（光学工程专业论文）列车调车安全监控系统的研究.pdf

北京交通大学专业硕士学位论文中文摘要 中文摘要 列车调车安全监控系统是从解决调车现场实际问题的需要出发，通过采用 技术手段，保证调车作业安全。该系统可在不影响原有联锁设备、调车信号机 的结构、性能和技术指标的前提下发挥对列车的监控作用。 论文首先对国内外相关系统的发展进行了深入的调研和全面分析。据实现 列车运行监控记录装置在机车运行过程中的全过程控制，提高机车运行的安全 性能分析，提出了研制调车监控系统的总体方案设计。 其次，设计了基于机车感应变频器和信号处理器的系统硬件，以及由系统 监控和信号处理等子系统组成的系统软件。 最后，根据监控系统功能和技术指标对系统进行了安装与调试，证明了该 调车监控系统设计的有效性，并提出相关不足。 关键词：调车；监控系统；机务 a b s t r a c t a c c o r d i n g t o s o l v i n gp r a c t i c a lp r o b l e m s ，s a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e m o f l o c o m o t i v ed i s p a t c h i n ge n s u r e st h es a f e t yo fs h u n t i n go p e r a t i o nb yt e c h n o l o g y i t w i l lp l a yi t sf u l lr o l ei nt r a i nm o n i t o r i n gi nt h ec o n d i t i o n so f u n c h a n g i n gt h ef o 肌盯 e q u i p m 咖s ，s t r u c t u r e ，p e r f o r m a n c ea n dt e c h n i c a li n d e x o ft r a i nd i s p a t c h i n gs i g n a l m a c h i n e f i r s t l vt l l i sp a p e ri n v e s t i g a t e da n da n a l y z e dt h e r e l a t e ds y s t e ma th o m ea n d a b r o a d a c c o r d i n gt ot h et o t a lp r o c e s sc o n t r o lo ft h em o n i t o ra n dr e c o r dd e v l c e d u r i n gt h ep r o c e s so fl o c o m o t i v eo p e r a t i o n ，i m p r o v i n gs e c u r i t ya n a l y s i s ，t h eg e n e r a l d e s i g ns c h e m eo ft h i ss y s t e mw a sp u t f o r w a r d s e c o n d l y t l l eh a r d w a r eb a s e do nl o c o m o t i v ei n d u c t i o ni n v e r t e r a n ds i g n a l p r o c e s s o ra n d t h es o f t w a r ew e r ed e s i g n e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o na n dt e c h n i c a li n d e x ，t h ew h o l es y s t e m w a s i n s t a l l e da n dt e s t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t i t i se f f e c t i v et od e s i g nt h i ss a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e mo f l o c o m o t i v ed i s p a t c h i n g k e y w o r d s ：s h u n t i n g ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；l o c o m o t i v ed e p o t 北京交通大学专业硕士学位论文图表清单 图表清单 插图清单 图l 调车监控系统结构图8 图2l c 振荡示意图9 图3 正弦波振荡电路9 图4 机车感廊变频器示意图1 l 图5 变频震荡器示意图”1 3 图6 地面无源感应器l3 图7 放大电路结构示意图1 4 图8 