CN100428284C - 基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统，它包括地面通信和定位测速单元、车载通信和定位测速单元、铺设于轨道中央的轨间电缆以及分别安装于车体下方正对轨间电缆处的发射天线、接收天线和定位测速天线，所述地面通信和定位测速单元与轨间电缆相连，车载通信和定位测速单元分别与发射天线、接收天线和定位测速天线相连，所述轨间电缆包括第一电缆和第二电缆，第一电缆沿着轨道中心纵向铺设，第二电缆与第一电缆每隔一定距离交叉一次，于每个交叉处第一电缆上设有弯折段。本发明结构简单、能使列车通信和定位测速同时进行、互不影响，同时减少外界电磁辐射对系统的影响、提高通信系统的可靠性和稳定性。

Description

基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统

技术领域

本发明主要涉及到数据通信和定位测速复合技术领域，特指一种基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统。

背景技术

目前，在轨道交通中，如何对车进行定位测速，同时如何解决车、地之间的通信成为轨道交通技术中要解决的关键问题。以磁悬浮列车为例，为了保证磁浮列车的正常运行，必须设计满足磁浮列车运行要求的通信和定位测速系统。对于普通的轮轨铁路，主要通过轨道电路实现车地通信，定位测速和通信系统结构过于复杂。而磁浮列车没有车轮，运行时车辆与轨道之间没有接触，因此磁浮列车的车地通信不能沿用传统铁路的方法，必须研究出新的通信方法。现有技术中，感应环线通信是一种可以满足磁浮列车需要、可靠性高、经济环保的通信方式。而通过测量天线过感应环线的交叉点次数，可以实现列车的定位测速。

传统的感应环线实现方式主要有三种，分别是：平行长导线感应环线方式、交叉感应环线方式、改进的交叉感应环线方式。平行长导线感应环线方式在线路结构上没有进行抗干扰处理，所以系统整体易受到外界电磁干扰影响，抗干扰能力较差，尤其不利于长距离应用。交叉感应环线方式一定程度上减少了外界干扰，但是系统存在通信盲区，必需采用多个天线交替工作才能实现连续通信。多个天线增加了系统的复杂度，并且天线切换时很容易使通信出错。改进的交叉感应环线方式采用信号移相方式消除了通信死区，但是由于它对发送和接收信号进行了移相操作，进一步增加了系统的复杂性，而且移相操作使有用信号中混入了移相噪声，降低了通信的可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：本发明提供一种结构简单、能使列车通信和定位测速同时进行，互不影响，同时减少外界电磁辐射对系统的影响、提高通信系统的可靠性和稳定性的基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统，其特征在于：它包括地面通信和定位测速单元、车载通信和定位测速单元、铺设于轨道中央的轨间电缆以及分别安装于车体下方正对轨间电缆处的发射天线、接收天线和定位测速天线，所述地面通信和定位测速单元与轨间电缆相连，车载通信和定位测速单元分别与发射天线、接收天线和定位测速天线相连，所述轨间电缆包括第一电缆和第二电缆，第一电缆沿着轨道中心纵向铺设，第二电缆与第一电缆每隔一定距离交叉一次，于每个交叉处第一电缆上设有弯折段。

所述发射天线的发射天线线圈和接收天线的接收天线线圈呈“8”字形。

所述发射天线线圈与一串联谐振单元相连，该串联谐振单元包括串联连接的电容C_o1和电阻R₀₁。

所述接收天线线圈与一第一并联谐振单元相连，该第一并联谐振单元包括并联连接的电容C_i1和电阻R_i1。

所述定位测速天线水平放置在轨间电缆的上方，位于轨道中心线一侧，定位测速天线的定位测速天线线圈呈长方形。

所述定位测速天线线圈与一第二并联谐振单元相连，该第二并联谐振单元包括并联连接的电容C_i2和电阻R_i2。

所述地面通信和定位测速单元包括第一主控制器、第一通信发射单元、第一通信接收单元、信号隔离单元、定位测速信号发射单元、第一功放单元和第二功放单元，第一通信发射单元和定位测速信号发射单元分别与第一功放单元和第二功放单元的信号输入接口相连，第一功放单元和第二功放单元的输出接口与轨间电缆相连，第一通信接收单元与信号隔离单元的输出接口相连，信号隔离单元的输入接口与轨间电缆相连，第一通信发射单元的输入接口、第一通信接收单元的输出接口以及定位测速信号发射单元的输入接口分别与第一主控制器的对应接口相连。

