（交通信息工程及控制专业论文）中低速高温超导磁悬浮车运行参数测试系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 中低速高温超导磁悬浮车运行参数测试系统，主要研究解决磁悬浮车运 行参数的实时自动检测。与运行控制密切相关的基本参数包括：车体悬浮高 度、运行速度、加速度、车体实时位置。车载测试系统必须及时向地面控制 系统提供这些运行参数，以便控制系统对高温超导磁浮车进行实时控制。 本文分析了磁浮车运行参数的多种测试方法，选取易于实现、低成本、 高可靠的测量方法。 系统硬件设计部分，介绍了磁浮车悬浮高度、运行速度、加速度和实时 位置的测量原理及其接口电路。采用高性能的w 7 7 e 5 8 微控制器完成了车载测 试系统和地面控制系统的硬件电路设计。为保证磁浮车与地面控制系统间的 无线数据通信，选择了性能可靠的无线数传模块，进行接口电路设计。在此 基础上完成了印刷电路板设计。 系统软件设计部分，针对车载测试系统和地面控制系统的功能差异，合 理进行软件模块划分，优化软件结构，降低了程序设计难度。 系统调试和试验。在硬件安装、焊接和通电测试后，进行了软、硬件联 合调试。调试通过后，在超导技术实验室的动态测试装置上进行了模拟试验 和功能测试，表明测量方法可行，硬件和软件设计正确，达到用户要求。 关键词：高温超导；磁悬浮；悬浮高度；无线传输； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h et e s ts y s t e ml sm a i n l ys t u d i e df o rt h er e a l - t i m ed e t e c t i o no ft h er u n n i n g p a r a m e t e r so ft h el o w - m i d d l es p e e dh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n g ( h t s ) m a g n e t i c a l l yl e v i t a t i o n ( m a g l e v ) v e h i c l e t h o s e b a s i c p a r a m e t e r sc l o s e l y a s s o c i a t e dw i t ht h er u n n i n gc o n t r o li n c l u d el e v i t a t i o nh e i g h t ，r u n n i n gs p e e d ， a c c e l e r a t i o na n dr e a l t i m ep o s i t i o no ft h eh t sm a g l e vv e h i c l es y s t e m t h i s o n b o a r dt e s tv e h i c l em u s tp r o v i d et h e s er u n n i n gp a r a m e t e r st ot h eg r o u n dc o n t r o l s y s t e ms ot h a tt h eg r o u n dc o n t r o ls y s t e mc a nc o n t r o lt h eh t sm a g l e vv e h i c l ei n r e a l t i m e t h et h e s i sa n a l y z e ss e v e r a ld i f f e r e n tt e s tm e t h o d so ft h er u n n i n gp a r a m e t e r so f t h eh t sm a g l e vv e h i c l e ，a n dt h e ns e l e c t sab e t t e ro n ew h i c hi se a s i e rt oa c h i e v e w i t hl o w e rc o s ta n dh i g h e rr e l i a b i l i t y i nt h ep a r to ft h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h em e a s u r i n gp r i n c i p l e sa n dr e l a t e d i n t e r f a c ec i r c u i t sa r ei n t r o d u c e do fl e v i t a t i o nh e i g h t ，r u n n i n gs p e e d ，a c c e l e r a t i o n a n dr e a l t i m ep o s i t i o no ft h eh t sm a g l e vv e h i c l es y s t e m t h ed e s i g n e dc i r c u i to f t h eo n b o a r dt e s ts y s t e ma n dg r o u n dc o n