陶漢卿

(1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)控制學(xué)院，廣西 柳州 545616；2.大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市交通問題的日益突出，城市軌道交通因具有運(yùn)量大、占地少、速度快、準(zhǔn)點(diǎn)舒適，安全節(jié)能的特點(diǎn)，其建設(shè)蓬勃發(fā)展，進(jìn)入了黃金發(fā)展時(shí)期[1]，城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)專業(yè)也相繼在各個(gè)高校開設(shè)。

城市軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(ATC系統(tǒng))設(shè)備是城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)專業(yè)工作崗位維護(hù)的重要設(shè)備，實(shí)現(xiàn)ATC系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)是列車的速度和位置，因此，測(cè)速定位系統(tǒng)是城市軌道交通ATC系統(tǒng)的重要組成部分，測(cè)速定位技術(shù)則成為ATC系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[2]。在城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)專業(yè)的教學(xué)中，列車測(cè)速定位技術(shù)是重點(diǎn)內(nèi)容，教學(xué)的目的主要是要求學(xué)生掌握測(cè)速和定位設(shè)備的拆裝與維護(hù)，因此，建設(shè)城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)實(shí)訓(xùn)室時(shí)需要有測(cè)速定位設(shè)備。

由于專業(yè)發(fā)展和技術(shù)更新較快，人才需求量大，城市軌道交通測(cè)速定位設(shè)備昂貴，維護(hù)成本高，實(shí)訓(xùn)室建設(shè)跟不上專業(yè)發(fā)展，實(shí)訓(xùn)設(shè)備一般采用直接采購(gòu)的方式，由于經(jīng)費(fèi)和場(chǎng)地的限制，大多高職院校的專業(yè)測(cè)速定位實(shí)訓(xùn)設(shè)備比較缺乏。目前，有少數(shù)的廠家在研發(fā)城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，但是這些設(shè)備僅限于虛擬仿真，達(dá)不到訓(xùn)練的效果。因此，為了加快實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)，降低成本，更好地根據(jù)城市軌道交通車載ATP測(cè)速定位裝置的實(shí)訓(xùn)課程要求開發(fā)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，提高實(shí)踐教學(xué)效率，需要開發(fā)城市軌道交通車載ATP測(cè)速定位實(shí)驗(yàn)裝置。

本文根據(jù)城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)專業(yè)相關(guān)課程和教學(xué)內(nèi)容的要求，結(jié)合企業(yè)真實(shí)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)情景和實(shí)訓(xùn)室場(chǎng)地的實(shí)際情況，研究開發(fā)小型化、實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格低廉和功能齊全的城市軌道交通測(cè)速定位實(shí)驗(yàn)裝置，應(yīng)用于加快城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)，以期滿足城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)專業(yè)相關(guān)課程內(nèi)容的實(shí)踐教學(xué)和企業(yè)職工培訓(xùn)，提高學(xué)生和企業(yè)職工的實(shí)踐綜合動(dòng)手能力，努力培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)技能型人才。

1 車載ATP測(cè)速定位實(shí)驗(yàn)裝置的組成

目前，城市軌道交通車載ATP測(cè)速定位傳感器主要采用光電脈沖測(cè)速傳感器和多普勒雷達(dá)[3]，測(cè)速定位實(shí)驗(yàn)裝置模擬的是這兩種傳感器，主要由光電傳感器電路、模擬雷達(dá)測(cè)速電路、CPU處理電路、TFT液晶電路、GPRS模塊電路等組成。采用光耦和光碼盤模擬光電傳感器，組成光電傳感器電路，利用超聲波測(cè)速電路模擬多普勒雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的測(cè)量，經(jīng)過32位帶FLASH的單片機(jī)STM32F103V8T6進(jìn)行處理，采用卡爾曼濾波方法對(duì)兩種傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到準(zhǔn)確的列車運(yùn)行速度，然后將速度進(jìn)行積分運(yùn)算，得到距離信息，設(shè)定列車運(yùn)行的初始位置，從而計(jì)算出列車的位置，達(dá)到測(cè)速定位的目的，將測(cè)速定位結(jié)果在TFT液晶顯示屏顯示，同時(shí)將測(cè)速結(jié)果通過GPRS模塊發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)控端，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車速度和位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)，且監(jiān)控端可以通過GPRS模塊發(fā)送列車定位修正的相關(guān)參數(shù)。其具體組成框圖如下頁圖1所示。