所述车载通信和定位测速单元包括第二主控制器、第二通信发射单元、第三功放单元、第二通信接收单元以及定位测速信号接收单元，第二通信发射单元通过第三功放单元与发射天线相连，第二通信接收单元的输入接口与接收天线相连，定位测速信号接收单元的输入接口与定位测速天线相连，第二通信发射单元的输入接口、第二通信接收单元的输出接口和定位测速信号接收单元的输入接口分别与第二主控制器的对应接口相连。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：本发明的基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统结构简单、集成度高，能够同时完成轨道列车数据通信和定位测速的功能，利用本发明中的不对称结构感应环线能够减少外界电磁辐射对系统的影响，提高通信系统的可靠性，同时消除了通信盲区，避免了移相操作，不会对通信信号加入噪声。本发明的系统受列车侧向震动和高度变化的影响较小，能够应用于恶劣的行车环境。本发明的系统无需进行不同天线间的切换和信号移相，故实现比较简单，比传统的感应环线通信系统更加适合在磁浮列车上应用，其系统定位测速精度等于轨间电缆交叉点间距，能够满足行车需求。

附图说明

图1是本发明的总体结构的框架示意图；

图2是轨间电缆的结构示意图；

图3是图2中I处的放大结构示意图；

图4是发射天线的结构示意图；

图5是发射天线线圈的俯视结构示意图；

图6是接收天线的结构示意图；

图7是图6中接收天线线圈的俯视结构示意图；

图8是定位测速天线的结构示意图；

图9是图8中定位测速天线线圈的结构示意图；

图10是地面通信和定位测速单元的框架结构示意图；

图11是车载通信和定位测速单元的框架结构示意图；

图12是具体实施例中地面通信发射单元、地面通信接收单元、车载通信发射单元、车载通信接收单元的模拟信号接口电路原理示意图；

图13是具体实施例中车载定位测速接收单元的电路原理示意图；

图14是长直导线与矩形线圈互感分析示意图；

图15是与轨道垂直部分环线电缆对天线的作用示意图；

图16是与轨道平行部分环线电缆对天线的作用示意图；

图17是互感随天线高度变化示意图；

图18是天线偏离中心线的示意图；

图19是天线处于不同空间位置时与环线电缆间互感变化示意图；

图20是天线处于位置a时偏移距离与互感关系曲线示意图；

图21是天线正向偏移1cm沿轨道运动时互感变化曲线示意图。

图例说明

1、轨间电缆     11、第一电缆

12、第二电缆    13、弯折段

2、通信发射天线              21、通信发射天线线圈

22、串联谐振单元             3、通信接收天线

31、通信接收天线线圈         32、第一并联谐振单元

4、定位测速天线              41、定位测速天线线圈

5、地面通信和定位测速单元    42、第二并联谐振单元

51、第一主控制器             52、第一通信发射单元

53、第一通信接收单元         54、定位测速信号发射单元

55、第一功放单元             56、第二功放单元

57、信号隔离单元             6、车载通信和定位测速单元

61、第二主控制器             62、第二通信发射单元

63、第二通信接收单元         64、定位测速信号接收单元

65、第三功放单元

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图1、图2和图3所示，本发明的一种基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统，它包括地面通信和定位测速单元5、车载通信和定位测速单元6、铺设于轨道中央的轨间电缆1以及分别安装于车体下方正对轨间电缆1处的发射天线2、接收天线3和定位测速天线4，地面通信和定位测速单元5与轨间电缆1相连，车载通信和定位测速单元6分别与发射天线2、接收天线3和定位测速天线4相连，轨间电缆1包括第一电缆11和第二电缆12，第一电缆11沿着轨道中心纵向铺设，第二电缆12与第一电缆11每隔一定距离交叉一次，于每个交叉处第一电缆11上设有弯折段13。本实施例中，端部的第二电缆12与第一电缆11之间的距离为a，第二电缆12与第一电缆11每隔距离b交叉一次。第一电缆11在每个交叉处折回一次形成弯折段13，折回的长度为2a，弯折段13拧成双绞线，并于电缆终端处连接匹配电阻和匹配电容。

