传感器课程设计列车测速测距系统.doc

传感器原理及应用课题研究课题名称： 列车测速测距系统 院 系： 机械与电子控制工程学院 专 业： 测控技术与仪器 目录一、 各种检测方式与比较- 2 -（一） 测速电机- 2 -（二） 光电式- 2 -（三） GPS- 2 -（四） 航位推算系统- 3 -（五） 雷达测速- 3 -（六） 未来的方向- 3 -二、 传感器的选择及安装- 3 -三、 光电转速传感器的系统设计- 4 -（一） 光电传感器- 4 -（二） 调理电路- 6 -（三） 测量系统主机部分设计- 8 - 单片机- 8 - 程序模块设计- 10 - 主程序流程图程序流程图- 10 - 动态显示仿真- 12 -四、 雷达部分- 13 -（一） 雷达测速系统- 13 - 雷达测速原理及安装- 13 - 系统框图- 14 - 环节选型- 14 -五、 修正部分- 15 -（一） 定位技术背景- 15 -（二） 多传感器融合测速方法及问题- 16 -（三） 修正方法- 17 -（四） 列车打滑实验的传感器速度曲线- 18 -六、 无线传输- 19 -七、 电源- 20 -八、 参考文献- 20 -附录A 光电传感系统总程序清单- 21 -摘要： 目前, 安全问题日益受到重视, 使得对各种列车运行控制系统的研究不断加强, 列车速度和位置的检测, 作为实现系统功能的先决条件也就显得越来越重要。随着铁路大提速，列车运行速度越来越快，传统的测速方法存在一些不足之处。为此本文提出了一种适合列车运行中实时监测的多传感器融合的测速测距系统。论文重点研究了多传感器信息融合在城市轨道交通列车测速定位的应用。以信息融合技术为基础，研究以速度传感器为核心的多传感器融合列车测速定位系统，并且有效地防止空转等故障现象的发生。关键词：光电式传感器；航位推算系统；雷达测速；列车；测速测距1、 各种检测方式与比较（1） 测速电机 从应用情况看, 测速电机方式虽然比较简单, 但在低速时感生电动势较低, 造成测量精度降低, 车速低于一定值时甚至不能推动测速单元工作, 并且系统可靠性较差。 （2） 光电式转速传感器 由于车轴的转动直接反映列车的运动, 因此可以利用车轴转动信息获得列车的运行速度,所以我们可以采用光电式转速传感器。不足：由于利用轮轴旋转信息进行测速测距, 不可避免地受到车轮走行状态的影响。（3） GPS 不足：当线路平行股道十分接近或有多个列车进出站时, 难以识别列车占用的是哪一股道; 在地形复杂地段, 例如在山区和隧道内, 由于无线电波传播特性的影响会产生信号盲区。（4） 航位推算系统 受到传感器本身温漂、敏感度等的影响，航位推算系统在短时间内测量具有较高的精度，但长时间使用会导致较大的累积误差，因此在使用航位推算系统进行列车测速定位时，需要解决累积误差的补偿问题。（5） 雷达测速 雷达测速是一种直接测量速度的方法，可以直接得到列车实际的运行速度，不需要通过车轮转动的信息来间接测量。在机车上安装雷达, 始终向轨面发射电磁波, 由于机车和轨面之间有相对运动, 根据多普勒频移效应原理, 在发射波和反射波之间产生频差,通过测量频差可以计算出机车的运行速度, 并累积求出走行距离。有效地防止空转、滑行外, 也推动了定位停车装置的开发。不足：由于信号传输波段有时会受到干扰。 原理：多普勒频率的直观理解：振荡源发射的电磁波以恒速传播，如果接受者相对于振荡源是不动的，则它在单位时间内收到电磁波的振荡数目与振荡源发出的相同，即两者的频率相等。若振荡源与接受者之间有相对接近的运动，则接受者在单位时间内收到的振荡数目要比不动时多一些，也就是接受的频率增高，当二者背向相对运动时，接受频率降低。（6） 未来的方向 综合化；尽量采用智能化、数字化的处理方法；各种方法如何提升测量精度；整合化系统。2、 传感器的选择及安装 最终选用：光电式+雷达测速+航位推算系统。安装位置光电转速传感器此检测装置根据实际安装情况位置进行安装。如右图，将信号盘固定在车轮转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。雷达如图3、 光电转速传感器的系统设计（1） 光电传感器光电式传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电器件把光信号的变化转换成电信号的一种传感器。