劉　倩

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，蘭州 730070)

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AT90CAN128的有軌電車檢測(cè)器設(shè)計(jì)

劉倩

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，蘭州 730070)

摘要:本設(shè)計(jì)以AT90CAN128為控制核心，利用其輸入捕捉單元對(duì)線圈頻率的變化進(jìn)行檢測(cè)，使用CAN通信接口將檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)傳送，來實(shí)現(xiàn)車輛存在與否的可靠檢測(cè)。本設(shè)計(jì)將應(yīng)用于現(xiàn)代有軌電車軌道占用檢查子系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)在道岔處對(duì)軌道占用的檢測(cè)，來保障電車的安全行駛和運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞:車輛檢測(cè)器；軌道占用檢查；數(shù)據(jù)采集；AT90CAN128

引言

在有軌電車的行駛過程中，對(duì)軌道占用的檢查在有軌電車的運(yùn)營(yíng)控制系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)中有著至關(guān)重要的作用，對(duì)軌道占用狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)有效的檢查，可以保障行車安全、監(jiān)控車輛位置，使得整個(gè)行車系統(tǒng)的運(yùn)行安全高效。目前常用的軌道占用檢測(cè)方案中，軌道電路雖然經(jīng)濟(jì)、方便、可靠性高且技術(shù)成熟，但是設(shè)備的維護(hù)量大、精度不高、誤差大；計(jì)軸雖然維護(hù)量較小、安全性高，但成本較高；地面應(yīng)答器定位精度高、工作穩(wěn)定，但只能給出點(diǎn)式定位信息，維護(hù)量大。

環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類交通數(shù)據(jù)的檢測(cè)系統(tǒng)中，根據(jù)有軌電車的行駛特點(diǎn)，在道岔處敷設(shè)線圈，用環(huán)線檢測(cè)器對(duì)車輛的存在與否進(jìn)行檢測(cè)，從而獲取軌道的占用情況，是一種低成本、高效、安全可靠的方法。因此本文介紹了一種車輛檢測(cè)器的設(shè)計(jì)方案，能夠較精確地檢測(cè)出車輛的存在狀況。

1環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器檢測(cè)原理

環(huán)形線圈檢測(cè)器是一種基于電磁感應(yīng)原理的車輛檢測(cè)器，它的傳感器是一個(gè)埋在路面下方、通有一定工作電流的環(huán)形線圈，當(dāng)車輛經(jīng)過線圈或停在線圈上方時(shí)，由于互感效應(yīng)會(huì)引起線圈回路電感量的變化，檢測(cè)器通過該變化量就可以檢測(cè)出車輛的存在，從而實(shí)現(xiàn)判斷有無車輛經(jīng)過的目的。

檢測(cè)這個(gè)電感變化量有兩種方式：一種是利用相位鎖存器和鑒相器，對(duì)相位的變化進(jìn)行檢測(cè)，即采用兩個(gè)振蕩器結(jié)構(gòu)，主振蕩器作為基準(zhǔn)振蕩器，通過鎖相環(huán)技術(shù)提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，從振蕩器反映車輛通過時(shí)的信息；另一種則是利用由環(huán)形地埋線圈構(gòu)成回路的耦合振蕩電路對(duì)其振蕩頻率進(jìn)行檢測(cè)。線圈與諧振回路相連，當(dāng)電感變化時(shí)會(huì)引起諧振回路諧振頻率的變化，通過跟蹤該頻率，即可判斷是否有車輛通過。本文采用第二種頻率檢測(cè)的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)電感量變化的檢測(cè)，由于設(shè)計(jì)采用AVR單片機(jī)AT90CAN128作為數(shù)據(jù)處理的主控單元，利用該單片機(jī)的輸入捕捉單元(Input Capture Unit)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行捕獲，采集頻率變化信息，通過與基準(zhǔn)頻率的比較以及閾值、靈敏度的設(shè)定，來判斷是否有車輛通過或者存在，從而檢測(cè)有軌電車在道岔處的軌道占用狀況。

2檢測(cè)系統(tǒng)組成

檢測(cè)系統(tǒng)由感應(yīng)線圈、饋線、檢測(cè)卡和上位機(jī)組成。用專用電纜繞成的感應(yīng)線圈，經(jīng)由饋線連接到檢測(cè)卡。檢測(cè)卡上實(shí)現(xiàn)車輛檢測(cè)的主要硬件電路包括諧振電路、整形濾波電路、MCU主控電路和CAN通信電路。車輛經(jīng)過時(shí)，感應(yīng)線圈上的頻率變化經(jīng)過振蕩反饋、整形濾波送入MCU主控電路進(jìn)行處理，檢測(cè)結(jié)果經(jīng)過CAN通信電路傳送給上位機(jī)，從而獲得軌道占用情況。檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　檢測(cè)系統(tǒng)組成

3檢測(cè)卡硬件結(jié)構(gòu)及原理

檢測(cè)卡硬件電路以AT90CAN128單片機(jī)為控制核心，該芯片具有以下特點(diǎn)：具備同時(shí)讀/寫能力的128 KB可重復(fù)編程Flash，4 KB EEPROM和4 KB SRAM，具有53個(gè)通用的I/O接口、32個(gè)通用工作寄存器、4個(gè)具有比較模式和PWM的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、1個(gè)SPI串行端口、與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容的JTAG測(cè)試接口、1個(gè)8通道10位具有可選增益差分輸入的A/D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)帶內(nèi)部振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器。該芯片內(nèi)部還集成了CAN控制器，與CAN標(biāo)準(zhǔn)幀2.0A和擴(kuò)展幀2.0B完全兼容。

檢測(cè)卡電路中，由于單片機(jī)內(nèi)置了上電復(fù)位，外部復(fù)位電路只需在復(fù)位引腳上拉電阻連接Vcc即可，在引腳和地之間加一個(gè)電容來消除干擾和雜波，可以方便地使線圈檢測(cè)器恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。晶振電路輸出一個(gè)12 MHz 的脈沖信號(hào)，提供給單片機(jī)作為檢測(cè)的基準(zhǔn)信號(hào)，使系統(tǒng)能夠有較高的檢測(cè)精度。輸出顯示電路可以通過LED燈來顯示電路的運(yùn)行狀態(tài)是否正常、顯示感應(yīng)線圈上的頻率變化，以判斷有無車輛通過。撥碼開關(guān)電路用來調(diào)整檢測(cè)器的靈敏度和頻率，這樣可以避免多通道線圈間因振蕩引起的頻率串?dāng)_，有效地保證了檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度。檢測(cè)卡電路設(shè)計(jì)如2所示。

圖2　檢測(cè)卡電路設(shè)計(jì)

3.1振蕩電路和信號(hào)整形電路的設(shè)計(jì)

該部分電路的主要功能是振蕩波形的產(chǎn)生及波形的整形和濾波，電路圖如圖3所示。

圖3　振蕩電路和整形電路

環(huán)形感應(yīng)線圈通過饋線連接到變壓器的原邊，變壓器的副邊連接到振蕩器上，當(dāng)有車輛經(jīng)過線圈上的路面時(shí)，就會(huì)引起線圈振蕩頻率的變化。變壓器的作用是隔離環(huán)形線圈和振蕩器，使干擾減小，匝數(shù)比取1∶1，使由線圈電感變化所引起的頻率變化完全反映到振蕩器上。波形產(chǎn)生的振蕩電路選擇電容三點(diǎn)式振蕩電路，振蕩的反饋電壓取自電容，高次諧波阻抗小，可以將高次諧波濾除，得到較好的正弦波形。

整形濾波電路則利用三極管電路的導(dǎo)通和截止來對(duì)正弦波進(jìn)行整形，得到方波信號(hào)，送入單片機(jī)的輸入捕獲單元進(jìn)行處理。

AT90CAN128芯片的輸入捕捉單元可用來捕獲外部事件，并為其標(biāo)記發(fā)生時(shí)間。當(dāng)一個(gè)外部輸入事件發(fā)生，如ICP1引腳上的邏輯電平變化時(shí)，TCNT1中的計(jì)數(shù)值被寫入輸入捕捉寄存器ICR1中，并置位輸入捕獲標(biāo)志位ICF1，產(chǎn)生中斷申請(qǐng)，輸入捕捉功能可用于頻率和周期的精確測(cè)量。線圈振蕩產(chǎn)生的頻率信號(hào)送入AT90CAN128的ICP1引腳，在無車輛通過時(shí),AT90CAN128不斷采集線圈的基準(zhǔn)頻率并進(jìn)行記錄;當(dāng)有車輛通過，振蕩頻率發(fā)生變化時(shí)，采集到的頻率也發(fā)生了變化，通過軟件算法對(duì)采集到的頻率變化進(jìn)行分析，從而判斷有無車輛情況，實(shí)現(xiàn)軌道占用檢查的目的。

3.2靈敏度與撥碼開關(guān)的設(shè)計(jì)