参见图4、图5、图6和图7所示，发射天线2的发射天线线圈21和接收天线3的接收天线线圈31呈“8”字形。本实施例中，“8”字形天线左、右两侧的线圈宽度均为a，天线水平放置在轨间电缆正上方。为了使发送信号尽量大，要求发射天线2中的电流尽量大，因此采用串联谐振方式输出，使天线谐振于发射信号频率。本实施例中，发射天线线圈21与一串联谐振单元22相连，该串联谐振单元22包括串联连接的电容C_o1和电阻R₀₁。为了使接收信号尽量大，要求接收天线3中的电压尽量大，因此采用并联谐振方式输入，使天线谐振于接收信号频率。本实施例中，接收天线线圈31与一第一并联谐振单元32相连，该第一并联谐振单元32包括并联连接的电容C_i1和电阻R_i1。

为了分析不对称式感应环线的通信特性，首先计算无限长直导线与矩形线圈之间的互感。如图14所示，矩形线圈置与空间直角坐标系的xoy平面内，长边与y轴平行。线圈长L，宽W＝b-a，a、b分别是两条长边在x轴的投影。导线处于yoz平面内，与y轴平行，在z轴上投影为h。矩形线圈中任意一点p(x，y，0)到导线的距离为r_p，当导线中通入电流I时，p点的磁感强度为B_p。

为圆坐标的切线方向单位矢量，

分别是直角坐标x，y，z方向单位矢量。

忽略导线集肤效应，应用推广的安培环路定律可得：

所以有：

$\left|{\stackrel{\‾}{B}}_p\right|=({\mathrm{\μ}}_{0}I+\frac{1}{c^2}{\∫}_S\frac{\∂E}{\∂t}\·\mathrm{dS})/2{\mathrm{\πr}}_p---\left(2\right)$

在理想的感应环线系统中，外界电磁场恒定，即 $\frac{\∂E}{\∂t}=0.$ 在实际应用中，通常外界电磁场对感应系统影响远小于导线电流所产生的影响，此时有：

因此可以得到：

${\stackrel{\‾}{B}}_p=\frac{{\mathrm{I\μ}}_0}{2{\mathrm{\πr}}_p}\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}=\frac{{\mathrm{I\μ}}_0}{2\mathrm{\π}\sqrt{h^2+x^2}}(\frac{-h}{\sqrt{h^2+x^2}}\stackrel{\→}{i}+\frac{-x}{\sqrt{h^2+x^2}}\stackrel{\→}{k})---\left(3\right)$

由直导线产生的线圈磁通ψ为：

$\mathrm{\ψ}=L{\∫}_a^b\frac{-I{\mathrm{\μ}}_{0}x}{2\mathrm{\π}(h^2+x^2)}\mathrm{dx}$

$=\frac{-\mathrm{IL}{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\ln (h^2+x^2){|}_a^b$

$=\frac{-\mathrm{IL}{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+b^2}{h^2+a^2}---\left(4\right)$

或者也可以写成：

$\mathrm{\ψ}=\frac{-\mathrm{IL}{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+{(a+W)}^2}{h^2+a^2}---\left(5\right)$

上式中负号表示磁通方向与z轴方向相反。下面讨论不对称结构感应环线系统的信号传输特性，首先对单匝天线进行分析。为简化计算，忽略线圈和导线的边界效应。根据环线电缆的方向可以将它分为两部分。首先分析环线电缆与轨道垂直部分对天线的作用。分两种情况讨论，如图15所示：

在(a)中，电缆对天线线圈A、B两部分产生的磁通为ψ₁、ψ₂。根据公式(5)，并令垂直纸面向上方向为正，则有：

${\mathrm{\ψ}}_1={\mathrm{\ψ}}_2=\frac{\mathrm{Ib}{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+{(a+L)}^2}{h^2+a^2}---\left(6\right)$

由两个线圈磁通相等可知纵向电缆在他们中产生的电势大小相等。因为两个线圈是交叉相连，所以天线输出的总电势为零。

在(b)中，导线两部分相距很近，在实际应用中，将它们缠绕成双绞线，因此它们对天线几乎没有影响。由上面分析可知与轨道垂直部分环线电缆对整个通信过程不起作用。天线的感应信号完全是与轨道平行部分环线电缆激励产生。分三种情况分析与轨道平行部分环线电缆对天线的作用。

参见图16所示，天线处于位置(a)时，天线线圈A内的磁通为：

${\mathrm{\ψ}}_1=\frac{\mathrm{IL\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+b^2}{h^2}+\frac{-\mathrm{IL\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+{\left(2b\right)}^2}{h^2+b^2}---\left(7\right)$

