基于MC9S12XS128单片机的触发装置研究

摘 要：车辆轮对磨耗参数的检测，对保证车辆安全运行具有重要作用。为了解决动态检测图像采集过程中，运动车辆轮对的定位与图像采集问题，文章基于飞思卡尔MC9S12XS128单片机，设计了适用于轮对动态检测环境的多通道触发装置。该装置以双单片机组为控制核心，综合考虑并解决了电源控制、传感器输入信号捕捉与相机触发信号的控制等问题。最后通过实验表明，该触发装置运行稳定，重复性实验中的被测物偏移误差小于0.1mm。

关键词：Mc9s12xs128；单片机；触发；轮对；检测

1 引言

在整个铁路车辆运行系统中，车辆轮对作为与钢轨直接接触的部件，是直接影响车辆是否能够安全行驶的重要因素[1， 2]。车辆轮对参数的测量方法主要包括两大类，即静态检测法和动态检测法[3]。

静态检测法是针对车辆在静止状态时进行检测，存在受操作者主观影响，自动化程度较低等问题[4]。动态检测方法采用机器视觉和图像处理技术，具有非接触和检测速度快等优点，能够减少检测过程中的人为误差，并提升检测效率[5， 6]。采用动态检测方法实现轮对在线检测首先要对被测物进行准确定位并采集图像。对于这种高精度触发装置，未见相关文献描述，本文基于飞思卡尔MC9S12XS128单片机设计了一种适用于车辆轮对在线检测环境的实时图像采集触发装置。该装置实现了车辆轮对磨耗在线检测中，对多个不同工位车辆轮对的准确定位和对应相机的触发控制。

2 触发装置总体设计

触发装置主要用于实现轮对动态检测中控制图像采集设备在被测轮对到达设计位置的时刻，进行准确有效拍摄的关键功能。要准确描述轮对状态需对同一轮对的多个位置进行检测。为此设计的触发装置，分别在轨道左右侧各设置两组检测单元，对轮对图像进行多次采集。

以图1所示左一组检测单元为例，一组三个接近传感器安装在铁轨上，用于检测车辆的速度信息，结合最后一处传感器与CCD相机之间的距离由核心控制处理单元对相机拍摄时间进行计算。

图1 检测单元示意图

在经过一定的延时后，车辆轮对到达图1所示设定位置。在该位置，线激光源在轮对表面形成一条亮光带即光截曲线，触发装置产生外部触发信号控制CCD相机采集该光截曲线图像。所获图像中光截曲线的形状及位置包含了被测轮对的相关参数信息，在计算机上完成后续运算，通过与标准轮对的参数进行比对就能获得详细的磨耗信息。

触发装置需要实现控制四路通道的功能，如图2触发装置示意图所示，本装置设计了以MC9S12XS128单片机组为核心的控制电路，配合控制程序实现信号采集、处理与控制功能。综合考虑传感器数量较多和整体电路设计的简化，采用了以两块单片机为核心的控制处理单元设计方案，两块单片机分别负责一侧各两路通道的信号检测、处理与触发信号的输出控制。

3 电源控制

由于激光光源、激光位移传感器等设备使用寿命有限，而且长时间保持上电状态造成电力资源的浪费，因此触发装置通过左前和右后各一组两个接近传感器来判断对车辆是否处于检测段中，MCU通过改变引脚的高低位控制固态继电器来实现对电源开闭的控制。如图3进出线判断与控制软件流程图所示，当车辆第一只轮对进入检测段，依次触发进线组接近传感器，程序根据传感器检出时间初步判断轮对速度是否符合设计检测范围0-15km/h，速度合格则令固态继电器控制位为高，接通电源。当车辆最后一只轮对离开检测段，获得出线组接近传感器检出时间，当该值与系统当前时间之差超过限定时间，则认为车辆已全部离开检测段，关闭电源。

