■ 李穎 魏世斌

軌道檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過多年的開發(fā)和應(yīng)用，已經(jīng)成為檢查軌道病害、指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)維修、保障行車安全的重要手段。列車正常運(yùn)行時(shí)有加速、減速和恒速3個(gè)狀態(tài)，軌道檢測(cè)系統(tǒng)必須能夠剔除列車運(yùn)行速度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)方式采用空間采樣信號(hào)。目前，高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)按0.25 m對(duì)傳感器進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，這樣列車運(yùn)行速度的變化不會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。適應(yīng)高速軌道檢測(cè)、實(shí)現(xiàn)等距離精確采樣和控制是檢測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

1 軌道檢測(cè)系統(tǒng)距離采樣原理

為實(shí)現(xiàn)等距離空間采樣，在列車軸頭安裝光電編碼器，通過其采集脈沖（見圖1）。編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)一周輸出固定的脈沖個(gè)數(shù)。通過速度與距離和脈沖的關(guān)系可測(cè)算光電編碼器的脈沖數(shù)量，并獲得等距離值。若光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)一周輸出脈沖數(shù)為M，設(shè)車輪直徑D（單位：m），則距離為L(zhǎng)（單位：m）等距離采樣時(shí)需要計(jì)算的脈沖數(shù)δ為：

軌道檢測(cè)系統(tǒng)中使用M=5 000轉(zhuǎn)光電編碼器，按照空間等距離L=0.25 m采集一次數(shù)據(jù)，無(wú)論列車以怎樣的速度運(yùn)行，只要準(zhǔn)確計(jì)量列車運(yùn)行0.25 m光電編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)δ，然后對(duì)傳感器進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過合成計(jì)算即可得到采樣位置的軌道幾何參數(shù)。列車高速運(yùn)行時(shí)，脈沖數(shù)頻率大大提高，準(zhǔn)確計(jì)算脈沖數(shù)、不產(chǎn)生丟失現(xiàn)象是重點(diǎn)研究的問題。

2 軌道檢測(cè)脈沖計(jì)數(shù)方法

隨著計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用，由計(jì)算機(jī)及其外圍接口插卡組成的應(yīng)用系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。檢測(cè)列車速度和位置時(shí)采用光電碼器與脈沖信號(hào)采集計(jì)數(shù)器卡相結(jié)合方式。在控制系統(tǒng)中，一般將碼盤信號(hào)經(jīng)光電隔離后送入信號(hào)采集卡進(jìn)行處理，采集及處理的過程對(duì)系統(tǒng)具有重要影響。實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，采用的計(jì)數(shù)器卡是一塊通用的具有計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和I/O功能的插卡，可用于各種信號(hào)采集和數(shù)字輸入輸出口的控制系統(tǒng)。采用PCI總線的4軸正交解碼器和計(jì)數(shù)器卡含有4個(gè)32-bit正交A、B相編碼計(jì)數(shù)器，帶多范圍時(shí)基選擇器的8-bit 定時(shí)器及4個(gè)隔離數(shù)字量輸入和輸出。

脈沖計(jì)數(shù)器卡每個(gè)通道都有一個(gè)增量編碼器的解碼電路，輸入類型是單端或差分。正交輸入是有索引和無(wú)索引的線性或旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)，電編碼器采用A相與B相相位差90°對(duì)脈沖計(jì)數(shù)（見圖2）。

最大正交輸入頻率為2 MHz，計(jì)數(shù)器模式下的最大輸入頻率為8 MHz，可對(duì)每個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行單獨(dú)置成A/B正交信號(hào)模式、脈沖/方向信號(hào)模式或正/反脈沖信號(hào)模式。每個(gè)通道都可接收數(shù)字量輸入，并作為旋轉(zhuǎn)編碼器的索引信號(hào)輸入或線性編碼器的原點(diǎn)感應(yīng)開關(guān)信號(hào)輸入。在使用特定的數(shù)字量輸入口、計(jì)數(shù)器正向溢出/反向溢出、高于/低于比較值或設(shè)定時(shí)間間隔產(chǎn)生中斷時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)器卡可向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出中斷信號(hào)。在0.02～51 s內(nèi)，計(jì)數(shù)器可對(duì)用戶設(shè)定任何時(shí)間間隔連續(xù)產(chǎn)生中斷。通過中斷能夠監(jiān)測(cè)到檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

