（检测技术与自动化装置专业论文）列车完整性测控技术的研究.pdf

列车完整性测控技术的研究摘要铁路安全关系到国计民生。由于全面提速和操作人员的疏忽，越来越多的火车在行驶过程中发生抛尾现象。一旦抛尾事故发生，人民的生命财产将会出现重大损失。铁道部门非常希望有一种设备，可以有效检测列车抛尾，并在抛尾后发出告警。由于火车的链性连接，有效参数检测存在一定困难。加之，火车尾部没有电源，设备无法长期工作。这些因素导致到目前为止还没有一个有效的设备检测列车抛尾。本设备的设计成功将会产生巨大的社会效益和经济效益。本设备通过三个步骤研究列车抛尾。首先，研究列车抛车发生的特点，并寻找有效的检测方法。其次，通过硬件和软件处理保证信号检测的正确性。第三，把设备安装到火车上，在实际运营当中检验设计结果。本设备基于g p s 和加速度两种方法检测列车抛尾。在火车运行过程中，g p s主要是检测火车的长度变化，加速度传感器主要检测车头和车尾的加速度。当火车在运行过程中发生抛尾，它的长度和加速度一定发生变化。通过检测火车的长度和头尾的加速度的变化，可以判定火车是否发生抛尾。在设计过程中研究解决了以下技术问题：g p s 和f f s k 的原理和通讯，数字滤波和数字通信，信息编解码理论，数学插值算法，虚拟仪器等技术。关键词：抛尾；g p s ；f f s k ；编码；解码；数学插值；虚拟仪器s t u d yo ft h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gt e c h n o n o g yo ft r a i n si n t e g r a l i t ya b s t r a c tr a i l w a ys a f e t ya c t sa ni m p o r t a n tr o l ei nn a t i o n a le c o n o m ya n dp e o p l e sl i v e l i h o o d b e c a u s eo ft r a i n si n c r e a s i n gs p e e da n dp e r s o n n e lo p e r a t i o nc a r e l e s s m o r ea n dm o r et r a i n sa r i s et a i le s c a p i n gp h e n o m e n o no nr u n n i n g 。w h i l et a i le s c a p i n ga r i s e ，t h el o s i n go fp e o p l e sl i v i n ga n dp r o p e r t yi sv e r yg r e a t t h ed e p a r t m e n to fr a i l w a y si se a g e rf o rs o m ee q u i p m e n tc a nm o n i t o ra n dc o n t r o lt h et r a i nw h i l et h et r a i na p p e a r st a i le s c a p i n g 。t h ep r o j e c tw i l lh a v eg r e a tb e n e f i to fs o c i e t ya n de c o n o m y ，w h i l ei th a sb e e nd e s i g n e ds u c c e s s 。t h et a i le s c a p i n go nt h r e er e s p e c t sw a sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , f i r s t l y , a n a l y s e dt h es p e c i a l t yo ft h et a i le s c a p i n ga n ds e a r c h e ds o m ep a r a m e t e r st om o n i t o rt r a i n st a i le s c a p i n g ，s e c o n d l y , d e s i g n e dc o r r e c th a r d w a r ea n ds o f t w a r et od e a la n dc h e c kt r a i l sp a r a m e t e r s ，t h i r d l y , t e s t e da n de x a m i n e dr e s u l to nt h ep r a c t i c e t h et a i le s c a p i n gw a sm o n i t o r e di nt w om e t h o d s ：g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m )a n da c c e l e r a t i o ns e n s o r d u r i n gt h et r a i nr u n n i n g ，t h eg p sm o n i t o rt h et r a i n sl e n g t hc h a n g