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摘要：随着铁路的高速发展，其养护任务日益繁重。为实现对铁路钢轨断裂情况的实时检测，研发了一种基于ＳＴＭ３２单片机的固定式超声波断轨检测系统。系统利用ＳＴＭ３２控制零电压开关（ＺｅｒｏＶｏｌｔａｇｅＳｗｉｔｃｈ，ＺＶＳ）振荡发生电路产生高压正弦波信号，驱动超声波探头产生大振幅的超声波信号，可实现长距离探测。在接收端根据信号特点设计了放大电路、带通滤波和检波电路，完成对接收信号的预处理。最后利用ＳＴＭ３２分析信号包络的高电平时间占比判断区间轨道状态，并可将异常信息通过ＲＳ－４８５总线上传给主机。测试结果表明，该系统可以准确判断区间钢轨是否发生断裂。所设计的超声波断轨检测系统具有准确性高、实时性好、检测距离远、制造成本低等优点，为全天候监测铁路轨道断裂发生提供了可行性方案。
关键词：ＳＴＭ３２；断轨检测；超声波
ＤｅｓｉｇｎｏｆａｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＦｒａｃｔｕｒｅｄＲａｉｌＤｅｔｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２
ＹｅＱｉｎｚｈｏｕ，ＸｉｏｎｇＺｈｉｊｉｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＲａｉｌｗａｙＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１１３００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒａｉｌｗａｙｓ，ｔｈｅｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｔａｓｋｓｈａｖｅｂｅｃｏｍｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｄｅｍａｎｄｉｎｇ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｒａｉｌｗａｙｔｒａｃｋｆｒａｃｔｕｒｅｓ，ａｆｉｘｅｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｆｒａｃｔｕｒｅｄｒａｉｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＳＴＭ３２ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｕｔｉｌｉｚｅｓｔｈｅＳＴＭ３２ｔｏｃｏｎｔｒｏｌａｚｅｒｏｖｏｌｔａｇｅｓｗｉｔｃｈ（ＺＶＳ）ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｔｈａｔｄｒｉｖｅｓｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｒｏｂｅｔｏｔｒａｎｓｍｉｔｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓｉｇｎａｌｓ．Ｂｙｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｗａｖｅｓｉｇｎａｌｓ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｅｎｈａｎｃｅｓｔｈｅｓｉｇｎａｌｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅｓ，ｅｎａｂｌｉｎｇｌｏｎｇ－ｄｉｓｔａｎｃｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ａｔｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｅｎｄ，ｐｒｅ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｔｈｅｒｅｃｅｉｖｅｄｓｉｇｎａｌｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｂａｎｄ－ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｉｎｇ，ａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｓｂａｓｅｄｏｎｓｉｇｎａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅＳＴＭ３２ｉｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌｔｉｍｅｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌｅｎｖｅｌｏｐｅｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｉｎｔｅｒｖａｌｔｒａｃｋｓｔａｔｕｓ．ＡｎｙａｂｎｏｒｍａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｃａｎｂｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｔｏｔｈｅｈｏｓｔｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＲＳ－４８５ｂｕｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈｐｈｙｓｉｃａｌｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｃｃｕｒａｔｅｌｙｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓｗｈｅｔｈｅｒｔｈｅｒｅｉｓａｆｒａｃｔｕｒｅｉｎｔｈｅｉｎｔｅｒｖａｌｔｒａｃｋ．Ｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｆｒａｃｔｕｒｅｄｒａｉｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙｐｏｓｓｅｓｓｅｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙ，ｇｏｏｄｒｅａｌ－ｔｉｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｌｏｎｇｄｅｔｅｃｔｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅ，ａｎｄｌｏｗｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｃｏｓｔ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇａｆｅａｓｉｂｌｅｓｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｒａｉｌｗａｙｔｒａｃｋｆｒａｃｔｕｒｅｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＴＭ３２；ｆｒａｃｔｕｒｅｄｒａｉｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ
０引言
铁路运输在我国交通运输系统中占据着非常重要的地位，其安全运行至关重要。轨道作为列车的运行基础，直接承受列车的载重。在低温、高负荷运行条件下，钢轨的焊缝、制造缺陷处容易出现折断［１］。列车经过断轨时极易发生脱轨而导致严重的交通事故，造成重大生命财产损失。因此，国家要求定期对钢轨进行检测，以保证行车安全。
目前国内外对钢轨进行断裂检测的方法主要包括超声波检测法［２－３］、应力检测法［４］、光纤检测法［５］、轨道电路检测法［６－７］等。其中超声波检测具有检测距离远，覆盖钢轨全结构，检测速度快等优点，近年来成为铁路检测领域的研究热点。基于超声波的铁路检测分为移动式检测和固定式检测两类。超声波移动式检测利用在轨道上运行的检测车搭载的超声波发射、接收装置和数据处理系统，对钢轨进行巡检。该方法具有检测精度高，对钢轨缺陷分类准确，检测数据可存储等优点，但需要在铁路空窗期工作，无法实现实时检测，且造价较高［８］。超声波固定式检测利用在铁路沿线固定安装的超声波发射器和接收器，分区间进行检测，检测结果可采用无线通信方式上传至监测系统，该方式可实现对钢轨的全天候实时监测［９－１１］。近年来，我国在超声导波断轨检测领域积极展开了广泛的研究工作。朱力强等成功研发了基于超声导波的高速铁路无缝线路断轨监测系统，并在大西高速铁路进行了实地测试，取得了较高的准确率。同时，其他轨道交通领域的学者们也深入研究了超声导波在断轨检测中的应用问题，包括模态识别［１２］、去噪算法［１３］、定位算法［１４］、缺陷判定算法［１５］等，然而这些工作仍处于理论和实验阶段。尽管已取得一些进展，超声导波断轨检测系统在实际应用中仍需克服多项技术难题。其中包括如何扩大检测距离、提高信噪比以及实现多模态识别等方面的挑战，这些问题迫切需要进一步深入研究。
