CN107907141A - 适用于ctcs2‑200c型列控车载设备的自主化新型测速测距板 - Google Patents

适用于ctcs2‑200c型列控车载设备的自主化新型测速测距板 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于CTCS2‑200C型列控车载设备的自主化新型测速测距板，包括：模拟电路部分、微处理器以及FPGA；其中：所述模拟电路部分对输入的测速传感器信号进行预处理后，发送至微处理器以及FPGA；所述FPGA对模拟电路部分的输出结果进行脉冲频率检测，将获得的频率信息发送至微处理器；所述微处理器对模拟电路部分的输出结果进行信号质量的判断；并对FPGA输出的频率信息进行数字滤波后，再进行测速测距计算，并辅以空转/打滑补偿措施。该测速测距板集成度较高，且具有较高的测量精度，可使设备运用更加稳定可靠。

Description

适用于CTCS2-200C型列控车载设备的自主化新型测速测距板
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种适用于CTCS2-200C型列控车载设备的自主化新型测速测距板。
背景技术
列控车载设备是列车控制***的主要组成部分之一，装备在动车组列车上，保证列车安全、高效运行。列控车载设备根据行车许可及线路信息生成速度监督曲线，当列车运行速度超出速度监督曲线允许时，输出制动保证列车安全运行。
2007年，在铁路大提速的总体发展框架下，原铁道部从国外技术引进了CTCS2-200C型列控车载设备，装备于时速250km/h及以下的动车组列车。
测速测距技术是保证动车组列车安全平稳运行的关键技术之一，是获取列车速度、加速度、位置、运行方向等信息的依据。实现方式有测速雷达、测速传感器、GPS、惯导***等，测速传感器方式由于可靠性高、不受环境和地形干扰、辐射小等优点，成为列车测速测距普遍使用技术。国内的动车组列车均采用测速传感器方式实现测速测距，个别型号的动车组列车同时装备测速雷达辅助测速。
测速传感器(光电型/霍尔型)安装于列车的车轴上，随着列车走行产生不同频率电脉冲信号，并传输至列控车载设备的测速测距板(或测速测距子***)，测速测距板根据脉冲信号运算生成列控车载设备所需测速测距信息。
目前CTCS2-200C型列控车载设备上使用的测速测距板由模拟电路(包括电源供电)部分和数字电路部分两部分组成。其中，电源供电部分采用分立元件，作用是将输入电压转化为板卡自身及测速传感器供电，供电电压与输入电压呈线性关系。目前的测速测距板主要存在如下缺陷：
1、测速精度低，现有测速测距板测速精度为0.5km/h，随着列车走行距离的增加，将累积较大的测距误差。
2、缺少空转、打滑补偿措施，列车运行过程中，如果安装测速传感器的测速轴发生空转、打滑现象，测速值会在短时内出现较大的波动，情况严重时CTCS2-200C型列控车载设备会判定测速测距***故障，引起列车紧急制动，影响运用。
3、无数字滤波过程，仅使用模拟电路滤波。当测速测距脉冲信号受到电磁干扰时，单纯使用模拟电路滤波，滤波效果不好，导致测速精度降低。
4、现有测速测距板电源供电部分采用分立元件，体积大，功耗高，输出供电电压与输入电压呈线性关系，输入电压的波动直接引起输出供电电压的波动，供电质量不好。
5、现有测速测距板无数据记录功能，给设备维护、故障分析带来不便。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于CTCS2-200C型列控车载设备的自主化新型测速测距板，集成度较高，且具有较高的测量精度，可使设备运用更加稳定可靠。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种适用于CTCS2-200C型列控车载设备的自主化新型测速测距板，包括：模拟电路部分、微处理器以及FPGA；其中：
所述模拟电路部分对输入的测速传感器信号进行预处理后，发送至微处理器以及FPGA；
所述FPGA对模拟电路部分的输出结果进行脉冲频率检测，将获得的频率信息发送至微处理器；
所述微处理器判断模拟电路部分的输出结果是否在正常范围内；若否，则对FPGA输出的频率信息进行数字滤波后，再进行测速测距计算。