i n gm a i n l y , t h ea c c e l e r a t i o ns e n s o rm o n i t o rt h et r a i n sa c c e l e r a t i o no fh e a d &t a i l w h i l et h et r a i ne s c a p e st a i l ，i t sl e n g t ha n da c c e l e r a t i o nm u s th a v eb e e nc h a n g e d t h r o u g ht h i st o wm e t h o d s ，t r a i n si n t e g r a l i t yc a nb em o n i t o r e da n dc o n t r o l l e d d u r i n gt h ep r o je c td e s i g n e dp r o c e s s ，i tw a sn e e dt os o l v et h ef o l l o w i n gt e c h n o l o g y , s u c ha sg p sa n df f s k ( f a s tf r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) t h e o r y ，d i g i t a lf i l t e r i n g ，d i 舀t a lc o m m u n i c a t i o n ，i n f o r m a t i o ne n c o d ea n dd e c o d et h e o r y ，m a t h e m a t i c si n t e r p o l a t i n ga l g o r i t h m ，v i r t u a li n s t r u m e n ta n ds oo n k e yw o r d s ：t a i l - e s c a p i n g ，g p s ，f f s k ，e n c o d e ，d e c o d e ，m a t h e m a t i c s ，v i r t u a li n s t r u m e n t 插图清单图2 3 直线弧线换算图7图2 4 插值分析图8图2 5 一次插值10图2 6 二次插值1 1图2 7 拉格朗日插值11图3 1 车头设备硬件组成框图15图3 2 车尾设备硬件组成框图15图3 3 车头电源电路原理图1 6图3 5 电源电路原理图16图3 6m c u 电路原理图18图3 7 复位电路18图3 8 振荡电路1 9图3 - 9g n 8 0 接口电路2 0图3 1 0 a d x l 2 0 2 电路图一2 1图3 1 1 加速度占空比示意图2 1图3 1 2 加速度标定示意图2 2图3 1 3c m x 4 6 9 电路图一2 3图3 1 4f f s k 发送接收波形2 3图3 15f f s k 信号调理电路一2 4图3 16 精密整流电路2 4图3 17r s 2 3 2 电平转换电路2 5图3 一1 8 逻辑电平转换电路2 6图3 一l9 射随采样电路2 6图3 2 0 音频处理电路2 7图4 1 数字滤波流程3 0图4 3b c h 取余过程3 6图4 4b c h 取余软件流程3 6图4 5 加速度检测软件流程3 8图4 6f f s k 接收软件流程4 0图4 7 虚拟仪器组成框图4 2图4 8 车头主程序流程：4 3图4 9 车尾主程序流程4 3图5 1 操作界面4 4图5 2 检测界面4 5图5 3 录音界面4 6表格清单表2 1 列车阻力公式13表2 2 货车阻力公式1 3表4 1c r c 校验生成多项式3 4表4 2f f s k 帧格式3 8表4 3r s 2 3 2 帧格式4 l表4 4 操作命令4 1独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究i 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字凇旺签字魄d 年7 月瑚学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金起互些态堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：盼受吐签字日期：叼年岁月j 日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：3导师签名：膊琢游签字日期：。转弓月叫日电话：，? 毋r 爹f ，s 弓罗邮编：致谢本文的研究工作是在导师陈荣保副教授的悉心指导下完成的。在两年多的研究生学习期间，我一直深受导师的孜孜不厌的教诲。导师敏捷的思维，渊博的学识，严谨的治学态度，勤奋求实、不断进取的学者风范给我留下了深刻的印象，为我今后的工作，学习和生活树立了榜样，将是我人生中一笔宝贵的财富，使我终身受益。在此，向辛勤培育我的导师致以由衷的感谢和崇高的敬意。感谢彭瑾，曹军，任启明，李天庆，杨锋等同学给予我学习和生活上热情的帮助，同时感谢安徽富煌和利时科技有限公司提供的研究项目和在论文期间给予的物力，财力，人力等方面的支持。本论文的完成与他们的帮助是分不开的。