02 03 00 00 SUM

返回FF 01 02 03 P1 00 SUM（P1:0x**=DA 值）

查詢電機(jī)當(dāng)前位置FF 01 02 05 00 00 SUM

返回FF 01 02 05 P1 P2 SUM(P1P2:0x0001～0x197 0）

查詢風(fēng)扇電源開(kāi)關(guān)FF 01 02 0f 00 00 SUM

返回FF 01 02 0f P1 00 SUM(P1=0:風(fēng)扇關(guān)P1=1:風(fēng)扇開(kāi)）

注意：（當(dāng)DA值小于0X10時(shí)認(rèn)為激光關(guān)閉）

激光燈自檢完后會(huì)停留在最大角度位置，若電機(jī)位置有較大誤差時(shí)。發(fā)送電機(jī)Moterreset 命令,電機(jī)將重新自檢后回到原點(diǎn)位置。

3.2 存儲(chǔ)通信協(xié)議不同品牌的激光燈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：

Group：燈的種類(lèi)。每個(gè)Group 代表一組燈。預(yù)留15個(gè)Group的位置。

Type：數(shù)據(jù)種類(lèi)。每個(gè)Type 代表一個(gè)Group 的其中一組數(shù)據(jù)。每個(gè)Group有6個(gè)Type。

通信方式：RS232，波特率為115200

協(xié)議包大小：520字節(jié)

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展，安全監(jiān)控的要求越來(lái)越高。由于激光的成像距離遠(yuǎn)、清晰度高、超遠(yuǎn)補(bǔ)光距離、耗電低、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，使得紅外激光燈在鐵路及其他領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而激光燈各方面的性能測(cè)試還是采用原始方法進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，測(cè)試過(guò)程極不方便，且測(cè)試效果也不理想。研制的紅外激光燈測(cè)試儀可對(duì)不同型號(hào)、不同規(guī)格的激光燈單獨(dú)進(jìn)行性能檢測(cè)，使用方便、安全可靠，測(cè)試效果較好，能有效地節(jié)約測(cè)試成本和維修成本，應(yīng)用前景廣闊。