传感器的输出信号易于数字化处理，满足列车运行控制系统智能化、小型化的发展趋势。另外，它具有频谱宽、不易受电磁干扰的影响、非接触式测量、响应快、可靠性高等优点。选用的传感器型号为SZGB-3（单向）SZGB-3, 20电源电压为12V DC SZGB-3型传感器主要性能介绍如下：1)供单向计数器使用，测量转速和线速度.2)采用密封结构性能稳定.3）光源用红外发光管，功耗小，寿命长.4) SZGB-3, 20电源电压为12V DCSZGB-3型传感器主要性能介绍如下：SZGB-3.型光电转速传感器，使用时通过连轴节与被测转轴连接，当转轴旋转时，将转角位移转换成电脉冲信号，供二次仪表计数使用。(1)输出脉冲数：60脉冲（每一转）(2)输出信号幅值：50r/min时30mV(3)测速范围:50-5000r/min(4)使用时间:可连续使用,使用中勿需加润滑油5)工作环境:温度-1040,相对湿度85%无腐蚀性气体（2） 调理电路 因为SZGB-3型传感器50r/min时30mV，单片机输入电压05伏左右，调理电路放大倍数在100倍左右。转速信号处理电路包括信号放大电路、整形及三极管整形电路。采用两级放大电路，每一级都采用反响比例运算电路如图4.4.设计的电压放大倍数为3000倍。其中第一级放大倍数为10，第二级放大倍数为10.放大后电压变化范围为04.8V。LM324采用12V双电源供电，由于电源的供电电压在一定范围内有副值上的波动，形成干扰信号。为起到消除干扰，实现滤波作用，故供电电源两端需接10UF的电容接地，电容选择金属化聚丙已烯膜电容。两级运放放大所采用的供电电源均采用此接法。 LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器， 除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3.3所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图3.4 图3.3放大器图 图3.4 引脚图由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。 整形电路的主要作用是将正弦波信号转化为方波脉冲信号，正弦波信号电压的最大幅值约为4.8V，最小幅值为0V。整形电路设计的是一种滞回电压比较器，它具有惯性，起到抗干扰的作用。从而向输入端输入的滞回比较器。在整形电路的输入端接一个电容C5（103），起到的作用是阻止其他信号的干扰，并且将放大的信号进行滤波，解耦。R12和13是防止电路短路，起到保护电路的作用。 一次整形后的信号基本上为5V的电平的脉冲信号，在脉冲计数时，常用的是+5V的脉冲信号。如果直接采用-5V的脉冲计数，会增加电路的复杂性，故一般不直接使用，而是先进行二次整形。 第二次用三极管整形电路，当输出为-5V的信号时，三极管VT2（8050）的基-射极和电阻R18组成并联电路电流经过R18.R17,三极管VT2处于反向偏置状态，所以，VT2的集-射极未接通，故处于截止状态。电源回路由R19，三极管VT2的集-射极组成，采用单电源+12V供电，由于集射极截止，处于断路状态，故输出电压U0为V。当第一次整形输出为+5V的信号时，三极管VT2基-射极处于正向偏置状态，有电流I通过，故此时三极管的集-射极处于通路状态。电源电流流经电阻R19，三极管的集-射极到地端，由于集-射极导通时的电阻很小，可以忽略不计。电源电压主要在R19上，其输出电压约为0V。综上所述，三极管整形的电路的输入关系是：信号为-5V时，U0=+12V；信号为+5V时，U0=0V。（3） 测量系统主机部分设计1 单片机单片机是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）的简称，是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行I/O接口等部件，构成一个完整的微型计算机。目前，新型单片机内还有A/D及D/A转换器、高速输入/输出等部件。