共射组态交流基本放大电路l5 图9 带通放大器电路原理图l6 图1 0 幅频曲线1 6 图1 l 触发整形电路原理图1 7 图1 2 信号处理模块原理框图1 7 图1 3 控制信号检测示意图1 8 图1 4 电流互感器结构原理“1 8 图1 5h i s _ m o d e 的数据格式2 1 图1 6h i s s t a t u s 的数据格式2 l 图1 7 高速输入器( h i s ) 部件结构图2 2 图1 8 高速事件采集原理图2 4 图1 9r s 4 8 5 通讯原理图2 7 图2 08 1 5 5 的引脚图和结构框图一2 8 图21 系统显示模块2 9 图2 2 主程序流程图3l 图2 3 检测频率子程序流程图3 5 图2 4 求取频率值中断子程序流程图3 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 学位论文作者签名：季7 鹭剑 导师签名： 签字日期：必p v 年厂月号同 一哕盼乡矽日 北京交通大学专业硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 4 3 致谢 本论文的工作是在我的导师陈科山教授的悉心指导下完成的，陈科山教授 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。导师严谨的治学 态度、渊博的知识、精益求精的科研作风、忘我工作的奉献精神使我终身难忘， 导师高尚的人格更是为我今后的工作和生活中树立了楷模。在此对恩师所给予 生活上无微不至的关怀和学业上孜孜不倦的教诲表示衷心的感谢! 感谢北京交通大学机械试验馆3 0 1 实验室邓湘副教授对我的悉心帮助，在 此表示衷心的感谢! 北京交通大学专业硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 近年来，铁路在运输业中的重要地位和作用日益突显出来。铁道部提出了内 涵扩大再生产的总体思路后，行车安全能否保证成为制约铁路运营效益的一个瓶 颈。我们也越来越认识到安全本身就是最大的效益。随着机务技术装备水平不 断得到提升，干线机车车型不断更新，性能稳定性日益增强，质量稳定周期不断 延长；行车安全监控装备大量投入，实现了对超速、冒进、冒出等险性事故和质 量故障的有效控制，行车事故的发生率逐年下降。其中现有列车运行监控记录装 置乜3 1 ( 以下称监控装置) 作为机车的重要行车安全装备在全路机车上广泛采用以 来，极大地提高了列车在正线上运行的安全性，基本消灭了正线行车的机务责任 事故。但是，目前在调车以及机车出入库作业过程中，因受站场设备条件的限制， 无法像正线行车那样监控装置由机车信号接收地面行车指令，监控列车运行。而 且调车作业事故引发出严重后果也不亚于干线事故，机车在调车作业时，乘务员 主要靠调车员确认地面信号。因此，一旦作业人员操作失误，容易造成轻则脱线、 挤岔子、溜逸等险性事故，重则出现侧面冲突、颠覆，造成车毁人亡，同样，当 调车机单机进行调车作业或出、入库时，依靠机车乘务员了望地面调车信号，常 常由于机车乘务员的疏忽或由于天气等外界条件的干扰，不能正确辨别机车信 号。由于机车冒进信号，造成行车事故或重大事故的情况时有发生，中断上下行 列车，遭成重大事故，其所带来的直接损失和间接损失巨大，也影响了正常的运 输秩序。据统计，兰州铁路分局车务部f - j1 9 9 5 年以来，发生行车事故2 1 件其中， 调车事故9 件，占总事故比例的4 3 。因此，加强场站调车作业的安全，已经成 为当前机务部门安全作业待解决的一个非常重要课题。 现有的设备还不能完全起到全过程可靠的安全监控作用。目前普遍使用的列 车运行监控记录装置也就是平常所说的“黑匣子”是用于牵引列车的机车的，是 为了确保机车在正常情况下安全运行而设置的，相对来说是用于正线上作业保证 列车安全的。 一方面，监控装置主要是针对列车速度来进行控制的，不能提供机车在调车 作业的实时位置信息，以及机车距前方、后方的道俞、土挡、信号机之间的位置 北京交通大学专业硕士学位论文绪论 信息，因此不能提供给机车乘务员调车作业所需的信息，不能根据机车在轨道上 所处的位置和当前的行车速度来进行准确、及时的操作。 另一方面，监控装置对列车的运行状态参数只有监控顶棚速度和记录功能， 对机车运行状态参数只能转储回地面才能进行分析，是一种事后处理。而调车机 的调车系统需要高度掌握所辖机车的运行位置、速度等信息，这样调度中心不仅 能合理的对各调车机的调车作业进行调度，提高调车作业的效率：而且能够及时 核对勾计划的执行情况，防止安全事故的发生。目前，无线平面调车电台只能解 决值班员、调车员、连接员以及司机之间的联络问题，它不能代替调车员、司机 对距离的判断。现在虽然将监控装置和无线平面调车结合使用，在软件中增加调 车所需的速度模式，但是没有从根本上解决调车作业的安全问题，它只是增加了 调车作业过程中的人为因素，距离的判断以及“十 、“五、“三 车速度模式都 要依靠调车员来掌握。 