红外激光灯测试仪的研制

何江燕

（中国铁路呼和浩特局集团有限公司科研所 工程师 内蒙 呼和浩特市 010050）

随着中国铁路建设的高速发展，对安全监控的要求也更高。2016 年，中国铁路总公司发布了《中国铁路总公司关于发布设计时速200公里及以上铁路区间线路视频监控设置有关补充标准的通知》（铁总建设［2016］18 号），对铁路区间线路进行视频监控的增强补强建设提出更高的要求。为有效防范列车运行中治安、意外事故及恐怖事件的发生，中国铁路呼和浩特局有限公司新建高铁线路呼张客专已安装大量的红外激光摄像机，随着包银客专等其它线路的新建，红外激光摄像机安装的数量将大幅增加。目前，无论是一体化红外激光灯或者光纤耦合式红外激光灯在光照强度、光斑角度、光斑匀化处理、电压大小与光强变化等功能方面的测试只能局限在激光摄像机整机情况下进行观察测试，测试过程极不方便，且测试效果也不理想。针对这种情况，研制了一种现场使用方便、安全可靠，测试效果较好，提高工作效率、可对不同型号、不同规格的激光灯进行性能检测的红外激光灯测试仪。

1 硬件系统结构组成

红外激光灯测试仪系统主板MCU 采用的是STM32F429（Cortex-M 内核4），主板是整个激光灯测试仪的核心，负责完成图像读取、检测电路采集及运算，以及激光灯光斑数据的存取及激光灯光斑角度的调整。主板设计了RS232（SP3232 芯片）接口、RS485（MAX485 芯片）接口和microUSB 接口，满足不同激光灯光斑角度的初始化设定。光斑角度可以通过激光灯测试仪的按键进行变化，设计了控制激光灯通过电流大小的6个按键，其中2个按键负责电流变化，其余4 个按键对激光灯的光斑位置可进行预设置，应用这4 个按键可观察不同变倍情况下激光灯光斑的匀化效果。红外激光灯测试仪硬件系统结构如图1所示：

图1 硬件系统结构图

研制的红外激光灯测试仪是一种激光灯的检测仪器，可对不同型号、不同规格的激光灯进行性能检测。其工作原理主要是通过对激光灯的功率、角度、电压、额定功率等信号进行采集，然后运用软件进行数据综合处理，计算出激光灯的各个性能参数，以此判断产品的合格与否。

2 软件系统实现

红外激光灯测试仪软件部分采用德国的KEIL公司的MDK5.14 进行开发，该版本使用uVision5 IDE 集成开发环境，是目前针对ARM 处理器，尤其是Cortex M内核处理器的最佳开发工具。MDK5同时加强了Cortex-M 微控制器开发的支持，并且对传统的开发模式和界面进行了升级。MDK5由两部分组成：MDK Core 和Software Packs。其中，Software Packs 可以独立于工具链进行新芯片支持和中间库的升级。红外激光灯测试仪硬件部分实现了激光灯电功率的检测、光斑图像的查看，激光灯光斑值的设定及存储。软件部分主要实现液晶屏的显示，串口通讯，按键扫描，摄像头图像采集等功能。

2.1 系统流程图系统将内存中一部分划分为显存，STM32F429包含DCMI数字摄像头接口，负责将摄像头采集的数据存储到显存中，然后由STM32F429 的DMA2D 连续将数据显示到液晶屏，在初始化中进行配置，主程序中无需重复配置。初始化结束后，摄像头采集及屏幕显示不用再进行干预，只需在调整时进行配置，或在顶层显示文字或其他数据时处理即可。软件系统流程如图2所示：

图2 软件系统流程图（一）

图2 软件系统流程图（二）

2.2 串口数据通信软件实现串口作为MCU的重要外部接口，也是软件开发重要的调试手段，激光灯数据的获取及测试全部通过串口实现，STM32F4的串口资源丰富，功能强大，STM32F429可提供6路串口，有分数波特率发生器、支持同步单线通信和半双工单线通讯、支持LIN、支持调制解调器操作、智能卡协议和IrDA SIR ENDEC 规范、具有DMA 等。串口设置可以总结为如下几个步骤：