感谢家人和女友对我的精神上的鼓励和支持。作者：陈晓旺2 0 0 8 年3 月第一章绪论1 1 课题研究的背景和意义目前在铁路运输过程中，由于火车全面提速和维护人员的疏忽等原因，火车车厢的连接出现脱钩，发生甩尾现象。客车的车尾有乘务人员，抛尾时能够及时发现并采取应对措施。而货车没有乘务人员，司机无法及时发现抛车事故和采取应对的措施。这给铁路运营带来很大危害和安全隐患。虽然抛车发生机率较低，但是如果发生，造成危害很大。最近发生一个重大事故，在太原铁路区段由于尾部三节火车倾覆，车头司机没有及时发现。倾覆车厢被车头拖了近1 0 公里，铁轨和沿线设施遭到毁灭性破坏，造成重大经济损失。铁路部门希望能有检测尾部抛车和倾覆的设备。由于火车连接的特殊性和抛车的随机性，火车运行抛车监控难度比较大。到目前为止，还没有有效的方法和手段能对火车抛车实时测控。通过对列车运行和抛车状态的研究，寻找一种有效的手段实时监控火车抛车。列车完整性测控技术研究成功必将为列车抛车测控提供有效的手段，将会产生巨大社会效益和经济效益，有广阔的市场运用前景。1 2 列车完整性检测的现状西方发达国家铁路形成比较早，技术比较成熟。而且有发达的网络给予支持。他们利用无线网和有线网，对铁路运营进行综合调度和监测。其中利用g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) ，g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) ，i n t e m e t 等技术手段。铁路调度中心可以查询任何一辆列车运行区间。当列车发生抛车后，调度中心能够大致知道火车发生抛车的区间。目前国内还没有一个可靠性高，实时性强的列车完整性检测设备。中国也有向综合调度测控平台发展的趋势，但速度比较缓慢。主要原因在于以下几个方面：( 1 )g s m 通讯依靠全球移动网，而全球移动网存在盲区，且在通讯量大系统忙时，存在通讯时延，这在高安全的铁路部门是不容许的。( 2 )国内铁路部门想建立g s m r 铁路内部网，供铁路部门专用，它可以接入全球移动网。目的是为了提高通讯的实时性和呼叫成功率。由于投入资金比较大，组网和测试周期比较长等原因。还没有建成可供使用g s m r 。铁路的远程通讯目前还是借助全球移动网。( 3 )中国地理复杂，很多铁路在群山，隧道之中。g p s 和g s m 存在很多盲区。以上诸多原因都限制了列车完整性的正确可靠检测。1 3 论文研究的内容为了保证列车能在抛车发生后最快时间内能够告警，本论文基于g p s 和加速度两种检测手段。在火车行进过程中不断检测车头和车尾出g p s 位置信息和加速度信息。通过对g p s 和加速度信息有效检测和处理，确立火车发生抛车发生的条件。然后利用通用无线信道机进行告警通讯。为完成最终设计，需要从以下几个方面进行技术准备和基础研究。相关知识：( 1 ) g p s 接收机原理应用和距离算法研究。( 2 ) 加速度传感器研究，标定和数字滤波。( 3 ) f f s k ( f a s tf r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 调制解调的研究。( 4 ) 信息编码理论中的校验和纠错算法。( 5 ) m s p 4 3 0 f 1 4 9 的熟悉和应用。( 6 ) c 语言，d e l p h i ，p r o t e l 9 9 s e 等工具软件的熟练掌握。2第二章关键技术的研究2 1g p s 原理和测算2 1 1g p s 概述g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。g p s 计划始于1 9 7 3 年，已于1 9 9 4 年进入完全运行状态。2 1 2g p s 部分组成g p s 的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成：空间部分：2 1 颗工作卫星，3 颗备用卫星。地面支撑系统：1 个主控站，3 个注入站，5 个监测站。用户设备部分：接收g p s 卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信。g p s接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。2 1 3g p s 定位原理g p s 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图2 1 所示，假设t 时刻在地面待测点上安置g p s 接收机，可以测定g p s 信号到达接收机的时间t ，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定四个方程式( 2 1 ，2 2 ，2 3 ，2 4 ) ：卫星1 ( x l ，y l ，z l ：卫星1 ( x l ，y l ，z l ：图2 1g p s 分布和定位指示【( x 。一x ) 2 + ( y l 一】，) 2 + ( z 。一z ) 2 l 坨+ c ( k ，一形。) ：d 。【( x ：一x ) 2 + ( 匕一y ) 2 + ( z ：一z ) 2 l 他+ c ( ：一z , o ) ：d ：3( 2 1 )( 2 2 )【( x ，一x ) 2 + ( 匕一】，) 2 + ( z ，一z ) 2 l 位+ c ( _ ，一l 。) ：d ，【( x 。