光電信息技術(shù)研究性教學(xué)列車測速系統(tǒng)設(shè)計

1、.摘 要針對輪軸速 度 傳 感 器 的 測 速 定 精 度 隨 著 輪 對 的空轉(zhuǎn)滑行逐漸降低的問 題， 通 過 分 析 定測速 傳 感 器 的 誤 差 特性， 采用多普勒雷達(dá)構(gòu)成列車組合定位系統(tǒng)。結(jié)合 速度差檢測列車是否發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行。建立列車的正常狀態(tài)、 空轉(zhuǎn)狀 態(tài)、 滑 行 狀 態(tài)、 不 可 信 狀 態(tài)， 以 及 狀 態(tài)之間轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型， 對 列 車 發(fā) 生 空 轉(zhuǎn)滑 行 之 后 的 速 度 和走行距離誤差進(jìn)行 計 算 補 償。仿 真 結(jié) 果 表 明， 設(shè) 計 的 空 轉(zhuǎn)滑行檢測與校正模型能夠有效檢測列車是否發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行并對誤差進(jìn)行校正， 測速精度滿足 車 載 （ 列 車 自 動防護(hù)）

2、的精度要求， 達(dá)到了模型設(shè)計的目的。關(guān)鍵詞 軌道交通；車載列車防護(hù)系統(tǒng)；多傳感器列車測速系統(tǒng)；空轉(zhuǎn)/滑行一、背景與意義輪軸速度傳感器是目前廣泛應(yīng)用于列車測速定位系統(tǒng)的測速測距設(shè)備， 但由于其與車輪相連， 直接受到車輪影響， 容易產(chǎn)生誤差。誤差來源主要包括脈沖計數(shù)誤差（ 車輪空轉(zhuǎn)、 滑行等造成） 和車輪磨損導(dǎo)致輪徑減小兩個方面。列車在運行過程中不可避免會出現(xiàn)空轉(zhuǎn)滑行， 導(dǎo)致輪軸傳感器測速定位精度降低。如何降低空轉(zhuǎn)滑行對測速定位的影響， 是基于輪軸傳感器的列車定位方法必須要解決的關(guān)鍵問題。隨著列車運行控制技術(shù)的發(fā)展， 新的趨勢是增強列車的自主控制能力， 在減少或完全不依賴軌旁設(shè)備的情況下， 由列車

3、本身完成定位參數(shù)測量并能保證列車運行安全。為了增強車載定位系統(tǒng)的可靠性和自主定位能力， 引入其它類型的傳感器構(gòu)成列車組合定位系統(tǒng)， 是實現(xiàn)列車高精度定位的有效方法。在列車組合測速中， 可利用輔助傳感器提供的冗余定位信息對輪軸傳感器的測量參數(shù)進(jìn)行實 時 修 正， 從 而 完 成 空 轉(zhuǎn)滑行 的 檢 測 和 誤 差校正。二、系統(tǒng)原理與框圖本系統(tǒng)以車輪轉(zhuǎn)速傳感器、雷達(dá)測速傳感器構(gòu)成列車組合測速系統(tǒng)，結(jié)合光電傳感器測量車輪轉(zhuǎn)速和雷達(dá)傳感器測量列車速度兩種檢測方法，對列車是否發(fā)生空轉(zhuǎn)/打滑進(jìn)行檢測。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速大于列車速度時，判斷列車為空轉(zhuǎn)；當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速小于列車速度時，判斷列車為打滑。 光電開關(guān)傳感器測得數(shù)

4、據(jù)經(jīng)調(diào)理電路輸入單片機，同時雷達(dá)測速測得數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入單片機，LED顯示為車輪轉(zhuǎn)速和列車速度作為數(shù)據(jù)監(jiān)測，并設(shè)置報警裝置，當(dāng)發(fā)生空轉(zhuǎn)/打滑時，做出報警，提醒工作人員對列車行駛狀況進(jìn)行調(diào)整。圖1 系統(tǒng)原理框圖3、 光電開關(guān)及調(diào)理電路（1） 光電開關(guān)原理光電開關(guān)（光電傳感器）是光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體的有無。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可以被檢測。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無對目標(biāo)物體進(jìn)行探測。圖3.1 光電開關(guān)原理圖（2） 光電開關(guān)選型 光電開關(guān)按結(jié)構(gòu)可分

