信號系統車載測速測距傳感器處理單元設計

任遠

（南京恩瑞特實業有限公司，工程師，江蘇 南京 211106）

信號系統車載測速測距傳感器處理單元設計

任遠

（南京恩瑞特實業有限公司，工程師，江蘇 南京 211106）

提出一種供軌道交通信號控制系統使用的列車測速測距接口設備，旨在能與列車、軌旁的測速和定位的各種設備接口，獲取列車速度信息和位置信息，為軌道交通信號車載控制系統的自動運行控制提供必要的輸入。

軌道交通；信號系統；車載；測速測距；傳感器

10.13572/j.cnki.tdyy.2015.01.015

中國軌道交通設備主要依靠進口，價格昂貴，在一定程度上限制了我國城市軌道交通系統規模的擴大。自從實施城市軌道交通設備國產化政策實施以來，中國城軌列車國產化成績斐然，國產城軌列車、通信、信號等系統設備不斷涌現，自主創新能力顯著增強。全國各地紛紛掀起城市軌道交通建設高潮，國產軌道交通設備的市場需求大幅提升，為國內的信號設備廠商提供了難得的機遇，市場前景廣闊〔1〕。為了滿足信號車載控制器對測速測距傳感器的采集處理要求，設計了一種地鐵信號系統車載測速測距單元，為信號車載控制系統的列車自動防護和自動運行控制提供必要的輸入。

1 設備單元結構及各模塊功能設計

設計的地鐵信號系統車載測速測距單元，主要包括：電源模塊、微處理器模塊、總線接口模塊、可編程器件模塊、傳感器接口模塊、隔離模塊、接口保護模塊、自檢模塊、熱插拔管理模塊。本列車測速測距傳感器處理單元的結構框見圖1所示。

圖1 列車測速測距傳感器處理單元結構框圖

1.1 電源模塊電源模塊把輸入的直流24 V電源轉變成5路彼此間相互隔離的直流5 V電源，其中3路直流5 V電源分別用于3路和由微處理器DSP、可編程器件FPGA組成的核心電路模塊，一路直流5 V電源用于給傳感器接口模塊供電，另一路直流5 V電源用于給總線接口模塊供電；電源模塊中采用24 V轉5 V的DC-DC模塊，輸入輸出間的隔離電壓達到1 600 VDC，具有良好的電氣隔離性能。

1.2 微處理器模塊微處理器模塊完成測速測距傳感器的數據采集、處理，計算產生速度和列車位移信息，并按協議格式與外部設備通信。微處理器模塊采用美國TI公司生產的DSP芯片TMS 320 F 2812，外擴256 K*16位RAM用于程序運行數據的保存〔2〕。

1.3 總線接口模塊總線接口模塊用于實現本設備與外部總線的電氣接口；總線接口模塊可配置選擇CAN總線或者VME總線兩種總線接口方式。

1.4 傳感器接口模塊傳感器接口模塊實現與外部傳感器的接口，主要功能為將外部傳感器信號轉換成DSP能夠識別的信號。傳感器接口模塊采集以下信號：

1）采集多路脈沖里程計傳感器方波信號，每兩路方波信號相位差90°〔3〕；

2）采集加速度傳感器信號，為模擬信號；

3）通過串行RS 422接口采集車載應答器處理單元的應答器檢測信息〔4〕；

4）通過串行RS485接口采集多普勒測速集雷達的速度位移信息。

1.5 可編程器件模塊可編程器件模塊實現微處理器DSP與外部總線的協議轉換。可編程器件模塊采用FPGA可編程芯片，型號為：XC 3 S 200 AN-4，根據配置可完成SPI到CAN總線的協議轉換，或者SPI到VME總線協議轉換。

1.6 隔離模塊隔離模塊實現與外部設備的電氣隔離，包括與外部總線的電氣隔離和外部傳感器的電氣隔離。隔離模塊采用速度和性能更好的磁耦合隔離技術取代光耦合技術實現本設備與外部設備的電氣隔離，使用ANALOG公司的ADuM系列磁耦合芯片。

1.7 接口保護模塊接口保護模塊提高設備的抗干擾能力，減少設備故障，提高設備可用性。接口保護模塊選用放電管、TVS管、ESD管、自恢復保險等元器件，實現浪涌、快速瞬變脈沖群、靜電放電等危害防護。

1.8 自檢模塊自檢模塊完成設備內部自檢，及時發現和報告設備故障。自檢功能由DSP（共有A、B、C 3個DSP模塊）輸出自己計算獲得速度值到另外2個微處理器模塊，同時接收另外2個微處理器模塊輸入的速度值，每個微處理器模塊將本身的速度值與另外2個速度值相比較，如果自身計算出的速度距離與另2個DSP計算出的速度距離均值超過一定范圍，則判定自身故障。

1.9 熱插拔管理模塊熱插拔管理模塊完成設備的熱插拔功能。熱插拔管理模塊，使用專門的熱插拔管理芯片實現設備的帶電插拔。

2 系統應用

列車測速測距接口設備是一種傳感器數據采集和處理設備。該設備通過接收并處理安裝在列車上的測速測距傳感器數據，得到列車行駛的速度和距離信息，為車載控制器系統的超速防護和自動運行控制提供必要的輸入。同時，設備不停地監測自身狀態，當發生故障時，立即向車載控制器發送報警信息。

測速測距傳感器處理單元通過處理車載應答器處理單元的數據確定列車行駛在線路上的位置。在軌道線路上每間隔一定的距離配置安裝一個應答器，當列車駛過應答器時可接收到應答器的信息，每個應答器的位置是已知確定的，從而可確定列車的準確位置。

使用脈沖里程計傳感器來測量列車行駛速度，同時利用速度計算列車已經行駛的距離，從而可確定列車行駛在兩個應答器之間的位置。脈沖里程計傳感器輸出的脈沖頻率與列車車輪的角速度成比例，利用已知的車輪半徑可以實時計算列車速度〔5〕。

使用加速度計校準列車車輪打滑和空轉時的列車速度，每列車每端配置3個加速計，三者為3取2冗余關系。

測速雷達也是用于校準車輪打滑和空轉時的列車速度，測速雷達和加速度計可任選一種進行配置。

列車的速度和位置信息數據通過3條獨立的總線向外傳送，與安全計算機平臺的3取2冗系統相互配合。同時，采用總線方式與外界連接，也利于組成熱備冗余工作方式。

3 結束語

基于CBTC的列車測速測距 傳感器處理單元通過與脈沖里程計、測速雷達、車載應答器處理單元的接口，實現了測速測距信息的采集、處理、計算、表決、發送的全過程。列車速度信息和位置信息的獲取，為信號車載控制系統的列車自動防護和自動運行控制提供必要的輸入。另外，本設備采用3取2冗余方式實現信號數據采集和輸出，方便與3取2結構的安全計算機平臺設備接口，具有很高的安全性和可用性。

〔1〕曾小清,王長林,張樹京.基于通信的軌道交通運行控制〔M〕.上海:同濟大學出版社,2007.

〔2〕孫明麗.TMS320F2812原理及其C語言程序開發〔M〕.北京:清華大學出版社,2008.

〔3〕趙紅倫.軌道車輛結構與設計〔M〕.北京:中國鐵道出版社, 2009.

〔4〕吳汶麒.城市軌道交通信號與通信系統〔M〕.北京:中國鐵道出版社,1998.

〔5〕陳鋒華,劉嶺,徐松.基于通信的列車控制（CBTC）系統〔J〕.城軌交通,2004,27（5）:12-16.

U284.55

A

1006-8686（2015）043-02