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        車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別地面裝置的設(shè)計(jì)及探究

        2013-09-12 12:02:24周文波
        電子測(cè)試 2013年9期
        關(guān)鍵詞:車(chē)號(hào)磁鋼自動(dòng)識(shí)別

        周文波

        (沈陽(yáng)鐵路局科研所,遼寧 沈陽(yáng) 110013)

        1 系統(tǒng)概述

        鐵路車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)是鐵路運(yùn)輸信息化的重要組成部分,系統(tǒng)的基本功能是在列車(chē)以小于160KM/H速度運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)采集列車(chē)運(yùn)行的基本信息如車(chē)輛的屬性、車(chē)型、車(chē)號(hào)、車(chē)種,車(chē)速等信息。系統(tǒng)設(shè)備分為車(chē)上標(biāo)簽和車(chē)下地面識(shí)別裝置。每輛機(jī)車(chē)或貨車(chē)車(chē)底安裝電子標(biāo)簽,在需要讀取車(chē)號(hào)的地方安裝地面識(shí)別系統(tǒng),當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)地面識(shí)別系統(tǒng)時(shí),地面識(shí)別系統(tǒng)采用微波射頻技術(shù),自動(dòng)識(shí)別車(chē)輛電子標(biāo)簽信息,標(biāo)簽信息存儲(chǔ)在本地設(shè)備上,需要時(shí)通過(guò)GPRS或者串口傳輸給上位機(jī)。為鐵路運(yùn)輸指揮和貨車(chē)管理提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的列車(chē)信息。

        2 系統(tǒng)功能分析

        系統(tǒng)具備以下功能:

        2.1 列車(chē)標(biāo)簽讀取功能

        當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)地面采集識(shí)別裝置系統(tǒng)時(shí),車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)可以對(duì)列車(chē)的標(biāo)簽進(jìn)行撲捉及讀取。系統(tǒng)可以在低車(chē)速的一定范圍內(nèi)穩(wěn)定讀取車(chē)號(hào)的功能同時(shí)可以判斷列車(chē)是否通過(guò)的功能。

        2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

        車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)采集到列車(chē)數(shù)據(jù)時(shí),同步在本地存儲(chǔ)卡上存儲(chǔ)數(shù)據(jù),防止數(shù)據(jù)直接傳輸發(fā)生錯(cuò)誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

        2.3 數(shù)據(jù)傳輸功能

        車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)附加接口(RS232、RS485、RJ45以太網(wǎng)、GPRS),可以在需要時(shí)選擇不同的數(shù)據(jù)傳輸方式。

        2.4 適應(yīng)全天候的工作環(huán)境

        由于車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)是安裝在室外的裝置,所有系統(tǒng)應(yīng)具備很強(qiáng)的適應(yīng)性及穩(wěn)定性,適應(yīng)酷熱嚴(yán)寒雨雪等極端天氣。

        3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        3.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

        車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)是一種鐵路貨車(chē)和機(jī)車(chē)電子標(biāo)簽讀出裝置,由主機(jī)、天線、車(chē)輪傳感器(磁鋼)等三部分組成。

        ①天線發(fā)射微波信號(hào)并接收標(biāo)簽反射回來(lái)的調(diào)制信號(hào),天線承受的荷載應(yīng)大于4.9KN,抗震動(dòng)沖擊應(yīng)符合GJB-150-1986的有關(guān)規(guī)定。天線技術(shù)性能符合以下要求 a.增益小于9.6dB b.電壓駐波比不大于1.5 c.半功率束寬120°(E面)45°(H面)

        ②車(chē)輪傳感器(磁鋼)起到探測(cè)列車(chē)到來(lái)的作用,當(dāng)機(jī)車(chē)速度小于160KM/H時(shí)通過(guò)磁鋼對(duì)車(chē)輪的感應(yīng)開(kāi)啟主機(jī)電源,自動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉功放。在不工作時(shí),可以把功放關(guān)閉,以減少對(duì)環(huán)境和工作人員的微波輻射。

        ③主機(jī)內(nèi)包含線性電源、射頻組件的解碼板和磁鋼板、PC104控制板等部件。主機(jī)自動(dòng)判斷內(nèi)部溫度控制冷卻風(fēng)扇的啟停,不需人工干預(yù)。系統(tǒng)設(shè)置保護(hù)電路,在未接天線時(shí)打開(kāi)功放,也不會(huì)燒毀檢波電路。