为保证调车作业安全、高效的运行，降低调车作业中的事故，实现监控记录 装置在机车运行过程中的全过程控制，提高机车运行的安全性能，为此提出研制 调车安全监控系统。 1 2 国内外现状 经过调研，在国外参考文献中未见有相关技术的研究。国内的研究情况，根 据目前的行业资料也没有形成产品，目前有的几种调车监控方式都是在研究实验 阶段，监控方式有以下几种： 1 ) 调车安全点式防护 目前应用较多的，是针对调车机的点式防护。有低成本的磁感应点式， 轨道发码的移频式，双频点式等，其原理都是在机车或车列接近土挡前，将 信息传给机车的监控装置。这方面的成果很多，如“变频式防侵正线装置h m “j d l 卜1 型调车机车运行监控装置”用移频技术解决土挡的安全防护嵋1 “尽头线安全装置 等等，都是这一类的系统，由于其成本低廉，防护点明 显，在一些应用的站场取得了较好的效果。有代表性的是上海局杭州机务段 开发的土挡防撞装置。 该系统是在土挡15 0 米及7 5 米处各放置1 组永磁铁，在每辆机车排障器 后面安装一个感应线圈。当带有感应线圈的机车通过两处永磁体时，就会产 2 北京交通人学专业硕七学位论文绪论 生切割磁力线运动，因此机车上的感应线圈中产生感应电压。该电压信号在 经过放大整理后，提供给单片计算机进行分析计算。然后将分析计算的结果 ( 即控制指令) 送入监控装置，由监控装置发出动作指令，控制机车的运行， 达到防撞目的。 点式控制解决了接近土挡的信号传输，但是由于只有机车才能接收感应 器的信号，对于推进仍然要依靠平调等方式控制。对于站内的调车信号机， 只有与信号机联动的点式才有可能将信号机状态传到机车。但是站场情况复 杂，信号机数量很多，需要安装的地面设备相应也很多。在岔群集中的地方， 设备复杂，防护效果也就不理想了。 2 ) 进路防护 以进路表示来防护。如哈尔滨局研制的“基于道岔开通方向检测设备的 防护系统 ，在每个道岔的岔尖位置安装道俞开通方向检测设备，开发调车 作业防护系统项目岔尖检测：牵出控制、推进交给平调，由于是按照支线的 控制模式，较大的站场地面数据会非常复杂。这种方式等于是采集了通路状 态，以最小的代价实现机车在站场的跟踪行进，同时防护了土挡和信号机。 但是由于没有采集信号机状态，一律按照蓝灯架架防护，需要乘务员每架信 号机解锁。 以上这些系统，基本上是基于单点控制的基础，控制是分散的，独立的， 不能给乘务员以完整、全面的站场调车概念。 3 ) “调车信号复示及站内调车安全监控系统的研发 该系统通过数传电台发送站场信息，车载彩色显示屏不但能复示车站各 信号机显示状态，也能使司机全面了解调车作业情况和站场信息：系统实现 了实时监控调车作业过程，可有效防止闯蓝灯、挤道岔、撞土挡等调车事故 发生：另外，系统记录调车作业及相关行车状况，转储后可在地面处理设备 上检索、回放调车作业的全过程。 系统试验是在新郑站和一台调车机上进行，同样存在在一等、特等车站、 编组场、枢纽使用还有无线频率专用、覆盖范围、工作盲区、跨场、站作业 和多台调车机同时作业等问题需要解决。 经了解连接车站站场设备情况采集记录装置需投资约l o 万元，车上设备 需投资约5 万元，投资较大。而且该系统同样在试验阶段，没有形成产品， 3 北京交通大学专业硕士学位论文绪论 需继续跟踪开发情况。 4 ) 防撞土挡装置 调车作业中的尽头线安全也一直是机车监控装置的一个盲点。由于尽头 线没有信号，机车监控装置无法进行监控，但是若司机违章作业，在尽头线 安全距离内没有及时停车，就会撞上土挡，造成事故。 济南局济南机务段在东风5 型调车机安装了一种被机车司机称为“防撞 雷达的装置。这一装置结束了尽头线上调车作业仅靠人控制的历史，实现 了机控与人控的结合。 防撞土挡装置的安装使用解决了这个问题。当安装机车上的接收器经过 地面点式装置时，接收器就会产生一个电压脉冲信号，脉冲信号经转换，变 成监控装置能识别的信号，有监控装置进行分析处理，实施对防撞土挡的控 制。如果机车在尽头线5 0 米处还没有停车，监控装置就会直接启动停车模 式，实际车停在安全距离内。可见该项技术单从防撞土挡安全防护方面是行 之有效的 防撞土挡装置，由地面点式装置、车在接受器、信息转换盒组成。地面 点事装置安装在机车前进方向左侧的钢轨上，车载接收器安装在机车第6 轴 左右侧轴箱拉杆上，信息装换盒安装在机车司机室内，通过一根数据线与监 控装置连接。为充分发挥该装置保安全的作用，这个段围绕着防撞土挡装置 的安装、管理、使用、检测、维护等问题制定了济南机务段机车防撞土挡 装置安装使用管理办法，成立了两个专门的安装小组，分别负责机车和地 面设备的安装调试。目前，该段已经在济南站、济南至泰山、济南至历城、 湖屯至莱芜东等站间区间的尽头线安装了3 4 套地面点事装置，在1 3 台东风 5 型调车机和2 台客车机车上安装了车载接收器、信息转换盒。 5 ) 无线电技术的应用 铁道部门的无线电技术应用始于2 0 世纪5 0 年代后期，在8 0 年代开始 普及推广。目前，铁路系统全部生产领域广泛使用了无线电技术，主要包括 列车无线调度通信、站场无线通信，以及养护维修。