信号系统车载测速测距传感器处理单元设计

任远

（南京恩瑞特实业有限公司，工程师，江苏 南京 211106）

信号系统车载测速测距传感器处理单元设计

任远

（南京恩瑞特实业有限公司，工程师，江苏 南京 211106）

提出一种供轨道交通信号控制系统使用的列车测速测距接口设备，旨在能与列车、轨旁的测速和定位的各种设备接口，获取列车速度信息和位置信息，为轨道交通信号车载控制系统的自动运行控制提供必要的输入。

轨道交通；信号系统；车载；测速测距；传感器

10.13572/j.cnki.tdyy.2015.01.015

中国轨道交通设备主要依靠进口，价格昂贵，在一定程度上限制了我国城市轨道交通系统规模的扩大。自从实施城市轨道交通设备国产化政策实施以来，中国城轨列车国产化成绩斐然，国产城轨列车、通信、信号等系统设备不断涌现，自主创新能力显著增强。全国各地纷纷掀起城市轨道交通建设高潮，国产轨道交通设备的市场需求大幅提升，为国内的信号设备厂商提供了难得的机遇，市场前景广阔〔1〕。为了满足信号车载控制器对测速测距传感器的采集处理要求，设计了一种地铁信号系统车载测速测距单元，为信号车载控制系统的列车自动防护和自动运行控制提供必要的输入。

1 设备单元结构及各模块功能设计

设计的地铁信号系统车载测速测距单元，主要包括：电源模块、微处理器模块、总线接口模块、可编程器件模块、传感器接口模块、隔离模块、接口保护模块、自检模块、热插拔管理模块。本列车测速测距传感器处理单元的结构框见图1所示。

图1 列车测速测距传感器处理单元结构框图

1.1 电源模块电源模块把输入的直流24 V电源转变成5路彼此间相互隔离的直流5 V电源，其中3路直流5 V电源分别用于3路和由微处理器DSP、可编程器件FPGA组成的核心电路模块，一路直流5 V电源用于给传感器接口模块供电，另一路直流5 V电源用于给总线接口模块供电；电源模块中采用24 V转5 V的DC-DC模块，输入输出间的隔离电压达到1 600 VDC，具有良好的电气隔离性能。

1.2 微处理器模块微处理器模块完成测速测距传感器的数据采集、处理，计算产生速度和列车位移信息，并按协议格式与外部设备通信。微处理器模块采用美国TI公司生产的DSP芯片TMS 320 F 2812，外扩256 K*16位RAM用于程序运行数据的保存〔2〕。

1.3 总线接口模块总线接口模块用于实现本设备与外部总线的电气接口；总线接口模块可配置选择CAN总线或者VME总线两种总线接口方式。

1.4 传感器接口模块传感器接口模块实现与外部传感器的接口，主要功能为将外部传感器信号转换成DSP能够识别的信号。传感器接口模块采集以下信号：

1）采集多路脉冲里程计传感器方波信号，每两路方波信号相位差90°〔3〕；

2）采集加速度传感器信号，为模拟信号；

3）通过串行RS 422接口采集车载应答器处理单元的应答器检测信息〔4〕；

4）通过串行RS485接口采集多普勒测速集雷达的速度位移信息。

1.5 可编程器件模块可编程器件模块实现微处理器DSP与外部总线的协议转换。可编程器件模块采用FPGA可编程芯片，型号为：XC 3 S 200 AN-4，根据配置可完成SPI到CAN总线的协议转换，或者SPI到VME总线协议转换。

1.6 隔离模块隔离模块实现与外部设备的电气隔离，包括与外部总线的电气隔离和外部传感器的电气隔离。隔离模块采用速度和性能更好的磁耦合隔离技术取代光耦合技术实现本设备与外部设备的电气隔离，使用ANALOG公司的ADuM系列磁耦合芯片。

1.7 接口保护模块接口保护模块提高设备的抗干扰能力，减少设备故障，提高设备可用性。接口保护模块选用放电管、TVS管、ESD管、自恢复保险等元器件，实现浪涌、快速瞬变脉冲群、静电放电等危害防护。

1.8 自检模块自检模块完成设备内部自检，及时发现和报告设备故障。自检功能由DSP（共有A、B、C 3个DSP模块）输出自己计算获得速度值到另外2个微处理器模块，同时接收另外2个微处理器模块输入的速度值，每个微处理器模块将本身的速度值与另外2个速度值相比较，如果自身计算出的速度距离与另2个DSP计算出的速度距离均值超过一定范围，则判定自身故障。

1.9 热插拔管理模块热插拔管理模块完成设备的热插拔功能。热插拔管理模块，使用专门的热插拔管理芯片实现设备的带电插拔。

2 系统应用

列车测速测距接口设备是一种传感器数据采集和处理设备。该设备通过接收并处理安装在列车上的测速测距传感器数据，得到列车行驶的速度和距离信息，为车载控制器系统的超速防护和自动运行控制提供必要的输入。同时，设备不停地监测自身状态，当发生故障时，立即向车载控制器发送报警信息。

测速测距传感器处理单元通过处理车载应答器处理单元的数据确定列车行驶在线路上的位置。在轨道线路上每间隔一定的距离配置安装一个应答器，当列车驶过应答器时可接收到应答器的信息，每个应答器的位置是已知确定的，从而可确定列车的准确位置。

使用脉冲里程计传感器来测量列车行驶速度，同时利用速度计算列车已经行驶的距离，从而可确定列车行驶在两个应答器之间的位置。脉冲里程计传感器输出的脉冲频率与列车车轮的角速度成比例，利用已知的车轮半径可以实时计算列车速度〔5〕。

使用加速度计校准列车车轮打滑和空转时的列车速度，每列车每端配置3个加速计，三者为3取2冗余关系。

测速雷达也是用于校准车轮打滑和空转时的列车速度，测速雷达和加速度计可任选一种进行配置。

列车的速度和位置信息数据通过3条独立的总线向外传送，与安全计算机平台的3取2冗系统相互配合。同时，采用总线方式与外界连接，也利于组成热备冗余工作方式。

3 结束语

基于CBTC的列车测速测距 传感器处理单元通过与脉冲里程计、测速雷达、车载应答器处理单元的接口，实现了测速测距信息的采集、处理、计算、表决、发送的全过程。列车速度信息和位置信息的获取，为信号车载控制系统的列车自动防护和自动运行控制提供必要的输入。另外，本设备采用3取2冗余方式实现信号数据采集和输出，方便与3取2结构的安全计算机平台设备接口，具有很高的安全性和可用性。

〔1〕曾小清,王长林,张树京.基于通信的轨道交通运行控制〔M〕.上海:同济大学出版社,2007.

〔2〕孙明丽.TMS320F2812原理及其C语言程序开发〔M〕.北京:清华大学出版社,2008.

〔3〕赵红伦.轨道车辆结构与设计〔M〕.北京:中国铁道出版社, 2009.

〔4〕吴汶麒.城市轨道交通信号与通信系统〔M〕.北京:中国铁道出版社,1998.

〔5〕陈锋华,刘岭,徐松.基于通信的列车控制（CBTC）系统〔J〕.城轨交通,2004,27（5）:12-16.

U284.55

A

1006-8686（2015）043-02