        3.2 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

        系統(tǒng)設(shè)計(jì)三種通訊協(xié)議,適應(yīng)不同的使用要求。

        ①實(shí)時(shí)解碼、實(shí)時(shí)采集車(chē)輪傳感器信息,然后實(shí)時(shí)上傳,即當(dāng)標(biāo)簽在讀取區(qū)域時(shí)不斷的進(jìn)行解碼并通過(guò)串口實(shí)時(shí)輸出標(biāo)簽信息,并實(shí)時(shí)上傳采集的車(chē)輪傳感器通過(guò)時(shí)間信息;

        ②當(dāng)列車(chē)通過(guò)后,將列車(chē)的車(chē)號(hào)信號(hào)和車(chē)輪時(shí)間信息生成報(bào)文再通過(guò)串口上傳;

        ③實(shí)時(shí)解碼車(chē)號(hào)標(biāo)簽,通過(guò)串口以固定的115200波特率上傳。

        這三種協(xié)議可以根據(jù)實(shí)際使用要求進(jìn)行選譯。

        4 系統(tǒng)原理及詳細(xì)設(shè)計(jì)

        4.1 鐵路車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)的組成原理

        其中天線水平安裝于鐵軌中間,天線通過(guò)射頻電纜與車(chē)號(hào)主機(jī)相連。車(chē)輪傳感器安裝在專(zhuān)用夾具上,然后夾具通過(guò)螺栓安裝于鐵軌底部。車(chē)號(hào)主機(jī)通常安裝于室內(nèi)。

        板狀天線是一個(gè)定向極化天線,讀取范圍120度,駐波比<1.4,在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電磁波的射和標(biāo)簽信號(hào)接收的功能。

        射頻源產(chǎn)生射頻信號(hào),經(jīng)功率放大電路向外發(fā)射射頻信號(hào)。功率放大電路可通過(guò)控制端控制功率放大電路的開(kāi)關(guān)。接收到的標(biāo)簽信號(hào)經(jīng)檢波電路傳至信號(hào)調(diào)理電路。為防止輸出接口開(kāi)路燒毀檢波電路,射頻組件設(shè)計(jì)了保護(hù)電路。

        信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)檢波信號(hào)調(diào)理功能,將信號(hào)幅值調(diào)整到與解碼板相兼容的范圍內(nèi)。解碼板是本系統(tǒng)的核心,完成車(chē)號(hào)解碼的功能,完成功放控制功能,完成與上位機(jī)通訊的功能,接收功放控制指令、傳輸解碼后的標(biāo)簽信息功能。

        磁鋼板通過(guò)接收車(chē)輪到達(dá)的信息,然后將電信號(hào)放大濾波,轉(zhuǎn)變?yōu)?2v的數(shù)字I/O量傳遞到解碼板中。

        4.2 車(chē)輪傳感器分布設(shè)計(jì)

        將車(chē)輪傳感器安裝于靠近車(chē)號(hào)機(jī)柜一側(cè)的鐵軌上,其中1號(hào)傳感器與天線平行安裝,2號(hào)傳感器安裝在1號(hào)傳感器相鄰的軌枕空隙中,3號(hào)傳感器于1號(hào)傳感器相距5米安裝,4號(hào)傳感器與2號(hào)傳感器相距5米安裝。其示意圖如2。列車(chē)方向是根據(jù)列車(chē)如果先到達(dá)1號(hào)傳感器或3號(hào)傳感器,則列車(chē)為向左行駛;如果先到達(dá)2號(hào)傳感器或4號(hào)傳感器,則列車(chē)為向右行駛。其中如果需要識(shí)別機(jī)車(chē)標(biāo)簽,則需要3和4號(hào)磁鋼,用于打開(kāi)射頻功放,如不需要機(jī)車(chē)標(biāo)簽,則不需要。1號(hào)傳感器用于識(shí)別列車(chē)類(lèi)型,如貨車(chē)或者機(jī)車(chē)。2號(hào)傳感器用于識(shí)別列車(chē)方向。

        磁鋼依其作用可將其分為開(kāi)關(guān)機(jī)磁鋼,計(jì)軸判輛磁鋼(開(kāi)門(mén),關(guān)門(mén)磁鋼對(duì))。

        車(chē)輪傳感器分布框圖如下:

        4.3 車(chē)號(hào)識(shí)別面板設(shè)計(jì)圖如下

        圖1 鐵路車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)原理框圖

        圖2 車(chē)輪傳感器分布示意圖

        圖3 車(chē)號(hào)識(shí)別面板設(shè)計(jì)圖

        主機(jī)的后面板有電源開(kāi)關(guān)、電源插座、串口1、串口2、天線接口和風(fēng)扇。電源插座內(nèi)含保險(xiǎn),并有一只備用保險(xiǎn)。背板上兩串口分別實(shí)現(xiàn)兩種通訊協(xié)議。天線接口通過(guò)射頻電纜聯(lián)接天線。電源插座接入220VAC±10%。風(fēng)扇會(huì)根據(jù)主機(jī)內(nèi)溫度自動(dòng)啟停,高于20℃時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟,低于20℃時(shí)自動(dòng)停止。當(dāng)環(huán)境溫度高于65℃時(shí)自動(dòng)停機(jī),避免主機(jī)過(guò)熱損壞。