天线线圈B的磁通为：

${\mathrm{\ψ}}_2=\frac{-\mathrm{IL\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+b^2}{h^2}+\frac{-\mathrm{IL\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+b^2}{h^2}=\frac{-\mathrm{IL\μ}}{2\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+b^2}{h^2}---\left(8\right)$

所以天线感应到的总电势应该为：

$e\left(t\right)=e_1\left(t\right)-e_2\left(t\right)$

$=-\frac{d{\mathrm{\ψ}}_1}{\mathrm{dt}}+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_2}{\mathrm{dt}}$

$=-(\frac{3\mathrm{L\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+b^2}{h^2}+\frac{-\mathrm{L\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+{\left(2b\right)}^2}{h^2+b^2})\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}---\left(9\right)$

天线处于上图位置(b)时，分析过程同上。  天线感应到的总电势为：

$e\left(t\right)=e_1\left(t\right)-e_2\left(t\right)$

$=-(\frac{3\mathrm{L\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+b^2}{h^2}+\frac{-\mathrm{L\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+{\left(2b\right)}^2}{h^2+b^2})\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}---\left(10\right)$

当天线处于上图位置(c)时，天线线圈A的磁通为：

${\mathrm{\ψ}}_1=\frac{\mathrm{IL\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+b^2}{h^2}+\frac{I{l}_1\mathrm{\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+b^2}{h^2}+\frac{-I(L-l_1)\mathrm{\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+{\left(2b\right)}^2}{h^2+b^2}---\left(11\right)$

天线线圈B的磁通为：

${\mathrm{\ψ}}_2=\frac{-\mathrm{IL\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+b^2}{h^2}+\frac{-I(L-l_1)\mathrm{\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+b^2}{h^2}+\frac{I{l}_1\mathrm{\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+{\left(2b\right)}^2}{h^2+b^2}---\left(12\right)$

所以天线内的总电势应该为：

$e\left(t\right)=e_1\left(t\right)-e_2\left(t\right)$

$=-\frac{d{\mathrm{\ψ}}_1}{\mathrm{dt}}+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_2}{\mathrm{dt}}$

$=-(\frac{3\mathrm{L\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+b^2}{h^2}+\frac{-\mathrm{L\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+{\left(2b\right)}^2}{h^2+b^2})\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}---\left(13\right)$

对比三种情况的结果可知，当列车没有侧向偏移时，天线中的感应电势不随列车位置变化。令

$M=\frac{3\mathrm{L\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+b^2}{h^2}+\frac{-\mathrm{L\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+{\left(2b\right)}^2}{h^2+b^2}---\left(14\right)$

M即为天线和感应电缆之间的互感，当天线长宽确定时，M只与高度有关。令L＝0.15m，b＝0.15m，M与高度变化关系如图17所示：

设电缆中电流为：I＝Asinωt，则单匝天线内感应电势为：

e(t)＝-M·A·ω·cosωt    (15)

n匝天线的感应电势为：

e(t)＝-n·M·A·ω·cosωt    (16)

上面的分析说明，本发明中感应环线系统消除了通信盲区和寄生频率。对于给定系统，天线与感应环线间互感为定值，天线接收到的感应信号与环线电缆中激励电流的频率和相位相同，幅值为常数。也就是说基于感应环线通信系统的通信信道是恒参信道；而各种传统感应环线通信系统的通信信道都是变参信道。这些新特性使得基于新型感应环线的通信系统设备得以简化，信号传输保真度和可靠性得到大幅度提升。

在列车运行过程中，天线相对轨间电缆除了有沿电缆轴线方向的平行运动外，必然还存在其它方向上的振动，而且这种振动作为随机误差看来是不可避免的。对单匝天线进行分析，加入振动干扰后，等式(15)改写为：

$e\left(t\right)=-M\·A\·\mathrm{\ω}\·\cos \mathrm{\ωt}-A\·\sin \mathrm{\ωt}\·\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{dt}}$

$=-M\·A\·\mathrm{\ω}\·\cos \mathrm{\ωt}-A\·\sin \mathrm{\ωt}\·(\frac{\∂M}{\∂h}\frac{\mathrm{dh}}{\mathrm{dt}}+\frac{\∂M}{\∂b}\frac{\mathrm{db}}{\mathrm{dt}}+\frac{\∂M}{\∂L}\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dt}})---\left(17\right)$

