信號(hào)系統(tǒng)車(chē)載測(cè)速測(cè)距傳感器處理單元設(shè)計(jì)

任遠(yuǎn)

（南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，工程師，江蘇 南京 211106）

信號(hào)系統(tǒng)車(chē)載測(cè)速測(cè)距傳感器處理單元設(shè)計(jì)

任遠(yuǎn)

（南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，工程師，江蘇 南京 211106）

提出一種供軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)使用的列車(chē)測(cè)速測(cè)距接口設(shè)備，旨在能與列車(chē)、軌旁的測(cè)速和定位的各種設(shè)備接口，獲取列車(chē)速度信息和位置信息，為軌道交通信號(hào)車(chē)載控制系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行控制提供必要的輸入。

軌道交通；信號(hào)系統(tǒng)；車(chē)載；測(cè)速測(cè)距；傳感器

10.13572/j.cnki.tdyy.2015.01.015

中國(guó)軌道交通設(shè)備主要依靠進(jìn)口，價(jià)格昂貴，在一定程度上限制了我國(guó)城市軌道交通系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大。自從實(shí)施城市軌道交通設(shè)備國(guó)產(chǎn)化政策實(shí)施以來(lái)，中國(guó)城軌列車(chē)國(guó)產(chǎn)化成績(jī)斐然，國(guó)產(chǎn)城軌列車(chē)、通信、信號(hào)等系統(tǒng)設(shè)備不斷涌現(xiàn)，自主創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)。全國(guó)各地紛紛掀起城市軌道交通建設(shè)高潮，國(guó)產(chǎn)軌道交通設(shè)備的市場(chǎng)需求大幅提升，為國(guó)內(nèi)的信號(hào)設(shè)備廠(chǎng)商提供了難得的機(jī)遇，市場(chǎng)前景廣闊〔1〕。為了滿(mǎn)足信號(hào)車(chē)載控制器對(duì)測(cè)速測(cè)距傳感器的采集處理要求，設(shè)計(jì)了一種地鐵信號(hào)系統(tǒng)車(chē)載測(cè)速測(cè)距單元，為信號(hào)車(chē)載控制系統(tǒng)的列車(chē)自動(dòng)防護(hù)和自動(dòng)運(yùn)行控制提供必要的輸入。

1 設(shè)備單元結(jié)構(gòu)及各模塊功能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的地鐵信號(hào)系統(tǒng)車(chē)載測(cè)速測(cè)距單元，主要包括：電源模塊、微處理器模塊、總線(xiàn)接口模塊、可編程器件模塊、傳感器接口模塊、隔離模塊、接口保護(hù)模塊、自檢模塊、熱插拔管理模塊。本列車(chē)測(cè)速測(cè)距傳感器處理單元的結(jié)構(gòu)框見(jiàn)圖1所示。

圖1 列車(chē)測(cè)速測(cè)距傳感器處理單元結(jié)構(gòu)框圖

1.1 電源模塊電源模塊把輸入的直流24 V電源轉(zhuǎn)變成5路彼此間相互隔離的直流5 V電源，其中3路直流5 V電源分別用于3路和由微處理器DSP、可編程器件FPGA組成的核心電路模塊，一路直流5 V電源用于給傳感器接口模塊供電，另一路直流5 V電源用于給總線(xiàn)接口模塊供電；電源模塊中采用24 V轉(zhuǎn)5 V的DC-DC模塊，輸入輸出間的隔離電壓達(dá)到1 600 VDC，具有良好的電氣隔離性能。

1.2 微處理器模塊微處理器模塊完成測(cè)速測(cè)距傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理，計(jì)算產(chǎn)生速度和列車(chē)位移信息，并按協(xié)議格式與外部設(shè)備通信。微處理器模塊采用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS 320 F 2812，外擴(kuò)256 K*16位RAM用于程序運(yùn)行數(shù)據(jù)的保存〔2〕。

1.3 總線(xiàn)接口模塊總線(xiàn)接口模塊用于實(shí)現(xiàn)本設(shè)備與外部總線(xiàn)的電氣接口；總線(xiàn)接口模塊可配置選擇CAN總線(xiàn)或者VME總線(xiàn)兩種總線(xiàn)接口方式。

1.4 傳感器接口模塊傳感器接口模塊實(shí)現(xiàn)與外部傳感器的接口，主要功能為將外部傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成DSP能夠識(shí)別的信號(hào)。傳感器接口模塊采集以下信號(hào)：

1）采集多路脈沖里程計(jì)傳感器方波信號(hào)，每?jī)陕贩讲ㄐ盘?hào)相位差90°〔3〕；

2）采集加速度傳感器信號(hào)，為模擬信號(hào)；

3）通過(guò)串行RS 422接口采集車(chē)載應(yīng)答器處理單元的應(yīng)答器檢測(cè)信息〔4〕；

4）通過(guò)串行RS485接口采集多普勒測(cè)速集雷達(dá)的速度位移信息。

1.5 可編程器件模塊可編程器件模塊實(shí)現(xiàn)微處理器DSP與外部總線(xiàn)的協(xié)議轉(zhuǎn)換?？删幊唐骷K采用FPGA可編程芯片，型號(hào)為：XC 3 S 200 AN-4，根據(jù)配置可完成SPI到CAN總線(xiàn)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，或者SPI到VME總線(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換。