本文基于单片机控制技术和超声波技术设计了一种超声波断轨检测系统，采用ＳＴＭ３２作为主控电路，通过ＺＶＳ电路产生的高压正弦波信号驱动超声波探头发出超声波导波，在接收处将超声波信号进行放大和滤波处理，然后由ＳＴＭ３２分析信号，检测到断轨时可通过４８５总线发送状态信息给主机，实现长距离实时断轨检测功能。
１总体方案设计
基于ＳＴＭ３２设计的断轨检测系统组成如图１所示。该系统包含了在钢轨区间两端安置的超声波发送模块、超声波接收模块两大部分，用于检测该区间的钢轨状态。超声波发送模块主要用于间歇性地发送超声波信号，其利用ＳＴＭ３２主控电路产生的４０ｋＨｚ高压正弦信号驱动超声波探头，产生的超声导波可耦合进钢轨以传递至接收模块。超声波接收模块采用超声波探头将接收的声音信号转换为电信号，放大和滤波处理后得到表征信号强度的低频信号，利用ＳＴＭ３２主控电路计算低频信号的高电平时间占比，从而判断该区间钢轨是否出现断裂。超声波断轨检测系统构成示意图如图１所示。
２电路设计
２.１超声波发送电路
超声波发送电路采用ＳＴＭ３２Ｆ４１１作为核心，该单片机搭载ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ４处理器核心，工作频率高，性能强大。支持３２位指令集、单周期乘法和硬件除法运算，适用于计算密集型应用。此外该单片机具有丰富的外设，支持多种通信接口，满足本系统设计要求。将单片机外接２６ＭＨｚ晶振设定主频，外围电路包括ＭＯＳ开关电路和ＺＶＳ振荡发生电路。主控电路如图２所示。
２.１.１ＭＯＳ开关电路
采用ＡＯ４６０６芯片实现ＭＯＳ控制开关，由ＰＭＯＳ＋ＮＭＯＳ组成如图３（ａ）所示的开关电路。当给栅极施加一个电压时，在栅极和源极之间形成电场。该电场会影响沟道的导电能力。当栅极电压足够高，电场会使沟道导电，允许电流从漏极流向源极，ＭＯＳ管处于导通状态。反之，当栅极施加的电压不足以形成足够强的电场时，ＭＯＳ管处于截止状态。通过输入信号控制栅极上的电压，可以控制ＭＯＳ管处于导通或截止状态，以此实现对ＺＶＳ电路中电源的控制。
２.１.２ＺＶＳ振荡发生电路
ＺＶＳ电路主要用于产生４０ｋＨｚ的振荡正弦波信号，以驱动超声波探头。相比于传统电子开关电路，ＺＶＳ电路在切换晶体管时可以将电流和电压尽量降为０，以此降低器件的热损伤，提高系统的性能和可靠性。另外，此电路包含了ＺＶＳ变压器模块，可输出高压正弦波信号，以此提高超声波的信号强度，实现长距离探测。
２.２超声波接收电路
超声波接收探头接收到发射模块经钢轨传来的超声导波信号，产生主分量为４０ｋＨｚ的电信号。该信号首先经过初级放大电路增大信号幅值，然后输入一个二阶有源带通滤波器处理，滤除高低频段的干扰信号，最后由检波器解调出表征信号强度的低频信号。利用模数转换器将该信号转换为数字信号，输入ＳＴＭ３２进一步做数据处理，计算出接收信号处于高电平的时间占比，将其与阈值进行对比，可以判断区间钢轨是否出现断裂。基于ＳＴＭ３２的超声波接收模块主控电路如图４所示。
２.２.１初级放大电路
超声波导波经过远距离传输后，会变得非常微弱，由超声波探头转换得到的电信号也很微弱，需要对信号进行放大。本系统采用ＴＬＶ２７２ＩＤＲ运算放大器和ＴＳ５Ａ２３１６６交叉开关器及外围电路组成初级放大电路。放大倍数由连接到ＴＬＶ２７２ＩＤＲ输出引脚和非反相输入引脚的两个电阻之比控制。初级放大电路如图５（ａ）所示。
２.２.２二阶有源带通滤波器
为了滤除高频和低频干扰信号，本系统采用德州仪器生产的一款精密运算放大器芯片ＴＬＶ２７２ＩＤＲ搭建二阶带通滤波电路。ＴＬＶ２７２ＩＤＲ具有相对较宽的带宽，适用于处理中高频信号。所搭建的带通滤波电路以超声导波的频率４０ｋＨｚ为中心频率，选择合适的电阻和电容确定滤波器的通带、阻带频率参数，并选择适当的反馈电阻来设置信号增益。二阶有源带通滤波器电路如图５（ｂ）所示。
２.２.３检波器
利用检波器将高频电信号转变为表征信号强度的低频信号。该电路采用二极管、电阻和电容组件实现，其中二极管起到整流作用，允许信号的正半周通过而阻止负半周。电容Ｃ８充当平滑器，将经过整流的信号变成一个相对平滑的信号，电阻Ｒ８将平滑后的信号提取为输出信号。检波电路元件参数由输入信号的频率和振幅进行选择，具体电路如图５（ｃ）所示。
２.３数据通信电路
本系统在处理完数据后，把区间当前的轨道状态通过４８５总线发送给主机。ＲＳ－４８５工业总线标准适用于在工业环境中进行串行数据通信，具有很强的抗干扰能力并支持远距离通信。另外ＲＳ－４８５支持多点连接，这意味着可以在同一总线上连接多个ＲＳ－４８５设备，这些设备可以实时与主机相互通信。基于ＲＳ－４８５的数据通信电路如图５（ｄ）所示。
