一種雙速度傳感器結合實現測速及定向的方法和實現

卡斯柯信號有限公司 張 彬

本文介紹了一種列車測速系統及方法，列車測速系統包括兩個同步運行的測速子系統，每一測速子系統包括速度傳感器、可編程邏輯器件和CPU。通過冗余采樣以及差異化的電路設計和信號處理方式，得到一個可靠測試結果。

在城市軌道交通應用中，列車對速度檢測的要求越來越高，測速準確性和可靠性已經成為影響列車行車安全及運營性能的重要指標。列車本身的速度檢測、閉塞區間控制、安全防護、制動控制、進站停車位置等功能都需要一個準確的測速結果。

1 整體設計方案

本文介紹的就是一種列車測速系統及方法，列車測速系統包括兩個同步運行的測速子系統，每一測速子系統包括速度傳感器、可編程邏輯器件和CPU。通過冗余采樣以及差異化的電路設計和信號處理方式，得到一個可靠測試結果。

為了實現以上目的，本文介紹以下技術方案予以實現：

如圖1所示，一種列車測速系統，包括兩個同步運行的測速子系統，每一測速子系統包括速度傳感器、可編程邏輯器件和CPU，所述速度傳感器安裝于列車車輪；

圖1 列車測速系統的結構圖

在每一測速子系統中，所述速度傳感器用于采集車輪齒數并向所述可編程邏輯器件發送脈沖信號，所述可編程邏輯器件用于以第一預設頻率采樣所述脈沖信號以統計脈沖數量，并以第二預設頻率對計數值進行鎖存，所述CPU用于以所述第二預設頻率獲取所述可編程邏輯器件鎖存的所述計數值，根據所述計數值計算所述列車的速度；

若在同一時刻兩個所述CPU計算出的速度的誤差在預設范圍內，則判定測速結果無異常，并輸出所述列車的速度。

為避免車輪打滑、空轉、外部環境干擾等共因影響，兩個速度傳感器安裝于列車的不同車輪上。并分別使用光電式速度傳感器和霍爾式速度傳感器。

在每一測速子系統中，速度傳感器包括兩個采集單元，分別通過獨立傳輸通道向所述可編程邏輯器件發送脈沖信號，兩個采集單元的脈沖相位差為90°之后可編程邏輯器件根據兩路脈沖信號的脈沖相位差確定方向，正向則計數遞增，逆向則計數遞減。

可編程邏輯器件將每一路的計數值分別進行鎖存，CPU獲取可編程邏輯器件鎖存的兩個計數值。然后CPU將本次獲取的計數值與上一次獲取的計數值相比較，若計數值增大則判定列車為正向行駛，若計數值減小則判定列車為逆向行駛。

而在上述列車測速系統中，還需要對傳輸通道進行包括電磁兼容防護電路、濾波電路、比較電路、開關電路和隔離電路的設計：

（1）電磁兼容防護電路用于對所述采集單元送入的脈沖信號進行保護。

（2）濾波電路用于對所述脈沖信號中的毛刺和/或高頻雜波進行過濾。

（3）比較電路用于對濾波后的所述脈沖信號進行比較。

（4）開關電路用于對比較后的所述脈沖信號開關控制。

（5）光耦隔離電路用于比較后的所述脈沖信號進行光耦隔離。

2 具體工作原理

一種列車測速系統包括兩個同步運行的測速子系統，每一測速子系統包括速度傳感器、可編程邏輯器件和CPU。如圖1所示，測速子系統1包括速度傳感器11、可編程邏輯器件12和CPU13，測速子系統2包括速度速度傳感器21、可編程邏輯器件22和CPU23。

速度傳感器11、12安裝在列車車輪上，優選的安裝于列車的不同車輪上，可以避免因單個車輪因出現空轉、打滑等現象導致獲取的速度與真實速度件產生較大偏差。速度傳感器11、12是兩種不同采集原理的傳感器，例如分別為光電式和霍爾式，由于光電式傳感器使用光感原理而霍爾式傳感器使用磁敏原理，所以使用不同采集原理的傳感器可避免由外部光或電磁干擾導致的兩臺速度傳感器同時失效或誤采集。

在測速子系統1中，速度傳感器11用于采集車輪齒數并向可編程邏輯器件12發送脈沖信號，可編程邏輯器件12用于以第一預設頻率A采樣所述脈沖信號以統計脈沖數量，并以第二預設頻率B對計數值進行鎖存，CPU13用于以第二預設頻率B獲取可編程邏輯器件12鎖存的所述計數值，根據計數值計算列車的速度；測速子系統2亦然，根據計數值計算列車的速度。若在同一時刻兩個所述CPU計算出的速度的誤差在預設范圍內，則測速結果無異常，并輸出列車的速度。

