基于STM32車載查詢器故障診斷系統設計

段智博，肖曼琳，金 捷

（1上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海 201620；2上海申通地鐵集團有限公司 技術中心，上海 201620）

0 引 言

城市軌道交通中，應答器傳輸系統是重要的列車定位系統，系統由車載定位天線、查詢器、地面信標組成。查詢器為系統的核心設備，其主要完成地面信標位置的獲取、信標報文數據的接收與解析以及雙向數據傳輸等功能。在實際運營過程中，由于列車振動、線路老化等原因造成設備故障，無法對列車定位，影響列車運行。目前針對車載設備的檢測方法與設備較少，檢修只能在試車線或車庫內進行，故障處理方式是整體更換故障設備，其維修成本較高、工作效率低下，且十分依賴設備供應商。

本文利用STM32單片機開發車載查詢器故障診斷系統，該系統通過實時采集列車運行時查詢器各端口數據，使用上位機故障診斷軟件，即可對查詢器進行故障診斷。利用該系統可以有效診斷查詢器故障情況，便于維護人員快速檢修與維護，降低了檢修成本，提升了工作效率。

1 查詢器離線檢測

1.1 查詢器工作原理

應答器傳輸系統采用RFID技術，是經典的點式傳輸系統。該系統的工作原理為車載天線持續發送902 MHz～928 MHz的高頻激勵信號，在列車經過地面信標上方時，根據電磁感應原理，高頻激勵信號使信標獲得能量，根據電磁感應產生的感應電壓，驅動信標內部調制電路對信標攜帶的線路信息信號進行調制；隨后發射電路將調制信號發送出去，車載天線接收后傳送給查詢器。查詢器對接收到的信號進行放大、濾波、解調、解碼后，實時傳送給列控中心，實現列車定位等功能。因此，查詢器是應答器傳輸系統的核心設備。應答器傳輸系統的工作原理如圖1所示。

圖1 應答器傳輸系統工作原理Fig.1 Working principle of balise transmission system

1.2 查詢器端口功能簡介

應答器傳輸系統的車載部分由車載定位天線和查詢器組成，兩者通過電纜相連接。在不破壞和拆解查詢器的前提下，可在實驗室中利用可編程電源、示波器、頻譜儀等設備搭建測試環境，對查詢器進行黑盒測試，確定查詢器各端口功能，見表1，查詢器的前面板示意圖如圖2所示。

圖2 查詢器前面板Fig.2 Front panel of transponder interrogator

表1 查詢器端口功能表Tab.1 Function table of transponder interrogator port

利用實驗室搭建的查詢器檢測環境，對查詢器端口數據進行多次采集，統計分析端口數據后，得出端口數據與查詢器工作狀態的對應關系，根據端口異常數據判斷查詢器出現的故障情況見表2。

表2 查詢器異常狀態匯總Tab.2 Summary of transponder interrogator abnormal status

2 系統設計與實現

根據查詢器端口數據與工作狀態的對應關系，本文設計開發了查詢器故障診斷系統。故障診斷系統由硬件采集設備與故障診斷軟件組成。其中，硬件采集設備實現查詢器端口數據的實時采集、傳輸與存儲；軟件部分則利用MATLAB Appdesigner工具，設計開發故障診斷軟件。該軟件可在上位機對采集到的數據進行分析處理、波形繪制、快速判斷并顯示查詢器故障情況。故障診斷系統的整體架構如圖3所示。

圖3 故障診斷系統整體框架Fig.3 Overall framework of fault diagnosis system

由圖3可見，故障診斷系統的主要功能如下：

（1）實時采集查詢器I／O端口1、2、3號電壓數據以及RS232串口數據報文并傳輸至上位機存儲；

（2）上位機故障診斷軟件對采集到的數據進行分析處理：

①判斷有無信標丟失及解析異常信標；

②判斷電源供電是否充足、射頻天線工作狀態是否良好；

③根據采集到的數據判斷風險信標位置。

2.1 硬件設計

故障診斷系統采用STM32F103ZET6單片機芯片作為硬件電路的主控芯片，該芯片是雙RC晶振，可提供8 M和32 K的穩定時鐘頻率。電路調試方式可使用JTAG、SWD，利用J－LINK下載器下載控制程序，實現高速低成本的開發方案。

單片機主控電路負責查詢器各端口數據的采集以及傳輸，考慮到查詢器各端口數據類型不一致，因此在采集I／O電壓口模擬量數據時，選擇AD7606模數轉換芯片進行數據采集，串口數據的采集選用MAX3232電平轉換芯片。為保證數據高速傳輸且減少數據丟失，選用W5100單片網絡接口芯片通過以太網進行數據傳輸。

2.1.1 電源穩壓電路設計

故障診斷系統的電源電路是為了驅動STM32單片機芯片、AD7606模數轉換芯片、W5100單片網絡接口芯片以及MAX3232電平轉換芯片等部件，這些芯片所需供電電壓均為3.3 V。設計通過LM1117穩壓器，將5 V的輸入電壓轉換為芯片所需的供電電壓，以保證電路供電穩定。電源穩壓電路如圖4所示。

圖4 電源穩壓電路Fig.4 Power supply voltage stabilizing circuit

2.1.2 I／O電壓口數據采集電路設計

AD7606芯片可支持8路數據同步采樣，可以滿足本系統數據采集的需求。數據采集電路如圖5所示。該電路將查詢器I／O電壓口3個引腳的模擬電壓數據通過AD7606芯片進行模數轉換，將一號引腳與P2－1引腳相連，二號引腳與P2－2引腳相連，三號引腳與P2－4相連。該芯片進行模數轉換時，芯片采樣率設定為1 000 Hz，占空比為50%。