圖1 測(cè)速定位裝置結(jié)構(gòu)圖

2 裝置硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括光電傳感器電路、模擬雷達(dá)測(cè)速電路、CPU處理電路、TFT液晶電路、GPRS等模塊電路的設(shè)計(jì)。CPU處理電路采用32位的CORTEX M3的微控制器STM32F103V8T6單片機(jī)，用于對(duì)光電速度傳感器和雷達(dá)測(cè)速電路采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、進(jìn)行卡爾曼濾波，得出準(zhǔn)確的速度值，然后計(jì)算出距離，對(duì)列車進(jìn)行定位，并顯示在TFT液晶顯示屏，同時(shí)與監(jiān)控端計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。STM32F103V8T6芯片是32位ARM核心帶FLASH的單片機(jī)，具有11個(gè)內(nèi)置的16位定時(shí)器，片內(nèi)有單周期乘法和硬件除法，支持72 MHz的時(shí)鐘，大大提高了對(duì)列車速度和定位的檢測(cè)精度。STM32F103V8T6內(nèi)置有用于存放程序和數(shù)據(jù)的64 K或128 K字節(jié)的閃存存儲(chǔ)器，提高了卡爾曼濾波代碼運(yùn)行效率和對(duì)列車速度位置檢測(cè)的時(shí)效性。STM 32F103V8T6支持定時(shí)器、ADC、SPI、I2C和USART等外設(shè)，80個(gè)快速IO接口，可以連接GPRS收發(fā)模塊和TFT液晶顯示模塊，簡(jiǎn)化了GPRS無線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)[4]，還可以進(jìn)行在線調(diào)試和下載，提高了測(cè)速定位實(shí)驗(yàn)裝置的可操作性和維護(hù)便利性。

2.1 光電傳感器電路

本文設(shè)計(jì)的測(cè)速定位實(shí)驗(yàn)裝置光電傳感器采用的是增量式光電編碼器，主要由光碼盤、發(fā)光二極管、光敏傳感器、轉(zhuǎn)軸、波形變換電路、電源及連接線等組成。在光碼盤上等間距地開通100個(gè)長(zhǎng)方形孔，光碼盤轉(zhuǎn)軸連接到列車車軸，車軸帶動(dòng)光碼盤同步速度轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)光二極管安裝在光碼盤的一側(cè)，光敏三極管安裝在另一側(cè)，當(dāng)光碼盤的旋轉(zhuǎn)到有方形孔位置時(shí)，光敏三極管能接收到發(fā)光二極管的光，當(dāng)光碼盤旋轉(zhuǎn)到無方形孔位置時(shí)，光敏三極管接收不到發(fā)光二極管的光。光敏傳感器產(chǎn)生正弦波，經(jīng)過波形變換電路輸出脈沖，通過檢測(cè)脈沖的頻率可以計(jì)算出列車的轉(zhuǎn)速。增量式光電編碼器還可以輸出兩路相位差為90°的脈沖信號(hào)，用以判定列車運(yùn)行的方向[5]。光電傳感器測(cè)速定位具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

增量式光電編碼器測(cè)速接口電路如圖2所示。圖中，增量式光電編碼器A相輸出接到STM32F103V8T6的TIM4_CH1口，B相輸出接到STM32F103V8T6的TIM4_CH2口，TIM4作為計(jì)數(shù)器使用，計(jì)算增量式光電編碼器A、B兩相的脈沖，TIM3作為定時(shí)器，每間隔10 ms的周期產(chǎn)生中斷，CPU讀取TIM4_CH1、TIM4_CH2兩個(gè)口的脈沖數(shù)，TIM4停止計(jì)數(shù)。CPU對(duì)脈沖數(shù)采用式(1)進(jìn)行計(jì)算，得出A、B兩相采集到的速度值。