1.6 隔離模塊隔離模塊實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的電氣隔離，包括與外部總線(xiàn)的電氣隔離和外部傳感器的電氣隔離。隔離模塊采用速度和性能更好的磁耦合隔離技術(shù)取代光耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)本設(shè)備與外部設(shè)備的電氣隔離，使用ANALOG公司的ADuM系列磁耦合芯片。

1.7 接口保護(hù)模塊接口保護(hù)模塊提高設(shè)備的抗干擾能力，減少設(shè)備故障，提高設(shè)備可用性。接口保護(hù)模塊選用放電管、TVS管、ESD管、自恢復(fù)保險(xiǎn)等元器件，實(shí)現(xiàn)浪涌、快速瞬變脈沖群、靜電放電等危害防護(hù)。

1.8 自檢模塊自檢模塊完成設(shè)備內(nèi)部自檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和報(bào)告設(shè)備故障。自檢功能由DSP（共有A、B、C 3個(gè)DSP模塊）輸出自己計(jì)算獲得速度值到另外2個(gè)微處理器模塊，同時(shí)接收另外2個(gè)微處理器模塊輸入的速度值，每個(gè)微處理器模塊將本身的速度值與另外2個(gè)速度值相比較，如果自身計(jì)算出的速度距離與另2個(gè)DSP計(jì)算出的速度距離均值超過(guò)一定范圍，則判定自身故障。

1.9 熱插拔管理模塊熱插拔管理模塊完成設(shè)備的熱插拔功能。熱插拔管理模塊，使用專(zhuān)門(mén)的熱插拔管理芯片實(shí)現(xiàn)設(shè)備的帶電插拔。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

列車(chē)測(cè)速測(cè)距接口設(shè)備是一種傳感器數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備。該設(shè)備通過(guò)接收并處理安裝在列車(chē)上的測(cè)速測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)，得到列車(chē)行駛的速度和距離信息，為車(chē)載控制器系統(tǒng)的超速防護(hù)和自動(dòng)運(yùn)行控制提供必要的輸入。同時(shí)，設(shè)備不停地監(jiān)測(cè)自身狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，立即向車(chē)載控制器發(fā)送報(bào)警信息。

測(cè)速測(cè)距傳感器處理單元通過(guò)處理車(chē)載應(yīng)答器處理單元的數(shù)據(jù)確定列車(chē)行駛在線(xiàn)路上的位置。在軌道線(xiàn)路上每間隔一定的距離配置安裝一個(gè)應(yīng)答器，當(dāng)列車(chē)駛過(guò)應(yīng)答器時(shí)可接收到應(yīng)答器的信息，每個(gè)應(yīng)答器的位置是已知確定的，從而可確定列車(chē)的準(zhǔn)確位置。

使用脈沖里程計(jì)傳感器來(lái)測(cè)量列車(chē)行駛速度，同時(shí)利用速度計(jì)算列車(chē)已經(jīng)行駛的距離，從而可確定列車(chē)行駛在兩個(gè)應(yīng)答器之間的位置。脈沖里程計(jì)傳感器輸出的脈沖頻率與列車(chē)車(chē)輪的角速度成比例，利用已知的車(chē)輪半徑可以實(shí)時(shí)計(jì)算列車(chē)速度〔5〕。

使用加速度計(jì)校準(zhǔn)列車(chē)車(chē)輪打滑和空轉(zhuǎn)時(shí)的列車(chē)速度，每列車(chē)每端配置3個(gè)加速計(jì)，三者為3取2冗余關(guān)系。

測(cè)速雷達(dá)也是用于校準(zhǔn)車(chē)輪打滑和空轉(zhuǎn)時(shí)的列車(chē)速度，測(cè)速雷達(dá)和加速度計(jì)可任選一種進(jìn)行配置。

列車(chē)的速度和位置信息數(shù)據(jù)通過(guò)3條獨(dú)立的總線(xiàn)向外傳送，與安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)的3取2冗系統(tǒng)相互配合。同時(shí)，采用總線(xiàn)方式與外界連接，也利于組成熱備冗余工作方式。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于CBTC的列車(chē)測(cè)速測(cè)距 傳感器處理單元通過(guò)與脈沖里程計(jì)、測(cè)速雷達(dá)、車(chē)載應(yīng)答器處理單元的接口，實(shí)現(xiàn)了測(cè)速測(cè)距信息的采集、處理、計(jì)算、表決、發(fā)送的全過(guò)程。列車(chē)速度信息和位置信息的獲取，為信號(hào)車(chē)載控制系統(tǒng)的列車(chē)自動(dòng)防護(hù)和自動(dòng)運(yùn)行控制提供必要的輸入。另外，本設(shè)備采用3取2冗余方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)采集和輸出，方便與3取2結(jié)構(gòu)的安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)設(shè)備接口，具有很高的安全性和可用性。

〔1〕曾小清,王長(zhǎng)林,張樹(shù)京.基于通信的軌道交通運(yùn)行控制〔M〕.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2007.

〔2〕孫明麗.TMS320F2812原理及其C語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)〔M〕.北京:清華大學(xué)出版社,2008.

〔3〕趙紅倫.軌道車(chē)輛結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)〔M〕.北京:中國(guó)鐵道出版社, 2009.

〔4〕吳汶麒.城市軌道交通信號(hào)與通信系統(tǒng)〔M〕.北京:中國(guó)鐵道出版社,1998.

〔5〕陳鋒華,劉嶺,徐松.基于通信的列車(chē)控制（CBTC）系統(tǒng)〔J〕.城軌交通,2004,27（5）:12-16.

U284.55

A

1006-8686（2015）043-02