一x ) 2 + ( 匕一y ) 2 + ( z 。一z ) 2 j 他+ c ( 杉。一v t o ) ：d 。( 2 3 )( 2 4 )上述四个方程式中待测点坐标x 、y 、z 和v t o 为未知参数，其中d i = c t i ( i = l 、2 、3 、4 ) 。d i ( 滓l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星l 、卫星2 、卫星3 、卫星4 到接收机之间的距离。t i ( i - 1 、2 、3 、4 ) 分别为卫星l 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的信号到达接收机所经历的时间。c 为g p s 信号的传播速度( 即光速) 。四个方程式中各个参数意义如下：x 、y 、z 为待测点坐标的空间直角坐标。x i 、y i 、z i ( i - l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星l 、卫星2 、卫星3 、卫星4 在t 时刻的空间直角坐标。可由卫星导航电文求得。v ti ( i - - 1 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。v t o 为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x 、y 、z 和接收机的钟差o 。2 1 4d g p s 原理目前g p s 系统提供的定位精度是优于1 0 米，而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分g p s 技术：将一台g p s 接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行g p s 观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。差分g p s 分为两大类：伪距差分和载波相位差分。1 伪距差分原理这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”。2 载波相位差分原理载波相位差分技术又称r t k ( r e a lt i m ek i n e m a t i c ) 技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。2 1 5g p s 数据格式说明因为美国民用g p s 信号对全球开放并在一定时间内免费使用，民用差分g p s的定位精度好点的误差在5 米以内，完全满足般设计运用需要。我们通常所说的g p s 实际上是g p s 接收机，差分方式一般多为伪距差分。虽然接收机的型号甚多、性能各异，但它们的g p s 定位信息串行输出格式大多采用美国国家海洋电子协会制定的n m e a 一0 1 8 3 通信标准格式。其输出数据采用的是a s c i i 码，内容4包含了纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向以及卫星状况等信息，常用语句有6 种，包括g g a 、g l l 、g s a 、g s v 、v t g 和r m c 。接收机的对外接口通常r s 2 3 2 接口和u s b 接口。6 种信息输出格式因为接收机不同而存在细微差别，本设计使用的接收机( g n 一8 0 ) 有效输出信息格式如下：( 1 ) $ g p g g a ，1 2 3 6 3 3 0 0 ，3 1 5 3 3 8 3 8 ，n ，1 2 1 1 0 3 6 9 1 ，e ，1 ，0 3 ，3 9 6 ，0 0 0 1 5 ，m ，0 0 7 ，m ，枣6 c( 2 ) $ g p g l l ，3 1 5 3 3 8 3 8 ，n ，1 2 1 1 0 3 6 9 1 ，e ，1 2 3 6 3 3 0 0 ，a ，a 木6 5( 3 ) $ g p g s a ，a ，2 ，1 4 ，0 7 ，16 ，4 0 9 ，3 9 6 ，1 o o 幸0 6( 4 ) $ g p g s v ，3 ，1 ，0 9 ，1 6 ，4 7 ，2 3 1 ，2 9 ，1 4 ，5 2 ，1 3 2 ，4 2 ，0 1 ，7 9 ，3 4 3 ，2 0 ，2 0 ，3 0 4 , * 7 5( 5 ) s g p v t g , 0 0 0 0 ，t 0 0 4 7 ，m ，0 0 0 0 ，n ，0 0 0 0 ，k ，a 母2 0( 6 ) $ g p r m c ，2 0 4 7 0 0 ，a ，3 4 0 3 8 6 8 0 ，n ，117 0 9 4 3 2 0 ，w ，0 01 9 ，3 3 6 9 ，17 0 6 9 8 ，0 13 6 ，e 术6 eg p s 的数据格式可以通过配置软件迸行修改，设置g p s 接收机的信息输出格式和波特率。有的g p s 配置信息掉电后不保存。每次使用前需要由软件进行初始化。$ g p r m c 格式的数据，包含信息内容比较多，适合设计中信息内容需要。