CN101424942B - 面向轨道交通安全评估的分布式检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向轨道交通安全评估的分布式检测装置，该装置采用上位机加前端机结构。上位机为带普通网卡的PC机；前端机采用DSP+CPLD结构，通过电流电压变换电路、电压频率变换电路、电平变换电路、电压调理电路等接入安全评估检测所用的大量多类型传感器；CPLD扩展了传感器接入通道并完成相关的信号处理工作。前端机通过网络通讯控制器连接Intranet/局域网，进而与上位机进行大容量数据通讯；多个前端机之间通过CAN通讯控制器实现现场总线级通讯；本装置现场适合大范围安全监测，布线简单，扩展性好。

Description

面向轨道交通安全评估的分布式检测装置

技术领域

本发明涉及一种分布式检测装置，特别是指一种面向轨道交通安全评估的分布式检测装置。

背景技术

轨道交通系统包括铁路、地铁和轻轨等三类。每类系统都包括机车车辆、运行控制、牵引供电、线路和车站，因此轨道交通的安全评估系统包括基础设施、载运工具和运输组织过程等方面的内容。由于轨道交通属于大运量公共交通，其安全运行是及其重要的。

目前，国内机车、车辆、动车组都安装有各种传感器用于检测安全运行状态；在大型车站站场，也安装了安全检测系统来检测站场安全情况和旅客情况。现有面向安全的检测系统主要有：

●视频系统，用于检测车站人流；

●站场设备系统，用于检测站场各种设备的运行状态；如温度、烟雾、液位、电机运行状态等等。

●机车和动车组车载故障检测系统，通过无线网络或者USB将机车和动车组车载设备的检测数据传输到地面检测中心

轨道交通安全评估的检测系统现有问题主要包括

1各个既有系统独自建设、彼此孤立的，互联性差，不能得到全局和全面的安全信息。目前部署的各类型检测传感器各自独立，虽然满足各自系统的需求，但得不到全局安全检测信息，不能进行综合检测。

2布线复杂，限制了检测的范围。由于现有检测系统需要多个测量点的多类型传感器的数据，由于缺乏统一的前端传感器接入装置，需要把每个传感器线传输至检测站的信号处理端或者上位机，因此现场布线十分复杂、数据传输负荷较大，现有的检测方式仅仅适合于小范围、局部的检测，不能完成大范围全局检测。

3现有系统扩展性和安全性不高。由于现有检测系统各自独立建设，如需对增加新的检测对象，则需重新构建检测装置，很难在现有系统基础上进行扩展。现有检测装置通常将数据输入到检测站的检测计算机中进行数据处理和安全评估，中心计算机安全稳定性决定了检测系统的安全性。

发明内容

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种面向轨道交通安全评估与预测的分布式检测装置。

该系统能解决现有轨道交通安全评估的检测系统的问题。该系统前端机具有现场总线CAN通讯和网络通讯功，利用双绞线作为CAN传输介质传送实时性高的检测数据，利用网线作为网络通讯传输线传送大容量检测数据，因此现场布线十分简单，能够适应大范围全局检测的需求；前端机还具有多类型传感器接入功能，通过DSP+CPLD能够就近接入目前安全评估所用的多类型传感器；前端机DSP+CPLD结构具有实时在线处理多源异构检测数据的能力，使现有独立建设的检测系统构成一体化的检测系统，增强了检测系统扩展能力并得到全局安全检测信息。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：

面向轨道交通安全评估的分布式检测装置的一个或多个前端机通过网络通讯控制器连接到一个上位机进行大容量数据通讯，多个前端机之间通过CAN通讯控制器实现实时性强的现场总线级通讯；

上位机为配备普通网卡的PC机或工控机；

其中网络通讯控制器由LAN ISA Ethernet控制器CS8900A、隔离变压器HR601626、RJ45接口头连接构成；

其中CAN通讯控制器由DSP TMS320F2812(以下简称DSP)的eCAN模块、光耦隔离器、CAN控制器接口PCA82C250连接构成；

前端机以DSP为核心，包括接入网络通讯控制电路、串行接口电路、时钟与复位电路、电源电路、存储电路；

DSP通过信号调理电路接入各类检测用的传感器，电流输出的传感器经电流电压变换电路接入到DSP的ADC口，电压输出的传感器经电压调理电路接入至DSP的ADC口，开关量输出的传感器经电平变换电路输入至DSP的事件管理器EV口，脉冲序列输出的传感器经电平变换电路输入至DSP的输入输出IO口，带CAN接口的传感器经CAN通讯控制器接口电路输入至DSP的eCAN口。