将式(14)分别对h，L，μ求导得：

$\frac{\∂M}{\∂h}=\frac{-6b^4\mathrm{hL\μ}}{{\mathrm{\πh}}^2(h^2+b^2)(h^2+4b^2)}---\left(18\right)$

$\frac{\∂M}{\∂b}=\frac{{6b}^3\mathrm{L\μ}}{\mathrm{\π}(h^2+b^2)(h^2+{4b}^2)}---\left(19\right)$

$\frac{\∂M}{\∂L}=\frac{3\mathrm{\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+b^2}{h^2}+\frac{-\mathrm{\μ}}{4\mathrm{\π}}\ln \frac{h^2+{\left(2b\right)}^2}{h^2+b^2}---\left(20\right)$

由式(18)、(19)、(20)可以看出

与M同一数量级，而

取决与列车结构及运行状态，一般不会很大。通信载波频率ω通常选择为几十kHz到几百kHz，则振动产生的干扰远远小于载波频率ω。因此，式(17)中后一项远远小于前一项，即振动干扰相比有用信号可以忽略不计。

环线电缆的铺设和列车天线的安装位置可能存在误差，下面分析天线与环线电缆偏离预定位置对系统的影响。当列车天线高度h变化时，互感M随之变化的曲线如上图。以M₀表示h＝0.1m时天线与环线电缆的互感。当h变化±10％，即上下偏差1cm时，M变化范围为[0.8581 M₀，1.1701 M₀]。对于采用调频或者调相方式的感应环线通讯系统，互感在上述范围内变化对通信产生影响很小。

参见图18所示，当列车天线在水平面内垂直轨道方向发生偏移时，分别对天线处于不同位置进行分析。

天线处于位置a时，互感为：

$M=\frac{\mathrm{L\μ}}{4\mathrm{\π}}[2\ln \frac{h^2+{(b+x)}^2}{h^2+x^2}+\ln \frac{h^2+{(b-2x)}^2}{h^2+x^2}-\ln \frac{h^2+{(2b+x)}^2}{h^2+{(b+x)}^2}]---\left(21\right)$

天线处于位置b时，互感为：

$M=\frac{\mathrm{L\μ}}{4\mathrm{\π}}[2\ln \frac{h^2+{(b-x)}^2}{h^2+x^2}+\ln \frac{h^2+{(b+x)}^2}{h^2+x^2}-\ln \frac{h^2+{(2b-x)}^2}{h^2+{(b-x)}^2}]---\left(22\right)$

天线处于位置c时，互感为：

$M=\frac{\mathrm{\μ}}{4\mathrm{\π}}[(2L-l_1)\ln \frac{h^2+{(b+x)}^2}{h^2+x^2}+(L+l_1)\ln \frac{h^2+{(b-x)}^2}{h^2+x^2}---\left(23\right)$

$-(L-l_1)\ln \frac{h^2+{(2b+x)}^2}{h^2+{(b+x)}^2}-l_1\ln \frac{h^2+{(2b-x)}^2}{h^2+{(b-x)}^2}]$

如图19所示，用matlab画出式(21)、式(22)、式(23)确定的天线处于不同空间位置时互感参数。可以看出，天线正对感应环线时，互感为常数；天线偏离中心位置时，互感呈周期性变化。天线处于位置a时负向偏移和处于位置b时正向偏移，互感减小最快。

参见图20所示，给出天线处于位置a时，垂直轨道方向偏移距离与互感的关系。参见图21所示，给出天线正向偏移1cm沿轨道运动时，天线与环线电缆互感变化情况。互感变化不超过最大值的10％，对调频通信影响不大。综合上面的分析可知，天线在空间小范围变化时，其与环线电缆间互感变化不大，且感生信号只是幅值发生变化，而相位和频率保持不变，这对于频移键控通信方式的影响很小。因此不对称结构感应环线系统理论上具有很好的抗干扰性能。

参见图8和图9所示，定位测速天线4水平放置在轨道电缆1的上方，位于轨道中心线一侧，定位测速天线4的定位测速天线线圈41呈长方形，本实施例中，其宽度为a。为了使接收信号尽量大，要求定位测速天线4中的电压尽量大，因此采用并联谐振方式输入，定位测速天线4并联电容和电阻，使天线谐振于接收信号频率。本实施例中，定位测速天线线圈41与一第二并联谐振单元42相连，该第二并联谐振单元42包括并联连接的电容C_i1和电阻R_i1。