一条完整的$ g p r m c 格式具体内容说明如下：例：$ g p r m c ，2 0 4 7 0 0 ，a ，3 4 0 3 8 6 8 0 ，n ，1 1 7 0 9 4 3 2 0 ，w ：0 0 1 9 ，3 3 6 9 ，1 7 0 6 9 8 ，0 1 3 。6 ，e 木6 e1 $ g p i 蝴c ：代表g p s 推荐的最短数据2 2 0 4 7 0 0 ：u t ct i m e2 4 小畴制的标准时间，- 按照小时分钟秒的格式，中国用户需要加8 个时区。3 a v ：a 表示当前定位信息有效，v 表示当前定位信息无效。4 3 4 0 3 8 6 8 0 ：纬度，精确到小数点后4 位。5 n s ：n 表示北纬，s 表示南纬。6 1 1 7 0 9 4 3 2 0 ：经度，精确到小数点后4 位。7 e w ：e 表示东经，w 表示西经。8 0 0 1 9 ：地面上的速度，范围为0 0 到9 9 9 9 。9 3 3 6 9 ：方位角，范围为0 0 0 0 到3 5 9 9 度。10 1 7 0 6 9 8 ：日期，格式为d d m m y y 。1 1 0 l3 6 ：极化角。1 2 e * 6 e ：校验码。2 1 6g p s 检测抛车的方法1 g p s 检测原理：火车在正常行使过程中车头和车尾的距离固定不变。如果发生抛车事故，车头和车尾的距离增大。g p s 检测列车抛车的原理就是在火车的行进过程中检i 贝! i 列5车头尾的g p s 位置信息，并计算列车头尾两点的直线距离。当发现计算的直线距离l t 大于火车的原始长度l 0 时，即可以判定抛车。2 g p s 距离测算方法：g p s 输出的是经度和纬度信息，要计算两点的距离需要进行信息的处理和计算。在计算之前我们先明确一些计算常数：地球赤道周长：c o = 4 0 0 7 7 2 9 6 8 0 m ；南北方向周长：c 1 = 3 9 9 4 1 5 8 0 o o m ；平均周长：c a = ( c 0 + c 1 ) 2 = 4 0 0 0 9 4 3 8 3 5 m ；地球半径：r = c a 2 * 3 1 4 1 5 9 2 6 = 6 3 6 7 6 9 9 9 9 m ；地球1 0 距离( 经度) ：4 0 0 0 9 4 3 8 3 5 m 3 6 0 = 11 1 3 8 6 m ；地球1 距离( 经度) ：1 1 1 3 8 6 m 6 0 = 1 8 5 2 8 8 m ；设：在t 0 时刻：火车尾部p 0 处收到的定位信息为：w o ( 纬度) ，j o ( 经度) 。火车头部p l 处收到的定位信息为：w 1 ( 纬度) ，j l ( 经度) 。假设在地球表面有限小的区域内近似是一个水平面，把弧线近似按直线处理，得到图2 2 对应关系：p i o ，使得l 厂“( x ) l v 风+风阻v 相对速度( m s )风速不为0风力v 火= v 风o力w 3a 横截面面积( m 事m )时，阻力存在v 火 v 风c w 风阻系数( 0 3 5 左右)抛车检测主要针对货车，货车的基本阻力通过插值得到经验公式如表2 2 所示：表2 2 货乍阻力公式货车类型基本阻力公式滚动轴承货车( 重车)0 9 2 + 0 0 0 4 8 誊v + 0 0 0 012 5 半v v滑动轴承货车( 重车)1 0 7 + 0 0 01 l 木v + 0 0 0 0 2 3 6 * v 宰v油罐车专y 0 ( 重车)0 5 3 + 0 0 1 2 1 幸v + o 0 0 0 0 8 0 * v 木v空货车( 不分车型)2 2 3 + 0 0 0 5 3 奉v 十0 0 0 0 6 7 5 * v 枣v2 2 3 火车加速度( 1 ) 列车加速时的加速度列车在行进过程中正常减速时的加速度虽然与列车牵引力大小有直接关系，但其值亦不宣过大。一般而言列车减速时加速度值为一1 2 m s * s 。即：彳。= - 1 2 ( m s 2 )( 2 3 8 )( 2 ) 列车减速时的加速度减速度从行使安全的角度考虑，可以较加速度最大值稍高一些，约为1 3 一1 4 m s * s 。而在紧急刹车时要求较大减速度，约为+ 2 0 3 0 m s * s即：彳一= 3 0 ( m s 2 )( 2 3 9 )2 2 4 加速度抛车检测通过对火车的阻力研究可以看出，火车在抛车发生后，尾部车厢在铁轨滑行过程中受到的阻力非常复杂，和天气条件，地理条件都有直接关系，是一个动态变化的过程。如果直接对火车的数值进行分析，可能无法正确检测，并作为抛车发生的判剧。我们可以通过加速度的方向检测判定列车是否抛车。我们定义火车运动方向为横向，火车在匀速和加速运行时火车发生抛车后，被抛车厢在铁轨上惯性滑行。我们知道火车在没有牵引力作用下，阻力产生的加速度是个较小的值，且方向和运动方向相反。当检测到尾头部加速度方向为负，头部加速度为正时，可以判定抛车发生。我们定义火车运动方向垂直的方向为纵向。由于离心力或铁轨的撞击，纵向也受到加速度作用。列车正常行驶过程中，纵向加速度是一个波动的加速度，通过滤波处理加速度应该为近似为n 0 。当火车发生倾覆时，尾部车厢倾角大于4 55度，a 绷= 羊g ( m s 2 ) ，通过纵向加速度很容易判定倾覆。2 3 列车抛车报警方案选择本设计采用g p s 和加速度两种方式对列车抛车进行检测，在检测手段上做了备分，提高检测的正确性，减少误报率。铁路线路中平原铁路居多，g p s 检测抛车判剧是主要的检测手段。