5、為放大器分離型、放大器內(nèi)藏型和電源內(nèi)藏型三類。 放大器分離型是將放大器與傳感器分離，并采用專用集成電路和混合安裝工藝制成，由于傳感器具有超小型和多品種的特點，而放大器的功能較多。因此，該類型采用端子臺連接方式，并可交、直流電源通用。具有接通和斷開延時功能，可設(shè)置亮、音動切換開關(guān)，能控制6種輸出狀態(tài)，兼有接點和電平兩種輸出方式。 放大器內(nèi)藏型是將放大器與傳感一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成，使用直流電源工作。其響應(yīng)速度局面（有0.1ms和1ms兩種），能檢測狹小和高速運動的物體。改變電源極性可轉(zhuǎn)換亮、暗動，并可設(shè)置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示燈。兼有電壓和電流兩種輸出方式，能防止相互干擾，在系

6、統(tǒng)安裝中十分方便。 電源內(nèi)藏型是將放大器、傳感器與電源裝置一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成。它一般使用交流電源，適用于在生產(chǎn)現(xiàn)場取代接觸式行程開關(guān)，可直接用于強電控制電路。也可自行設(shè)置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示燈，輸出備有SSR固態(tài)繼電器或繼電器常開、常閉接點，可防止相互干擾，并可緊密安裝在系統(tǒng)中。 按檢測方式可分為漫射式、對射式、鏡面反射式、槽式光電開關(guān)和.光纖式光電開關(guān) 對射型由發(fā)射器和接收器組成，結(jié)構(gòu)上是兩者相互分離的，在光束被中斷的情況下會產(chǎn)生一個開關(guān)信號變化，典型的方式是位于同一軸線上的光電開關(guān)可以相互分開達(dá)50米。 特征：辨別不透明的反光物體；有效距離大，因為光束跨越感應(yīng)距離的

7、時間僅一次；不易受干擾，可以可靠合適的使用在野外或者有灰塵的環(huán)境中；裝置的消耗高，兩個單元都必須敷設(shè)電纜。 漫反射型是當(dāng)開關(guān)發(fā)射光束時，目標(biāo)產(chǎn)生漫反射，發(fā)射器和接收器構(gòu)成單個的標(biāo)準(zhǔn)部件，當(dāng)有足夠的組合光返回接收器時，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，作用距離的典型值一般到3米。特征：有效作用距離是由目標(biāo)的反射能力決定，由目標(biāo)表面性質(zhì)和和顏色決定；較小的裝配開支，當(dāng)開關(guān)由單個元件組成時，通常是可以達(dá)到粗定位；采用背景抑制功能調(diào)節(jié)測量距離；對目標(biāo)上的灰塵敏感和對目標(biāo)變化了的反射性能敏感。 鏡面反射由發(fā)射器和接收器構(gòu)成的情況是一種標(biāo)準(zhǔn)配置，從發(fā)射器發(fā)出的光束在對面的反射鏡被反射，即返回接收器，當(dāng)光束被中斷時會產(chǎn)生一

8、個開關(guān)信號的變化。光的通過時間是兩倍的信號持續(xù)時間，有效作用距離從0.1米至20米。特征：辨別不透明的物體；借助反射鏡部件，形成高的有效距離范圍；不易受干擾，可以可靠合適的使用在野外或者有灰塵的環(huán)境中。 槽式光電開關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測到的開關(guān)量信號。槽式光電開關(guān)比較安全可靠的適合檢測高速變化，分辨透明與半透明物體。 光纖式光電開關(guān)采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導(dǎo)光線，以實現(xiàn)被檢測物體不在相近區(qū)域的檢測。通常光纖傳感器分為對射式和漫反射式。 結(jié)合實際需求，我們最終選擇了OMRON E3

9、Z-T61 型號的光電傳感器，其主要參數(shù)如下： 輸出方式：NPN 對射型/放大器分離型 最大檢測距離：15m標(biāo)準(zhǔn)檢測物體：直徑12mm以上的不透明物體光電開關(guān)圖3.2 OMRON光電傳感器實物圖（3） 測速原理在列車的萬向軸上安裝一個測速齒輪，隨著軸的轉(zhuǎn)動，光線不斷的通過和被遮擋，使光電接收器產(chǎn)生電脈沖。通過脈沖來測量軸的轉(zhuǎn)速，也即動車組的速度v,再通過速度v對時間t積分得到動車組的行車距離。圖3.3 傳感器安裝示意圖（4） 信號調(diào)理電路 光電開關(guān)傳感器調(diào)理電路采用雙運放放大電路，并采用施密特整形電路。圖4.4 信號調(diào)理電路 施密特觸發(fā)器也有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采