t r o ls y s t e mi sa c h i e v e db yt h eh i g h p e r f o r m a n c em i c r o c o n t r o l l e r ，w 7 7 e 5 8 t h eh i g hr e l i a b i l i t yd i g i t a l w i r e l e s s t r a n s m i s s i o nm o d u l a ri ss e l e c t e dt oe n s u r et h ec o r r e c tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h eh t sm a g l e vv e h i c l ea n dt h eg r o u n dc o n t r o ls y s t e m t h e nt h e i n t e r f a c ec i r c u i ti sd e s i g n e d b a s e dt h ea b o v es t e p s ，t h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) d e s i g ni sf i n i s h e d i nt h ep a r to ft h es o f t w a r ed e s i g n ，t h es o f t w a r ei sl o g i c a l l ym o d u l a r i z e d ，t h e s t r u c t u r ei s o p t i m i z e da n dt h ed i f f i c u l t yo ft h ep r o g r a md e s i g ni s d e c r e a s e d a s s o c i a t e dw i t ht h ed i f f e r e n c eo ff u n c t i o n sb e t w e e nt h eo n b o a r dt e s ts y s t e ma n d t h eg r o u n dc o n t r o ls y s t e m t h ew h o l es y s t e mi sd e b u g g e da n dt e s t e d s o f t w a r ea n dh a r d w a r ei sd e b u g g e d t o g e t h e ra f t e rh a r d w a r ei n s t a l l a t i o n w e l da n dp o w e r o nt e s t a f t e rt h es u c c e s s f u l d e b u g g i n g ，t h es i m u l a t i o nt e s ta n df u n c t i o nt e s ta r ep r o c e s s e do nt h ed y n a m i c a l t e s tm e a s u r e m e n ts y s t e mi na p p l i e ds u p e r c o n d u c t i v i t yl a b o r a t o r y ( a s c l a b ) a 1 lt h er e s u l t sp r o v et h et e s tm e t h o di sf e a s i b l e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n sa r er i g h ta n da 1 1t h eu s e rr e q u i r e m e n t sa r es a t i s f i e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 k e y w o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ；m a g n e t i c a l l yl e v i t a t i o n ；l e v i t a t i o n h e i g h t ；w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ； 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打4 ，) 学位论文作者签名：张娅 日期：加，似刁 指导老师签名：砰禺延 日期：小o 0 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 首次将磁悬浮参数的测量集成在一块电路板上实现。 2 系统设计出来后，在超导技术研究所三号振动试验台上试验，得到了正 确的数据，达到了设计要求，为中低速高温超导磁悬浮车的工程应用提 供了可靠的数据。 