在山区，隧道和g p s 信号不正常的情况下，利用加速度检测做为抛车的补充。在告警信息通信上采用f f s k 调制解调方式和数据编码中的差错控制技术，保证通信的可靠性。采用信道机作为通信信息发送载体，保证通信和告警的实时性。通过这样的选择和设计，保证了检测和报警的准确性，可靠性和实时性。1 4第三章硬件设计3 1 概述列车抛车告警设备的硬件设计就是基于g p s 和加速度的检测和判断。在火车头尾部分别安装车头设备和车尾设备，在火车行进过程中车头车尾设备分别检测g p s 信息和加速度信息。车头设备把检测到的g p s 信息和加速度信息通过电台发送到车尾设备，车尾设备通过信息的处理，判定火车是否发生抛车事故。当检测到抛车发生时，车尾设备通过电台及时告诉司机。车头设备通过语音合成的方式，播报抛车告警语音。车头设备和车尾设备在电路设计和完成功能上存在差别。车头设备采用机车电源供电，主要功能：完成g p s 和加速度检测，发送检测信息，接收告警信息，语音合成播报和其他辅助功能。车尾设备采用蓄电池( 预留风力发电机接口) ，完成g p s 和加速度检测，接收车头检测信息，发送告警信息和其他辅助功能。3 2 设备硬件组成框图图3 一l 车头设备硬件组成框图图3 2 车尾设备硬什组成框图1 53 3 设备硬件原理图3 3 1 电源电路原理图图3 - 3 车头电源电路原理图电源模块采用美国v i c o r 公司的d c d c 模块。v i c o r 电源模块具有输入电压范围宽，输出功率大，纹波小，体积小，效率高等优点而被广泛应用。选择v i 2 0 0系列的模块，要求输入电压1 1 0 ，输出电压7 1 5 v ，输出功率在1 5 w 以上。在设备外部增加少量的外部辅助电路。在输入级增加d 8 全波整流桥保证电源模块的输入端的正负不会错，增加保险丝f 1 进行过流保护，串联电感t 1 进行脉冲电压保护，电容c 3 8 ，c 3 9 进行滤波。在输出级采用可调电阻，调整输出电压值为7 2 v 。车头设备需要配置电源，车尾设备采用蓄电池供电( 预留风力发电接口) 。3 3 2 主控板电源电路障群潜警群# # 棰 莓嚣# 鼍= 幸：# 麓耋l ：妻攀： ：# 攀亲薅三l ；：陲! # 擀# 薄鞴醐l毒赫簿阱蚓j 蝌誉毓_ 群 i 篓篓篝襞鼎 ；攀攀辫鞘与；溅又 a - ，砖；二r ih子1 一! 菥峰 - i 斗0 ， 丰。毒 伽i ：1 蟛蟛毒：，矗。o k 二舢舌j 一：呻一参￥ 士一 番一，1 ，一卜2l 。氲。t 一t 晕毫2r 十一辛一；一专* 巾卜遂鼗些涮。；一2 “一；一虿2 鬈司基系。蠢出毒川是瞌f 曩l 臻曩f 肾曩鬻：予蒯i 群皇 5 t ；- t ，；一i 、毫f 曩孵1 奠 ：! 。l ：一j 。； f ；= ：麓：墓t ：嚣画蔷# ；，誊硅l 鲥。j ：o ；拍i |图3 5 电源电路原理图5 v 电源电路采用l m 2 5 9 6 ，5 开关电压调节器，l m 2 5 9 6 5 是降压型电源管理单片集成电路，输入电压可高达4 0 v ，能够输出3 a 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出5 v 。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为1 5 0 k h z ，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4 个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了l m 2 5 9 6 5的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。其封装形式包括标准的5 脚t o 2 2 0封装( d i p ) 和5 脚t o 2 6 3 表贴封装( s m d ) 。该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在士4 的范围内，1 6振荡频率误差在士1 5 的范围内：可以用仅8 0 l _ t a 的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路( 一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路) 。3 3 v 电源电路采用a m s l l l 7 线性电压调节器，a m s l l l 7 是降压型电源管理单片集成电路。输入电压可高达1 5 v ，能够输出8 0 0 m a 的驱动电流。只需要简单的滤波电容就可以工作，封装形式包括标准的3 脚s o t - 2 2 3 封装( s m d ) 和3脚t o 2 5 2 表贴封装( s m d ) 。性价比高，适合低电压，低供耗主控板的供电。3 3 3m s p 4 3 0 f 1 4 9 电路1 m s p 4 3 0 f 1 4 9 简介m s p 4 3 0 f 1 4 9 是德州仪器公司开发的一类具有1 6 位总线的带f l a s h 的单片机，采用1 6 位的总线，外设和内存统一编址，寻址范围可达6 4 k 。