对轨间电缆和天线建立电磁模型，分析可知轨间电缆与天线之间的互感不随列车运行而改变。因此当地面发射信号时，天线接收到的感应信号与轨间电缆中激励电流的频率和相位相同，幅值为常数。当天线发射信号时，地面轨间电缆接收到的感应信号与天线中激励电流频率、相位相同。也就是说基于新型感应环线通信系统的通信信道是恒参信道。这使得基于新型感应环线的通信系统设备得以简化，信号传输保真度和可靠性得到大幅度提升。

轨间电缆中通过稳定正弦波，列车每前进距离b(轨间电缆交叉间距)，定位测速天线4接收的信号相位改变180°。车载地址译码器通过检测天线中信号的相位变化可以获得列车相对位置信息，再对位置信号做差分运算，就得到列车速度信息。

参见图10和图12所示，本实施例中，地面通信和定位测速单元5包括第一主控制器51、第一通信发射单元52、第一通信接收单元53、第一信号隔离单元57、定位测速信号发射单元54、第一功放单元55和第二功放单元56，第一通信发射单元52和定位测速信号发射单元54分别与第一功放单元55和第二功放单元56的信号输入接口相连，第一功放单元55和第二功放单元56的输出接口与轨间电缆1相连，第一通信接收单元53与信号隔离电路57的输出接口相连，信号隔离单元57的输入接口与轨间电缆1相连，第一通信发射单元52的输入接口、第一通信接收单元53的输出接口以及定位测速信号发射单元54的输入接口分别与第一主控制器51的对应接口相连。本实施例中，第一主控制器51采用C8051F040单片机，第一通信发射单元52和第一通信接收单元53分别由FSK调制解调芯片ST7538实现，第一功放单元55和第二功放单元56采用非线性D类放大器，定位测速信号发射单元54由MAX038及相关电路构成，信号隔离单元57由隔离变压器，滤波电路组成。

参见图11、图12和图13所示，本实施例中，车载通信和定位测速单元6包括第二主控制器61、第二通信发射单元62、第三功放单元65、第二通信接收单元63以及定位测速信号接收单元64，第二通信发射单元62通过第三功放单元65与通信发射天线2相连，第二通信接收单元63的输入接口与接收天线3相连，定位测速信号接收单元64的输入接口与定位测速天线4相连，第二通信发射单元62的输入接口、第二通信接收单元63的输出接口和定位测速信号接收单元64的输入接口分别与第二主控制器61的对应接口相连。本实施例中，第二主控制器61采用C8051F040单片机，第二通信发射单元62和第二通信接收电路63由FSK调制解调芯片ST7538实现，第三功放单元65采用非线性D类放大器，定位测速信号接收单元64由滤波、放大电路，乘法器，磁滞比较电路组成。

如图12所示，通信信号调制和解调由单片FSK调制解调芯片ST7538实现。ST7538的模拟信号接口主要包括RAI、ATOP1、ATOP2引脚，其中RAI是模拟信号接收引脚，它能接收-5.3V～+5.3V范围内的有效模拟信号。ATOP1和ATOP2是模拟信号输出引脚，输出电压范围为-0.3V～12.3V，两引脚输出信号相位相差180°，可以实现桥式输出。

如图13所示，定位测速信号接收单元硬件结构根据上节中介绍的方法设计，除了包括乘法器，低通滤波，滞回比较外，由于天线接收到的是微弱信号，还必须在进入乘法器之前进行滤波和放大，这里分为变压器隔离，选频放大两个环节。乘法器采用AD734芯片实现。由运算放大器构成RC低通滤波器，后面接比例放大器放大电压并提高电路输出性能。滞回比较电路是由555定时器及相关外围电路构成的施密特触发器实现。输出信号是标准方波，可以直接输出到上位机。

Claims (10)

1、一种基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统，其特征在于：它包括地面通信和定位测速单元(5)、车载通信和定位测速单元(6)、铺设于轨道中央的轨间电缆(1)以及分别安装于车体下方正对轨间电缆(1)处的发射天线(2)、接收天线(3)和定位测速天线(4)，所述地面通信和定位测速单元(5)与轨间电缆(1)相连，车载通信和定位测速单元(6)分别与发射天线(2)、接收天线(3)和定位测速天线(4)相连，所述轨间电缆(1)包括第一电缆(11)和第二电缆(12)，第一电缆(11)沿着轨道中心纵向铺设，第二电缆(12)与第一电缆(11)每隔一定距离交叉一次，于每个交叉处第一电缆(11)上设有弯折段(13)。