学位论文作者签名：舭 日期：l ，歹年p 月予日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题来源 第1 章绪论 西南交通大学超导技术研究所承担的国家8 6 3 计划项目“中低速高温超 导磁悬浮车关键技术研究( 项目编号：2 0 0 7 a a 0 3 2 2 1 0 ) 9 项目主要研究内容 包括：高温超导块材在不同运动速度和加速度下，悬浮力及其刚度与场冷高 度、悬浮高度的关系；不同运动速度和加速度下，导向力及其刚度与场冷高 度、侧向位移的关系；高温超导块材在不同运动速度和加速度下的振动特性 等。 中低速高温超导磁悬浮车，指的是运行速度小于或等于1 0 0k m h 的高温 超导磁悬浮车【l 】。 本课题直接来自上述8 6 3 项目，主要研究解决中低速高温超导磁悬浮车 运行参数的实时自动检测。基本检测参数包括：车体悬浮高度、运行速度、 加速度、车体实时位置。 其他检测内容还包括：车体振动及噪音、超导块材低温容器( 杜瓦瓶) 的液氮液位、车体在曲线轨道上的导向力和侧向位移、车内磁场分布以及车 内温湿度等参数。这些研制工作有其他人员完成。 检测系统获取的运行参数，直接传送给主控系统，为高温超导磁浮车运 行控制提供关键数据。 1 2 课题的背景及意义 西南交通大学超导技术研究所，在“九五”期间研制成功世界首辆载人 高温超导磁浮车以来，俄罗斯、德国、日本也相继研制了类似装置。 高温超导磁悬浮与常导磁悬浮相比，具有自稳定悬浮特性，控制系统简 单可靠。运行能耗低，无噪音、无污染。属于环保型绿色运输系统，既可用 于客运，也可用于货运，具有极大的开发前景【2 】【3 】【4 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 但是，到目前为止，高温超导磁浮车的研究工作，仍然处于实验室低速 运行试验阶段。该车目前只能在实验轨道上以很低的速度做往复直线运动， 车上没有自动检测系统，不能在运动过程中自动检测车体的悬浮高度、运行 速度、加速度等基本参数。 中低速高温超导磁悬浮车关键技术研究项目，为载人高温超导磁悬浮车 走出实验室，推向实际应用奠定了基础。 本课题的研究工作，就是要为中低速高温超导磁悬浮车研制一套运行参 数自动检测系统。实时检测车体悬浮高度、运行速度、加速度及车体位置等 参数。具有研究意义和实用价值。 1 3国内外现状 磁悬浮车技术的研究源于德国，早在1 9 2 2 年h e r m a n nk e m p e r 先生就提 出了电磁悬浮原理，并在1 9 3 4 年申请了磁悬浮列车的专利。德国开发的磁悬 浮列车t r a n s r a p i d 于1 9 8 9 年在埃姆斯兰实验线上达到每小时4 2 6 公里的速度 【5 j 。日本开发的低温超导磁悬浮车m a g l e v ( m a g n e t i c a l l yl e v i t a t e dt r a i n s ) 于1 9 9 7 年1 2 月在山梨县的实验线上创造出每小时5 5 0 公里的世界最高记录。 磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以德 国高速常导磁浮列车t r a n s r a p i d 为代表，常导型高速磁悬浮列车的速度可达 到每小时4 0 0 5 0 0 公里，适合于城市间的长距离快速运输。而超导型磁悬浮 列车也称为超导磁斥型，以日本m a g l e v 为代表，它是低温超导磁悬浮车， 速度可达每小时5 0 0 公里以上。而高温超导磁悬浮列车兼有常导磁悬浮列车 和低温超导磁悬浮列车的优点，而没有他们的缺点。对路基和轨道平顺度的 要求比常导磁悬浮列车低得多，便于推广。可以静止悬浮，悬浮和导向不需 要复杂的控制系统，车体较常导磁悬浮列车轻很多，结构大为简化，操作和 维护十分简单，耗能极少【6 j 。 目前高温超导磁悬浮车的一些参数如运行速度、悬浮高度在国内外都有 一定的研究，测量速度有“计数轨枕法、“交叉回线法 和“雷达测速法 等方法，测量悬浮高度有利用超声波传感器测量，利用涡流传感器测量和利 用光电传感器测量等几种方式，但目前还没有同时测量磁悬浮车全部运行参 数的测试系统。 我国磁悬浮列车研究始于2 0 世纪8 0 年代，虽然起步晚，但发展很快， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 多家高校和科研单位已经对磁悬浮列车的悬浮、导向、推进等关键技术进行 了基础性研究，初步掌握了常导、中低速、短定子磁悬浮列车控制技术和 些参数测量技术，随着中国第一条磁悬浮高速铁路示范线在上海浦东建成通 车，我国对高速磁悬浮列车交通技术的研究进入了个新的发展阶段。 1 4 论文的主要工作 本论文完成的主要工作如下： 1 、确定测试系统的功能要求和技术指标。查找、搜集和学习相关资料。 2 、系统总体设计。 3 、测试方法的分析和优选。 4 、硬件电路的设计及其实现。包括器件的选型，接口电路的设计，原理图和 p c b 图的绘制及测试装置的焊接、调试。 5 、软件的设计及其调试，软硬件联合调试。 6 、测试系统在实验平台上进行实验并分析相关的实验数据。 