具有丰富的片上外围模块，片内有精密硬件乘法器、两个1 6 位定时器、一个8 路的1 2 位的模数转换器、一个看门狗、4 8 路i o 口、两路u s a r t 通信端口、一个比较器、一个d c o内部振荡器和两个外部时钟，支持8 m 的时钟由于为f l a s h 型，则可以在线对单片机进行调试和下载，且j t a g 口直接和f e t ( f l a s he m u l a t i o nt o o l ) 的相连，不须另外的仿真工具，方便实用，而且，可以在超低功耗模式下工作，对环境和人体的辐射小，测量结果为1 0 0 r o w 左右的功耗( 电流为1 4 m a 左右) ，可靠性能好。2 m s p 4 3 0 f 14 9 硬件电路设计1 7图3 - 6m c u 电路原理图3 3 4 上电复位电路m s p 4 3 0 f 1 4 9 低电平复位，上电复位后程序指针为0 x f f f f h ，然后跳转到主程序运行。rl 一丁r 1 一l l1 ! 。1l 飞“lm * ”n m b长t ? _ ? b必警1n0 0 。1i 一l；，：i。i。 1 ：；。；一l l ：醛一。阡需! | 嚼书萼书孳礴：图3 7 复位电路3 3 5 晶振电路m s p 4 3 0 f 1 4 9 具有多种晶振选择方案，一个内部振荡器和三个外部振荡器，可以通过寄存器设置。为了提高运行速度，采用4 0 3 2 m h z 无源晶阵，接高速晶振输入脚x t 2 0 u t ( 5 2 脚) 和x t 2 i n ( 5 3 脚) 。匹配振荡电容采用两个3 0 p f 。1 8 |i |ll”扩!；一；隳躺嚣嚣赫仁气扯罄掣1 | = 扯强l并。k ，i2 f 量0 毒1 弘妒0图3 8 振荡电路3 。3 6j t a g 编程接口j t a g ( j o i n tt e x ta c t i o ng r o u p ：联合测试行动小组) 是1 9 8 5 年制定的检测p c b和i c 芯片的一个标准，1 9 9 0 年被修改后成为i e e e 的一个标准，即i e e e l1 4 9 1 1 9 9 0 。j t a g 最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部定义一个t a p ( t e s ta c c e s sp o r t & # 0 ；澳1 试访问口) 通过专用的j t a g 测试工具对内部节点进行测试。现在，j t a g 接口还常用于实现i s p ( i n s y s t e mr o g r a m m a b l e ，在线编程) ，对f l a s h 等器件进行编程。m s p 4 3 0 f 1 4 9 通过j t a g 接口和仿真器相连。仿真器通过并口或u s b 口和p c 机相连。通过j t a g 接口可以进行在线仿真，调试和程序升级。一个最简单的仿真编程接口需要7 根线：( 1 ) t c k 为测试时钟输入；( 2 ) t d i 为测试数据输入，数据通过t d i 引脚输入j t a g 接口；( 3 ) t d o 为测试数据输出，数据通过t d o 引脚从j t a g 接口输出；( 4 ) t m s 为测试模式选择，t m s 用来设置j t a g 接口处于某种特定的测试模式；( 5 ) t r s t 为测试复位，输入引脚，低电平有效。( 6 ) 3 3 v 目标板到仿真器( 7 ) g n d3 3 7g p s 接收机部分1 g n 一8 0 概述：g p s 接收机的可靠性和精度决定抛车检测方法的正确性。g n 。8 0 是f u r u n o 推出的第5 代产品，它具有高精度授时、超低功耗、超小体积、超强的抗电磁干扰能力、超强的抗遮挡能力等功能。它主要性能如下：2 接收机特性( 1 ) 跟踪灵敏度：1 4 1d b m( 2 ) 位置精度：水平：1 6 米r m s( 无差分)( 3 ) 通信接口：r s 2 3 2( 4 ) 通讯速度：4 8 0 0 b p s ( 可选择9 6k ，1 9 。2k ，3 8 4k )1 9( 5 ) 数据格式：( 6 ) 启动时间：热启动：5 秒温启动：3 5 秒冷启动1 ：4 2 秒冷启动2 ：4 6 秒( 7 ) 重捕获时间：遮挡时间1 0 秒：遮挡时间6 0 秒：遮挡时间1 0 分：( g ) 电源每秒1 次( 历书，星历，时间，位置有效时)( 历书，时间，位置有效，星历无效时)( 位置有效，历书，星历，时间无效时)( 历书，星历，时间，位置均无效时)2 秒3 秒6 秒电源电压：5v d c 士o 3v电流：6 4m a 典型搜寻，4 8m a 典型跟踪主控制板通过4 芯插座和g n 8 0 相连。其中5 v 和g n d 是供电端，r x g p s ，t x g p s 是r s 2 3 2 数据通讯串口。g n 8 0 每秒从t x g p s 输出一帧$ g p i 泓c 格式的定位数据。r x g p s 可以对g n 8 0 工作参数进行设置。3 g n 8 0 硬件电路设计图3 - 9g n 8 0 接口电路3 3 8 加速度传感器部分1 a d x l 2 0 2 简介：a d x l 2 0 2 是一种低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传感器，采用3 3单电源工作，测量范围为+ 2 9 。a d x l 2 0 2 可输出数字信号，其脉宽占空比与两根传感轴各自所感受到的加速度成正比。输出信号周期在o 5 m s 1 0 m s 范围内，通过外接电阻r x 调节。