列车无线调度通信系统 从上至下，覆盖了全国铁路各线，各级列车调度员、列车司机、运转车长和 车站值班员、助理值班员是这一系统的主要用户。铁路站场调车无线通信系 统是应用于铁路编组站、区段站，用于调车作业的无线调度通信系统。可见， 4 北京交通大学专业硕：t 学位论文绪论 在调车安全监控系统方面，无线电技术还仅仅作为机务人员间的通讯工具平 台，还不能实现调车安全的完全监控作用。 由上述的资料可以看出，本课题正是在一个国内有一定研究基础的前提下提 出的，对我国现阶段机车调车安全有重要的研究价值和社会意义。 1 3 本论文研究内容及关键技术 本论文针对调车现场作业过程的监控系统进行研究，主要研究内容包括有： 1 ) 列车调车安全监控系统的方案设计： 2 ) 感应变频系统硬件设计； 3 ) 监控系统及信号检测与处理软件的开发： 论文的章节主要安排如下： 第一章阐述了列车监控系统研究发展状况，并对国内外相关技术行了探讨， 引出本论文研究内容。 第二章对现有机车调车存在的问题进行深入分析，总结於实现的目标并最 终提出列车调车安全监控系统的总体设计方案。 第三章根据第二章提出的总体方案，设计了调车监控系统硬件部分。 第四章本章是在系统硬件假设的基础上完成了系统监控及信号检测与处理 软件的设计。 第五章本章对前面所设计研发的系统进行调试与结果分析，验证本论文所 设计的列车调车安全监控系统设计方案的正确性。 第六章总结论文研究工作，并对未来研究进行综述和展望 本论文的关键技术： 1 列车调车安全监控系统的方案设计： 2 基于机车感应变频器的变频系统设计： 3 基于l c 电路的无源地面感应器 4 高速事件检测输入器h i s 5 基于m c s - 8 0 c 1 9 6 k c 串行通讯模块开发 5 北京交通人学专业硕士学位论文 总体方案分析与设计 2 1 重点研究问题分析 总体方案分析与设计 当前我国大部分车站均未实现电码化，无法实现通过轨道接收方式实现机车 信号显示。我们研制的调车监控系统的设计思路，是在不改变现有线路信号的前 提下，通过特殊设计的无源感应变频传感器将调车信号传送到机车上，送入监控 装置，通过监控装置发出相应的指令，实现对机车的控制。该方案工程量小、投 资少、见效快。 如何实现上述设计思路，关键问题在无源感应变频传感器上，既不改变轨道 占用信息，又能将信号准确无误地传到机车上，所以，地面无源感应变频传感器 是重点攻关对象，也是关系到系统能否达到稳定、可靠工作的重要环节。 2 2 系统实现的功能及主要指标 系统主要功能： 1 ) 在不改变原轨道占用信息的基础上，实现机车在站场、出入库时的安 全防护，将调车信号准确无误地传送到机车接收器上。 2 ) 通过4 8 5 串行口与监控装置连接，将调车信号送入监控装置，再由监 控装置实现对机车的自动控制，经过处理后的数据传送到机车监控装 置，有效的防止调车作业中冒进信号造成的事故。 3 ) 正确显示列车前方的地面信号并提供语音提示报警功能。 4 ) 系统利用监控装置的数据转储功能，将系统的数据记录下来，为分析 事故提供可靠的依据。 系统主要指标： 1 ) 电源：车载设备：d c l l o v ，功率 振 感 器 荡 器 回 路 机军部- 分一 图1 调车监控系统结构图 调车监控系统工作基本过程：首先地面的调车控制信号经电流互感器控制改 变地面无源感应器l c 槽路的谐振频率，再与机车感应器互感，使机车感应器的 固有频率变为地面感应器的频率，完成地面信息向机车的传递，将机感接收的地 面信息经处理后送机车监控装置对机车发出控制指令，最终实现对行驶中机车的 监控。 8 北京交通人学专业硕士学位论文 系统硬件设计 3 1 变频原理町 3 系统硬件设计 正反馈放大器满足相位平衡条件和振幅平衡条件时就形成了自激振荡，既： 放大电路的相移与反馈网络的相移之和等于2 n ，巾 + 巾，= 2 n ( 其中n 是整数) 。 反馈讯号的振幅应该大于或等于输入讯号振幅，1 3 k 11 。 图2l c 振荡示意图 首先，通过自激振荡产生j 下弦波要满足的条件是： 图3 正弦波振荡电路 从结构上看，正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈 放大器。图3 表示接成j 下反馈时，因此有 x f = x 。+ x i ( 1 ) 放大电路在输入信号j ，= 0 时的方框图。可改画成图3 右侧所示。若在放大器的 输入端外接一定频率、一定幅度的正弦波信号戈。经过基本放大器和反馈网络构 成的环路传输后，在反馈网络的输出端得到反馈信号j ，和j 。在大小和相位上都 9 北京交通人学专业硕士学位论文系统硬件设计 一致，那么就可以去除外接信号力。，而将两端连接在一起( 如图中的虚线所示) 而形成闭环系统，其输出端可能继续维持与开环时一样的输出信号。这样由于 j 。= 膏，便有， = 衍= 4 一叫2 ， 或 a f = a f l ( p o + 缈，) = 1 ( 3 ) a = 彳么织，f = f l 缈，( 4 ) 正弦波振荡器的振荡条件为：i 户l - 1 相位平衡条件：纯，+ 妒ri i2 n n ，( = o ，1 ，2 。) 