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

1、.摘 要針對(duì)輪軸速 度 傳 感 器 的 測(cè) 速 定 精 度 隨 著 輪 對(duì) 的空轉(zhuǎn)滑行逐漸降低的問 題， 通 過 分 析 定測(cè)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(cè)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(duì) 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(jì) 算 補(bǔ) 償。仿 真 結(jié) 果 表 明， 設(shè) 計(jì) 的 空 轉(zhuǎn)滑行檢測(cè)與校正模型能夠有效檢測(cè)列車是否發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行并對(duì)誤差進(jìn)行校正， 測(cè)速精度滿足 車 載 （ 列 車 自 動(dòng)防護(hù)）

2、的精度要求， 達(dá)到了模型設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)速定位系統(tǒng)的測(cè)速測(cè)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(jì)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(gè)方面。列車在運(yùn)行過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)滑行， 導(dǎo)致輪軸傳感器測(cè)速定位精度降低。如何降低空轉(zhuǎn)滑行對(duì)測(cè)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(yùn)行控制技術(shù)的發(fā)展， 新的趨勢(shì)是增強(qiáng)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(cè)量并能保證列車運(yùn)行安全。為了增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)列車高精度定位的有效方法。在列車組合測(cè)速中， 可利用輔助傳感器提供的冗余定位信息對(duì)輪軸傳感器的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行實(shí) 時(shí) 修 正， 從 而 完 成 空 轉(zhuǎn)滑行 的 檢 測(cè) 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(cè)速傳感器構(gòu)成列車組合測(cè)速系統(tǒng)，結(jié)合光電傳感器測(cè)量車輪轉(zhuǎn)速和雷達(dá)傳感器測(cè)量列車速度兩種檢測(cè)方法，對(duì)列車是否發(fā)生空轉(zhuǎn)/打滑進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速大于列車速度時(shí)，判斷列車為空轉(zhuǎn)；當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速小于列車速度時(shí)，判斷列車為打滑。 光電開關(guān)傳感器測(cè)得數(shù)

4、據(jù)經(jīng)調(diào)理電路輸入單片機(jī)，同時(shí)雷達(dá)測(cè)速測(cè)得數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)，LED顯示為車輪轉(zhuǎn)速和列車速度作為數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并設(shè)置報(bào)警裝置，當(dāng)發(fā)生空轉(zhuǎn)/打滑時(shí)，做出報(bào)警，提醒工作人員對(duì)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(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)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(cè)。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。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(diǎn)，而放大器的功能較多。因此，該類型采用端子臺(tái)連接方式，并可交、直流電源通用。具有接通和斷開延時(shí)功能，可設(shè)置亮、音動(dòng)切換開關(guān)，能控制6種輸出狀態(tài)，兼有接點(diǎn)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(cè)狹小和高速運(yùn)動(dòng)的物體。改變電源極性可轉(zhuǎn)換亮、暗動(dòng)，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(qiáng)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(diǎn)，可防止相互干擾，并可緊密安裝在系統(tǒng)中。 按檢測(cè)方式可分為漫射式、對(duì)射式、鏡面反射式、槽式光電開關(guān)和.光纖式光電開關(guān) 對(duì)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號(hào)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?yàn)楣馐缭礁袘?yīng)距離的

7、時(shí)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(gè)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(shí)，目標(biāo)產(chǎn)生漫反射，發(fā)射器和接收器構(gòu)成單個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)部件，當(dāng)有足夠的組合光返回接收器時(shí)，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(gè)元件組成時(shí)，通常是可以達(dá)到粗定位；采用背景抑制功能調(diào)節(jié)測(cè)量距離；對(duì)目標(biāo)上的灰塵敏感和對(duì)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(duì)面的反射鏡被反射，即返回接收器，當(dāng)光束被中斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生一

8、個(gè)開關(guān)信號(hào)的變化。光的通過時(shí)間是兩倍的信號(hào)持續(xù)時(shí)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(cè)物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)到的開關(guān)量信號(hào)。槽式光電開關(guān)比較安全可靠的適合檢測(cè)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(shí)現(xiàn)被檢測(cè)物體不在相近區(qū)域的檢測(cè)。通常光纖傳感器分為對(duì)射式和漫反射式。 結(jié)合實(shí)際需求，我們最終選擇了OMRON E3

9、Z-T61 型號(hào)的光電傳感器，其主要參數(shù)如下： 輸出方式：NPN 對(duì)射型/放大器分離型 最大檢測(cè)距離：15m標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)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(shí)物圖（3） 測(cè)速原理在列車的萬向軸上安裝一個(gè)測(cè)速齒輪，隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(cè)量軸的轉(zhuǎn)速，也即動(dòng)車組的速度v,再通過速度v對(duì)時(shí)間t積分得到動(dòng)車組的行車距離。圖3.3 傳感器安裝示意圖（4） 信號(hào)調(diào)理電路 光電開關(guān)傳感器調(diào)理電路采用雙運(yùn)放放大電路，并采用施密特整形電路。圖4.4 信號(hào)調(diào)理電路 施密特觸發(fā)器也有兩個(gè)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(hào)電位維持；對(duì)于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號(hào)，施密特觸發(fā)器有不同的閾值電壓。 門電路有一個(gè)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(shí)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(gè)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(hào)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(hào)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(jì)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?zhàn)饔茫梢园堰呇刈兓徛闹芷谛孕盘?hào)變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號(hào)。輸入的信號(hào)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(hào)。 當(dāng)輸入電壓由低向高增加，到達(dá)V+時(shí)，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(duì)于要求一定延遲啟動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(hào)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(hào)時(shí)，信號(hào)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(cè)速原理及安裝 在列車底部安裝測(cè)速雷達(dá)，列車運(yùn)行時(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)，在雷達(dá)天線的徑向方向，會(huì)因列車的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生一個(gè)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(cè)量頻差可以計(jì)算出機(jī)車的運(yùn)行速度。圖4.1 雷達(dá)測(cè)速原理（2） 雷達(dá)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖4.2 雷達(dá)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖1.雷達(dá)微波部分 微波模塊是將微波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的器件。若模塊和被測(cè)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(cè)出發(fā)射頻率和接收頻率之間的差值，即差拍中頻信號(hào)，并將其以頻率電信號(hào)形式輸出。本設(shè)計(jì)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(jì) 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(jī)、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(jì)圖3.信號(hào)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(jì)采用兩級(jí)運(yùn)放來完成信號(hào)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(hào)調(diào)理電路圖4.5 AD轉(zhuǎn)換電路5、 單片機(jī)信號(hào)采集系統(tǒng)（1） 信號(hào)采集系統(tǒng)電路圖5.1 信號(hào)采集系統(tǒng)電路 AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)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(jī)。

15、AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)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(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)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?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@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(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。（2） 信號(hào)采集系統(tǒng)軟件流程圖圖5.2 信號(hào)采集系統(tǒng)軟件流程圖6、 結(jié)語 針對(duì)輪軸速度傳感器的測(cè)速精度隨著輪對(duì)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(jì)構(gòu)成列車組合測(cè)速系統(tǒng)， 通過速度差檢測(cè)方法， 實(shí)現(xiàn)對(duì)列車空轉(zhuǎn)滑行的檢測(cè)。同 時(shí)， 建 立列車正常、 空轉(zhuǎn)、