V=πD×3.6×f/N(km/h)

(1)

式中：V——列車運(yùn)行速度(km/h)；

f——增量式光電編碼器輸出脈沖的頻率；

|N——增量式光電編碼器旋轉(zhuǎn)一圈輸出的脈沖數(shù)；

|D——城市軌道交通列車的車輪直徑，本設(shè)計(jì)采用840 mm。

當(dāng)兩相速度值|vA-vB|≤1 km/h，認(rèn)為速度值準(zhǔn)確，取速度較大值，與雷達(dá)測(cè)速值進(jìn)行融合，否則認(rèn)為測(cè)速不準(zhǔn)確，取前一個(gè)時(shí)刻的速度值與當(dāng)前時(shí)刻的雷達(dá)測(cè)速值進(jìn)行融合。

圖2 增量式光電編碼器測(cè)速接口電路圖

2.2 模擬雷達(dá)測(cè)速電路

光電傳感器容易受列車空轉(zhuǎn)和打滑的影響，本設(shè)計(jì)增加了超聲波檢測(cè)模擬城市軌道交通的雷達(dá)測(cè)速，用以克服光電傳感器測(cè)速的缺點(diǎn)。該超聲波電路由發(fā)射電路和接收電路組成。

圖3 超聲波發(fā)射電路圖

超聲波發(fā)射電路如圖3所示。電路的TRIG接STM32F103V8T6單片機(jī)的TIM_CH1口，由定時(shí)器TIM2產(chǎn)生頻率為40 kHz的方波發(fā)送，經(jīng)過兩級(jí)放大，其中前級(jí)采用超低失調(diào)電壓雙路運(yùn)算放大器，后級(jí)采用LM386高增益放大，放大后的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭將超聲波發(fā)射。

圖4 超聲波接收電路圖

超聲波接收電路如圖4所示。電路采用超聲波專用接收芯片CX20106A，配以外圍器件OP07雙路運(yùn)算放大器和LM555CM電路組成。接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)過OP07組成的運(yùn)算放大電路進(jìn)行放大后，由LM555CM組成多諧振蕩電路進(jìn)行整形，然后接入CX20106A的1腳，由CX20106A的7腳輸出，送至STM32F103V8T6單片機(jī)的TIM_CH2口。CX20106A芯片適用于城市軌道交通超聲波測(cè)速定位實(shí)驗(yàn)裝置，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。

2.3 顯示模塊

本文設(shè)計(jì)的測(cè)速定位實(shí)驗(yàn)裝置采用320×240分辨率的TFT液晶顯示器(LCD)以圖片、文字、曲線等形式顯示學(xué)校和系統(tǒng)信息，以及采集到的列車速度和定位信息，該LCD具有體積小、顯示清晰、功耗低、方便攜帶等特點(diǎn)。該模塊供電電壓為3.3 V，可以直接和STM32F103V8T6單片機(jī)相連，STM32F103V8T6單片機(jī)的PE0～PPE15等16根數(shù)據(jù)線與TFT液晶顯示器的16根數(shù)據(jù)線相連，STM32F103V8T6單片機(jī)的PC2與CS控制線相連，PC3與控制線RS相連，PC4與控制線WR相連，PC5與控制線RD相連，PC6與RST復(fù)位信號(hào)控制線相連。接口電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的下位機(jī)程序主要由光電傳感器測(cè)速程序、模擬雷達(dá)測(cè)速程序、卡爾曼濾波的速度數(shù)據(jù)融合程序和顯示程序等組成。上位機(jī)監(jiān)控端采用PC機(jī)模擬城市軌道交通車載人機(jī)界面，通過GPRS與下位機(jī)通信，在上位機(jī)進(jìn)行車輪直徑和列車初始位置的設(shè)置，然后傳輸至STM32F103V8T6單片機(jī)進(jìn)行列車速度和定位的檢測(cè)。下位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖5 TFT接口電路圖

