光电信息技术研究性教学列车测速系统设计

摘要针对轮轴速度传感器的测速定精度随着轮对的空转／滑行逐渐降低的问题，通过分析定测速传感器的误差特性，采用多普勒雷达构成列车组合定位系统。结合速度差检测列车是否发生空转／滑行。建立列车的正常状态、空转状态、滑行状态、不可信状态，以及状态之间转换的数学模型，对列车发生空转／滑行之后的速度和走行距离误差进行计算补偿。仿真结果表明，设计的空转／滑行检测与校正模型能够有效检测列车是否发生空转／滑行并对误差进行校正，测速精度满足车载ＡＴＰ（列车自动防护）的精度要求，达到了模型设计的目的。关键词轨道交通；车载列车防护系统；多传感器列车测速系统；空转/滑行一、背景与意义轮轴速度传感器是目前广泛应用于列车测速定位系统的测速测距设备，但由于其与车轮相连，直接受到车轮影响，容易产生误差。误差来源主要包括脉冲计数误差（车轮空转、滑行等造成）和车轮磨损导致轮径减小两个方面。列车在运行过程中不可避免会出现空转／滑行，导致轮轴传感器测速定位精度降低。如何降低空转／滑行对测速定位的影响，是基于轮轴传感器的列车定位方法必须要解决的关键问题。随着列车运行控制技术的发展，新的趋势是增强列车的自主控制能力，在减少或完全不依赖轨旁设备的情况下，由列车本身完成定位参数测量并能保证列车运行安全。为了增强车载定位系统的可靠性和自主定位能力，引入其它类型的传感器构成列车组合定位系统，是实现列车高精度定位的有效方法。在列车组合测速中，可利用辅助传感器提供的冗余定位信息对轮轴传感器的测量参数进行实时修正，从而完成空转／滑行的检测和误差校正。二、系统原理与框图本系统以车轮转速传感器、雷达测速传感器构成列车组合测速系统，结合光电传感器测量车轮转速和雷达传感器测量列车速度两种检测方法，对列车是否发生空转/打滑进行检测。当车轮转速大于列车速度时，判断列车为空转；当车轮转速小于列车速度时，判断列车为打滑。光电开关传感器测得数据经调理电路输入单片机，同时雷达测速测得数据经调理电路和模数转换输入单片机，LED显示为车轮转速和列车速度作为数据监测，并设置报警装置，当发生空转/打滑时，做出报警，提醒工作人员对列车行驶状况进行调整。图1系统原理框图三、光电开关及调理电路（一）光电开关原理光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体的有无。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可以被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。图3.1光电开关原理图（二）光电开关选型光电开关按结构可分为放大器分离型、放大器内藏型和电源内藏型三类。放大器分离型是将放大器与传感器分离，并采用专用集成电路和混合安装工艺制成，由于传感器具有超小型和多品种的特点，而放大器的功能较多。因此，该类型采用端子台连接方式，并可交、直流电源通用。具有接通和断开延时功能，可设置亮、音动切换开关，能控制6种输出状态，兼有接点和电平两种输出方式。放大器内藏型是将放大器与传感一体化，采用专用集成电路和表面安装工艺制成，使用直流电源工作。其响应速度局面（有0.1ms和1ms两种），能检测狭小和高速运动的物体。改变电源极性可转换亮、暗动，并可设置自诊断稳定工作区指示灯。兼有电压和电流两种输出方式，能防止相互干扰，在系统安装中十分方便。电源内藏型是将放大器、传感器与电源装置一体化，采用专用集成电路和表面安装工艺制成。它一般使用交流电源，适用于在生产现场取代接触式行程开关，可直接用于强电控制电路。也可自行设置自诊断稳定工作区指示灯，输出备有SSR固态继电器或继电器常开、常闭接点，可防止相互干扰，并可紧密安装在系统中。按检测方式可分为漫射式、对射式、镜面反射式、槽式光电开关和.光纤式光电开关对射型由发射器和接收器组成，结构上是两者相互分离的，在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化，典型的方式是位于同一轴线上的光电开关可以相互分开达50米。特征：辨别不透明的反光物体；有效距离大，因为光束跨越感应距离的时间仅一次；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中；装置的消耗高，两个单元都必须敷设电缆。漫反射型是当开关发射光束时，目标产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，作用距离的典型值一般到3米。特征：有效作用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和和颜色决定；较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位；采用背景抑制功能调节测量距离；对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感。镜面反射由发射器和接收器构成的情况是一种标准配置，从发射器发出的光束在对面的反射镜被反射，即返回接收器，当光束被中断时会产生一个开关信号的变化。光的通过时间是两倍的信号持续时间，有效作用距离从0.1米至20米。