如果反馈电压乃和放大器输入电压吃幅度相等而相位不同，那么，经放大 后，反馈的每一个循环将会使输出电压吃较前一次的相位提前或推迟一些， 振 荡周期就会一次比一次缩短或延长，所以始终得不到固定的振荡频率，只能得杂 乱无章的信号输出。 如果反馈电压吃和输入电压吃的相位相同，而振幅不等，就会出现两种情 况： 1 1 l l 圪l ，即使电路中产生了振荡，但每经过一轮放大反馈的循环，i 圪l 的振幅就会减小一些，最终振荡消失。 2 1 l l 。稳定 之后满足陋f l = 1 以维持等幅振荡。另外，优，+ 纷= 2 刀万，( 聆= o ，1 ，2 一) 称为相位 平衡条件。以上条件同时满足，电路才能起振。 作为正弦波振荡器，除了必须有一个放大器和一个反馈网络外，还必须要 有选频网络和稳幅器。依靠选频网络的选频特性，可使电路只能在某个期望的频 率上同时满足相位平衡条件和振幅平衡条件，才能使振荡器输出单一频率的正 弦波振荡。反馈网络与选频网络可以合二为一，由一个网络同时完成正反馈和选 1 0 北京交通大学专业硕士学位论文 系统硬件设计 频。或者放大器与选频网络合二为一，由一个网络完成。根据选频网络的不同， 振荡器可以有3 种电路组合：r c 振荡器、l c 振荡器、石英晶振荡器。 为满足两个平衡条件的正弦波振荡电路一般应包括以下几个基本组成部分： 放大电路、反馈网路、选频网络，本系统采用l c 振荡回路，在信号频率较低时， 电容的容抗很大，网络呈感性：在信号频率较高时，电感的感抗很大，网络呈容 性：只有当f = 兀时，网络才呈纯阻性，且阻抗最大。这时电路产生电流谐振， 电容的电场能转换成磁场能，而电感的磁场能又转换成电场能，两种能量相互转 换。如图2 所示，即是一个l c 正弦波振荡电路示意图，其振荡频率基本等于l c 并联回路的谐振频率，即 厂彤万瓜( 5 ) 由式可见，改变l c 的值即可改变其振荡频率五。利用互感m 的作用也可使 l c 的值改变，给原来的谐振回路电感加个次级，就有了互感m 。由于互感的引 入，谐振公式就成了下面的式子： 名2 彤万( l - m ) c ( 6 ) 由于式中增加了互感，谐振频率不在是厶了，而是变为。这就是互感变 频原理，也叫“感应变频 。在调车监控系统中，见图4 ，地感对机感的相互作 用引起频率改变，就是根据互感变频原理。 k n 卜 ! 频振荡器 f l 巨 m - 塑璧蜜j 堕旦墅； 图4 机车感应变频器示意图 变频系统由机车感应变频器、变频放大器及整形电路、地面感应器等部分组 北京交通人学专业硕士学位论文系统硬件设计 成。 3 2 变频系统模块设计 3 2 1 机车感应变频器 机车感应变频器是一个受外频率控制下在一定频带内频率可变的振荡器，平 时自振在固有频率9 5 k h z ，当与地面感应器相互作用时，其振荡频率变为地面感 应的频率，在相互作用撤销后，又恢复到固有频率。 机车感应变频器是变频传感系统的信息拾取器，接受地面感应器的信息作 用，与地面感应器组成变频传感系统的核心。能否正确和稳定拾取地面有用信息， 整个系统能否达到机车监控技术要求，机车感应器起着决定性做用。所以机车感 应器在技术方面应考虑以下几点要求： 1 ) 变频频带：根据地面感应器所设变频频点，变频频带应宽于最高频点，故 应有频宽af 9 5 k h z - - 1 2 1 k h z 。 2 ) 感应变频距离：在所要求变频频带上限频率时，与地面感应器感应变频最 远距离s ，2 0 c m ，( 这是感应器挂在机车上与地面感应器的最远距离) 3 ) 温度稳定性：当环境温度在- 3 0 c o + 7 0 c o 变化时，机车感应器固有振荡频 率9 5 k h z 变化0 5 k h z 。 4 ) 抗干扰能力：机车感应器的感应端面相当于开放口，对地面感应器很灵敏， 但有很好的选频特性。当有干扰信号进入时，机感振荡器应能保持在9 5 k h z 稳定 振荡。由于振荡的选频作用，只有相位满足2 n 的干扰信号叠加在9 5 k h z 上， 经过后面的带通放大，带宽以外的干扰信号基本被压掉，带宽内的干扰峰值小于 3 伏时，因低于触发阀值电压，而被带通整形电路消除。所以，选用有高等效q 值的变频振荡谐振回路，可提高机车感应器的选频特性使振荡电路的稳定性提高 ( 其它因素如耦合度以及工作点等也影响振荡的稳定) 。 1 2 北京交通人学专业硕士学位论文 系统硬件设计 图5 变频震荡器不意图 见图5 ，变频振荡器采用的是l c 耦合振荡电路，线圈比选取较为自由，因 为是松耦合形式，便于谐振回路与反馈回路耦合度的调整。l c 为谐振槽路的电 感和电容，决定振荡器的振荡频率。谐振回路通过反馈回路耦合到选频放大器， 形成了正反馈闭合回路，当电源接通瞬间在l c 中产生自激振荡电流，由于振荡 回路满足相位平衡和振幅平衡两个条件，使振荡电流不断增强，最终形成稳定的 自激振荡。 为提高变频振荡器温度稳定性，采用了恒流振荡器电路。最后，射极输出器 作为振荡输出级将变频信号送入变频放大器，以减小放大器对振荡器的影响。 