由上述本发明提供的技术方案主要具有如下有益效果：1)提高CTCS2-200C型列控车载设备的测速测距精度，设备运用更加稳定可靠。2)有效克服车轮空转、打滑带来的不良影响，避免发生测速测距故障，列车运行更加平稳。3)板卡元件数量减少，集成度高，提高设备可靠性，易于维护。4)测速测距板自带实时记录功能，方便设备维护管理与故障分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种适用于CTCS2-200C型列控车载设备的自主化新型测速测距板的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种适用于CTCS2-200C型列控车载设备的自主化新型测速测距板的整体原理图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种适用于CTCS2-200C型列控车载设备的自主化新型测速测距板，测速测距板的结构如图1所示，其主要包括：
1、模拟电路部分。
所述模拟电路部分对输入的测速传感器信号(速度脉冲信号)进行预处理后，发送至微处理器以及FPGA。示例性的，模拟电路部分可以通过接收四路速度脉冲信号。
模拟电路部分主要包括：滤波电路、第一与第二运算放大器、第一与第二光耦合器、电压比较器以及第一、第二与第三限幅电路；其中，滤波电路输出端与第一限幅电路输入端相连，第一限幅电路输出端与第一运算放大器输入端相连，第一运算放大器输出端分别与第二运算放大器及电压比较器的输入端相连；第二运算放大器的输出端与第一光耦合器的输入端相连，第一光耦合器的输出端与第二限幅电路的输入端相连；电压比较器的输出端与第二光耦合器的输入端相连，第二光耦合器的输出端与第三限幅电路的输入端相连；
即，速度脉冲信号经过滤波、限幅后，进入第一运算放大器整形，整形后的脉冲信号分成两路。一路信号再次经过第二运算放大器，然后通过第一光耦合器进行光耦转换并经过第二限幅电路隔绝异常信号后，输入到FPGA；另一路信号经过电压比较器，再通过第二光耦合器进行光耦转换并经过第三限幅电路隔绝异常信号后，输入到微处理器。
本领域技术人员可以理解，文中所涉及的“第一、第二、第三”等关系术语仅仅用来将一个实体与另一个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何折中实际的关系或者顺序。
1)由于测速传感器的速度脉冲信号并不一定是完美的方波信号，因此使用运算放大器(ADTL082)进行脉冲整形，同时加上滤波电路，提高脉冲信号质量。
2)同时考虑到测速传感器与板载电路并不是同一个地，因此速度信号输入到微处理器及FPGA时需经过光耦合器(光耦TLP2367)的转换，防止直接的输入造成数字部分电路损坏。
3)速度脉冲信号也有可能不在设计的幅度范围内，幅度过低或者过高会使得测速不够精确，甚至可能造成元器件损坏，因而使用电压比较器(LM2903)对脉冲信号进行幅值等信息检测。
4)使用限幅电路隔绝异常幅度的电压信号。
2、FPGA
所述FPGA对模拟电路部分的输出结果进行脉冲频率检测，将获得的频率信息发送至微处理器。
本发明实施例中，FPGA可以在50ms周期内记录速度脉冲信号两上升沿时间，并转换为频率信息，发送给微处理器，微处理器根据FPGA发送的数据计算测速测距信息。速度脉冲信号的最高频率为10KHz，FPGA应该在规定时间内向微处理器上传脉冲信息，频率很低的情况下(实际速度很低)，在50ms周期内可能出现无法检测到上跳沿的情况，因此采用两种测频方法。在测量过程中，依据信号频率高低的不同，测量方法可以分为两种：1)选用一个频率较低的标准频率信号作为闸门信号，而将被测信号作为填充脉冲，在固定闸门时间内对其计数。2)当被测信号频率较低时，将被测信号被选作闸门信号，而将频率较高的标准频率信号作为填充脉冲，进行计数。
计数时钟频率为25MHz。
速度的检测精度为0.1Km/h。
本发明实施例中，FPGA可以选用Altera的EP3C25E144I7N，该芯片属于CycloneIII系列，具有24624个逻辑单元，3045个寄存器，4组PLL，资源丰富。FPGA具有内核电压检测电路，在电压不稳定时会对相关电路进行复位处理，保证运行的正常。
3、微处理器(MCU)。