对笔者所做工作用流程图表示如图1 1 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图1 1 论文工作流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章测试系统结构、功能及技术指标 该测试系统要将常规测试技术与高温超导磁悬浮车结合起来，因此在设 计过程中要充分考虑运行环境的特殊性( 工作在强磁场环境中) 和对测试系 统的具体要求( 系统功耗不高于5 0w ，系统重量不超过4 0k g ，系统体积不 超过o 2m 3 ) 。 2 1 测试系统的结构 中低速高温超导磁悬浮车测试系统由两部分构成，分别是：车载测试系 统( 图2 1 ) 和地面控制系统( 图2 2 ) 。其中，车载测试系统包括：车内温 湿度测量模块，位置、加速度测量模块，悬浮高度测量模块，振动、噪音测 量模块，杜瓦瓶液氮液位检测模块，电源模块，无线通信模块和测量数据采 集处理模块，显示模块。地面控制系统由地面测试处理器、无线通信模块、 速度加速度测试模块、控制主机和控制装置组成。其结构框图分别如下所示： 运行参数运行参数 显示屏 显示屏 j il 视频分配器i 。1 1 。 - 、 f | 电源车载测试处i 。氏i 无线通信 模块 理器- 一p 1 模块 ?一： 。l ，h j f 车内温 位置、速悬浮高振动、杜瓦瓶液氮 i 湿度测度、加速度 度测量噪音涣液位检测模 i 量模块测量模块模块量模块块 自自自寓 妻 上王_ 圉圉 低 加 浮 速 温 度 高 传 度 液 感 传 位 感 信 嚣感 器 图2 - 1 车载测试系统结构框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图2 - 2 地面控制系统结构框图 笔者实际完成的车载测试部分如图2 3 所示，地面控制系统我只完成图 2 2 中虚线框所示部分。系统其余部分的研制由其他人员完成。 图2 3 实际完成的车载测试系统结构框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 测试系统的功能 2 2 1车载测试系统功能 中低速高温超导磁悬浮车，车载测试系统主要对磁悬浮车运行的基本参 数( 悬浮高度、速度、加速度等) 进行实时测量。将测得的数据送到车载处 理机进行处理，处理结果送到视频分配器。通过视频分配器在车内不同位置 显示磁浮车运行状态及运行参数，供车内乘客观看。乘客随时可以了解自己 乘坐的磁悬浮车离轨道的悬浮高度是多少，速度有多快。同时测量数据通过 无线通信模块传送给地面控制系统，共地面操作人员掌握磁浮车运行状态及 运行参数，进行实时控制。 2 2 2 地面控制系统功能 地面控制系统的测试处理器，通过无线通信模块接收来自车载测试系统 的测量数据。当车载测试系统发生故障时，还可以在地面直接测试磁浮车的 运行速度、加速度和车体实时位置，但不能测量车体悬浮高度。地面测试处 理器将磁浮车运行参数传送给控制计算机( 工控机) 。控制计算机对磁浮车运 行参数进行分析处理，决定控制策略，确保磁浮车按预定的程序安全运行。 同时，控制计算机还要将磁浮车运行状态和运行参数送到主控室和车站 站台的显示屏，供监控人员和乘客观看，及时了解磁浮车的运行情况。 当磁浮车发生运行故障时，控制计算机启动应急预案，进行故障处理， 确保乘客和设备安全。这是控制系统的基本功能，由其他研究人员完成。 2 3 测试系统主要技术指标 中低速高温超导磁悬浮车参数测量系统，其参数测试的精度要求比较高， 具体指标如下： 1 、悬浮高度( 车体下表面距离轨道上表面的高度) ： 测量范围o 5 0m m ，测量精度0 1m m 2 、车体运行速度：测量范围0 - 5 0m s ，测量精度0 1m s 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 3 、车体运行加速度：测量范围0 - 1 0m s 2 ，测量精度0 1m s 2 4 、车体位置测量( 测量车体与监控站的距离) ： 测量范围o l o o m ，测量精度0 5m 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第3 章高温超导磁浮车运行参数测量方法 3 1高温超导磁悬浮车悬浮高度测量方法 高温超导磁悬浮车的悬浮高度，是指车体下表面与轨道上表面之间的距 离。测量悬浮高度，实际上就是测量距离。它要求测试系统能在车体静止和 运行过程中实时测量悬浮高度。由于目前高温超导磁悬浮车的悬浮高度在2 0 衄左右，要求测量精度比较高，而且永磁轨道的磁场强度很高，这些情况给 悬浮高度测量方法的选择提出了更高的要求。 从目前距离检测的方法来看，主要分为接触式测量和非接触式测量。由 于磁悬浮车的悬浮高度测量是在车体运动中实时测量，因此不能采用接触式 测量方法，只能采用非接触式方法检测。非接触式距离测量的主要方法有利 用超声波传感器测量，利用电涡流传感器测量和利用光电传感器测量等几种 方式。 超声波具有沿直线传播、方向性好、绕射小、穿透力强等特点。超声波 遇到杂质或分界面时会产生反射波，利用这一特性制成距离传感器，可以测 量距离或位移。超声波的传播速度比较慢( 约3 4 0m s ) ，而磁悬浮车速度较 高，被测距离很短( 2 0m i l l 左右) ，超声波传感器反应速度和测量精度都达不 到要求。因此本系统不能采用超声波测距方法。 