3 2 2 地面感应器 地面感应器与机车感应变频器组成变频传感系统的核心，是传感系统的信息 传递器，将地面控制信号转化为频率信号传给机车感应器。地面感应器是无源的， 自己并不能产生振荡信号输出，只是携带控制信息处于等待状态，只有在机感与 其相互作用下，瞬间起振谐振在信号控制的频率上，同时作用于机车感应变频器 使其变为地感谐振频率。变频是地感和机感相互作用的结果。 l 了l 为白灯继电器常开触点 j 2 为兰灯继电器常开触点 图6 地面无源感应器 见图6 ，地面无源感应器是一个无源的l c 振荡器，谐振频率设计为：1 0 4 k h z 、 1 3 北京交通人学专业硕上学位论文系统硬件设计 1 1 3 k h z 、1 2 1 k h z 三种。平时谐振在1 2 1 k h z ，受信号检测装置控制可谐振在另外 两个频率。地感有很高等效q 值，窄的带宽，良好的选频特性：另外，只与机感 相互感应才能起振，所以性能稳定。对地面感应器频率稳定影响的主要是温度， 温度变化引起线圈的涨缩既槽路电感l 的改变，导致频率的变化。只要在制作地 感技术方面采取措施，可减小温度影响。根据要求：当环境温度在- 3 0 c o + 7 0 c o 变化时，地感谐振频率变化应在0 5 k h z 范围内。 3 2 3 变频放大器电路 基本放大电路一般是指由一个三极管或场效应管组成的放大电路。从电路的 角度来看，可以将基本放大电路看成一个双端口网络。放大的作用体现在如下方 面： 1 ) 放大电路主要利用三极管或场效应管的控制作用放大微弱信号，输出信 号在电压或电流的幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。 2 ) 输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制， 使之转换成信号能量，提供给负载。放大电路的结构示意图见图7 。 图7 放大电路结构不意图 共射组态基本放大电路如图8 所示。在该电路中，输入信号加在加在基极和 发射极之间，耦合电容器c 1 和c e 视为对交流信号短路。输出信号从集电极对地 取出，经耦合电容器c 2 隔除直流量，仅将交流信号加到负载电阻r l 之上。放大 电路的共射组态实际上是指放大电路中的三极管是共射组态。在输入信号为零 时，直流电源通过各偏置电阻为三极管提供直流的基极电流和直流集电极电流， 并在三极管的三个极间形成一定的直流电压。由于耦合电容的隔直流作用，直流 电压无法到达放大电路的输入端和输出端。当输入交流信号通过耦合电容c 1 和 c e 加在三极管的发射结上时，发射结上的电压变成交、直流的叠加 1 4 北京交通大学专业硕十学位论文系统硬件设计 图8 共射组态交流基本放大电路 由于三极管的电流放大作用，i c 要比i b 大几十倍，一般来说，只要电路参 数设置合适，输出电压可以比输入电压高许多倍。u c e 中的交流量u c e 有一部分 经过耦合电容到达负载电阻，形成输出电压。完成电路的放大作用。由此可见， 放大电路中三极管集电极的直流信号不随输入信号而改变，而交流信号随输入信 号发生变化。在放大过程中，集电极交流信号是叠加在直流信号上的，经过耦合 电容，从输出端提取的只是交流信号。因此，在分析放大电路时，可以采用将交、 直流信号分开的办法，可以分成直流通路和交流通路来分析。 放大电路的组成原则： 1 ) 保证放大电路的核心器件三极管工作在放大状态，即有合适的偏置。也 就是说发射结j 下偏，集电结反偏。 2 ) 输入回路的设置应当使输入信号耦合到三极管的输入电极，形成变化的 基极电流，从而产生三极管的电流控制关系，变成集电极电流的变化。 3 ) 输出回路的设置应该保证将三极管放大以后的电流信号转变成负载需要 的电量形式( 输出电压或输出电流) 。 变频放大器在整个监控系统中起着承前启后的中坚作用，要求将有用的变频 信号不失真的放大到所需的幅值，把噪声和干扰以及变频频率以外的信号全部滤 掉，不放大干扰和噪声，确保有效的触发整形电路。可以说变频放大器的性能直 接影响到变频系统的抗干扰的能力。 在本系统中变频放大器的基本性能： 1 ) 电压放大倍数：要求把v 冲= o 8 v 的正弦信号放大为v 印= 1 2 v 左右的正弦信 号，触发带通整形电路，放大器的电压放大倍数 q = 1 5 。 2 ) 带宽：机感振荡固有频率五= 9 5 k h z ，变频最高频率厂= 1 2 1 k h z ，考虑放 大器带宽余量，带宽设置在8 5 k h z - - - 一1 3 5 k h z 之间，厂= 1 3 5 k h z 一8 5 k h z = 5 0 k h z 从放大器的放大倍数和带宽可见，中心频率厂= 1 1 0 k h z ，带宽5 0 k h z ，属低 1 5 北京交通人学专业硕士学位论文系统硬件设计 增益宽频带放大， 所以选用带通放大器，电路见图9 。 耆 蠢； 输o _ j 入 b 图9 带通放大器电路原理图 理想的带通放大器阻1 应有矩形通带曲线，实测图9 电路的通频带曲线，中间 稍有下凹，但形状接近矩形( 见图1 0 曲线) 。