智能計軸傳感器的設計

1 前言

　　計軸系統的可靠性是由計軸傳感器的可靠性和后續計軸處理機的可靠性共同來保障的。目前已有的各種計軸傳感器均屬于非智能型計軸傳感器，基本上都屬于為后續計軸主機提供可靠的車軸有/無的信息，而少有預處理，顯然，如果能研制一種性能價格比更高的計軸傳感器，對提高計軸系統性能，降低整個系統的成本是極為有益的。為此，我們研究了一種新的智能型的計軸傳感器設計方案。

2 智能計軸傳感器機械結構設計

　　圖1 給出了智能型計軸傳感器的機械結構示意圖。

　　該結構中，為了使傳感器能更好的適應南方站場防水、防潮、防高溫以及抗沖擊、抗震動的實際需要，結構上采取以下措施：

　　①.雙層結構設計，外層是機械保護層，它采用金屬厚板材加工而成，質量較大，以滿足抗沖擊、抗震動的要求。

　　②.外層的四個側面為細百葉窗設計，又可遮陽、避雨，又利于通風、散熱。

　　③.內外層之間用于固定內層的緊固架，采用堅固而不導熱的PVC塑料和橡膠墊，內盒呈“懸空”狀態緊固在中間，兩盒之間大部為中空結構，減少了熱傳導，增大自然散熱。

　　④.內層為全金屬、全密封結構，敏感元件用環氧樹脂等防水材料封裝在外殼上，敏感元件與傳感器主板的連線、電源線、通信線等均采用防水連接，以防濕氣和雨水的侵入。

　　⑤.底部也為架空結構，留有排水孔。

3 主要算法設計

　　所有智能計軸傳感器的三個敏感元件的編號依次為S1、S2、S3（參見圖2）。其對應通道采樣時的計軸值為（S1）、（S2）、（S3）。

　　3.1 計軸機制設計

　　為了實時完成計軸任務，每當車輪經過敏感元件產生電信號時，智能計軸傳感器的微處理機以響應外中斷的方式來完成有關的計軸處理。

　　中斷設置為上跳沿觸發方式。理由之一是為了防止因通道故障引起對中斷機制的破壞;理由之二是為了避免三個敏感元件引起中斷的沖突。

　　系統為每個通道設置一個響應標志，它們分別是：marks1（S1通道）、marks2（S2通道）、marks3（S3通道）。每當系統初始化或者在區段出清做“復位”時，置這三個標志為0。當系統響應某個通道的計軸中斷時，將響應通道的該標志置1。因此，在連續響應3次中斷之后，有故障的通道其標志一定是0。

　　如果敏感元件的相互間隔為Ncm，當車速為200KM/h時，其線速度為50M/S，即一個毫秒可運行5cm。這意味車輪在依次經過同一個智能計軸傳感器的三個檢測元件時引起計軸中斷的時間間隔約為（N/5）ms。

　　輪對間距約在70cm-90cm，意味在車速200KM/h時，不同車輪經過同一個計軸傳感器引起計軸中斷的最小時間間隔為14ms。

　　當車輪經過三個磁敏感元件時，引起其附近磁場發生相應變化，產生感應信號。如果三個傳感器相距越近，三個感應信號的重疊部分就越多。當車速較高時，勢必引起中斷沖突。解決辦法是：

　　①.適當設置門檻電平閥值;

　　②.適當設置敏感元件間隔。（參見圖3）

　　車輪輪徑一般為35cm-47cm。以最大輪徑47cm考慮，其半徑為23.5cm，選取敏感元件設置的高度在距車輪下緣1.5cm處。為避免中斷沖突，可選取兩個敏感元件的間距N大于2L。由圖3可知，

　　L=（23.52-222）1/2 ≈8cm

　　考慮到傳感器安放的位置與車輪的弧度關系，可以取間距N=15cm。

　　當車列以200KM/h行駛時，三個敏感元件引起中斷的時間間隔為3ms。

　　3. 2計軸數據處理設計

　　與計軸處理相關的數據緩沖區包括以下標志和內存工作單元。

　　（1）.工作單元：①TBUF（1B） ——- 秒計數單元 ②CINT（1B） ——- 中斷計數累計單元 ③C1（1B）—————— 敏感元件 S1的計軸累計單元 ④C2（1B）—————— 敏感元件S2的計軸累計單元 ⑤C3（1B）—————— 敏感元件S3的計軸累計單元 ⑥DERECT1（1B）- 上行方向（即從S1→S3方向）標記單元 ⑦DERECT2（1B）- 下行方向（即從S3→S1方向）標記單元 ⑧DERECT3（1B）- 方向不確定標記單元

