基于單片機的鐵路道口報警系統(tǒng)設(shè)計

孫鵬宇，魏立明，何佳旺

（吉林建筑大學(xué)電氣與計算機學(xué)院，吉林 長春 130118）

0 引言

伴隨著科技的發(fā)展、生活節(jié)奏速度的加快，快速便捷的交通能力不斷提高，現(xiàn)代交通運輸在生活中扮演的角色越來越重要。尤其是在鐵路部門，其運輸與水路、公路與航空等部門相比，不僅方便快捷，且全天運營、容量大，并有著較低的運輸成本。因此，鐵路運輸作為一種安全、快速的運輸方式受到大眾的青睞。然而，需要注意的是，如果忽視了鐵路的安全保障工作，來往的車輛、行人可能與行駛中的列車發(fā)生交通事故，會對人們的生命和財產(chǎn)安全造成重大的損失。因此，行人、汽車、列車應(yīng)有序通行，進行安全預(yù)防工作尤為重要。鐵路平交道口，實際上是公路和鐵路的匯合點。因此，往來的車輛、行人很容易與行駛中的火車發(fā)生碰撞，因此必須讓火車、汽車、行人和其他交通工具有條不紊地參與到交通行為中，以確保生命和財產(chǎn)的安全，交通暢順。

1 系統(tǒng)簡介及工作原理

1.1 系統(tǒng)簡介

整個系統(tǒng)的設(shè)計過程可以根據(jù)預(yù)先計算出的距離在鐵路軌道的特定位置處安裝傳感器。如果列車將要經(jīng)過路口，需要提前60 s～100 s發(fā)出聲、光的預(yù)報警信號，可以在列車到達之前發(fā)出警報信號。能夠提醒車輛和行人，保障他們的安全。為起到警示作用，一般將信號設(shè)計成雙光模式[1]。比如，綠燈狀態(tài)下代表沒有車輛接近，交叉路口通常是打開的，可以通行。紅燈狀態(tài)代表有車輛正在接近，此時禁止行人通行與車輛過往。這樣既便于控制交叉口的開啟，也方便鐵路道口的管理，并且可以快速有效地確保人員的安全。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.2 系統(tǒng)的工作狀態(tài)

整體設(shè)計過程中力求節(jié)約資源、行之有效。作為重中之重的傳感器系統(tǒng)，當(dāng)交叉口房間的上位機系統(tǒng)檢測到外來信號傳入時，工作人員能夠接收到接近車輛的信息，從而實現(xiàn)自動報警功能，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作的狀態(tài)示意圖

在整個系統(tǒng)工作流程中，需要預(yù)先設(shè)計好基本圖紙、明確各部分的功能，以及對應(yīng)信息的儲存位置。在這里，要考慮鐵軌上傳感器部分，需要將系統(tǒng)主機安裝在房間里，注意傳感器與系統(tǒng)主機之間的距離。

1.3 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

本系統(tǒng)涉及的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

當(dāng)列車以某一指定速度經(jīng)過傳感器時，在傳感器處會產(chǎn)生1個一定強度的脈沖信號，在示波器處會產(chǎn)生2個固定頻率的輸出波形。等列車通過后，在相反的軌道上重復(fù)此過程。實驗結(jié)果如圖3～圖4所示。

從圖3～圖4中可以發(fā)現(xiàn)，本文的設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠達到預(yù)期的效果。在后期施工過程中，系統(tǒng)可以自由切換方式來選擇報警的方向。

圖3 左側(cè)軌道傳感器脈沖圖

圖4 右側(cè)軌道傳感器脈沖圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器選擇依據(jù)

本設(shè)計過程中所選用凸極磁電跟蹤傳感器，傳輸速度快，信號轉(zhuǎn)換效率高，供電電壓是12 V，輸出信號是電壓。一般軌道傳感器多采用速度信號，傳輸速度慢，信號可靠性低,而且在取樣速度比較快的同時會容易產(chǎn)生多余的輸出信號,這樣就可能會大大降低系統(tǒng)的信號精準(zhǔn)分辨率和信號靈敏度[2]。此傳感器能夠改善一般軌道傳感器中存在的信號在傳播中斷時的中斷現(xiàn)象；而且在遭遇極端天氣時，能夠避免出現(xiàn)像傳統(tǒng)傳感器的信號輸出效率低下，及傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損現(xiàn)象。在傳統(tǒng)軌道傳感器的設(shè)計基礎(chǔ)上，需要進一步完善和優(yōu)化，使該傳感器能夠完善其余各類傳統(tǒng)軌道傳感器存在的缺陷。而磁電式傳感器的磁極為一個凸出極式磁電結(jié)構(gòu),且磁極中心底部設(shè)有半密封極結(jié)構(gòu)凸極磁鐵芯。且具有良好的防風(fēng)雨雷電檢測性能和比較高的信號靈敏度,即使在遭遇風(fēng)雨雷電等各種惡劣條件下,也依然能非常精準(zhǔn)、準(zhǔn)時地高速輸出有效信號。傳感器的工作原理主要有以下2點。