由于它的结构和指令功能都是按工业控制要求设计的，特别适用于工业控制及其数据处理场合，因此，确切的称谓应是微控制器（Microcontroller）. 系统使用的单片机是STC 89C51型单片机。STC 89C51单片机是基于MCS-51单片机为内核的，其输入/输出管脚以及指令系统和MCS-51单片机是完全兼容的。其优越的性价比使其成为颇受欢迎的8位单片机。如图3.6是STC 89C51结构框图。STC 89C51单片机的特点： 它内部有一个8位的CPU，具有4KB的EEPROM。 128字节的RAM数据存储器，21个特殊功能寄存器SFR。 4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址64KB ROM和64KB RAM. 一个可编程全双工串行口,具有5个中断源。 两个16位定时器/计数器。 左图是STC 89C51单片机引脚分布图。由图我们可以看到，单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口外，其余管脚是为实现系统扩展而设置的。这些引脚构成MCS-51单片机片外三总线结构，即： 地址总线（AB）：地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址。 数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，由P0提供。 控制总线（CB）：由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。2 程序模块设计软件部分由数据处理程序、按键程序设计、中断服务子程序、LED显示程序等几个部分组成。数据处理完成对各种测量数据的处理，如各种数据的计算、数据格式的转换等。按键程序包括按键防抖动处理、判键及修改项目等。定时器1完成定时功能，定时2Oms，并每隔20ms进行一次显示，每隔1秒读一次计数结果。单片机对在1秒内计数的值进行处理，转换成每分钟的速度送显存以便显示。具体算法如下:主程序在对定时器、计数器、堆栈等进行初始化后即判断标志是否为 1，如果为 1，说明要求对数据进行计算处理，首先将标志清零，以保证下次能正常判断，然后进入数据处理程序，由于这里的闸门时间为 1s，而显示要求为转/分，因此，要将测到的数据进行转换，转换的方法是将测得的数据乘以60，但由于转轴上安装有11只孔，每旋转一周可以得到11个脉冲，因此，要将测得的数据除以11，所以综合起来，将测得的数据乘以5.4545即可得到每分钟的转速。计算得到的结果是二进制的整数，要将数据送往显示缓冲区需要将该数转化为BCD码。运算得到的是压缩BCD码，需要将其转换为非压缩BCD码，从标号CBCD开始的一段程序即作了这样的处理。需要说明的是，这里多位二进制乘法和多位二进制到BCD码的转换都是用了现成的成熟子程序，因此，首先将二进制数转换为压结合实际BCD码，然后再转换成非压缩BCD码，看似多写了些程序，实际上这对于保证程序的质量很有好处。定时器T1用作定时发生器，在定时中断程序中进行数码管的动态扫描，同时产生1s的闸门信号。1s闸门信号的产生是通过一个计数器Count，每次中断时间为20ms，每计50 次即为1s，到了1s后，即清除计数器Count，然后关闭作为计数器用的T0，读出TH0、TL0中的数值，分别送入SpCount和SpCoun+1单元，将T0中的值清空，置标志为1，要求主程序进行速度值的计算。3 主程序流程图程序流程图主程序流程图 流程图显示子程序流程图 显示子程序流程图定时计数子程序流程图4 动态显示仿真4、 雷达部分（1） 雷达测速系统1 雷达测速原理及安装1. 测速公式：2.参数选择（1）首先测速雷达工作频段为24.15GHz（2）测速范围0.5400km/h（3）雷达视线和列车运行速度的夹角=352 系统框图机车移动雷达微波部分信号调理电路A/D转换列车监控系统单片机数据处理核心（进行数据处理运算）3 环节选型1.雷达微波部分选用NJR4211的微波模块，发射频率为24.15GHz，输出功率为4mW，2.信号处理电路：微波模块将多普勒频移信号转换成频率电信号，放大滤波后经A/D转换电路转换成数字电路输入数据处理核心。