特征：辨别不透明的物体；借助反射镜部件，形成高的有效距离范围；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中。槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。结合实际需求，我们最终选择了OMRONE3Z-T61型号的光电传感器，其主要参数如下：输出方式：NPN对射型/放大器分离型最大检测距离：15m标准检测物体：直径12mm以上的不透明物体光电开关图3.2OMRON光电传感器实物图（三）测速原理在列车的万向轴上安装一个测速齿轮，随着轴的转动，光线不断的通过和被遮挡，使光电接收器产生电脉冲。通过脉冲来测量轴的转速，也即动车组的速度v,再通过速度v对时间t积分得到动车组的行车距离。图3.3传感器安装示意图（四）信号调理电路光电开关传感器调理电路采用双运放放大电路，并采用施密特整形电路。图4.4信号调理电路施密特触发器也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阈值电压。门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。它是一种阈值开关电路，具有突变输入——输出特性的门电路。这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改变。利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。当输入电压由低向高增加，到达V+时，输出电压发生突变，而输入电压Vi由高变低，到达V-，输出电压发生突变，因而出现输出电压变化滞后的现象，可以看出对于要求一定延迟启动的电路，它是特别适用的.从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。当传输线上的电容较大时，波形的上升沿将明显变缓；当传输线较长，而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。无论出现上述的那一种情况，都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。只要施密特触发器的vt+和vt-设置得合适，均能收到满意的整形效果。图4.5施密特触发器图4.6施密特整形效果图四、多普勒雷达及其调理电路（一）雷达测速原理及安装在列车底部安装测速雷达，列车运行时，始终以一定的发射角向轨面发射电磁波，由于列车和轨面之间有相对运动，在雷达天线的径向方向，会因列车的运动而产生一个速度分量，根据多普勒频移效应原理，在发射波和反射波之间产生频差，通过测量频差可以计算出机车的运行速度。图4.1雷达测速原理（二）雷达硬件系统设计图4.2雷达硬件系统设计图1.雷达微波部分微波模块是将微波信号转换为电信号输出的器件。若模块和被测目标之间产生径向位移，接收频率发生改变，模块能够检测出发射频率和接收频率之间的差值，即差拍中频信号，并将其以频率电信号形式输出。本设计选用的是NJR4211，发射频率是24.15GHz，输出功率为4mW，连续波工作模式。2.系统电源设计本系统用到的电源有三种，如图所示，必须有专门的电路来管理。其中，+5V电压由外部电源提供。+5V给单片机、微波模块供电；+1.2V给DSP内核供电；+3.3V给外围设备供电，比如FLASH、FIFO、SDRAM。图4.3电源设计图3.信号调理电路来自雷达微波部分的模拟多普勒输出需经过滤波放大等处理才可以送入A/D进行转换。本设计采用两级运放来完成信号调理，采用12位的A/D转换芯片AD7492进行数模转换。图4.4信号调理电路图4.5AD转换电路五、单片机信号采集系统（一）信号采集系统电路图5.1信号采集系统电路AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。（二）信号采集系统软件流程图图5.2信号采集系统软件流程图六、结语针对轮轴速度传感器的测速精度随着轮对的空转／滑行逐渐降低的问题，采用轮轴传感器／多普勒雷达／加速度计构成列车组合测速系统，通过速度差检测方法，实现对列车空转／滑行的检测。同时，建立列车正常、空转、滑行、不可信等四种运行状态以及状态之间转换的数学模型，对列车发生空转／滑行后的速度误差进行计算补偿。仿真结果表明，在发生空转／滑行的情况下，本文设计的空转／滑行误差校正模型的测速误差达到了预期的目的。参考文献［１］张振兴．城市轨道交通中的列车定位方法研究［Ｄ］．北京：北京交通大学，２００８．［２］周达天．基于多传感器信息融合的列车定位方法研究［Ｄ］．北京：北京交通大学，２００７．［３］乔超，唐慧佳．列车里程计定位方法的研究［Ｊ］．兰州铁道学院学报，２００３，２２（３）：１１６．［４］ＰＥＴＲＥ，ＲＯＭＡＮＭ，ＬＩＢＯＲＰ．Ｔｒａｉｎｌｏｃａｔｏｒｕｓｉｎｇｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｓａｎｄｏｄｏｍｅｔｅｒ［Ｃ］∥ＩＥＥＥＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＶｅｈｉｃｌｅｓＳｙｍｐｏｓｉｕｍ．Ｐａｒｍａ：ＩＥＥＥ，２００４