所述微处理器对模拟电路部分的输出结果进行信号质量的判断，即通过自带AD接口采集速度脉冲信号，判断计算得到的速度脉冲信号幅度值是否预先设定的正常范围内。
如果计算得到的速度脉冲信号幅度值在预先设定的正常范围内，则直接利用公式来进行测速测距计算。
利用实时速度计算公式为：实时速度＝(3.6×π×R×f)/P；其中R是车轮轮径；f是FPGA输出的脉冲频率，P是测速传感器齿数，不同测速传感器，取值或72或96或200。
如果计算得到的速度脉冲信号幅度值不在预先设定的正常范围内，则认为当前时刻的FPGA计数结果无效，测速测距信息将根据数字滤波算法生成，即计数结果无效也就是当前时刻的计数结果为0，对FPGA输出的频率信息进行数字滤波，剔除无效结果的影响，然后根据过往的计数值生成替代值，用以测速测距计算。
本发明实施例中，微处理器可以选用NXP生产的MKV58F1M0VLQ24，接口丰富、运算能力强，同时还对模拟数据采集提供了强大的支持，一共具有4组12-bit精度的高速ADC。MCU部分主要用于测速测距板主控及计算单元。MCU采用SPI接口与FPGA进行通信，采用中断的方式进行，FPGA在处理完脉冲信号后，定期向MCU发送中断信号，MCU收到中断后读取FPGA发出的数据并进行测速测距信息的计算，为了使得***更加可靠，一共使用了两组SPI接口。为保证整个***有充足的资源以及后期扩展需要，使用MCU的FLEXBUS总线扩充了1片8Mbit SRAM及用于数据存储的SD卡。MCU工作时通过自带的AD采样接口采集4路脉冲信号，用于判断脉冲信号质量。同时对MCU进行电压监测，保证其运行更加稳定。
所述微处理器主要包括：计算单元、AD转换模块以及数字滤波器。
1)AD转换模块对模拟电路部分的输出结果进行AD采样，并由计算单元计算信号的幅度信息，从而判断脉冲信号质量是否符合要求。
本发明实施例中，脉冲幅值检测采用大范围与高精度结合的双路检测方式，分别由模拟电路和微处理器实现。其中，大范围检测方式也即，前文提到的模拟电路部分中的限幅电路隔绝异常幅度，只有信号电压满足要求才进行处理，将信号幅值限定在某一范围内，可防止质量较差的信号对测速结果造成影响。高精度检测方式也即，AD转换模块进行AD采样，由计算单元计算信号的幅度信息，从而判断脉冲信号质量是否符合要求。
2)数字滤波器对FPGA输出的频率信息进行基于卡尔曼滤波算法的数字滤波，再传输给计算单元。
本发明实施例中，采用了模拟滤波(模拟电路部分中的整形滤波电路实现)与数字滤波相结合的双重滤波方式，可尽可能减弱干扰对脉冲信号的影响。
另一方面，本发明实施例还考虑空转、打滑补偿措施。具体如下：所述微处理器(其中的计算单元)根据FPGA输出的频率信息计算出速度信息后，同时计算出加速度与加速度变化率信息，并结合速度信息、加速度与加速度变化率信息判断车轮是否处于空转/打滑状态，如果车轮处于空转/打滑状态，则在一定时间内对测速结果进行补偿。
4、SRAM
SRAM与微处理器连接，用于扩充微处理器的计算资源，防止资源不足造成后期扩展困难。
本发明实施例中，SRAM可以选用IS64WV51216BLL。
5、SD卡
采用SPI协议扩充一片SD卡，用来保存测速测距信息、板卡状态信息、通信数据，可以方便进行数据分析、故障查找。
6、通信芯片。
使用三组串口并转接为RS485/422通信接口，其中，一组使用两片MAX3485，一片用于固定将微处理器发送的串口信号转接发送，一片用于将接受到的信号转接为串口信号发送到微处理器。两片MAX3485共同负责与上位机通信。另外两组采用IOS3082芯片,该芯片是隔离的RS485芯片，可以将内部外部的电源与地进行隔离，使通信更加稳定可靠
7、电源模块。
电源模块主要包括：
±12V转±15V电路，5V转5V电路，以及5V转3.3V、2.5V与1.2V电路；
±12V转±15V电路，用于给模拟电路部分以及测速传感器供电；
5V转5V电路，用于给通信芯片供电。
5V转3.3V、2.5V与1.2V电路，用于给微处理器、FPGA、SRAM与SD卡供电。
本发明实施例提供的测速测距板的整体原理图如图2所示；图2中，ANALOG与CAP对应图1中的模拟电路部分，MCU对应图1中的微处理器，CTODL对应图1中的通信芯片。
