光电信息关键技术研究应用性教学列车测速专业系统设计.doc

摘 要针对轮轴速 度 传 感 器 测 速 定 精 度 随 着 轮 对 空转滑行逐渐减少问 题， 通 过 分 析 定测速 传 感 器 误 差 特性， 采用多普勒雷达构成列车组合定位系统。结合 速度差检测列车与否发生空转滑行。建立列车正常状态、空转状 态、滑 行 状 态、不 可 信 状 态， 以 及 状 态之间转换数学模型， 对 列 车 发 生 空 转滑 行 之 后 速 度 和走行距离误差进行 计 算 补 偿。仿 真 结 果 表 明， 设 计 空 转滑行检测与校正模型可以有效检测列车与否发生空转滑行并对误差进行校正， 测速精度满足 车 载 （ 列 车 自 动防护） 精度规定， 达到了模型设计目。核心词 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当前广泛应用于列车测速定位系统测速测距设备， 但由于其与车轮相连， 直接受到车轮影响， 容易产生误差。误差来源重要涉及脉冲计数误差（ 车轮空转、滑行等导致） 和车轮磨损导致轮径减小两个方面。列车在运营过程中不可避免会浮现空转滑行， 导致轮轴传感器测速定位精度减少。如何减少空转滑行对测速定位影响， 是基于轮轴传感器列车定位办法必要要解决核心问题。随着列车运营控制技术发展， 新趋势是增强列车自主控制能力， 在减少或完全不依赖轨旁设备状况下， 由列车自身完毕定位参数测量并能保证列车运营安全。为了增强车载定位系统可靠性和自主定位能力， 引入其他类型传感器构成列车组合定位系统， 是实现列车高精度定位有效办法。在列车组合测速中， 可运用辅助传感器提供冗余定位信息对轮轴传感器测量参数进行实 时 修 正， 从 而 完 成 空 转滑行 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办法，对列车与否发生空转/打滑进行检测。当车轮转速不不大于列车速度时，判断列车为空转；当车轮转速不大于列车速度时，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，同步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，并设立报警装置，当发生空转/打滑时，做出报警，提示工作人员对列车行驶状况进行调节。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）是光电接近开关简称，它是运用被检测物对光束遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无。物体不限于金属，所有能反射光线物体均可以被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接受器再依照接受到光线强弱或有无对目的物体进行探测。图3.1 光电开关原理图（二） 光电开关选型 光电开关按构造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，由于传感器具备超小型和多品种特点，而放大器功能较多。因而，该类型采用端子台连接方式，并可交、直流电源通用。具备接通和断开延时功能，可设立亮、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物体。变化电源极性可转换亮、暗动，并可设立自诊断稳定工作区批示灯。兼有电压和电流两种输出方式，能防止互相干扰，在系统安装中十分以便。 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。它普通使用交流电源，合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。也可自行设立自诊断稳定工作区批示灯，输出备有SSR固态继电器或继电器常开、常闭接点，可防止互相干扰，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受器构成，构造上是两者互相分离，在光束被中断状况下会产生一种开关信号变化，典型方式是位于同一轴线上光电开关可以互相分开达50米。 特性：辨别不透明反光物体；有效距离大，由于光束跨越感应距离时间仅一次；不易受干扰，可以可靠适当使用在野外或者有灰尘环境中；装置消耗高，两个单元都必要敷设电缆。 漫反射型是当开关发射光束时，目的产生漫反射，发射器和接受器构成单个原则部件，当有足够组合光返回接受器时，开关状态发生变化，作用距离典型值普通到3米。特性：有效作用距离是由目的反射能力决定，由目的表面性质和和颜色决定；较小装配开支，当开关由单个元件构成时，普通是可以达到粗定位；采用背景抑制功能调节测量距离；对目的上灰尘敏感和对目的变化了反射性能敏感。 镜面反射由发射器和接受器构成状况是一种原则配备，从发射器发出光束在对面反射镜被反射，即返回接受器，当光束被中断时会产生一种开关信号变化。光通过时间是两倍信号持续时间，有效作用距离从0.1米至20米。特性：辨别不透明物体；借助反射镜部件，形成高有效距离范畴；不易受干扰，可以可靠适当使用在野外或者有灰尘环境中。 槽式光电开关普通是原则U字型构造，其发射器和接受器分别位于U型槽两边，并形成一光轴，当被检测物体通过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠适合检测高速变化，辨别透明与半透明物体。 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检测。普通光纤传感器分为对射式和漫反射式。 结合实际需求，咱们最后选取了OMRON E3Z-T61 型号光电传感器，其重要参数如下： 输出方式：NPN 对射型/放大器分离型 最大检测距离：15m原则检测物体：直径12mm以上不透明物体光电开关图3.2 OMRON光电传感器实物图（三） 测速原理在列车万向轴上安装一种测速齿轮，随着轴转动，光线不断通过和被遮挡，使光电接受器产生电脉冲。通过脉冲来测量轴转速，也即动车组速度v,再通过速度v对时间t积分得到动车组行车距离。