电涡流传感器是根据电磁场原理，在传感器线圈中通入高频电流后，线 圈周围会产生高频电磁场，该磁场穿过靠近它的金属物体表面时，会在其中 感应产生一个电涡流，这个感应出的电涡流又会在它的周围产生一个电涡流 磁场，其方向和原线圈磁场的方向相反，这两个磁场叠加后将改变原线圈的 阻抗，通过检测原线圈的阻抗的变化，测量出距离的变化。但是高温超导磁 悬浮车的轨道是由磁场强度很高的永磁体构成，其周围的磁场强度很大，在 这种环境下如果用电涡流传感器会受到很强的干扰，从而导致误差很大甚至 失效，因此也不适合测量高温超导磁悬浮车悬浮高度【7 j 。 近年来随着电子学和光学技术的飞速发展，光电检测己经成为非接触测 量的一种主要技术方法。激光三角法( l a s e ：t r i a n g u l a t i o n ) 是光电检测技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 的一种，由于该方法具有结构简单、体积小、高分辨率、测量对象广、受环 境电磁场影响小、工作距离大、测量准确度高并可在线实时测量等优点，因 此在工业中的长度、距离以及三维形貌等测量中有着广泛的应用。 激光三角位移测量法的基本原理是由激光源发出一束激光照射在被测物 体表面上，通过反射最后成像在检测器件上，当物体表面的位置发生改变时， 其反射光束所生成的像点在检测器件上的位置也会发生相应的位移。通过像 移和实际位移之间的关系式，真实的物体位移就可以通过对像移的检测和计 算得到。由于入射光和反射光构成个三角形，所以这种方法被称为激光三 角测量法。 。 激光三角测量法根据激光束的入射方式具体可分为直射式激光三角位移 测量法和斜射式激光三角位移测量法。这两种方法都可以对被测面进行高精 度、高速度的非接触测量，但比较起来主要有以下几点区别【8 】： ( 1 ) 斜射式可接受来自被测物体的正反射光，比较适合测量表面接近镜面的 物体。直射式由于其接收散射光的特点，适合于测量散射性能好的表面， 如果被测表面比较平滑，则可能由于藕合到光电探测器的散射光强过弱， 使得测量无法进行，也就是说可能存在测量盲区。 ( 2 ) 当被测物体表面沿激光光轴位移时，斜射式入射光点照射在物体不同的 点上，因此无法直接知道被测物体表面某点的位移情况，而直射式可以， 当然斜射式也可以通过标定的方法得到其位移。 ( 3 ) 直射式的优点是光斑较小，光强集中，不会因被测面的不垂直而扩大光 斑，而且仪器的体积较小。斜射式的系统分辨率高于直射式，但它的测 量范围较小，体积较大。 由于高温超导磁悬浮车的轨道不是很平滑，比较粗糙，而且课题要求研 制一个小型、轻便的仪器，在综合考虑下，系统选择了直射式激光三角位移 测量方法。本测试系统具体选用k e y e n c e 公司生产的高速、高清确c c d 激光 位移传感器l k g 系列。其工作原理如图3 一l 所示： 如图，光路的基本组成为：激光二极管、小孔光阑、会聚透镜、接收物镜、 滤光片以及线阵c c d 。测量仪器是安装在高温超导磁悬浮车的车体上，当车 体的悬浮高度发生变化的时候，以车体为参照物，可以看作测量仪不动，轨 道在上下运动。其测量原理为激光二极管发出一束激光，经会聚透镜聚焦在 高温超导磁悬浮车轨道表面，光点产生的反射光线通过接收物镜成像在c c d 光敏面上。当被测面轨道表面从位置l 移动到位置2 的时候( 以车体为参照 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 物) ，激光光斑相对于接收物镜的位置发生了改变，相应的其像点在c c d 光敏 面上的位置也要发生变化，精确地测量出像点在c c d 上的位移x 就可以得 到轨道的位移量x 。为了减少环境杂光对系统的干扰，一般在接收物镜和线 阵c c d 之间安装滤光片，激光二极管发出的6 7 0 1u l l 的红光通过率可达到百 分之九十以上，而其它波段的光几乎可以全部滤掉。同时在激光器和会聚透 镜之间加装小孔光阑，以减小光斑直径，使得测量更加精硎9 1 。 轨 轨 图3 一l 激光位移传感器工作原理图 1 0 】 在购买激光位移传感器时，同时也选购了厂家的配套设备，因此只需要 把激光位移传感器安装在实验车体上，所测数据便显示在配套设备的显示面 板上。 激光位移测试仪的采样周期可以在2 0u s 、5 0u s 、1 0 0u s 、2 0 0u s 、5 0 0 u s 和1 0 0 0u s 六个等级中选择。分辨率达到5u l l i ( 即0 0 0 5m i l l ) 。测量速度 和精度都能达到要求。 磁浮车悬浮高度具体测量过程为：由测试软件设定激光位移测试仪的采 样周期，一般选择2 0 0u s ，一次设定后，在整个测量期间保持不变。测量时， 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 c p u 向激光位移测试仪发出采样命令，经过2 0 0u s 延时后，c p u 通过串行通 信口从激光位移测试仪读取悬浮高度测量值。 3 2 磁浮车运行速度测量方法 轮轨列车以轨道电路为车轨间信号传输通道，使用和轮轴相连的脉冲发 生器或编码盘，完成列车位置和速度的测量。而磁悬浮列车因和地面无接触， 所以它无法利用轨道电路或编码盘测量运行速度。 传统的测速方法有微波测速定位、基于轨间电缆的测速定位和交叉感应 回线测速定位。 