10、用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號電位維持；對于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號，施密特觸發(fā)器有不同的閾值電壓。 門電路有一個閾值電壓，當(dāng)輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時電路的狀態(tài)將發(fā)生變化。施密特觸發(fā)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓。在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負(fù)向閾值電壓。正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓之差稱為回差電壓。 它是一種閾值開關(guān)電路，具有突變輸入輸出特性的

11、門電路。這種電路被設(shè)計成阻止輸入電壓出現(xiàn)微小變化（低于某一閾值）而引起的輸出電壓的改變。利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于vt+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號。 當(dāng)輸入電壓由低向高增加，到達(dá)V+時，輸出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓Vi由高變低，到達(dá)V-，輸出電壓發(fā)生突變，因而出現(xiàn)輸出電壓變化滯后的現(xiàn)象，可以看出對于要求一定延遲啟動的電路，它是特別適用的. 從傳感器得到的矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變。當(dāng)傳輸線上的電容較大時，波形的上升沿將明顯變緩；當(dāng)傳輸線較長，而且接受端的阻抗與傳

12、輸線的阻抗不匹配時，在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；當(dāng)其他脈沖信號通過導(dǎo)線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號時，信號上將出現(xiàn)附加的噪聲。無論出現(xiàn)上述的那一種情況，都可以通過用施密特反相觸發(fā)器整形而得到比較理想的矩形脈沖波形。只要施密特觸發(fā)器的vt+和vt-設(shè)置得合適，均能收到滿意的整形效果。圖4.5 施密特觸發(fā)器圖4.6 施密特整形效果圖4、 多普勒雷達(dá)及其調(diào)理電路（1） 雷達(dá)測速原理及安裝 在列車底部安裝測速雷達(dá)，列車運行時，始終以一定的發(fā)射角向軌面發(fā)射電磁波，由于列車和軌面之間有相對運動，在雷達(dá)天線的徑向方向，會因列車的運動而產(chǎn)生一個速度分量，根據(jù)多普勒頻移效應(yīng)原理，在發(fā)射波

13、和反射波之間產(chǎn)生頻差，通過測量頻差可以計算出機車的運行速度。圖4.1 雷達(dá)測速原理（2） 雷達(dá)硬件系統(tǒng)設(shè)計圖4.2 雷達(dá)硬件系統(tǒng)設(shè)計圖1.雷達(dá)微波部分 微波模塊是將微波信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出的器件。若模塊和被測目標(biāo)之間產(chǎn)生徑向位移，接收頻率發(fā)生改變，模塊能夠檢測出發(fā)射頻率和接收頻率之間的差值，即差拍中頻信號，并將其以頻率電信號形式輸出。本設(shè)計選用的是NJR4211，發(fā)射頻率是24.15GHz，輸出功率為4mW，連續(xù)波工作模式。2.系統(tǒng)電源設(shè)計 本系統(tǒng)用到的電源有三種，如圖所示，必須有專門的電路來管理。其中，+5V電壓由外部電源提供。 +5V給單片機、微波模塊供電； +1.2V給DSP內(nèi)核供電；

14、+3.3V給外圍設(shè)備供電， 比如FLASH、FIFO、SDRAM。圖4.3 電源設(shè)計圖3.信號調(diào)理電路 來自雷達(dá)微波部分的模擬多普勒輸出需經(jīng)過濾波放大等處理才可以送入 A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本設(shè)計采用兩級運放來完成信號調(diào)理，采用12位的 A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7492進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。圖4.4信號調(diào)理電路圖4.5 AD轉(zhuǎn)換電路5、 單片機信號采集系統(tǒng)（1） 信號采集系統(tǒng)電路圖5.1 信號采集系統(tǒng)電路 AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。

15、AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。（2） 信號采集系統(tǒng)軟件流程圖圖5.2 信號采集系統(tǒng)軟件流程圖6、 結(jié)語 針對輪軸速度傳感器的測速精度隨著輪對的空轉(zhuǎn)滑行逐漸降低的問題， 采用輪軸 傳 感 器多普勒雷達(dá)加速度計構(gòu)成列車組合測速系統(tǒng)， 通過速度差檢測方法， 實現(xiàn)對列車空轉(zhuǎn)滑行的檢測。同 時， 建 立列車正常、 空轉(zhuǎn)、