圖5 數據采集電路Fig.5 Data acquisition circuit

2.1.3 串口數據傳輸電路設計

串口數據傳輸電路負責采集查詢器RS232串口數據，該電路使用MAX3232電平轉換芯片采集串口電平信號，電路設計如圖6所示。

圖6 串口數據電路Fig.6 Serial port data circuit

2.1.4 數據傳輸電路設計

數據傳輸電路將采集到的數據通過W5100網絡接口芯片送入上位機網口，電路設計如圖7所示。為提升傳輸速率、減少數據丟失，數據傳輸選用以太網數據傳輸方式，傳輸協議為UDP協議。

圖7 數據傳輸電路Fig.7 Data transmission circuit

2.1.5 主控制程序

主控制程序是控制硬件電路工作的核心。電源接通后，初始化系統數據并驅動單片機芯片，控制模數轉換芯片、串口電平轉換芯片和網絡接口芯片進行數據采集與傳輸。主控程序利用C語言編寫，軟件平臺為keil5，可實現對程序進行編寫、編譯以及燒錄等功能。主控制程序部分代碼如圖8所示。

圖8 主控制程序代碼Fig.8 Main control program code

2.2 軟件開發

MATLAB是一款集成數學計算、數據分析、算法應用、程序開發等功能的科學計算平臺，在科研領域有著廣泛的應用。由于其語言簡單直觀、界面友善、數值計算功能強大等特點，在數據處理領域有著舉足輕重的地位。鑒于MATLAB強大的數據處理與分析能力，本文選用MATLAB作為上位機數據分析處理的工具。選用MATLAB的好處不僅可以快速高效的處理數據，同時使用其自帶的MATLAB Appdesigner工具可進行上位機軟件界面的設計及功能的實現。

故障診斷軟件的主要功能是對采集到的查詢器端口數據進行分析與處理，依據查詢器端口數據與工作狀態的對應關系來判斷查詢器是否故障。故障診斷軟件的設計流程如圖9所示，具體功能如下：

圖9 故障診斷軟件Fig.9 Fault diagnosis software

（1）上位機存儲數據的導入與處理。

①判斷是否有信標丟失或解析異常的信標；

②判斷實際運行過程中查詢器供電及射頻端口是否異常。

（2）根據輸入的信標ID，繪制列車經過該信標時查詢器I／O端口波形圖。

（3）統計正常與異常解析的信標數，以及丟失的信標以及存在丟失風險的信標各自所占的比例以及信標ID。

故障診斷軟件界面分為主程序、查詢器狀態檢測、局部波形繪制、診斷結果4個模塊。模塊功能的實現通過在控件的回調函數中編寫功能代碼，回調函數是實現人機交互的橋梁。

在主程序模塊中，利用MATLAB中的uigetfile函數實現上位機數據導入功能，編寫功能代碼實現數據處理與分析、統計信標丟失等功能。查詢器狀態檢測模塊，根據主程序分析處理的數據來判斷查詢器電源供電是否充足、射頻端口工作是否異常。在局部波形繪制模塊中，根據輸入的信標ID繪制列車經過該信標時查詢器I／O端口電壓波形并統計波形參數信息。診斷結果模塊中，自動統計所有信標處的波形參數信息，并對信標進行分類。統計完成后顯示采集到的信標總數、丟失信標個數以及風險信標個數以及信標ID，并繪制各類信標所占的百分比。部分功能代碼如圖10所示。

圖10 軟件功能代碼Fig.10 Software function code

3 系統功能驗證

為驗證查詢器故障診斷系統的實用性及可靠性，本次實驗實時采集上海地鐵9號線列車運行時查詢器各端口數據，并存儲到上位機，并將上位機存儲的數據利用故障診斷軟件進行分析。

在列車運行時，利用故障診斷系統采集查詢器各端口數據，并導入到上位機的故障診斷軟件中，點擊“數據處理”按鈕執行主程序。實際線路上共有213個信標，數據采集到213個，信標丟失個數為0，說明列車運行時無信標丟失，主程序運行結果如圖11（a）所示。點擊“繪制I／O端口波形”按鈕執行查詢器檢測功能，查詢器狀態檢測結果如圖11（b）所示。根據波形圖顯示，I／O端口的2、3號端口電壓穩定，且供電指示燈與射頻端口指示燈均顯示為綠色，說明查詢器供電以及射頻端口在列車運行時工作正常。

圖11 故障診斷結果Fig.11 Fault diagnosis results

輸入信標ID，點擊“繪制局部波形”按鈕顯示列車經過該信標時查詢器I／O端口的電壓波形并統計波形信息，局部波形繪制結果如圖12（a）所示，診斷結果界面如圖12（b）所示。診斷結果中顯示共采集到213個信標數據，其中166個信標正常解析，47個信標存在丟失風險。將故障診斷系統的診斷結果與列控中心結果進行進行比對，診斷結果與列控中心保持一致，驗證了故障診斷系統的實用性與可靠性。

圖12 故障診斷結果Fig.12 Fault diagnosis results

4 結束語

目前國內針對車載應答查詢器的故障檢修仍是整體更換車載設備，無法找出故障的具體位置進行針對性的檢修，檢修成本較高且效率低下。本次設計的查詢器故障診斷系統可對實際線路上采集到的數據進行分析并進行故障診斷，及時發現故障及時處理，在保障列車運行安全的同時，提升故障檢測維修效率，降低維修成本，有良好的應用價值與實際意義。后續仍需多次進行上線測試，不斷完善故障檢測系統功能。