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)使用的列車測(cè)速測(cè)距接口設(shè)備,旨在能與列車、軌旁的測(cè)速和定位的各種設(shè)備接口,獲取列車速度信息和位置信息,為軌道交通信號(hào)車載控制系統(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,中國(guó)城軌列車國(guó)產(chǎn)化成績(jī)斐然,國(guó)產(chǎn)城軌列車、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)備廠商提供了難得的機(jī)遇,市場(chǎng)前景廣闊〔1〕。為了滿足信號(hào)車載控制器對(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)車載測(cè)速測(cè)距單元,為信號(hào)車載控制系統(tǒng)的列車自動(dòng)防護(hù)和自動(dòng)運(yùn)行控制提供必要的輸入。
設(shè)計(jì)的地鐵信號(hào)系統(tǒng)車載測(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。本列車測(cè)速測(cè)距傳感器處理單元的結(jié)構(gòu)框見圖1所示。
圖1 列車測(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 總線接口模塊總線接口模塊用于實(shí)現(xiàn)本設(shè)備與外部總線的電氣接口;總線接口模塊可配置選擇CAN總線或者VME總線兩種總線接口方式。
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)通過串行RS 422接口采集車載應(yīng)答器處理單元的應(yīng)答器檢測(cè)信息〔4〕;
4)通過串行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總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換,或者SPI到VME總線協(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,使用專門的熱插拔管理芯片實(shí)現(xiàn)設(shè)備的帶電插拔。
列車測(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)備通過接收并處理安裝在列車上的測(cè)速測(cè)距傳感器數(shù)據(jù),得到列車行駛的速度和距離信息,為車載控制器系統(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處理車載應(yīng)答器處理單元的數(shù)據(jù)確定列車行駛在線路上的位置。在軌道線路上每間隔一定的距離配置安裝一個(gè)應(yīng)答器,當(dāng)列車駛過應(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,從而可確定列車的準(zhǔn)確位置。
使用脈沖里程計(jì)傳感器來測(cè)量列車行駛速度,同時(shí)利用速度計(jì)算列車已經(jīng)行駛的距離,從而可確定列車行駛在兩個(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車輪的角速度成比例,利用已知的車輪半徑可以實(shí)時(shí)計(jì)算列車速度〔5〕。
使用加速度計(jì)校準(zhǔn)列車車輪打滑和空轉(zhuǎn)時(shí)的列車速度,每列車每端配置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)車輪打滑和空轉(zhuǎn)時(shí)的列車速度,測(cè)速雷達(dá)和加速度計(jì)可任選一種進(jìn)行配置。
列車的速度和位置信息數(shù)據(jù)通過3條獨(dú)立的總線向外傳送,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),采用總線方式與外界連接,也利于組成熱備冗余工作方式。
基于CBTC的列車測(cè)速測(cè)距 傳感器處理單元通過與脈沖里程計(jì)、測(cè)速雷達(dá)、車載應(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)送的全過程。列車速度信息和位置信息的獲取,為信號(hào)車載控制系統(tǒng)的列車自動(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)言程序開發(fā)〔M〕.北京:清華大學(xué)出版社,2008.
〔3〕趙紅倫.軌道車輛結(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.基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)〔J〕.城軌交通,2004,27(5):12-16.
U284.55
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