基于FPGA的列車定位系統(tǒng)靜態(tài)測試平臺

摘 要：軌道交通領(lǐng)域中，當列車定位系統(tǒng)進行靜態(tài)測試的時候都是通過手動調(diào)節(jié)信標的位置結(jié)合觀察天線發(fā)射功率的方式來進行調(diào)試的。這樣的方式不僅精確度差，耗時長、效率低，而且浪費人力、物力。本文針對這些問題，對列車定位系統(tǒng)靜態(tài)測試需求進行了分析，并且通過FPGA的方式實現(xiàn)了列車定位系統(tǒng)靜態(tài)測試平臺的設(shè)計。最后對該平臺的設(shè)計進行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：定位系統(tǒng);靜態(tài)測試;軌道交通

中圖分類號：U283.4 文獻標識碼：A

0 引言

列車定位系統(tǒng)可以實時準確的確定列車在線路中的位置是軌道交通行車安全和指揮系統(tǒng)中的一項關(guān)鍵技術(shù)。

采用查詢應答器的方式來對列車進行定位是軌道交通領(lǐng)域比較常用的做法。

查詢應答器系統(tǒng)主要由三部分組成，即查詢應答器子架，查詢應答器天線以及軌旁信標。查詢應答器子架發(fā)射功率給查詢應答器天線用以激活軌旁信標，并接收軌旁信標的數(shù)據(jù)，最終傳輸給信號系統(tǒng)的主處理器單元用于列車定位功能使用。

1 背景介紹

信標是安裝在線路沿線反應線路絕對位置的物理標志。信標分為有源信標和無源信標兩種，有源信標可以實現(xiàn)車地的雙向通信，無源信標在列車經(jīng)過信標所在位置時，車載天線發(fā)射的電磁波激勵信標工作，并傳遞絕對位置信息給列車。

每個信標都有固定的編碼，列車通過識別信標的數(shù)據(jù)并結(jié)合車載電子地圖和速傳傳感器等用以實現(xiàn)列車定位，校驗列車輪徑等功能。

當前軌道交通領(lǐng)域中，在列車定位系統(tǒng)進行靜態(tài)測試的時候通常是通過手動調(diào)節(jié)信標的位置結(jié)合觀察天線發(fā)射功率的方式來進行調(diào)試的。這樣的方式精確度差，耗時長、效率低。

2 需求分析

天線安裝在轉(zhuǎn)向架上，沿著車輛的縱向軸方向。通過六個螺栓安裝在車輛轉(zhuǎn)向架的支架上，要求安裝面的平面度在+/-0.5 mm范圍內(nèi)。天線設(shè)置在距離信標金屬底板300 mm，誤差為+/-3 mm的高度。

天線是安裝在車輛的轉(zhuǎn)向架上的，每次天線安裝后，都需要使用信標手動掃過天線下方的有效區(qū)域，來判斷天線是否安裝到位。由于天線底面與信標的金屬底板要求距離為300 mm+/-3 mm，手動劃過的時候，信標與天線之間的距離無法保證。

3 方案設(shè)計

根據(jù)上述需求，列車定位系統(tǒng)靜態(tài)測試裝置，包括：位于上方的天線安裝平面、位于下方并且設(shè)有軌道地平面的軌道、安裝于天線安裝平面的天線、信標位置測量控制單元、信標垂向位置調(diào)整單元和信標平面位置調(diào)整單元。

信標位置測量控制單元搭載有信標，用于探測信標相對天線的位置數(shù)據(jù)，根據(jù)位置數(shù)據(jù)計算識別出信標的當前位置，然后根據(jù)當前位置及目標位置規(guī)劃出信標移動軌跡，再根據(jù)信標移動軌跡輸出垂直移動指令給信標垂向位置調(diào)整單元，以及輸出平面移動指令給信標平面位置調(diào)整單元。所述的位置數(shù)據(jù)為坐標系中各個點的坐標，以下所述的位置同理指各點坐標。

設(shè)定坐標系：設(shè)與軌道6平行的方向為X方向;根據(jù)笛卡爾坐標系，與軌道地平面平行，且垂直于X方向的方向為Y方向;垂直于X方向和Y方向組成平面的方向為Z方向。所以，上述的垂直方向為Z方向;上述的水平方向包括X方向和Y方向。

信標垂向位置調(diào)整單元固定連接在信標位置測量控制單元的底部，根據(jù)垂直移動指令控制信標位置測量控制單元沿垂直方向運動。

信標平面位置調(diào)整單元定連接在信標垂向位置調(diào)整單元的底部，根據(jù)平面移動指令在軌道地平面上沿水平方向運動，從而帶動信標垂向位置調(diào)整單元和信標位置測量控制單元水平移動。從而通過信標的自動移動來實現(xiàn)列車定位系統(tǒng)靜態(tài)測試的自動化。

信標位置測量控制單元包括：用于固定信標的信標固定裝置、三個信標位置傳感器和信標位置控制裝置。

三個信標位置傳感器用于測量信標相對天線的位置數(shù)據(jù)，至少三個信標位置傳感器分別安裝在信標固定裝置朝向天線的一側(cè)、信標固定裝置朝向軌道地平面的一側(cè)以及信標固定裝置的側(cè)面。