微波测速定位类似于轮轨列车中采用的无线扩频定位技术，用微波来确 定移动车辆的位置安装在线路旁的多个微波设备同时发送定位信号，车上的 接收天线接收到定位信号后，由车载计算机比较这些信号的时间差，从而得到 路程差，再结合线路和微波设备的几何参数，就可以计算出移动车辆的位置。 求得列车的位置变化后，和固定时间相比，即可求得列车的速度。但微波测速 的设备比较复杂、价格较高 1 l - 1 2 j 。 基于轨间电缆测速定位法在轨道上要铺设轨间电缆，车上要安装发送或 接收装置轨间电缆是铺于磁悬浮列车轨道上的用于列车定位测速和数据传 输的各种电缆，通过和列车上的感应线圈的电磁耦合，轨间电缆可以提供连续 的位置和速度测量i 贝0 量时，需要一个单一频率的定位信号，定位信号的发送和 接收可分为两种：车上发送地面接收；地面发送车上接收。采用这种方法地面 控制设备不能直接得到列车的位置、速度信息，这些信息需要通过数据通道 从车上传至地面设备【l3 i 。 交叉感应回线测速定位系统是利用电磁感应原理来检测列车速度的。首 先在轨道上敷设交叉感应回线，并对回线通以一定频率的交流信号，然后通 过车载天线检测回线发送的信号【l4 1 。交叉感应回线的主要特点是每隔一定间 距交叉一次。列车运行时，随着车体在回线上方相对位置的改变，天线将产 生按一定规律变化的感应电势。其变化与回线的几何形状有关【l 引。只要检测 出感应电势的周期，用回线相邻交叉点的距离除以周期就得到了列车当前的 车速。记下列车过交叉点的个数，用回线相邻交叉点的距离乘以交叉点个数 就得到列车的相对位移，再将所得位移除以时间就得到了相应的速度。但由 于交叉区较窄，得到的位置脉冲占空比较小，随着列车速度增加，位置脉冲漏计 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 的可能性增大；而且亦需敷设电缆，提高了成本。 为了减少成本，笔者采用一种光电传感器进行速度测试。 速度就是运动物体在单位时间内移动的距离，基本计算公式如下： v = s t ( 3 1 ) 上式表明，如果已知位移s ，只要测出经历的时间t ，就能算出速度v ； 或者已知运动时间t ，只要测出移动的距离s ，也就测出了速度v 。 不过，用这种方法测出的速度，是运动物体在时间段t 内的平均速度。 时间段t 越短，越接近物体的及时速度。 1 车载测速方法 反射式光电传感器安装在车上，传感器可以选用可见光或红外光。通常 使用红外传感器，可以避免环境光的干扰。在轨道的侧面每隔一定距离安装 反射板，我们采用每隔一米安装一个反射板。车上只须安装一个反射式红外 传感器。如图3 2 所示。 磁浮车光电传感器 反竺兰口兰口口口：口 当传感器发出的红外线碰到反射板时，将红外线反射到传感器的红外接 收管上，输出一个脉冲信号。每个反射板都会使传感器输出一个脉冲信号。 用定时计数器测出磁浮车经过相邻两个反射板的时间( 两个反射脉冲的间隔 时间) ，就可计算出磁浮车通过这两个反射板区间的平均速度。 假定：定时计数器的频率是1 0 0 0 赫兹，在两个反射板之间的计数值是 5 0 个脉冲，则运行时间为： t = 5 0 ，i c ( 1 10 0 0 ) = 0 0 5 ( 秒) 通过这两个反射板区间的平均速度为： v = s t = 1 米o 0 5 秒 = 2 0 米秒 定时计数器几乎所有单片机都有，使用方便。合理选择计数时钟频率， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 既可保证测量精度，又能简化计算。 根据技术指标，车体运行速度测量范围0 - 5 0m s ，测量精度0 1 m s 。 对于最高速度5 0m s ，当计数时钟频率为5 0 0h z 时，计满5 0 0 个脉冲， 时间就是1 秒，车体运动5 0m 。相当于每个计数脉冲，车体运动0 1m 。一 般计数器的计数误差是1 个脉冲。因此，选用5 0 0h z 的计数时钟频率，理 论上的测量误差可以达到o 1m s 。 为了保证测量精度，我们选用1 0 0 0h z 的计数频率。频率太高，计算复 杂。 如果轨道长度在1 0 0 米之内，反射板间距1 米比较合适。当轨道较长时， 间距可以加大，以便节省安装反射板的费用。 2 地面测速方法 将反射式红外传感器安装在轨道侧面上，以车体侧面作为反射板。每隔 一米安装一个红外传感器。原理图与图3 2 相似，将图中的反射板换成红外 传感器就行了。 测速原理与车载测速方法相同。当磁浮车经过时，红外线被反射到传感 器的红外接收管上，输出一个脉冲信号。此脉冲信号传送到地面测试处理器， 处理器根据车体经过相邻两个传感器的时间，计算出车体的运行速度。 由于车体较长，反射脉冲宽度较宽。应以脉冲边沿控制计数器计数。 如果车体长度超过l 米，应加大传感器安装间距，否则，相邻两个传感 器的反射脉冲会重叠起来。试验表明，传感器安装的最短间距超过车体长度 的1 5 倍为宜。 显然，地面测速由于使用的传感器多，成本较高。要降低成本，就要加 大传感器安装间距。根据轨道长度，传感器安装间距可以选在5 米至1 0 米之 间。 3 3 磁浮车运行加速度测量方法 加速度测量通常使用加速度传感器，如a d x l 2 0 2 ，a d x l l 0 5 等。