经过细致调整后的电路是较为理想 的带通放大器。 v v 、 f f l d t z ) 7 厂 1 )( 图1 0 幅频曲线 3 2 4 变频整形电路 整形电路是将变化的正弦波转化为方波，送监控系统向机车发出监控指令。 见图1 l ，整形电路选用的是可变阀单稳触发器，阀值设置在4 v 左右。经过放大 1 6 北京交通大学专业硕上学位论文系统硬件设计 的正弦变频信号，经二极管检波取正半波，峰值电压高于5 v ，触发单稳触发器 整形，整形后的变频信号为5 v 方波，送监控系统。 来 自 带 遁 放 大 图l l 触发整形电路原理图 由于整形电路采用可变阀单稳触发器，可通过调高阀值将通带放大后的较大 的干扰消掉，具有带通滤波n 们作用，进一步提高了整个系统的抗干扰性能。 3 3 信号处理模块设计m 1 根据现有机车9 3 型调车监控系统n 2 1 3 1 硬件条件下，本设计采用了如图1 2 所 示的原理来实现监控信号的采集和通讯，整个模块分为控制信号检测模块、高速 事件检测模块、通讯模块和显示模块四部分。 图1 2 信号处理模块原理框图 3 3 1 控制信号检测模块 地面信号检测电路用于检测调车信号的显示状态，控制地感谐振频率，见图 1 3 ，由电流互感器1 和继电器构成。电流互感器串接在调车信号灯电路中，当信 1 7 北京交通人学专业硕十学位论文系统硬件设计 号灯全不亮时，互感器中无感应电流，继电器不吸合，地感正常振荡在1 0 4 k h z ； 当其中一个灯点亮时相连的继电器吸合，地感振荡在11 3 k h z 或1 2 1 k h z ，继电器 的常开接点与相应的电容串联后并联在地面感应器l c 振荡电路中。 图1 3 控制信号检测示意图 电流互感器的结构较为简单，它由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以 及架构、壳体接线端子等组成。其工作原理与变压器基本相同，一次绕组匝数较 少，直接联于控制电源，一次负荷电流通过一次绕组时，产生的交变磁通感应产 生按比例减小的二次电流：二次绕组的匝数较多，与继电器的二次负荷串联形成 闭合回路，见图1 4 为电流互感器结构原理图。 7 一z h 图1 4 电流互感器结构原理 电流互感器是信号检测、转换和控制器件，是监控系统的眼睛，其可靠性在 整个监控系统中与感应变频器同样重要。系统中使用的电流互感器，体积小功率 大，灵敏度高，信号电流在1 2 a 时既可使继电器吸合。 3 3 2 高速事件检测模块 首先，该模块是通过微处理器对频率的变化进行采集运算后，实现四种不同 的频率，包括： 代表机感本振的频率值； 代表亮兰灯的频率值： 代表亮白灯的频率值： 代表两灯都不亮的频率值 以上各事件经分析处理后送入监控装置中。按规范调车机车速度应在4 0 k m h 以下，地面信号感应器的有效宽度为2 4 0 m m ，机车车载感应器在机车速度为 1 8 北京交通人学专业硕士学位论文系统硬件设计 4 0 k m h ( 11 m s ) 时其作用时问为2 1 m s ，考虑到数字滤波及抗干扰周期，有效作用 时间需要更短，因此为及时采集到频率的变化，本系统中采用了m c s - 8 0 c 1 9 6 k c n 胡 口州1 7 1 作为频率信号采集的核心，利用其h i s ( h i g hs p e e d i n p u t ，高速输入) 进行频 率信号的采集。1 6 位的8 0 c 1 9 6 k c 芯片是i n t e l 公司m c s - 9 6 系列单片机中重要 的新成员，也是目前该系列单片机中性能最强的产品之一，在各类自动控制系统、 数据采集系统和高级智能仪器中都有广泛的应用。 8 0 c 1 9 6 k c 芯片口胡的特点如下： 1 ) 1 6 位的c p u ( 中央处理器) 该c p u 在结构上的最大特点是：没有采用习惯的累加器结构，改用寄存 器寄存器结构，c p u 的操作直接面向2 5 6 字节的寄存器空间，消除了般 结构中存在的累加器瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。1 6 位c p u 支持位、字节、字操作，在部分指令中还支持3 2 位双字操作。 2 ) 高效的指令系统 该指令可以对不带符号和带符号数进行操作，有1 6 位乘1 6 位和3 2 位除 1 6 位的乘除指令，有符号扩展指令，有数据规格指令等等，这些是它优于 m c s 一5 l 指令系统之处。 3 ) 1 0 位a d 转换器 8 0 c 1 9 6 k b 内有1 0 位a d 转换器，转换时间为2 2 i ls 。 4 ) 脉宽调制输出 作为a d 转换器输出，8 0 c 1 9 6 k c 单片机可以直接提供脉宽调制信号，某 些电机可以用它直接驱动。 5 ) 全双工串行口 6 ) 高速输入输出口 高速意味着这些功能是自动地实现，无c p u 的干预。