2、根据权利要求1所述的基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统，其特征在于：所述发射天线(2)的发射天线线圈(21)和接收天线(3)的接收天线线圈(31)呈“8”字形。

3、根据权利要求2所述的基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统，其特征在于：所述发射天线线圈(21)与一串联谐振单元(22)相连，该串联谐振单元(22)包括串联连接的电容C_o1和电阻R_O1。

4、根据权利要求2所述的基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统，其特征在于：所述接收天线线圈(31)与一第一并联谐振单元(32)相连，该第一并联谐振单元(32)包括并联连接的电容C_i1和电阻R_i1。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统，其特征在于：所述定位测速天线(4)水平放置在轨间电缆(1)的上方，位于轨道中心线一侧，定位测速天线(4)的定位测速天线线圈(41)呈长方形。

6、根据权利要求5中所述的基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统，其特征在于：所述定位测速天线线圈(41)与一第二并联谐振单元(42)相连，该第二并联谐振单元(42)包括并联连接的电容C_i2和电阻R_i2。

7、根据权利要求1或2或3或4所述的基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统，其特征在于：所述地面通信和定位测速单元(5)包括第一主控制器(51)、第一通信发射单元(52)、第一通信接收单元(53)、信号隔离单元(57)、定位测速信号发射单元(54)、第一功放单元(55)和第二功放单元(56)，第一通信发射单元(52)和定位测速信号发射单元(54)分别与第一功放单元(55)和第二功放单元(56)的信号输入接口相连，第一功放单元(55)和第二功放单元(56)的输出接口与轨间电缆(1)相连，第一通信接收单元(53)与信号隔离单元(57)的输出接口相连，信号隔离单元(57)的输入接口与轨间电缆(1)相连，第一通信发射单元(52)的输入接口、第一通信接收单元(53)的输出接口以及定位测速信号发射单元(54)的输入接口分别与第一主控制器(51)的对应接口相连。

8、根据权利要求6所述的基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统，其特征在于：所述地面通信和定位测速单元(5)包括第一主控制器(51)、第一通信发射单元(52)、第一通信接收单元(53)、信号隔离单元(57)、定位测速信号发射单元(54)、第一功放单元(55)和第二功放单元(56)，第一通信发射单元(52)和定位测速信号发射单元(54)分别与第一功放单元(55)和第二功放单元(56)的信号输入接口相连，第一功放单元(55)和第二功放单元(56)的输出接口与轨间电缆(1)相连，第一通信接收单元(53)与信号隔离单元(57)的输出接口相连，信号隔离单元(57)的输入接口与轨间电缆(1)相连，第一通信发射单元(52)的输入接口、第一通信接收单元(53)的输出接口以及定位测速信号发射单元(54)的输入接口分别与第一主控制器(51)的对应接口相连。

9、根据权利要求1或2或3或4所述的基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统，其特征在于：所述车载通信和定位测速单元(6)包括第二主控制器(61)、第二通信发射单元(62)、第三功放单元(65)、第二通信接收单元(63)以及定位测速信号接收单元(64)，第二通信发射单元(62)通过第三功放单元(65)与发射天线(2)相连，第二通信接收单元(63)的输入接口与接收天线(3)相连，定位测速信号接收单元(64)的输入接口与定位测速天线(4)相连，第二通信发射单元(62)的输入接口、第二通信接收单元(63)的输出接口和定位测速信号接收单元(64)的输出接口分别与第二主控制器(61)的对应接口相连。

10、根据权利要求8所述的基于不对称结构感应环线的数据通信和定位测速复合系统，其特征在于：所述车载通信和定位测速单元(6)包括第二主控制器(61)、第二通信发射单元(62)、第三功放单元(65)、第二通信接收单元(63)以及定位测速信号接收单元(64)，第二通信发射单元(62)通过第三功放单元(65)与发射天线(2)相连，第二通信接收单元(63)的输入接口与接收天线(3)相连，定位测速信号接收单元(64)的输入接口与定位测速天线(4)相连，第二通信发射单元(62)的输入接口、第二通信接收单元(63)的输出接口和定位测速信号接收单元(64)的输入接口分别与第二主控制器(61)的对应接口相连。

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