使用最 普遍的是a d x l 2 0 2 ，a d x l 2 0 2 的输出占空比与它所感受到的加速度信号成 正比，将两路输出信号直接接到处理器上，就可以测出输出信号的占空比， 便可以计算出加速度【1 6 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 彳( g ) = ( d 一口) 6 ( 3 2 ) 上式中：g 为重力加速度 d ( 占空比) 为t 1 t 2 口为o g 时的占空比，一般为5 0 6 为加速度计的灵敏度( 加速度变化1 9 时占空比的变化率) ，一般 为1 2 5 t l 厂r 2 示意图如图3 3 所示： 一 t l 图3 - 3脉宽调制占空比信号【1 7 】 由于加速度就是速度随时间的变化量，如果在时间段t 速度由v 。变为v 件1 ，则运动物体在这段时间内的加速度为： 。一一妖 口2 二一 f 内，运动物体的 ( 3 3 ) 上式中：t 为经过传感器的时间段； k 为t 时刻车体的速度； k + ，为t + l 时刻车体的速度。 用这种方法测量的加速度，是运动物体在时间段t 内的平均加速度。时 间段t 越短，越接近物体的及时加速度，其加速度计算示意图如图3 4 所示： t l 1 2t 3t 4 t it j 图3 4 加速度计算示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 在分析测速方法时，采用的是等距离测速。以车载测速为例，每米间距 测量一次速度，得到一系列速度值： v l ，v 2 ，v 3 ，v j ，v n 据此可以直接计算出相应的加速度： a l = ( v 2 - v 1 ) t 2 ； a 2 = ( v 3 - v 2 ) t 3 ； a i = ( v j v i ) t j ： 因此，不需加装任何新的传感器，只通过计算就能得到车体运行加速度。 3 4 磁浮车实时位置测量方法 车体实时位置，就是磁浮车当前运行到轨道的那个位置。检测磁浮车运 行过程中的实时位置，用于在显示屏上实时显示车体运行位置，供控制室工 作人员观察、监控，也可让站台上的乘客观看。 在车载测速方案中，轨道沿线每隔l 米安装了一个红外反射板。无论直 线轨道还是环形轨道，确定一个轨道起始点。从轨道起点开始对每个反射板 依次编号，例如从0 0 号到9 9 号。 速度检测是以反射板的反射脉冲为触发信号的，设置一个脉冲计数器， 从起点开始对反射脉冲计数，就能得到反射板的编号。对于环形轨道，运行 一圈又回到起点。此时，脉冲计数器必须清零。 由于测量的速度值是与反射板的位置一一对应的，只要将速度值和对应 的反射板编号同时发送给地面控制室，地面控制室也就同时得到了磁浮车的 运行速度和实时位置。 这种测量方法简单易行，成本低。 3 5 采样方式与采样速率 3 5 1采样方式， 由于磁浮车运行速度、加速度和实时位置的测量，都是以轨道沿线的红 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 外线反射板产生的反射脉冲为触发信号的。所以，磁浮车悬浮高度的测量也 可以由同一个反射脉冲触发。当反射脉冲到达时，测量车体运行速度，计算 加速度和实时位置，同时启动激光位移测试仪采样，经过2 0 0u s 时间后，从 激光位移测量仪读取车体悬浮高度值。 这样，整个磁浮车车载测试系统都采用等距离定点采样。采样方式单一， 数据处理方便，极大地简化了软件设计工作。 等距离定点采样，测量的各项运行参数沿轨道均匀分布，测量值与轨道 位置一一对应，能够如实的反映磁浮车运行状态及其变化过程与轨道的关系， 有利于永磁轨道的维护和改进。 如果使用定时( 等时间间隔) 采样方式，由于磁浮车的运行速度是变化 的，采样点沿轨道分布不均匀，测量参数与轨道的位置不能确定，不利于永 磁轨道的维护和改进。 3 5 2采样速率 由于磁浮车的运行速度是变化的，等距离定点采样，采样速率是变化的、 不确定。按照1 米间隔采样，当车速达到每秒5 0 m 时，采样速率最高，每秒 采样次数5 0 次，因此，最短采样周期大于2 0m s ，因此计算速度、加速度 和实时位置、读取悬浮高度值和无线数据传输等，总的测量时间和数据传输 时间是充足的。 3 6 无线通信实现方法 由于高温超导磁浮车与轨道没有接触，车载测试系统产生的测试数据必 须通过无线通信方式传送到地面控制系统。由于轨道较短，一般不会超过1 0 0 米，通信距离较短。通信内容包括车体运行速度、加速度、车体实时位置和 车体悬浮高度，传送的数据量较小。因此，考虑采用简单的无线数传模块实 现车载测试系统与地面控制系统之间的无线数据通信。 可供选择的无线数传模块较多。经过比较，选用基于n r f 4 0 1 芯片的无 线数传模块。其最大传输速率可达2 0k b i t s ，发射功率可调，最大可达n + l o d b 。通信距离可达8 0 0 米左右。接口简单，能够直接与单片机的串行口连接。 单片机用异步通信方式与无线数传模块交换数据，包括联络信号、通信控制 字和数据字节。对于单片机c p u 而言，无线数传模块就是一般的异步通信接 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 口，使用极为方便。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 第4 章系统硬件设计 4 1 系统硬件结构 实际完成的车载测试系统( 图2 3 所示) 和地面控制系统虚线框中的部 分( 见图2 2 ) ，虽然功能有差异，但它们都是以测试处理器为核心，加上测 试和无线通信模块构成的，结构上十分相近。