电流输出传感器经电流电压变换电路、电压频率变换电路，电压输出传感器经电压频率变换电路，开关量输出传感器经电平变换电路，脉冲序列输出的传感器经电平变换电路，分别接入复杂可编程逻辑器件CPLD AlteraMAXII EPM 1270T144C5N(以下简称CPLD)输入端，CPLD输出端连接至DSP；CPLD还连接有键盘电路，液晶显示电路。

面向轨道交通安全评估的分布式检测装置的上位机可为多个。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1前端机DSP+CPLD结构能够接入安全评估所需的大量的多类型传感器、具有实时在线处理的能力。现场施工中各类传感器就近接入到前端机，能够采用一套装置完成现有的轨道交通安全评估所需的各类检测任务，使现有独立建设的检测系统构成完整一体的检测系统，得到全局安全检测信息。

2前端机具有网络通讯具有CAN总线通讯能力和网络通讯能力，利用CAN总线传送实时性高的检测数据，利用通讯网络传送大容量检测数据，利用双绞线作为CAN传输线、网线作为网络通讯传输线，现场布线简单，满足大范围检测的需求；

3上位机+前端机结构适于系统扩展。今后如有新的检测需求，仅仅增加前端机就能完成任务。

附图说明

图1面向轨道交通安全评估的分布式检测装置示意图；

图2前端机构成方框图；

图3CAN通讯控制器方框图；

图4网络通讯控制器方框图；

图5北京地铁站场检测总体示意图；

图6站场前端机接入传感器示意图。

具体实施方式

解决现有轨道交通安全评估的检测系统问题的突破口包括两类问题，一类是检测系统能够接入多类型检测用的传感器，能够具有信号处理能力。因此选用数据信号处理器DSP和复杂可编程逻辑阵列CPLD来完成接入、处理功能。

第二类是减少系统数据传输总量，简化现场布线，提高系统扩展能力。因此采用现场总线通讯和网络通讯分开的方式，现场总线采用CAN通讯，利用双绞线作为CAN传输线传送实时性高的检测数据，网络通讯利用普通网线作为传输线采用TCP/IP协议传送大容量检测数据，大大简化了现场布线，能够适应大范围全局检测的需求。

如图1为面向轨道交通安全评估的分布式检测装置示意图，

该系统主要结构分为两部分：上位机和前端机。上位机主要接收多个前端机发送的检测数据，处理不同前端机的数据，获得全局安全运行评估、安全预测等任务。上位机利用TCP/IP协议通过通讯网络与前端机进行通讯。上位机可以连接多个前端机，构成多点检测系统。上位机可以有多台，以满足不同的应用。

前端机以DSP+CPLD为核心，具有统一接入多类型检测传感器、在线实时特征提取等输出等功能，具有CAN通讯和网络通讯功能。利用双绞线作为CAN总线传送实时性高的检测数据，利用网线作为网络通讯传输线传送大容量检测数据，现场布线简单，能够适应大范围全局检测的需求；

如图2为本发明前端机构成方框图，前端机接入检测的各类传感器并进行处理。采用两种接入方式，如果需要接入的传感器较少，可直接接入到DSP中；若需要接入的传感器较多，可通过CPLD进行接入。CPLD扩展了DSP可接入的范围和类型，使采用统一前端机能够接入所有检测所需的传感器。

前端机是以DSP和CPLD为核心，包括电源电路、存储器电路、时钟与复位电路、信号调理电路、键盘和液晶显示电路、串行接口电路等基本构成电路。还包括CPLD、CAN通讯控制电路、网络通讯控制电路等。其中信号调理电路包括模拟量输出的传感器调理电路如电流电压变换、电压频率变换电路、电压调节电路，开关量输出的传感器调理电路如电平变换电路，脉冲序列输出的传感器调理电路如电平变换电路。覆盖了目前所有检测系统可能用到的各种传感器类型如电流输出的传感器、电压输出的传感器、开关量输出的传感器、脉冲序列输出的传感器等。

电流输出的传感器如检测温度的温度传感器AD590。

电压输出的传感器如检测电压信号的霍耳电压传感器。

开关量输出的传感器如液位传感器、烟雾传感器。

脉冲序列输出的传感器如温度的传感器DS18B20、视频传感器。

下面叙述该方案的具体结构及工作过程和工作原理：

请参考图1和图2，本系统主要结构分为两部分：上位机和前端机。

上位机主要接收多个前端机发送的检测数据，处理不同前端机的数据，获得全局安全运行评估、安全预测等任务。上位机利用TCP/IP协议通过通讯网络与前端机进行通讯。上位机可以连接多个前端机，构成多点检测系统。上位机可以有多台，以满足不同的应用。