３系统软件设计原理
程序采用ＳＴＭ３２单片机进行编程实现各项功能。系统的软件设计主要包括超声波模块控制、数据处理、断轨检测算法等部分。
３.１超声波模块控制
超声波发送模块通过定时控制ＺＶＳ电源的通断，间歇地发送超声波信号，并可以控制发射频率。发送模块程序设计的流程图如图６（ａ）所示。模块上电后，首先执行设备初始化操作。初始化过程包括以下步骤：初始化微处理器中的寄存器，确保处理器处于系统运行所需的初始状态；初始化微处理器的外围设备和外设接口；以及设置软件运行参数。系统完成初始化后，切入工作模式。系统设置完成后，以２Ｈｚ的频率间断性地发送超声波信号，传输频率也可根据实际需求进行调整。
超声波接收模块程序设计的流程图如图６（ｂ）所示。ＳＴＭ３２初始化完成后，首先进行数据滤波处理以排除潜在的噪声信号。随后，提取信号的包络并计算包络中高电平时间的百分比，并通过将此百分比与设定的阈值进行比较来评估钢轨的健康状态。如果信号的时域特征超出正常阈值范围，则判定钢轨可能不完整或部分断裂，并设置相应的报警标志位为１；反之，则设置报警标志位为０。ＳＴＭ３２每３０ｓ检查一次报警标志位，若标志位为１，则触发报警，包括将报警指示灯点亮、启动蜂鸣器，并在显示屏中显示报警信息。当标志位为０时，系统状态恢复正常。同时，在完成一次报警处理后，将清零报警标志位，为下一轮等待做准备。
３.２超声波数据处理
在程序中采用频域分析的方法以更彻底地滤除高频噪声信号。频域分析是一种将信号在频率域上进行分解和研究的有效手段，可帮助在断轨检测系统中识别和处理高频噪声。首先，对由超声波模块采集的轨道信号数据进行预处理，包括去除直流分量和进行归一化等操作。随后，应用傅里叶变换将信号从时域转换到频域。通过功率谱密度分析频域特性，功率谱密度反映了信号在频率域上的功率分布，有助于了解信号在不同频率上的特性。高频噪声通常在功率谱密度图中表现为高功率密度的成分。基于功率谱分析的结果，在程序中设计了适用于去除高频噪声的滤波器。接着，对处理后的频域数据进行逆变换，将信号还原到时域。这些步骤的最终目标是在保留与断轨状态相关的信息的同时，有效地消除高频噪声，从而提高系统的准确性和鲁棒性。
３.３断轨检测算法
通过计算复信号的模，可得到信号的包络线。对包络信号进行分析，计算信号中高电平的时间占比。将计算得到的高电平时间百分比与事先设定的阈值进行比较。阈值通常基于正常状态下的参考值设定，若计算结果超出阈值范围，则表明钢轨可能存在异常。根据阈值比较的结果，算法对钢轨的健康状态进行评估。如果信号的时域特征异常，系统将触发报警，提示可能存在钢轨断裂或其他结构问题。在算法确认异常情况后，可以通过通信接口将相关信息传输给监测系统，以便及时采取必要的维修或保养措施。
４测试结果
利用上述电路原理图制备出超声波发送电路板和超声波接收电路板实物，并烧录相应程序。使用２根１０ｍ的短钢轨进行实验，将发送板和接收板的超声波探头分别安装于实验钢轨的两端。由超声波发送板产生４０ｋＨｚ电压电信号，以驱动超声波探头产生超声波信号并耦合进钢轨。接收板上的超声波探头将采集到的声音信号转换为电信号，并对信号进行放大和带通滤波预处理，然后进行检波得到表征信号强度的低频信号。将发送端电信号，接收端经放大和去噪预处理的电信号以及进一步检波后的电信号采集显示于示波器，如图７（ａ）～（ｂ）所示。波形图显示超声波发送电路产生了频率为４０ｋＨｚ，峰峰值约为７０４Ｖ的电压信号，该电压信号在控制电路的作用下以２Ｈｚ的频率间歇性产生。在接收端超声波探头经过换能并预处理产生的电压信号频率主分量依然为４０ｋＨｚ左右，电压峰峰值为２.５Ｖ左右。该信号通过检波处理后得到低频包络信号，可通过主控板计算出该信号处于高电平的总时间，与阈值时间比较后可以判断区间钢轨是否发生断裂。
５结束语
为实现对铁路钢轨断裂的实时检测，保障行车安全，本文基于ＳＴＭ３２单片机设计了一种超声波断轨检测系统。该系统利用ＳＴＭ３２控制ＺＶＳ振荡发生电路驱动超声波探头产生大振幅的超声波信号。在接收端采用放大电路、带通滤波和检波电路对信号进行预处理，然后利用ＳＴＭ３２分析信号包络的时域特征判断区间轨道状态，并可将异常信息通过ＲＳ－４８５总线上传给主机。该设计具有多重优势，具备全天候实时检测、准确性高、检测距离远、能无线上传轨道状态、制造成本低等优点。通过实际测试，验证了所设计的检测系统能够实现超声波信号的发射，接收以及信号的处理和分析，满足对断轨进行实时检测的要求。
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