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，但与普通触发器不同是，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输入信号，施密特触发器有不同阈值电压。 门电路有一种阈值电压，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状态将发生变化。施密特触发器是一种特殊门电路，与普通门电路不同，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过程中使电路状态发生变化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过程中使电路状态发生变化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，具备突变输入输出特性门电路。这种电路被设计成制止输入电压浮现微小变化（低于某一阈值）而引起输出电压变化。运用施密特触发器状态转换过程中正反馈作用，可以把边沿变化缓慢周期性信号变换为边沿很陡矩形脉冲信号。输入信号只要幅度不不大于vt+，即可在施密特触发器输出端得到同等频率矩形脉冲信号。 当输入电压由低向高增长，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，因而浮现输出电压变化滞后现象，可以看出对于规定一定延迟启动电路，它是特别合用. 从传感器得到矩形脉冲经传播后往往发生波形畸变。当传播线上电容较大时，波形上升沿将明显变缓；当传播线较长，并且接受端阻抗与传播线阻抗不匹配时，在波形上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其她脉冲信号通过导线间分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将浮现附加噪声。无论浮现上述那一种状况，都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较抱负矩形脉冲波形。只要施密特触发器vt+和vt-设立得适当，均能收到满意整形效果。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，列车运营时，始终以一定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，在雷达天线径向方向，会因列车运动而产生一种速度分量，依照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运营速度。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.雷达微波某些 微波模块是将微波信号转换为电信号输出器件。若模块和被测目的之间产生径向位移，接受频率发生变化，模块可以检测出发射频率和接受频率之间差值，即差拍中频信号，并将其以频率电信号形式输出。本设计选用是NJR4211，发射频率是24.15GHz，输出功率为4mW，持续波工作模式。2.系统电源设计 本系统用到电源有三种，如图所示，必要有专门电路来管理。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， 例如FLASH、FIFO、SDRAM。图4.3 电源设计图3.信号调理电路 来自雷达微波某些模仿多普勒输出需通过滤波放大等解决才可以送入 A/D进行转换。本设计采用两级运放来完毕信号调理，采用12位 A/D转换芯片AD7492进行数模转换。图4.4信号调理电路图4.5 AD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（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）低电压、高性能CMOS 8位微解决器，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单片机。单片机可擦除只读存储器可以重复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业原则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，ATMELAT89C51是一种高效微控制器，AT89C051是它一种精简版本。AT89C51单片机为诸多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉方案。 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、符号等点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位构成，每个点阵字符位都可以显示一种字符，每位之间有一种点距间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距作用，正由于如此因此它不能较好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示内容为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测速精度随着轮对空转滑行逐渐减少问题， 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， 通过速度差检测办法， 实现对列车空转滑行检测。同 时， 建 立列车正常、空转、滑行、不可信等四种运营状态以及状态之间转换数学模型， 对列车发生空转滑行后速度误差进行计算补偿。仿真成果表白， 在发生空转滑行状况下， 本文设计空转滑行误差校正模型测速误差达到了预期目。参照文献 张振兴 都市轨道交通中列车定位办法研究 北京： 北京交通大学， 周达天 基于多 传 感 器 信 息 融 合 列 车 定 位 方 法 研 究 北京： 北京交通大学， 乔超， 唐慧佳 列车里程计定 位 方 法 研 究 兰 州 铁 道 学 院学报， ， （ ） ： ， ， ： ，