如果需要与加速度成正比的模拟电压输出，则可从x f l l t 和y f i l t 管脚输出信号，或者使用对脉宽占空比输出信号滤波后的信号。a d x l 2 0 2的带宽可以通过电容c x 在0 0 1 h z 5 k h z 的范围内设定。其典型噪声值为5 0 0 l g ( r i z ) 2 ，6 0 h z 带宽时的分辨率为5 m g 。a d x l 2 0 2 采用1 4 引脚表面封装。2 a d x l 2 0 2 硬件电路设计2 0! li _u 1 0 i； c 2 6l11 43 i 3 vi ；l l 2 u uim , i e ，t 、t 、1 3n3y rf ，j ，3 2 0 1 u f室e s t 5 - 1 t - 4j1a f j j l1 1t e 5 t 6m cv c t t pj - 5t 1 0x o u t1 1v n t t - ri ，6 j 9：y 。u 彳。兰竺c 2 7l c2 8，v ”t厂、78 、，5 10 1 1 1 f0 1旺71 -1 5 2 5 ka _ d x l 2 0 2 ； _l 一”1 。j 。h q“j = 1 ；x 。u ： l甓i；llr陪二y o u t l一2iit图3 - 1 0a d x l 2 0 2 电路图3 设置d c m 的周期有两个通道的d c m 的周期是通过电阻r 3 7 来设定。r 3 7 应安装在靠近5 引脚处，以使分布电容最小。计算公式为：t 2 = r 3 7 ( f 2 ) 12 5 m f 2 = 5 m s( 3 - 1 )4 设置脉宽占空比信号a d x l 2 0 2 的数字输出是脉宽占空比调制信号，t 1 t 2 与被测加速度成正比。o g 时，a d x l 2 0 2 的输出为5 0 占空比。灵敏度为每g 所引起的脉宽占空比变化1 2 5 。0 9 时的失调和系统误差影响实际输出值。为了减小温度变化对t 2 的影响，提高检测的准确性，需要每次都测量t 2 。图3 - 1 1 加速度占空比不意图a ( g ) = ( t 1 t 2 0 5 ) 12 5 ( 3 2 )故o ( g ) 时：t 1 t 2 = 5 0 ，t 2 = r r s t 1 2 5 m o h m5 设置信号带宽使用c 2 7 和c 2 8 的设定频带：a d x l 2 0 2 有两个x f l l t 和y f i l t 引脚，可外接电容来设定频带。电容必须安装在紧靠引脚处，用以去混叠和抑制噪声。3 d b 带宽计算公式如下：f 一3 d b = 1 【2 7 【( 3 2 k q ) c ( 2 7 ，2 8 ) ( 3 3 )6 a d x l 2 0 2 的定标a d x l 2 0 2 在使用前应定标，重力系统是最稳定、最精确、应用最广泛的参照系。使装置的方向与水平面平行便可得到o g 时的校准值。以下是标定的结果。2 19 脚= 占空比5 0 9 f1 0 脚= 占空比6 2 5 9 (1 1 脚= 2 5 v1 2 脚= 2 1 8 8 v9 脚= 占空比6 2 5 1 0 脚= 占空l l 5 0 ，f1 1 脚= 2 1 8 8 v1 2 脚= 2 5 v墨口螂。2 驯lu 瑟殿图3 1 2 加速度标定示意图3 3 9f f s k 调制解调部分1 f f s k 概述f f s k ( f a s tf r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 快速移频键控，就是将0 1 序列数字信号序列调制成频率变化的正弦波信号，在模拟通道上实现数字信号传输。f f s k 快速移频键控的调制方式抗干扰能力强，在无线远程抄表，检测和控制中得到广泛应用。中国铁路上的多数无线数字信号通过f f s k 传输。在电路设计中通过英国c m l 公司的c m x 4 6 9 完成f f s k 调制解调功能。2 c m x 4 6 9 简介：c m x 4 6 9 是c m l 公司推出的f f s k m s k 全双工m o d e m 芯片，它内部集成了载波检测、r x 时钟恢复电路和振荡电路，并具有很好的信噪比以及低电压、低功耗等特性，能够接收、发射f f s k m s k 信号，同时可提供收发时钟。c m x 4 6 9采用快速移频键控f f s k m s k 调制方式，具有独立的发送、接收使能控制；可以接外部1 0 0 0 8 2 m h z 或4 0 3 2 2 m h z 晶振；可选择三种波特率：1 2 0 0 b p s ，2 4 0 0 b p s ，4 8 0 0 b p s ( 需要外接4 0 3 2 m h z 晶振) ；3 c m x 4 6 9 硬件电路设计明一li 7 一c 毒二一o 2 01 91 81 71 61 51 41 31 2”。”；3 3 vc 1 7：t 一，+ ij 鼻j ；一jk o 一：；a p a c i t o rg n dt 一二t 1 0r 2 3s yf 1 丐匿i n a。c a r i 诅e rd e t d a t a0图3 1 3c m x 4 6 9 电路图其中r 9 ，y 1 和c 9 ，c 4 2 提供c m x 4 6 9 的晶振电路，通过1 6 脚，1 7 脚，设置波特率为1 2 0 0 b s 。4 c m x 4 6 9 发送和接收信号波形发