3.A/D转换电路选择ADI公司的AD644。它是一种单片式的高速、高性能的14位模/数转换器，它提供3.3vCMOS电平输出，采样速率可达65Msps,一般采样速率为40Msps，输入模拟带宽可达250MHz。4.单片机选择AT89C51，与光电转速传感器频率输出接口兼容。5、 修正部分（1） 定位技术背景测速定位通过不断测量列车的运行速度、对列车的即时速度进行积分的方法，得到列车的运行距离，辅助其他定位方法( 如查询-应答器定位、电子地图匹配) 来获取列车的位置信息。下面对几种主要的测速测距方法进行分析比较。 1) 脉冲转速传感器（我们用的是光电传感器）是通过列车车轮转动产生数字脉冲，输出脉冲信号通过信号处理后，可直接输入微处理器进行计算，得到高测量精度的速度、距离信息。 2) 多普勒雷达依靠雷达向地面发射信号，检查雷达回波频率与发射信号频率的不同，根据多普勒效应计算列车的运行方向和速度，再对列车的速度进行积分，得到列车的运行距离。 3) 航位推算系统在航天、航空和航海领域得到广泛应用，航位推算系统一般使用惯性传感器作为航向传感器和位移传感器，具有不与外界发生光电联系和不受气候条件限制的特点。随着惯性传感器的民用普及和成本降低，它成为列车测速测距的一种可选方案。问题：l 由于以车轮转动作为采集对象间接获取列车速度，车轮磨损产生的轮径变化、运行过程中的空转和滑行会产生较大的误差。l 雷达和航位推算系统是直接测量列车速度和距离的方式，不存在车轮磨损、空转、滑行等造成的误差。但是，多普勒雷达测速方法比较复杂，需要考虑雷达校正、不同地面反射系数等问题; 航位推算系统受到传感器本身温漂、敏感度等的影响，在短时间内测量具有较高的精度，但长时间使用会导致较大的累积误差，因此在使用航位推算系统进行列车测速定位时，需要解决累积误差的补偿问题。（2） 多传感器融合测速方法及问题1) 空转滑行的检测能力及速度补偿问题。车轮的空转和滑行是速度传感器产生较大误差的原因之一，通过雷达和 DR（线路数据库信息）信息的检查和融合，降低空转和滑行带来的误差。2) 轮径修正问题。列车在运行中车轮的磨损和形变是产生速度传感器较大误差的另一个原因，通过雷达和 DR 信息的检查和融合，降低轮径变化带来的误差。3) 绝对位置信息的修正问题。根据线路数据库信息( DB) ，进行类似应答器定位的位置修正，减少位置信息的累积误差。图1 多传感器融合模型通过节点N1空转滑行检查和补偿、节点和 N2轮径校正节点融合，消除速度传感器的误差;将校正后的速度传感器信息与雷达和DR速度信息在N3速度与信息估计节点融合，计算出列车的实际速度;然后将计算出的速度信息与雷达和DR 距离信息在N4距离信息估计融合，计算出列车走行距离; 最后通过 N5位置信息修正节点，将距离信息与 DB 融合，修正列车位置。上述模型可根据实际线路的测速定位精度需求、综合成本，既可以同时使用雷达和 DR，也可以简化模型，单独使用雷达或者 DR。DR 能够修正雷达在列车低速运行时测量精度较低的缺点，雷达能够修正DR在列车长时间运行时的累积误差。（3） 修正方法 1.信标安装于轨旁，存储着线路绝对物理位置数据信息。当列车驶近信标，读取器传输一个无线电载波频率给信标，并接收当读取器越过信标时由信标反射回来的调制信号。来自信标的反射信号为读取器提供一个线路精确位置，与列车物理地图的一点相对应。每个信标的数据都会通过读取器来验证，以确保其准确性。然后，该数据会通过一个RS-485串口连接传输到每个车载ATP通道上。ATP处理器根据这些数据对通过速度传感器和多普勒雷达得到的列车位置进行校正，从而得到列车在系统中的准确位置。全线设有若干个信标，这样系统就可以不断校正列车位置，从而保证列车位置的准确性。 2.采用轮径校准技术采用轮径校准技术保证列车位置计算的精确性。由于速度传感器需根据列车轮径值大小，及车轮转速计算列车走行距离，从而确定列车位置，因此，当列车更换新轮或车轮磨损时，系统还需及时校正车轮轮径值大小以保证列车位置的精确性。列车定位系统采用2个信标之间的已知距离进行轮径值校准，即当列车在平直轨道上连续通过2个有效信标，并及时读取其中有效位置信息后，系统将根据2信标间的有效距离计算出当前列车车轮的轮径值。 