第一預設頻率A與所述第二預設頻率B比值大于等于1000。編程邏輯器件12、22分別向CPU13、23發送中斷信號，通知CPU13、23進行處理。CPU13、23每2ms收到中斷信號后，通過軟件驅動分別從可編程邏輯器件12、22獲得鎖存的計數值，通過單位時間內的計數值來計算列車速度。CPU13、23的取值及清中斷操作必須在1ms內完成，確保不會影響下一個2ms的中斷信號通知。

由此，兩個CPU13、23即可在同一時刻分別計算出列車的速度，進行相互比較，根據比較的差異結果進行分析，當比較誤差在一定范圍內時表示測速過程無異常，測速結果可接收使用。否則應采用要求重測、對外報警等措施，實施異常處理。

更進一步，速度傳感器11具有兩個采集單元分別采集齒數，兩個采集單元的脈沖相位差優選為90°。圖2示出了速度傳感器的雙通道連接圖。可以理解的是，速度傳感器中設置兩個采集單元，可以實現冗余通道容錯和糾錯的目的。

圖2 單個傳感器的雙傳輸通道

可編程邏輯器件12、22對兩個采集單元發送的脈沖信號進行采樣時，首先對兩路脈沖信號的相位差進行解析，判斷方向。由于兩路脈沖信號的相位差φ固定，因此只要比較相位差φ是正還是負即可判斷出方向，正向則計數遞增，即計數值從0開始依次遞增為正數，逆向則計數遞減，即計數值從0開始依次遞減為負數。然后，CPU13、23可分別將從可編程邏輯器件12、22獲取的計數值與上一次獲取的計數值相比較，若計數值增大則判定所述列車為正向行駛，若計數值減小則判定所述列車為逆向行駛。

傳輸通道包括電磁兼容防護電路、濾波電路、比較電路、開關電路和隔離電路；

采集單元送入的脈沖信號首先使用電磁兼容防護電路進行保護，通過使用以TVS管為主的電路連接采集信號和地信號，使得通過采集傳輸線纜直接注入和空間耦合注入的大能量沖擊可及時泄放，對后級電路進行保護。

濾波電路可使用較為典型的LC濾波電路對輸入脈沖信號中的毛刺和高頻雜波進行過濾，便于后級使用。

在比較電路中，通過對15V的內部參考電壓進行分壓，將3.75V作為比較閾值，對濾波后的脈沖信號進行比較。脈沖信號送入反相輸入端，參考電壓3.75V送入同相輸入端。當脈沖信號大于3.75V時比較電路輸出0V，當脈沖信號小于3.75V時比較電路輸出15V。

開關電路，使用NPN型三極管進行控制，比較器輸出連接基級，三極管發射級接地，三極管集電極連接后級光耦的輸入端負極。

光耦隔離電路，輸入端正極連接15V的內部參考電壓，輸入端負極連接前級三極管的集電極，VCC和ENABLE均連接內部3.3V參考電壓。因此在比較電路輸出高電平時光耦輸出0V，比較電路輸出低電平時光耦輸出3.3V。

最終送入編程邏輯器件的脈沖信號為3.3V內部脈沖信號。

采用上述速度傳感器信號傳輸電路，可以對脈沖信號進行加強和隔離，增強信號容錯性的同時，避免外部干擾通過傳感器對內的傳輸線路引入設備內部。

結語：本文介紹的方法與現有技術相比具有以下優點：

（1）采用兩個速度傳感器結合各自的可編程邏輯器件及CPU組成兩個測速子系統進行測速，將兩個測速子系統的測速結果采用二取二原理進行比較，當兩個測速結果的誤差在預設范圍內才表示測速結果無異常，如此可保證測速結果安全可靠。

（2）兩臺速度傳感器分別為光電式和霍爾式，由于光電式傳感器使用光感原理而霍爾式傳感器使用磁敏原理，所以使用不同采集原理的傳感器可避免由外部光或電磁干擾導致的兩臺速度傳感器同時失效或誤采集。

（3）兩臺速度傳感器安裝在兩個不同車輪上，可以避免因單個車輪因出現空轉打滑等現象導致獲取的速度與真實速度間產生較大偏差。

（4）使用獨立的速度傳感器信號傳輸電路，對信號進行加強和隔離，增強信號容錯性的同時，避免外部干擾通過傳感器對內的傳輸線路引入設備內部。

（5）兩個速度傳感器的采集結果最終需要經過比較，當比較誤差在一定范圍內方可接收使用，否則應采用要求重測、對外報警等措施，實施異常處理。

（6）可編程邏輯器件可采用速度較低資源不多的CPLD或FPGA，CPU可以采用較低速度、低功耗的PowerPC或ARM系列CPU，整體方案價格便宜，且器件選擇靈活度較高，成本低、實施便利度較高。