高速输入器可以对 于内部定时器产生实时时钟，共可记下8 个事件；高速输出器可以按规定的 时刻去触发某一事件，任何时候，都可以悬挂起8 个事件。 7 ) 5 个8 位标准输入输出口 除了上述高速输入输出口以外，它还有5 个8 位标准输入输出口，这 些口有相当一部分是多用途的。 8 ) 2 8 个中断源和1 8 个中断向量 1 9 北京交通大学专业硕七学位论文 系统硬件设计 9 ) 可动态配置的总线 在运行过程中8 0 c 1 9 6 k 可动态配置成8 位或1 6 位的总线，以便适应对外 部存储器进行字节操作和字操作的不同要求。 1 0 ) 2 5 6 字节的寄存器阵列和专用寄存器 1 1 ) 2 个1 6 位定时器 其中定时器1 在系统中作时钟使用，系统运行时不停地循环计数，定时 器2 根据外部的触发信号而计数，实际上是一个外部事件计数器。 1 2 ) 4 个软件定时器 4 个软件定时器受高速输出器控制，达到定时时间时设置相应的软件标 志，可激活软件定时器中断。 8 0 c 1 9 6 k c 具有更为丰富的软硬件资源、具有更高的性能，因此广泛应用于控 制系统中，特别是在比较复杂的控制系统中。除了上述8 0 c 1 9 6 k c 的特点之外， 主要在于以下方面：8 0 c 1 9 6 k c 的状态周期由振荡器信号2 分频后获得，而8 0 9 6 的状态周期是振荡周期的3 倍，因此采用相同频率的晶振工作时，8 0 c 1 9 6 k c 的 操作速度至少比8 0 9 6 的速度高1 3 。8 0 c 1 9 6 k c 的速度比8 0 9 6 高的另一个因素是， 前者的大部分指令执行状态周期数略比后者少。这就能够从硬件上缩短测量和运 算时间，加快系统控制的实时性。本系统中应用8 0 c 1 9 6 k c 单片机，可以方便地 实现被控对象多点采样，通过c p u 的串行口可实现与车载监控主机之间的通信。 对于8 0 c 1 9 6 k c 高速输入通道，与其相关的几个专用寄存器它们分别是： 1 ) 定时器t 1 ： 2 ) i o c 0 ： 3 )i o c l ： 4 ) h i s _ m o d e ，8 , 立m s 方式寄存器，地址为0 3 h ，图1 5 为h i s _ m o d e 的数据格 式： 北京交通大学专业硕士学位论文系统硬件设计 h s l 3h s l 2h s l lh s l 0 、 d 7d 6 d 5 d 4d 3d 2d 1d 0 | llllll 00000000方式0 01010101力丸l 1010l010方式2 ll1l1111方式3 图1 5h i s _ m o d e 的数据格式 5 ) h i s s t a t u s ，8 位h i s 状态寄存器，地址为0 6 h ，图1 6 为h i s _ s t a t u s 的数 据格式： h s l 3h s l 2h s i ih s l 0 、 入。 d 7 d 6 d 5d 4d 3d 2 d 1 d 0 表示各个通道当前 所处状态 图1 6h i s _ s t a t u s 的数据格式 6 ) n i st i m e ，1 6 位h i s 时间寄存器，地址为0 4 h 。 h s i 可用于纪录某一外部事件发生的时间，时间基准由微处理器的定时器1 提 供，图1 7 是h s i 的部件结构图。高速输入器( h i s ) 由事件检测器、先进先出( f i f o ) 队列寄存器、保持寄存器、h s i 时间寄存器、h s i 事件方式寄存器、h s i 状态寄存 器组成。 2 l 北京交通大学专业硕士学位论文系统硬件设计 图1 7 高速输入器( h i s ) 部件结构图 h i s 部件的工作原理： 1 ) 跳变检测器按照h i sm o d e 寄存器规定的工作方式对h s l 3 - 、, h i s o4 个通道 的输入信号进行监视与检测( 每个时钟周期t 内自动检测一次) ，并将有 关引脚点评状态的检测结果送至h i s s t a t u s 的各对应奇数位，同时，还 将有关事件是否已经发生的信息送入f i f o 单元( t 1 的当前值也一起送 入) 。 2 ) f i f o 单元是一个存储器区，可以按照时间发生的先后顺序存放7 条记录， 每条记录为2 0 位数据( 时间是否发生占据4 位，t 1 的当前值也一起进入) 。 3 ) 保持寄存器是一个2 0 位的寄存器，可以存放一个事件的记录。只要保持 寄存器为空，f i f o 单元中的第一个事件( 最先进入f i f o 区内的事件) 便进 入保持寄存器，随后的其他时间依次前移。若f i f o 单元和保持寄存器均 满，新出现的事件因进入不了f i f o 区域而被丢失。 4 ) 保持寄存器中有关事件是否已经发生的信息进入h i s _ s t a t u s 的各偶数 位，它们与前述4 个技术为的内容组合成为8 位数据。当依次读取 h i s _ s t a t u s 和h i st i m e 内容后，保持寄存器变空，f i f o 单元中的队列前 移，最前面的一条记录进入保持寄存器，最后面一个