靈敏度指的是檢測(cè)器從背景信號(hào)中區(qū)別出樣品信號(hào)的能力。檢測(cè)器易受環(huán)境的影響，溫度、路面情況以及交通狀況的不同會(huì)影響到檢測(cè)的精確度，需要設(shè)定靈敏度來保證檢測(cè)精度。在車輛檢測(cè)器的設(shè)計(jì)中，靈敏度的定義為：

其中L為無車通過線圈，振蕩電路以基準(zhǔn)頻率振蕩時(shí)線圈的電感量;L′為有車經(jīng)過時(shí)線圈的電感量。根據(jù)電磁感應(yīng)原理中電感L與頻率f的關(guān)系，可以推導(dǎo)出靈敏度與頻率的關(guān)系式為:

其中f為無車時(shí)電路的振蕩頻率，f′為有車經(jīng)過時(shí)的頻率。若靈敏度的值為0.02%，根據(jù)上式進(jìn)行計(jì)算可知，AT90CAN128需要在采樣時(shí)間內(nèi)采集至少10 000個(gè)脈沖(即T>10 000)才能夠?qū)㈩l率的變化分辨出來，對(duì)車輛進(jìn)行檢測(cè)。通過設(shè)置定時(shí)器的初值，使得計(jì)數(shù)的最大值滿足分辨率的要求，完成對(duì)輸入頻率信號(hào)變化的識(shí)別，準(zhǔn)確檢測(cè)到有無車輛的存在。

為了實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境下的精確檢測(cè)，共設(shè)置了7級(jí)可以調(diào)節(jié)的靈敏度，通過撥碼開關(guān)來選擇。8位撥碼開關(guān)與AT90CAN128的PB口連接，另一端接地，通過撥碼開關(guān)的位置選擇對(duì)應(yīng)的靈敏度，來滿足檢測(cè)精度的需求。撥碼開關(guān)的值與靈敏度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所列。

表1　撥碼開關(guān)的值與靈敏度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.3LED指示燈的設(shè)計(jì)

使用AT90CAN128的PE口控制LED燈，通過LED燈來直觀顯示檢測(cè)卡的工作狀態(tài)，分為故障指示燈和狀態(tài)指示燈，用以顯示檢測(cè)卡是否正常工作以及有無車輛通過。系統(tǒng)上電后，默認(rèn)線圈狀態(tài)異常(連接無效或者有斷線)，點(diǎn)亮故障指示燈，經(jīng)檢測(cè)后，若無故障則熄滅故障指示燈，表明檢測(cè)卡工作正常。狀態(tài)指示燈用來顯示有無車輛通過線圈，作為判斷車輛存在與否的標(biāo)志，只在有車經(jīng)過線圈時(shí)點(diǎn)亮，其余時(shí)間均為熄滅狀態(tài)。

3.4CAN通信電路的設(shè)計(jì)

CAN通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果及時(shí)有效的傳輸。電路圖如圖4所示。

圖4　CAN通信電路

電路主要由單片機(jī)AT90CAN128、高速光耦6N137和高速CAN總線收發(fā)器組成。單片機(jī)AT90CAN128主要負(fù)責(zé)內(nèi)部CAN控制器的初始化，以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。在5 V時(shí)，AT90CAN128的晶振頻率可以達(dá)到16 MHz，設(shè)計(jì)中采用了該芯片內(nèi)部的8 MHz晶振。高速光耦6N137起到控制器與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)相隔離的作用，可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。CAN總線收發(fā)器采用了TJA1050芯片，是CAN控制器與物理總線之間的連接層接口。電路由獨(dú)立電源供電，有效地避免了外界電壓變化對(duì)通信的影響。

4軟件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，頻率信號(hào)由ICP1引腳輸入，當(dāng)ICP1上的電平(事件)發(fā)生變化時(shí)，輸入捕捉即被激活，產(chǎn)生輸入捕捉中斷。中斷函數(shù)流程圖如圖5所示。

圖5　捕獲中斷函數(shù)

由于單片機(jī)模塊化程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在主程序中調(diào)用各個(gè)子函數(shù)對(duì)AT90CAN128進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)車輛的目的。

Trolley Detector Design Based on AT90CAN128

Liu Qian

(College of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：The design takes AT90CAN128 as the control core,which uses the input capture unit of AT90CAN128 to detect the change of the coil frequency,and uses the CAN communication interface to transmit the detection results.The design is applied in the track occupancy inspection subsystem of the modern trolley car to realize the inspection of the track occupancy at the turnout,which can ensure the safe running of the trolley car and the efficient operation of the operating system.

Key words:trolley detector;track occupancy inspection;data collection;AT90CAN128

中圖分類號(hào):TP368

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A