3 軌道檢測(cè)同步采集控制

圖1 光電編碼器脈沖采集

在高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)中，列車上安裝了很多傳感器，還有激光攝像圖像處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)同步采集是重點(diǎn)研究的問題。經(jīng)過大量研究與實(shí)驗(yàn)，以及多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，采用脈沖計(jì)數(shù)器卡，其可提供4個(gè)數(shù)字量輸出通道，每個(gè)通道可接收平常TTL輸出的數(shù)字量輸出。當(dāng)脈沖數(shù)記錄到δ個(gè)時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)向激光攝像計(jì)算機(jī)發(fā)出高電平信號(hào)，接收信號(hào)后，激光攝像計(jì)算機(jī)向數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)發(fā)送經(jīng)過計(jì)算后的單邊軌距數(shù)據(jù)，以供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行合成計(jì)算。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)對(duì)在AD采集卡上獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次采集，通過脈沖計(jì)數(shù)值達(dá)到δ個(gè)，將采集的所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行合成，達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集同步控制（見圖3）。

在通常脈沖計(jì)數(shù)法中，計(jì)數(shù)器在閘門時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。普通脈沖計(jì)數(shù)器只能輸出整數(shù)脈沖，測(cè)量出的脈沖信號(hào)頻率存在較大的量化誤差（±1）。降低脈沖計(jì)數(shù)量化誤差的途徑主要有測(cè)周期法、鎖相環(huán)技術(shù)及脈沖零頭計(jì)數(shù)技術(shù)等方法。測(cè)周期法和鎖相環(huán)技術(shù)不能從根本上消除脈沖計(jì)數(shù)的±1誤差；測(cè)出脈沖零頭數(shù)Δnq，i和Δnq，i＋1，即可避免±1誤差，降低脈沖計(jì)數(shù)的量化誤差。

通過高精度高頻率的時(shí)鐘信號(hào)，測(cè)量脈沖零頭所持續(xù)的時(shí)間δτ，并與待測(cè)脈沖周期τx進(jìn)行比對(duì)，估算脈沖零頭：

測(cè)量時(shí)間δτ為測(cè)量該段時(shí)間內(nèi)時(shí)鐘信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)。為滿足實(shí)時(shí)性要求，通過計(jì)數(shù)器脈沖和時(shí)鐘信號(hào)控制累加器與寄存器以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)目的。用光電編碼器脈沖的上升沿觸發(fā)累加器A，即在每個(gè)光電編碼器脈沖A相與B相相差90°的情況下觸發(fā)累加器加1，用時(shí)鐘信號(hào)的上升沿觸發(fā)累加器B，累加器A和B在計(jì)數(shù)滿值（溢出）時(shí)自動(dòng)清零，重新開始計(jì)數(shù)，如此循環(huán)不斷。脈沖計(jì)數(shù)誤差消除方法見圖4，圖中第i個(gè)（i=1、2…N，N為自然數(shù)）閘門的累加器數(shù)值A(chǔ)i、B1，i、B2，i、B3，i和第i+1個(gè)閘門的累加器數(shù)值A(chǔ)i＋1、B1，i＋1、B2，i＋1、B3，i＋1為待測(cè)脈沖。測(cè)量脈沖零頭持續(xù)時(shí)間δτ為測(cè)量該段時(shí)間內(nèi)已知頻率的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)，即該段時(shí)間起點(diǎn)和終點(diǎn)的累加器B計(jì)數(shù)值之差。測(cè)量待測(cè)脈沖周期τx為測(cè)量陀螺信號(hào)相鄰2個(gè)脈沖之間的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)，即相鄰2個(gè)陀螺脈沖處累加器B計(jì)數(shù)值之差。在第i個(gè)閘門的脈沖零頭為：

第i+1個(gè)閘門的脈沖零頭為：

第i到第i+1個(gè)閘門脈沖的計(jì)數(shù)值為：

在列車高速運(yùn)行條件下，采用脈沖數(shù)精準(zhǔn)技術(shù)對(duì)光電編碼器脈沖準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)同步采樣控制。

圖2 光電編碼器對(duì)脈沖計(jì)數(shù)

圖3 數(shù)據(jù)采集同步控制

圖4 脈沖計(jì)數(shù)誤差消除方法

4 結(jié)束語(yǔ)

高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)精確控制技術(shù)是檢測(cè)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)之一，脈沖計(jì)數(shù)準(zhǔn)確和同步控制方法需要不斷改進(jìn)和提升。采用脈沖計(jì)數(shù)誤差消除方法可精確實(shí)時(shí)測(cè)量光電編碼器輸出的脈沖數(shù)，并同步控制時(shí)鐘信號(hào)，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，提高軌道檢測(cè)系統(tǒng)性能。

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