前端机是以DSP和CPLD为核心，包括电源电路、存储器电路、时钟与复位电路、信号调理电路、键盘和液晶显示电路、串行接口电路等基本构成电路。还包括CPLD、CAN通讯控制电路、网络通讯控制电路等。其中信号调理电路包括模拟量输出的传感器调理电路如电流电压变换、电压频率变换电路、电压调节电路，开关量输出的传感器调理电路如电平变换电路，脉冲序列输出的传感器调理电路如电平变换电路。这些电路覆盖了目前检测系统可能用到的各种传感器类型如电流输出的传感器、电压输出的传感器、开关量输出的传感器、脉冲序列输出的传感器等。

由于DSP的I/O端口数量有限，大多数情况下由于接入传感器较多，利用CPLD器件I/O资源丰富的特点，将电流源传感器、电压源传感器、开关量传感器接入到CPLD中传感器数据在CPLD中进行处理，并将结果传给DSP，减轻了DSP的负担。提高了装置的传感器接入能力，并且可以实现单通道接入以及多个通道组合接入的多种类灵活的传感器接入方式。

前端机采用两种控制方式一为手动控制方式，即通过装置的人机接口设备，CPLD还控制键盘和显示模块的读写，当人按键发出指令时，由CPLD读出，CPLD控制的LCD显示。另一种控制方式可以通过数据网络对装置实现远程检测和指令下发。

前端机还具备CAN总线通信功能，对于新型的带有CAN通信功能及前端处理功能的传感器，可以直接通过现场总线接入到本装置中，每条总线根据波特率的不同，可连接多达110个传感器节点。

前端机通过现有Intranet或局域网，采用TCP/IP与上位机进行通讯。

图3CAN通讯控制器方框图。CAN通讯控制电路由DSP TMS320F2812的eCAN模块、光耦隔离器、CAN控制器接口PCA82C250构成。前端机之间传送检测信号、带有CAN通讯功能的传感器数据传输至前端机需要通过CAN总线。

图4网络通讯控制器方框图，用于前端机与上位机的数据通讯。由LAN ISAEthernet控制器CS8900A、隔离变压器HR601626、RJ45接口头连接构成。DSP将发送数据通过控制器CS8900，经过RJ45接口头传输至上位机。

图5北京地铁站场检测总体示意图，北京目前大型地铁站场安装了各类系统，地铁中心也安装了视频检测系统。每个站场需要检测大量安全运行状态信息，各个站场安装一个或多个前端机接入现场传感器，前端机通讯网络将安全数据传输至监控中心的上位机。

图6站场前端机接入传感器示意图。每个地铁车站需要检测多类型安全信息，如检测站场是否有火灾隐患，设置了多个烟雾传感器和温度传感器；检测站场污水排放系统需要检测污水水位和排污泵的运行状态，因此设置了多个液位传感器，检测泵运行状态霍耳电压传感器、霍耳电流传感器。

Claims (2)

1.一种面向轨道交通安全评估的分布式检测装置，其特征在于：该面向轨道交通安全评估的分布式检测装置的一个或多个前端机通过网络通讯控制器连接到一个或多个上位机进行大容量数据通讯，多个前端机之间通过CAN通讯控制器实现实时性强的现场总线级通讯；

上位机为配备普通网卡的PC机或工控机；

前端机以DSP TMS320F2812为核心，包括DSP接入网络通讯控制电路、串行接口电路、时钟与复位电路、电源电路、存储电路；

前端机的网络通讯控制器由LAN ISA Ethernet控制器CS8900A、隔离变压器HR601626、RJ45接口头连接构成；

前端机的CAN通讯控制器由数字信号处理器DSP TMS320F2812的eCAN模块、光耦隔离器、CAN通讯控制器接口PCA82C250连接构成；

DSP通过信号调理电路接入用于安全评估的传感器，电流输出的传感器经第一电流电压变换电路接入到DSP的ADC口，电压输出的传感器经电压调理电路接入至DSP的ADC口，开关量输出的传感器经第一电平变换电路输入至DSP的事件管理器EV口，第一脉冲序列输出的传感器经第二电平变换电路输入至DSP的输入输出IO口，带CAN接口的传感器经CAN通讯控制器接口电路输入至DSP的eCAN口。

2.根据权利要求1所述的面向轨道交通安全评估的分布式检测装置，其特征在于：电流输出传感器经第二电流电压变换电路、第一电压频率变换电路，电压输出传感器经第二电压频率变换电路，开关量输出传感器经第三电平变换电路，第二脉冲序列输出的传感器经第四电平变换电路，分别接入复杂可编程逻辑器件CPLD Altera MAXII EPM 1270T144C5N输入端，CPLD中设置定时器和计数器，完成输入传感器的数据处理工作，CPLD输出端连接至DSP；CPLD还连接有键盘电路，液晶显示电路。

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