以车载测试系统( 图2 3 ) 为 例，只要省去其中的悬浮高度测试模块，就与图2 2 虚线框中的部分相同了。 因此，为了节省印制板制作费用，降低成本，将两部分综合成图4 1 所示的 硬件结构。这样，只需作一种印制板，就能分别组装成车载和地面控制系统。 图4 1 系统硬件结构框图 图4 - 1 与图2 - 3 相比，增加了按键开关和数码显示器模块，这是为了方 便调试设计的。当系统调试完成后，这个模块可以停止工作，以便降低功耗。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 当作为车载测试系统使用时，图中的串行通信接口0 连接激光位移测试 仪，测量车体悬浮高度。当作为地面控制部分使用时，串行通行接口0 连接 控制计算机，向控制系统实时传送磁浮车运行参数。 电源模块是专为车载测试系统设计的。车上所有的用电设备，都由蓄电 池供电。电源模块将2 4 v 的蓄电池电源降压、稳压后，输出5v 电源，供给 测试系统使用。 4 2 处理器芯片的选择 作为本系统的核心部件，微处理器的选择对整个系统功能的实现起着至 关重要的作用。 根据功能需求，处理器芯片的硬件资源，应当具有两个异步串行通信接 口，较大的程序存储器和数据存储器。a r m 处理器和功能较强的单片机，都 能满足这种要求。为了降低成本，选用台湾华邦公司生产的与m c s - 5 1 系列单 片机兼容的微处理器w 7 7 e 5 8 。 w 7 7 e 5 8 的c p u 核心是由c p u 控制器、算术逻辑部件a l u 和c p u 寄存器组 成。c p u 寄存器有累加器a c c u m 、b 寄存器、程序状态寄存器p s w 、程序计数 器、堆栈寄存器等。存储器由随机存取存储器r a m 和掩模只读存储器r o m 组 成。r a m 有2 5 6 字节的容量，f l a s h 程序存储器有3 2 k b 的容量。另外还有1 k b 的数据存储器。有5 类i o 口，分别为p o 、p 1 、p 2 、p 3 和p 4 ( 仅4 4 引脚) ， 其中p 0 、p 1 、p 2 和p 3 为4 个8 位的并行输入输出端口，p 4 为4 位并行的 输入输出端口。p 0 、p 1 、p 2 和p 4 的部分引脚具有复用功能。p 3 的全部引脚 具有复位功能。由于增加许多新的寄存器，使得单片机的性能有了很大提高。 w 7 7 e 5 8 功能框图和引脚图分别如图4 - 2 、图4 3 所示，归纳起来w 7 7 e 5 8 有以 下特点【1 8 - 2 5 1 ： 速度高，工作频率可扩展到4 0 m h z ，使用与8 0 5 1 同样的晶体振荡器运 行时间平均比8 0 5 1 快2 5 倍。一般的8 0 5 1 单片机，一个机器周期需 要1 2 个时钟，而w 7 7 e 5 8 仅需要4 个时钟周期。 片内有1 k b 的s r a m ，一般情况下不用再外扩数据存储器。 增加中断源数目。有1 2 1 3 个中断源、6 个外部中断、3 个定时器中断 2 个串口中断和一个看门狗中断。中断向量的增加，使其在工业控制 中使用尤为方便。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 有两个全双工串口( 串口o 、1 ) 一般8 0 5 1 仅有一个数据指针d p t r ，而w 7 7 e 5 8 又增加一个数据指针 d p t r ，它加速了数据块在存取器间的传输速度。 有一个看门狗电路。 工作电压为4 5v 、- 5 5v 。 与8 0 5 l 兼容的指令。 外部数据访问周期可编程。 w 7 7 e 5 8 单片机c p u 内部结构如图4 2 所示，其引脚分布如图4 3 所示， 与5 l 单片机兼容。 雕d i 雕7 p 3 ，0 p 3 7 p l d i p 3 图4 - 2w 7 7 e 5 8 功能框酬2 6 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 t 2 ，p 1 口 了2 ) 【 1 嗽1 p 1 2 了x 0 1p ，3 i n t r 争，。4 i n j 尹 石 i n t 五乒，6 嘲下s 啪 m i 1 i n t l 9 7 蹦 o 1 p 3 互 尹，3 t o p 3 - 4 t p 3 5 w rp 3 荐 r d p 3 7 耵穑2 x 强互- 煅 v d d 0 d e 1 d 1 雅2 d 2 舶3 。 d 3 阳4 麒 5 d s 跚6 臌 p n 7 d 7 l e & 荆 p 2 7 ，s 陀5 。 蕾 p 2 5 3 p 2 4 2 p 2 3 a i p 2 2 a 1 0 豫1 张0 0 图4 3w 7 7 e 5 8 引脚图 4 3l e d 显示模块及按键开关电路设计 4 3 1l e d 显示模块电路设计 测试系统的显示器，主要用于系统调试时使用。采用共阴极4 位数码管 a 3 6 8 c 4 ，其结构图如4 - 4 所示。 af2 3b lll lg _ f b4gf1 。 c f | c d 却一1 1 9确矾 dd pc g