圖5 電壓與速度的關(guān)系

2）感應(yīng)信號電壓E和工作間距H的變化趨勢如圖6所示。

圖6 感生信號電壓與工作間隙的關(guān)系

2.2 傳感器安裝及使用方法

為確保整個系統(tǒng)能夠安全準(zhǔn)確地運行，不僅在傳感器選擇上具有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，對于傳感器的安裝和使用方法也要有嚴(yán)格的要求。因為如果在安裝位置上出現(xiàn)問題，將很有可能影響到最終的檢測結(jié)果，甚至造成不必要的危險和傷亡[3]。所以，為保證傳感器能安全穩(wěn)定工作，結(jié)合傳感器自身及鐵路的實際情況，其安裝過程應(yīng)考慮以下幾個因素。

首先，車輛踏面允許的最大范圍應(yīng)為9 mm，達此限度的車輪踏面將不可以再使用；其次，車輛輪沿高度25 mm，機車輪沿高度為28 mm。在實際設(shè)計和應(yīng)用過程中，需要考慮的是：傳感器應(yīng)用必須安全無風(fēng)險、無不良后果。且滿足信息傳輸效率和準(zhǔn)確率達到一定標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)因素。系統(tǒng)在設(shè)計過程中應(yīng)使傳感器面距離鐵軌面的高度為37 mm；在沒有機動車輛及重型車輛行走的情況下，此高度可調(diào)整為34 mm。

傳感器的具體安裝：由于整個系統(tǒng)硬件電路主要是由單片機控制實現(xiàn)的。而單片機系統(tǒng)則需由觸發(fā)信號算出火車的行駛速度，所以結(jié)合物理知識，為了便于測量和計算，將觸發(fā)端設(shè)計成2個傳感器并排放置的形式?？梢栽O(shè)定2個傳感器之間的距離長度為s，并由2個脈沖之間的間隔便可借助軟件計算出速度。設(shè)系統(tǒng)檢測到車輪通過2個傳感器所用時間為t，則列車接近速度為v=s/t。

當(dāng)火車已到達道口后，系統(tǒng)不需要繼續(xù)發(fā)出警報，只需在道口安裝一個復(fù)原端傳感器即可。本系統(tǒng)采用一只磁電式傳感器便可實現(xiàn)?；疖嚨降揽?，即通過傳感器給系統(tǒng)1個脈沖信號，系統(tǒng)收到信號，即可停止警告，與此同時，完成了整個過程。傳感器設(shè)計和安裝部分基本完成。觸發(fā)、復(fù)原傳感器如圖7～圖8所示。

圖7 觸發(fā)傳感器實物照片

圖8 復(fù)原傳感器實物照片

2.3 信號處理電路設(shè)計

在系統(tǒng)的運行處理過程中，此時若有一班列車再次靠近并經(jīng)過列車傳感器時,傳感器中所傳遞的信號往往不是單一的列車信號,可能只是混雜了具有干擾性的信息。只有對其中有用信息信號篩選處理,才能夠使其供正常應(yīng)用程序模塊使用，否則系統(tǒng)會有礙于下一步的運行。系統(tǒng)信號處理電路的執(zhí)行功能有以下幾點：①分離組合信號，形成脈沖信號；②準(zhǔn)時地對車輪信號中所包含的一系列抖動干擾信號作出有效的濾波；③分離出復(fù)合信號中包含的故障信號；④對復(fù)合模擬信號中有用的車輪信號進行分離處理，并將其整合為脈沖信號；⑤為了便于對設(shè)備的維護,應(yīng)當(dāng)配置1個處理電路的自檢和控制裝置及1個信號顯示器[4]。

每個信號的接口通道的組成分為：中斷控制邏輯、信號調(diào)節(jié)電平、光電隔離電平、鎖存門電平和信號輸入電平。凸極磁電跟蹤傳感器的輸出：9管腳；輸出信號：15管腳、16管腳。信號處理電路圖如圖9所示。