　　在初始化時或在該區段出清后，上述標志和工作單元全部清零。

　　⑵ 智能計軸傳感器發往計軸處理機的信息格式設計

　　智能計軸傳感器發往計軸處理機的信息共占兩個字節：首字節為工作狀態，次字節為當時所計軸數（0-255）。

　　智能計軸傳感器工作狀態字節的格式如下：

　　其中，①.SYS為智能計軸傳感器微處理器自檢狀態：SYS=0 系統正常;SYS=1 系統有故障。

　　②.SES1、SES2、SES3分別為三個敏感器件及其通道工作狀態：SESi=0 表示第i號敏感器件及其通道工作正常;SESi=1 表示第i號敏感器件及其通道工作不正常。

　　在本區段被占用時，系統處于計軸狀態，該3位由計軸中斷處理程序，根據計軸情況識別填寫。

　　當本區段出清后，系統進入自檢循環，該3位根據系統自檢信號及其反應正確與否來設置。

　　③.DER為方向：DER=0 表示車行方向為從S1到S3;DER=1 表示車行方向為從S3到S1

　　當本區段出清后，系統進入自檢循環后，該位為0。

　　④.ERR為計軸異常標志位：ERR=0，表明按“多數原則”計軸正常;ERR=1，表明計軸結果可能有問題

　　⑤.T1、T2用來記錄從上次中斷開始到現在經過的時延（單位為：秒）

　　當本區段出清，系統進入自檢循環后，第二個字節為校驗字節（0A5H），其作用在于檢查通信環節是否正常。

　　（3）.敏感元件及其通道工作狀態識別算法

　　借助于標志MARKS1、MARKS2、MARKS3、中斷計數累計單元以及三個通道計軸累計單元。可以很簡單地對敏感元件及其通道工作狀態作出判斷：

　　當CINT的值大于或等于3之后，如果MARKS1、MARKS2、MARKS3中仍為0者，則對應的通道必定有故障。作為驗證，其對應的通道計軸累計單元C1、C2或C3必定為0。

　　整個系統對車行方向的識別與判斷是在傳感器和處理機兩機進行，最終由計軸處理機完成的。

　　（4）.軟計時機制設計

　　為了防止因人為破壞，或雷電的引起的意外計數，系統設置了軟計時機制。具體方法是：

　　每當一個計軸中斷開始時，計軸傳感器的微處理器就自動開始一個軟時鐘的計時過程。

　　①.即使車列運行速度為1KM/h（只有在列車啟動或即將停止時才會出現），每秒鐘也能運行約28cm。此時的車列車輪經過兩個敏感元件的最大時延也不過只有約半秒鐘。

　　②.人為破壞或雷電等干擾反映在計軸計數上則表現有“孤立”和“大時延”的特點，即兩次此類事件發生的時間間隔一般都遠遠大于半秒。

　　根據上述特點，并參考其它相關數據，就可以對人為破壞或雷電等干擾作出判別。

　　在設置此機制之后，為了確保“故障導致安全”，無論何種情況，一旦識別結果認為“有可能”是車列進入本區段，先做本區段已被“占用”處理。在經過軟計時機制及其后續處理，確認是“意外”的偶然事件之后，解除處理。

4 結論

　　“故障導向安全”原則在智能計軸傳感器部分體現在下述幾方面：

　　①.任何計軸系統其可靠性最重要的基礎就是計軸數必須準確。本系統敏感元件的冗余設置及“少數服從多數”的計軸算法，大大提高了計軸計數的可靠性。

　　②.系統對μP、通道設置了完整的自檢環節，還設置校驗碼，并將自檢結果包含在通信數據中，當系統出現可能導致危及安全的故障時能實時將故障狀態告訴計軸處理機。這就為計軸處理機按“故障導向安全”原則控制軌道繼電器動作作好了準備。

　　本文作者創新點：1）完全貫徹“故障導向安全”的原則，分析了智能計軸傳感器的硬件組成原理;2）一種全新的計軸機制設計，即3感應信號設計;3）對智能計軸傳感器進行了處理軟計時機制設計，即抗干擾設計。

參考文獻：

　　[1] 薛瑞民,付軍,闞煥章. CLC（計軸+環線）自動閉塞系統. 鐵道通信信號 ,2000,（09）

　　[2] 彭毓強,廖武州. 計軸自動閉塞ACE在線測試及遠程診斷系統. 鐵道通信信號 ,1999,（09）

　　[3] 劉圣革. 計軸加環線自動閉塞的調試方法. 鐵道通信信號 ,2003,（11）

　　[4] 劉志紅，王更生，魏明華.鐵路智能運輸系統（RITS）[J].微計算機信息，2006，7-3：16-19