3.采用多普勒雷达采用多普勒雷达防止因空转打滑而导致的列车位置误差。多普勒雷达能精确测量5 km/h以上的速度，以防止因雨、雪天气等外界因素，导致车轮空转打滑而使系统得不到准确的列车运行速度。 4. 为确定列车精确位置，系统采用列车长度来确定列车两端位置。如图3所示，列车定位过程如下。图3 列车定位过程 1.为了防止位置误差累计过大，系统沿轨道设置若干信标。当遇到信标时，系统先检查信标的位置坐标是否在当前计算的列车位置误差范围之内。如果信标坐标不在当前计算得到的位置(超过位置误差范围)、信标的坐标错误或其坐标位置不在轨道数据库中，系统即认为列车位置错误，并采取紧急制动。只有在检查通过后，系统才会根据信标位置信息更新列车位置，并重置位置误差。此外，当列车连续通过2个有效信标后，VATP会自动校准轮径，以消除人为输入车轮直径所产生的误差。2.系统根据上一个信标的位置，不断计算从上一个信标开始的位移和位置误差，并以此来计算列车当前位置(包括列车前端和后端的位置误差)。这样就可以确保列车始终在系统计算得到的虚拟占用区域内。见图4。图4列车位置确定3.在确定列车位置之后，车载信号系统会将信息实时发给轨旁。轨旁信号系统拥有与车载信号统相同的轨道物理地图，这样轨旁就可以实时校验并更新列车位置，从而实现轨旁信号系统对列车位置的实时追踪。通过以上方法，信号系统就可以实时得到列车精确位置，进而维持区间列车追踪运行间隔，并实现列车站台精确停车功能。（4） 列车打滑实验的传感器速度曲线6、 无线传输通过GPRS模块处理打包由单片机传输来的数据，再通过GPRS、 GSM或GSMR等无线网络将采集到的数据发送到地面实验室、手持设备、PC机等设备上。实现快捷方便的异地实时数据采集。1. 选用DTP_S05C DTP_S05Ci传输模块（1） 简介GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，是为GSM用户提供分组形式的数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。针对GPRS分组数据业务特性，DTP_S05Ci在DTP_S05模块基础上，嵌入了IP协议栈，提供完整的移动IP应用，包括：Direct Socket，SerialNet，Web，用户可以直接使用AT+i指令完成通讯工作，而不需再重新编写程序调用AT指令来进行通讯。可广泛应用于工业控制、远程抄表、道路交通监控、环境监控、GPS定位、金融交易、移动办公等领域。（2） 特征 针对GPRS数据业务, 嵌入了TCP/IP协议栈 标准RS-232串口，简单的AT+i指令操作 SerialNet透明模式，简化了二次开发过程 支持域名解析，可以不用固定IP 提供单片机和计算机编程源代码 频段为双频900MHz和1800MHz 最大发射功率：2W 工作温度：-25 +60 工业标准设计，能工作于各种恶劣环境 天线接口 50/SMA（阴头） 直流512V供电，电流待机40mA，发射时300mA 铝合金外壳体积为：539727mm 可以根据用户要求定制特殊功能我们本次方案采用两节车厢共用一个无线传输模块，供需10个。7、 电源 所需电压：单片机直流25.5V，传感器直流530V，GPRS模块直流512V。方案设计：利是用24V蓄电池给传感器供电，然后利用三段集成稳压电源调节到5V给单片机，调节到12V给GPRS模块供电。选用电池：24V系列铅酸蓄电池（规格-型号）型号额定额定外形尺寸均重电压（V）容量（AH）长L宽W高H总高TH（KG)FM24V5.0AH245140901031073.4FM24V6.0AH2461519894993.824V6AH（铅酸免维护蓄电池）8、 参考文献1. 陈艳华;轨道交通列车定位技术的选择与比较J;电子设计工程;2010年11期 2. 王斌;刘昭度;何玮;佀海;张景波;车用测距雷达研究进展J;传感器与微系统;2006年03期3. 林仲扬;漫谈雷达测速J;国外电子元器件;2006年10期4. 黄荣星;GPRS/GPS技术在铁路调度中的应用J;上海铁道科技;2004年01期5. 蒋维龙;基于数据融合的轮速信号处理技术D;合肥工业大学;2010