信標固定裝置固定連接信標位置控制裝置。信標位置控制裝置根據(jù)信標相對天線的位置數(shù)據(jù)，根據(jù)位置數(shù)據(jù)計算識別出信標的當前位置，然后根據(jù)當前位置以及目標位置，計算規(guī)劃出信標移動軌跡，并根據(jù)信標移動軌跡輸出垂直移動指令或者平面移動指令。其中，通過平面擬合方程計算信標的當前位置。

測試平臺的測試流程，信標位置測量控制單元測量信標相對天線的位置數(shù)據(jù)。信標位置測量控制單元根據(jù)信標相對天線的位置數(shù)據(jù)，計算識別出信標的當前位置，判斷信標是否移動到目標位置，若否，信標位置測量控制單元控制信標平面位置調(diào)整單元和信標垂向位置調(diào)整單元繼續(xù)運動，直至到達目標位置。信標位置測量控制單元在天線反饋的場強達到預設(shè)值時，開始掃信標。信標位置測量控制單元控制信標平面位置調(diào)整單元和信標垂向位置調(diào)整單元移動到X方向的邊緣位置，然后沿X方向移動并記錄移動軌跡數(shù)據(jù)，保存到信標位置測量控制單元。

4 詳細設(shè)計

根據(jù)設(shè)計方案，對測試平臺進行設(shè)計。信標位置測試單元，采用傳感器+控制器的形式來實現(xiàn)，傳感器采用基恩士的LK-G400傳感器這款傳感器可以測量的范圍400 mm

±100 mm，重復精度可以達到2 um，線性度可以達到±0.05% F.S.（F.S.=200 mm）。控制器使用FPGA來實現(xiàn)，選用Intel公司的Cyclone10LP系列的10CL006，該FPGA具有6 272個LE，Memory Capacity 270Kb、2個PLL、20個clock，Maximum I/O 176個，Maximum LVDS 65個。可以滿足信標位置測試裝置的使用。

FPGA代碼采用Verilog HDL的形式進行編寫，Verilog HDL是一種硬件描述語言，用于從算法級、RTL級、門級到開關(guān)級的多種抽象設(shè)計層次的數(shù)字系統(tǒng)建模。被建模的數(shù)字系統(tǒng)對象的復雜性可介于簡單的門級和完整的電子數(shù)字系統(tǒng)之間。

電路設(shè)計方面，選用ADI公司的AD7634作為AD輸入，AD7634是一款18位、電荷再分配、逐次逼近型（SAR）架構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），采用ADI公司的iCMOS高電壓工藝制造。該器件的輸入范圍和工作模式可通過硬件或?qū)Ｓ弥粚懘信渲枚丝趤砼渲?。AD7634內(nèi)置一個18位高速采樣ADC、一個內(nèi)部轉(zhuǎn)換時鐘、一個內(nèi)部基準電壓源（和緩沖）、糾錯電路，以及串行和并行系統(tǒng)接口端口。在CNVST的下降沿，對IN+和IN-上的全差分模擬輸入進行采樣。AD7634具有四種不同的模擬輸入范圍，功耗與吞吐量呈線性比例關(guān)系，工作溫度范圍為-40℃至+85℃。DA選用TI公司的DAC6571芯片，DAC6571是一種低功耗、單通道、10位緩沖電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器其片上精密輸出放大器允許要實現(xiàn)軌到軌的輸出擺動。DAC6571采用I2C兼容的兩線串行接口在同一數(shù)據(jù)總線上，以高達3.4 MBPS的時鐘速率工作，地址支持最多兩個DAC6571的單調(diào)設(shè)計。DAC的輸出電壓范圍為0 V至VDD。DAC6571包含一個上電復位電路，確保DAC輸出在0 V時通電，并保持在那里，直到對設(shè)備進行有效寫入。DAC6571包含一個通過內(nèi)部控制寄存器訪問的掉電功能，可在5 V時將設(shè)備的電流消耗降低到50 nA。該部件在正常工作時的低功耗使其非常適合便攜式電池供電設(shè)備。在VDD=5 V時功耗小于0.7 mW，在掉電模式下降低到1 mW。適用于閉環(huán)伺服控制。

垂向位置調(diào)整單元，使用垂向電機模組+步進電機驅(qū)動器的方式來實現(xiàn)。垂向電機模組采用的是CBX單線軌直線導軌配57電機，型號是SGX滾珠絲桿單線軌滑臺，行程為100 mm。電機驅(qū)動器選用DM860型兩相混合式步進電機驅(qū)動器。

水平位置調(diào)整單元，使用水平電機模組+伺服電機驅(qū)動器的方式來實現(xiàn)。水平電機模組選用HIWIN公司的PG型式定位型直線導軌產(chǎn)品PGHW30HA1/2T1600ZAPI/II/E2+KK+03+S+A11+S32，行程為1 600 mm。電機驅(qū)動器選用伺服電機驅(qū)動器。

5 結(jié)論與展望

本文通過對列車定位系統(tǒng)靜態(tài)測試的需求進行分析，設(shè)計出了列車定位系統(tǒng)的靜態(tài)測試平臺，實現(xiàn)了對采用信標定位方式的列車定位系統(tǒng)的靜態(tài)測試，提高了列車定位系統(tǒng)的調(diào)試效率，降低了列車定位系統(tǒng)在安裝調(diào)試期間的成本。為軌道交通信號系統(tǒng)后續(xù)的信息化、自動化提供了有力的支撐。

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作者簡介：王興海（1984-），男，遼寧撫順人，碩士，工程師，研究方向：自動化測量、自動控制、軌道交通信號系統(tǒng)領(lǐng)域。