4 传感器输入信号捕捉

轮对在线检测中使用接近传感器来实现对轮对的探测，接近传感器在检出后产生一个具有一定脉宽的脉冲信号，因此需要控制处理单元实现对该信号的捕捉。输入捕捉功能是MC9S12XS128 MCU 的基本功能之一，用于监测外部事件的输入信号。当外部信号发生变化时，在输入捕捉引脚上发生一个指定的上升沿或下降沿沿跳变。若在该引脚的输入捕捉控制寄存器中设定允许输入捕捉中断，则该外部信号会导致单片机产生输入捕捉中断。在本系统中利用中断响应方法可以得到传感器信号发生变化的时刻。如图4所示，通过记录输入信号相邻的两个不同极性的沿跳变时间，可以计算出该脉冲信号中间时刻作为传感器检出时间。

MC9S12XS128 MCU的PT0～PT7是输入捕捉的外部针脚。当寄存器控制位IOSx=0时，则将与x值相应的通道设置成为输入捕捉通道。当该引脚检测到有上升沿或下降沿时，如果输入捕捉控制寄存器TIE中允许输入捕捉中断，则捕捉到传感器信号时，系统会进入对应中断服务程序。

5 相机触发信号控制

在获得同组三个传感器的检出时间后，结合事先标定测量的传感器实际安装间距，可以计算得到轮对在1号传感器和2号传感器之间的运行速度v1，2号传感器和3号传感器之间的运行速度v2，以及加速度a，则被测轮对到达相机拍摄位置的时间即相机触发信号的输出时间为

（1）

其中v3为被测轮对在3号传感器检出时的瞬时速度，s为3号传感器与设定拍摄位置间距。

6 系统实现与实验

由于触发装置需要处理多达16路接近传感器的检测信号，并控制4路相机、4路激光光源和2路激光位移传感器的电源供应和信号控制，因此设计了核心电路板来实现对多路信号的集中处理。单片机最小系统板设计为直插式，可随时插拔进行更换和维护，采用接插件对输入信号和控制信号进行转接，方便可靠，可维护性强。图5为触发装置核心电路板实物。

由于四个检测单元软硬件设计基本相同，为了验证触发装置工作的正常与否，对其中一个检测单元进行了验证测试。实验装置如图6所示，被测物以一定速度通过左侧一号检测单元。通过对运动状态下的被测物进行图像采集来测试触发装置对运动被测物的定位精度与图像采集效果。

在本次重复性实验中，通过对所有被测物在图像中的中心点坐标进行统计，被测物图像中心点最大像素偏移值为1像素长度，实际最大偏移距离小于0.1mm。

7 结束语

本文针对车辆轮对动态检测的实际需要，设计了一种四通道图像采集触发控制装置。装置功能能够满足轮对在线检测需要，对运动轮对的检测定位达到较高精度。整个触发装置能够稳定、可靠连续工作，实现对轮对的自动检测，所获图像清晰，位置准确，运动模糊小，可为图像处理步骤中进行后续参数计算提供良好的原始图像。

参考文献

[1]吴开华，张建华，严匡等.轮对综合参数光电自动检测系统[J].仪器仪表学报，2006，（03）：298-301.

[2]高向东，谢子方，赵传敏等.基于结构光视觉传感的轮对踏面擦伤快速检测[J].铁道学报，2008，（02）：23-27.

[3]李剑.轮对动态检测系统应用[J].铁道车辆，2012，（04）：39-42.

[4]贺永胜.有关铁路车辆轮对检测技术综述[J].科技传播，2013，（17）：67-68.

[5]冯其波，陈士谦，崔建英等.轮对几何参数动态测量系统[J].中国铁道科学，2008，（05）：138-144.

[6]高静涛，戴立新，王泽勇.轮对状态动态检测系统应用综述[J].铁道技术监督，2009，（07）：10-12.

作者简介：周威祥（1988-），浙江温州，2007年于杭州电子科技大学获学士学位，现为杭州电子科技大学生命信息与仪器工程学院硕士研究生，主要研究方向为测试计量技术及仪器。