1）串口时钟使能，GPIO 时钟使能。

2）设置引脚复用器映射：调用GPIOPinAFConfig 函数。

3）GPIO 初始化设置：要设置模式为复用功能。

4）串口参数初始化：设置波特率，字长，奇偶校验等参数。

5）开启中断并且初始化NVIC，使能中断（如果需要开启中断才需要这个步骤）。

6）使能串口。

7）编写中断处理函数：函数格式USARTxIRQHandler(x对应串口号）。

2.3 电流检测软件实现红外激光灯测试仪能够检测激光灯电流，通过STM32F429的ADC通道进行采集。STM32F429 有3 个ADC，每个ADC 有12 位、10 位、8 位和6 位可选，每个ADC 有16 个外部通道。另外还有两个内部ADC 源和VBAT 通道挂在ADC1上。ADC 具有独立模式、双重模式和三重模式，对于不同AD 转换要求几乎都有合适的模式可选。ADC 输 入 范 围 为：VREF-≤VIN≤VREF+。由VREF-、VREF+、VDDA、VSSA 这四个外部引脚决定。激光灯测试仪设计原理图将VSSA和VREF-接地，把VREF+和VDDA 接3V3，得到ADC 的输入电压范围为：0～3.3 V。激光灯测试仪使用ADC1进行数据采集，没有注入通道。ADC配置的基本参数如图3所示：

图3 激光灯测试仪ADC配置

3 通信协议及测试

3.1 通信协议以佶达得激光灯为例。红外激光灯通信协议如下:

1）数据格式：1位起始位、8位数据、1位停止位，无效验位。波特率：9 600 B/S；

2）命令格式：该协议中所有数值都为十六进制数，同步字节始终为FFH，地址码为激光灯的逻辑地址号，地址为0x01，指令码表示不同的动作，数据码表示的相关数据值；校验码=MOD［（字节2+字节3+字节4+字节5+字节6）/100 H］；

3）功能及命令：激光开启后DA值默认设置为0xff；

开激光FF 01 01 01 01 00 SUM 关激光FF 01 01 01 00 00 SUM

增大电流FF 01 01 02 00 00 SUM 减小电流FF 01 01 02 01 00 SUM

设置电流FF 01 01 03 P1 00 SUM(P1:0x00～0xff=DA）

TELE Offset FF 01 01 04 00 P1 SUM(P1 为电机要走的步数，范围：0～255步）

WIDE Offset FF 01 01 04 01 P1 SUM

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

0x0001：为原点位置也是最大角度对应位置；0x1970：为最小角度对应位置

MOTOR RESET FF 01 01 06 00 00 SUM

查询命令:

查询激光电源开关：FF 01 02 01 00 00 SUM

返回：FF 01 02 01 P1 00 SUM(P1=0:激光关P1=1:激光开）

查询电流大小FF 01 02 03 00 00 SUM

返回FF 01 02 03 P1 00 SUM（P1:0x**=DA 值）

查询电机当前位置FF 01 02 05 00 00 SUM

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

查询风扇电源开关FF 01 02 0f 00 00 SUM

返回FF 01 02 0f P1 00 SUM(P1=0:风扇关P1=1:风扇开）

注意：（当DA值小于0X10时认为激光关闭）

激光灯自检完后会停留在最大角度位置，若电机位置有较大误差时。发送电机Moterreset 命令,电机将重新自检后回到原点位置。

3.2 存储通信协议不同品牌的激光灯数据存储：

Group：灯的种类。每个Group 代表一组灯。预留15个Group的位置。

Type：数据种类。每个Type 代表一个Group 的其中一组数据。每个Group有6个Type。

通信方式：RS232，波特率为115200

协议包大小：520字节

4 结束语

随着铁路建设的迅速发展，安全监控的要求越来越高。由于激光的成像距离远、清晰度高、超远补光距离、耗电低、使用寿命长等特点，使得红外激光灯在铁路及其他领域得到了广泛的应用。而激光灯各方面的性能测试还是采用原始方法进行整机测试，测试过程极不方便，且测试效果也不理想。研制的红外激光灯测试仪可对不同型号、不同规格的激光灯单独进行性能检测，使用方便、安全可靠，测试效果较好，能有效地节约测试成本和维修成本，应用前景广阔。