        功放可以通過(guò)串口指令打開(kāi)和關(guān)閉,對(duì)于帶有數(shù)字I/O控制的主機(jī),功放也可以通過(guò)車(chē)輪傳感器打開(kāi)。功放打開(kāi)后延時(shí)一段時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉。在功放打開(kāi)狀態(tài)下,如果再次收到“功放打開(kāi)”的指令,或收到車(chē)輪傳感器的車(chē)輪信號(hào),延時(shí)時(shí)間重新計(jì)時(shí)。對(duì)于帶有數(shù)字I/O的車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng),可以接4路車(chē)輪傳感器,并根據(jù)車(chē)號(hào)傳感器的信號(hào)自動(dòng)控制功放的開(kāi)關(guān)。車(chē)輪傳感器可以用磁鋼,也可以用接近開(kāi)關(guān)。如果您需要在每側(cè)安裝多于一只接近開(kāi)關(guān),直接并聯(lián)即可。對(duì)于用接近開(kāi)關(guān)的情況,傳感器供電電壓12V,最大輸出電流1A。

        4.4 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)主機(jī)串口1實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議1和通訊協(xié)議2。串口2實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議3。系統(tǒng)上電時(shí)功放為關(guān)閉狀態(tài)??梢酝ㄟ^(guò)串口指令打開(kāi)或關(guān)閉功放。當(dāng)功放打開(kāi)后,30分鐘內(nèi)未收到關(guān)閉功放指令,功放可以自動(dòng)關(guān)閉。如果在此期間內(nèi)再次收到“打開(kāi)功放”指令,重新開(kāi)始計(jì)時(shí)。

        串口1波特率默認(rèn)設(shè)置為19200。串口1波特率可以通過(guò)軟件方便的進(jìn)行設(shè)置,車(chē)號(hào)主機(jī)可以記憶設(shè)置的參數(shù),斷電不丟失。串口2波特率固定為115200,不能設(shè)置。

        ①具備實(shí)時(shí)性的通信協(xié)議設(shè)計(jì):

        該協(xié)議通過(guò)判斷車(chē)輪傳感器自動(dòng)識(shí)別列車(chē)到達(dá)和離開(kāi)讀取設(shè)備,然后打開(kāi)或關(guān)閉功放。當(dāng)列車(chē)到達(dá)后,天線開(kāi)始發(fā)射電磁波,讀取車(chē)號(hào)標(biāo)簽信息和車(chē)輪通過(guò)時(shí)間信息。當(dāng)識(shí)別到車(chē)號(hào)標(biāo)簽信息和車(chē)輪時(shí)間信息后,立即通過(guò)串口上傳標(biāo)簽信息和車(chē)輪。當(dāng)列車(chē)駛離后或者超過(guò)默認(rèn)延遲時(shí)間后,設(shè)備自動(dòng)關(guān)閉功放,回到初始狀態(tài),等待下一次“打開(kāi)功放”指令。本協(xié)議不但中含有標(biāo)簽的全部信息,還含有標(biāo)簽序號(hào)信息,每個(gè)標(biāo)簽讀取次數(shù)的信息和車(chē)輪時(shí)間新,

        ②具備存儲(chǔ)性的通信協(xié)議設(shè)計(jì):

        本協(xié)議對(duì)車(chē)號(hào)用戶系統(tǒng)的CPU資源消耗較小。車(chē)號(hào)系統(tǒng)在收到車(chē)號(hào)標(biāo)簽信息后不會(huì)立即上傳,而是保存在系統(tǒng)的緩沖區(qū)中,等列車(chē)駛離或者超過(guò)規(guī)定延遲時(shí)間后,生成報(bào)文再上傳給用戶。

        5 結(jié)論

        該車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)地面裝置通過(guò)使用先進(jìn)的軟硬件的設(shè)計(jì)方法,高精度的元器件選擇,保證了車(chē)號(hào)采集的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。有效提高鐵路貨運(yùn)部門(mén)的運(yùn)輸效率。

        [1]劉瑞揚(yáng),王毓民.鐵路車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)原理及應(yīng)用.北京:中國(guó)鐵道出版社,2003.12

        [2]畢勝.鐵路車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)在天鐵的應(yīng)用[M].天津:天津冶金,2012.9

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