圖9 信號處理電路圖

2.4 系統(tǒng)主電路設(shè)計

ARM芯片作為目前主流的嵌入式系統(tǒng)芯片，運算速度快、信號轉(zhuǎn)化效率高。其核心分為14個系列，可細分為100種子系列。作為列車終端的主控芯片，一般需要考慮以下幾個方面：①芯片的運行速度；②主控芯片與模塊硬件的接口。綜合考慮上述2個方面，列車運輸終端的主控制器芯片主要設(shè)計主要采用STM32F103臂式意法半導(dǎo)體芯片，該芯片信號處理速度快，運行時間短，價格便宜，且開發(fā)周期短。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

為了使整體設(shè)計思路更加清晰明了，軟件設(shè)計過程大致包括4個部分：①軟件設(shè)備的初始化；②設(shè)備自我檢測及斷線檢測；③接入鍵盤管理；④列車接近時，報警系統(tǒng)的自我檢測。

3.2 列車通過復(fù)原流程設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，要求在列車完全通過軌道交叉道口后，各個部分的設(shè)備需要重新恢復(fù)正常工作狀態(tài)。當(dāng)兩列快速列車同時或間斷通過時，由4#和5#兩個列車檢測點檢測并駛向鐵路的交叉口,列車過后，4#和5#兩個檢查站同時恢復(fù)列車警報。同時，4#也可能需要負責(zé)同時恢復(fù)1#點和檢測點的相關(guān)報警控制信號。到目前為止，只有整個報警系統(tǒng)正式完成報警功能。十字路口的邏輯框圖見圖10所示。

圖10 道口平面邏輯圖

由于1#，5#兩個實時檢測點不能同時連接檢測一輛來車,所以將這兩個點均重新定義以作為能連接到檢測來車的實時報警點。圖11中14#點分別定義了作為一輛列車接收到兩個信號同時報警的兩個復(fù)原對等點,4#點被分別定義為1輛發(fā)車同時接受2次報警的2個復(fù)原對等點,15#點分別定義了作為1輛發(fā)車同時接受2次報警的2個復(fù)原對等點[5]。為完整數(shù)據(jù)恢復(fù)，重新定義每個檢查點的原因是4#，5#，14#，15#為檢查點內(nèi)的范圍。14#是觸發(fā)傳感器，檢測到列車觸發(fā)為1#，按流程圖向下進行；工作標(biāo)，是判斷確認，同時檢測到為1#，執(zhí)行對應(yīng)操作，如圖11所示。

圖11 軟件復(fù)原流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 實驗系統(tǒng)驗證調(diào)試

為了使該系統(tǒng)在現(xiàn)場完成安裝之后能夠穩(wěn)定地運行,需要做到在模擬仿真或者到現(xiàn)場進行安裝調(diào)試之前,在實驗室里對該系統(tǒng)進行大量的測試準(zhǔn)備。為了檢測到模擬列車通過時由于車輪傳感器向其發(fā)出的脈沖信號,需要針對各個道口所有車輛通過的實際路段線和信號采樣地點的差異,研發(fā)出一種新型的模擬信號控制板和試驗?zāi)K,信號處理模塊采用的是HJR101-模擬信號控制板，如圖12～圖13所示。

圖12 信號實驗板

圖13 控制板電路

4.2 系統(tǒng)模擬運行

在進行實驗的整個過程中,將看到模擬觸發(fā)脈沖傳感器的1個控制按鍵被自動關(guān)閉后,就可能會向控制系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)出1個模擬脈沖控制信號。所以每次按下1個模仿火車軌道傳感器的按鈕,系統(tǒng)就會自動使得火車上只有經(jīng)過了1個模擬線路復(fù)原后的傳感器,系統(tǒng)自動模擬，并停止向列車發(fā)送報警信號。設(shè)置后可以顯示當(dāng)時的時間，相當(dāng)于數(shù)字鐘的功能，如圖14所示,系統(tǒng)實驗電路如圖15所示。

圖14 數(shù)字顯示

圖15 系統(tǒng)實驗電路

圖14中上排的00:05:49，表示開機5 min49 s；下排的02:098:054，表示第二道來車，來車速度98 km/h，經(jīng)54 s到達道口。

5 結(jié)論

本設(shè)計能夠很好與鐵路道口的視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，充分發(fā)揮視頻監(jiān)控的針對性和實用性。將該系統(tǒng)與鐵路道口的電網(wǎng)連接，實現(xiàn)來車報警與道口關(guān)閉2種功能之間的完美結(jié)合。特別是在某些大霧等低能見度天氣情況下，能充分體現(xiàn)出該系統(tǒng)的優(yōu)點，減少某些交通事故的發(fā)生，是保障鐵路運營和車輛、行人基本安全的有效措施。