本发明实施例的电源模块集成在测速测距板卡上，取代了现有的电源供电部分采用分立元件方式，不仅减小板卡体积，还可以降低功耗，同时，也可以避免供电电压的波动，从而提高供电质量。
另外，本发明实施例中的微处理器+FPGA的结构形式也可以更换为其他形式，比如用DSP来代替，DSP的捕获单元完成FPGA的功能，对脉冲进行计数；同时，DSP中的CPU完成新型测速测距板微处理器的功能，实现数字滤波、空转/打滑补偿、通信控制等其他功能。这种方式测速精度低于微处理器+FPGA的结构，但依然优于现有的方案。
本发明实施例提供的上述方案主要具有如下有益效果：
1)提高CTCS2-200C型列控车载设备的测速测距精度，设备运用更加稳定可靠。
2)有效克服车轮空转、打滑带来的不良影响，避免发生测速测距故障，列车运行更加平稳。
3)板卡元件数量减少，集成度高，提高设备可靠性，易于维护。
4)测速测距板自带实时记录功能，方便设备维护管理与故障分析。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种适用于CTCS2-200C型列控车载设备的自主化新型测速测距板，其特征在于，包括：模拟电路部分、微处理器以及FPGA；其中：
所述模拟电路部分对输入的测速传感器信号进行预处理后，发送至微处理器以及FPGA；
所述FPGA对模拟电路部分的输出结果进行脉冲频率检测，将获得的频率信息发送至微处理器；
所述微处理器判断模拟电路部分的输出结果是否在正常范围内；若否，则对FPGA输出的频率信息进行数字滤波后，再进行测速测距计算。
2.根据权利要求1所述的一种适用于CTCS2-200C型列控车载设备的自主化新型测速测距板，其特征在于，所述模拟电路部分包括：滤波电路、第一与第二运算放大器、第一与第二光耦合器、电压比较器以及第一、第二与第三限幅电路；其中：
滤波电路输出端与第一限幅电路输入端相连，第一限幅电路输出端与第一运算放大器输入端相连，第一运算放大器输出端分别与第二运算放大器及电压比较器的输入端相连；第二运算放大器的输出端与第一光耦合器的输入端相连，第一光耦合器的输出端与第二限幅电路的输入端相连；电压比较器的输出端与第二光耦合器的输入端相连，第二光耦合器的输出端与第三限幅电路的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的一种适用于CTCS2-200C型列控车载设备的自主化新型测速测距板，其特征在于，所述微处理器包括：计算单元、AD转换模块以及数字滤波器；
所述AD转换模块对模拟电路部分的输出结果进行AD采样，并由计算单元计算信号的幅度信息，从而判断脉冲信号质量是否符合要求；
所述数字滤波器对FPGA输出的频率信息进行基于卡尔曼滤波算法的数字滤波，在传输给计算单元。
4.根据权利要求1或3所述的一种适用于CTCS2-200C型列控车载设备的自主化新型测速测距板，其特征在于，所述微处理器根据FPGA输出的频率信息计算出速度信息后，同时计算出加速度与加速度变化率信息，并结合速度信息、加速度与加速度变化率信息判断车轮是否处于空转/打滑状态，如果车轮处于空转/打滑状态，则在一定时间内对测速结果进行补偿。
5.根据权利要求1所述的一种适用于CTCS2-200C型列控车载设备的自主化新型测速测距板，其特征在于，还包括：分别与微处理器相连的SRAM与SD卡；所述SRAM用于扩充微处理器的计算资源；SD卡用于存储测速测距板测速测距计算时所涉及的数据。
6.根据权利要求1所述的一种适用于CTCS2-200C型列控车载设备的自主化新型测速测距板，其特征在于，还包括：与微处理器相连的通信芯片，通过RS485/422接口与上位机通信。
7.根据权利要求1所述的一种适用于CTCS2-200C型列控车载设备的自主化新型测速测距板，其特征在于，还包括：电源模块，其包括：
±12V转±15V电路，5V转5V电路，以及5V转3.3V、2.5V与1.2V电路；
±12V转±15V电路，用于给模拟电路部分以及测速传感器供电；
5V转5V电路，用于通信芯片供电；
5V转3.3V、2.5V与1.2V电路，用于给FPGA、微处理器，以及与微处理器相连的SRAM和SD卡供电。
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