圖6 下位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)流程圖

3.1 光電傳感器測(cè)速程序

將增量式光電編碼器A、B兩相的脈沖分別計(jì)算得出速度值，判斷兩相的速度差是否在±1 km/h范圍內(nèi)，如果是，取速度較大值作為光電傳感器測(cè)速值，反之，則取前一時(shí)刻的速度值與當(dāng)前時(shí)刻的模擬雷達(dá)測(cè)速值進(jìn)行速度融合作為列車速度值。

3.2 模擬雷達(dá)測(cè)速程序

模擬雷達(dá)測(cè)速模塊周期性發(fā)出的超聲波脈沖信號(hào)，采用定時(shí)器TIM2對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部72 MHz高速時(shí)鐘以計(jì)數(shù)的方式計(jì)算超聲波脈沖信號(hào)發(fā)射和接收的時(shí)間差，根據(jù)超聲波的速度可以計(jì)算出列車運(yùn)行速度。

3.3 卡爾曼濾波速度融合

因?yàn)闇y(cè)速定位實(shí)驗(yàn)裝置安裝在模型車上，而模型車是按照實(shí)際列車的車輪輪徑按一定比例縮小的，所以要采用實(shí)際列車的直徑進(jìn)行速度計(jì)算，經(jīng)過融合后的速度值乘以時(shí)間值計(jì)算出距離值，從而結(jié)合初始位置進(jìn)行定位。

由于地鐵列車在運(yùn)行過程中車輪會(huì)產(chǎn)生磨損，根據(jù)式(1)，光電傳感器測(cè)速會(huì)直接影響速度的測(cè)量精度，所以在速度定位檢測(cè)的計(jì)算中需要進(jìn)行補(bǔ)償或修正[6]。

本設(shè)計(jì)采用了光電傳感器測(cè)速和模擬雷達(dá)測(cè)速兩種測(cè)速結(jié)合的方式，安裝兩個(gè)光電傳感器和一個(gè)模擬雷達(dá)測(cè)速傳感，從而獲取多個(gè)速度值，然后對(duì)這些數(shù)值進(jìn)行卡爾曼濾波，進(jìn)行輪徑補(bǔ)償和空轉(zhuǎn)滑行的修正后計(jì)算出準(zhǔn)確的速度和距離值，提高測(cè)速定位的精度。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的測(cè)速定位實(shí)驗(yàn)裝置使用的列車采用1∶87的模型車，采用直流24 V蓄電池供電。模型車在沙盤上運(yùn)行，檢測(cè)的速度均為真實(shí)列車輪徑、模擬雷達(dá)測(cè)速傳感器模型車速度換算后的速度。按照城市軌道交通車載ATP測(cè)速定位傳感器的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)測(cè)速定位實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 測(cè)速定位實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試結(jié)果示例圖

由圖7可知，設(shè)定距離為列車開始運(yùn)行至停車點(diǎn)的距離，轉(zhuǎn)速A為光電測(cè)速傳感器檢測(cè)到的速度，轉(zhuǎn)速B是模擬雷達(dá)測(cè)速傳感器檢測(cè)到的速度，“+”符號(hào)表示正方向運(yùn)行，時(shí)速為數(shù)據(jù)融合處理后所得到的速度，行程為列車走行的距離，程標(biāo)距離是列車當(dāng)前位置至停車點(diǎn)的距離。

5 結(jié)語

本文以STM32F103V8T6為CPU，設(shè)計(jì)了城市軌道交通列車測(cè)速定位實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了模擬車載ATP光電傳感器測(cè)速和雷達(dá)測(cè)速。將采集的速度值進(jìn)行卡爾曼濾波，對(duì)輪徑磨損進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)速度進(jìn)行修正，提高測(cè)速定位的精度。測(cè)速定位實(shí)驗(yàn)裝置按照最優(yōu)準(zhǔn)則進(jìn)行最優(yōu)融合，提高了速度采集的精度。測(cè)速定位實(shí)驗(yàn)裝置體積小、成本低和功能齊全，滿足高職院?！斑m用、夠用”的原則，豐富了實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，加快了院校城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)，提高了專業(yè)教學(xué)效率，具有較高的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。