CN102034128B - 一种有源临时限速标签及其信号处理方法 - Google Patents

一种有源临时限速标签及其信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有源临时限速标签及其信号处理方法，要解决的技术问题包括提高列车行车安全和有源临时限速标签的低功耗。本发明的有源临时限速标签包括微控制器(MCU)、射频收发器、时钟电路、匹配网络、微带天线、传感器唤醒电路、声音传感器、振动传感器、能量检测模块，高能充电电池、电池充电电路和电池保护电路。本发明的信号处理方法包括以下五个状态循环处理：灭活状态，休眠状态，读取数据状态，发送数据状态，等待接收状态，此外，本发明还提出了有源临时限速的休眠激活算法(WS)及其在铁路上的安装方案。与现有的火车临时限速技术相比，通过自动识别技术解决了人为因素造成的误读或漏读等机车安全隐患。

Description

一种有源临时限速标签及其信号处理方法
技术领域
本发明涉及铁路上列车临时限速技术领域，更加具体地涉及一种可在列车临时限速系统中起重要作用并提供铁路地面限速区段限速信息的射频识别(RFID)电子标签及其低功耗的信号处理实现方法。
背景技术
射频识别(RFID)技术是一种通过微波波段进行自动识别的技术，它具有传输距离远，传输速度快等优点，是高速RFID定位和识别应用的理想选择。
目前，当铁路沿线发生突发事件或者临时施工需要临时限速时，一般通过两种方法来进行限速：一种是铁路调度部门将限速指令下达行车部门，将限速信息通过RFID识别卡写入置列车运行监控纪录装置(LKJ)，由LKJ来监控列车；另一种是靠司机人工瞭望识别沿线减速信号牌、作业标、移动停车信号牌以及响墩等临时信号标牌来获取地面限速信息。但是，当车载LKJ装置行车信息无法及时获得更新，而在司机人工瞭望识别沿线标牌信息，会出现漏识别、误识别等，这样可能导致列车超速现象而危及行车安全。
综上所述，开发一种RFID装置，能够自动实时为限速区段提供限速信息，可以让司机清楚的知道前方路面限速信息，这对确保行车安全具有重要的意义。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有临时限速方式的不足，提出一种有源临时限速标签，能够兼顾功耗、阅读距离、数据处理能力这三个性能指标。当配备机车阅读器的机车通过机车轨道上的有源临时限速标签时，机车阅读器将有源临时限速标签的限速内容反馈给机车司机，这样就通过自动识别技术解决了人工的漏识别和误识别等问题。此外，有源临时限速标签的性能受环境的影响比较大，因此，本发明还提供了有源临时限速标签在铁路上的安装示意方法。
本发明的另一目的在于提供上述有源临时限速标签的信号处理方法及其休眠激活算法(WS)的软件方案，并为有源临时限速标签提供充电电路的硬件施行方案。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种有源临时限速标签，包括微控制器(MCU)、射频收发器、时钟电路、匹配网络、微带天线、传感器唤醒电路、声音传感器、振动传感器、能量检测模块、高能充电电池、电池充电电路和电池保护电路。
所述射频收发器包括射频信号的接收通路和射频信号的发送通路。
当机车即将通过安装有源临时限速标签的轨道时，在铁轨上会产生声音和振动，所述的声音传感器和振动传感器将产生一个信号给传感器唤醒电路，这个传感器唤醒电路将产生一个脉冲给时钟电路，此时，时钟电路开始起振，微处理正常工作。接收通路：阅读器将信息通过射频信号发送给有源临时限速标签，有源临时限速标签的微带天线将射频信号通过匹配网络转化为单端信号，传输给射频收发器，微控制器通过读取射频收发器接收寄存器中的信息，再进行相应的控制。此外，能量检测模块检测到射频信号后，将发脉冲给电池充电电路，此时，高能充电电池将一边给微控制器进行供电，一边充电，而电池保护电路是为了防止充电过程中的电流过冲。发送通路：微控制器将要发送的命令写入射频收发器，射频收发器与匹配网络连接将单端信号转换为射频信号，再通过微带天线发射出去。
接收通路采用的是正交下变频合成技术。接收的射频信号通过低噪声放大器(LAN)放大，然后和一对正交载波混频转化为中频的I/Q两路信号。I/Q两路信号先经过自动增益控制电路和滤波器，再经ADC采样成数字信号，最后进入解调电路解调出基带数据存入至缓冲区中，以便于微控制器做进一步处理。
发送通路则采用零中频的直接频率合成技术。发送缓冲区的数据在射频收发器中能够自动添加包头和CRC校验码，然后数字调制模块对封装好的数据进行调制。压控振荡器和和90度相位偏移电路组成频率合成电路，产生的I/Q两路载波信号供接收通路的混频，而调制后的数据经过零中频的直接频率进行上变频，最后通过功率放大器(PA)后将数据发送至机车阅读器。
所述的匹配网络包括非平衡变压器，滤波电路和阻抗匹配电路，非平衡变压器用于将差分的射频信号转换为单端信号，滤波电路用于滤除不需要的高次谐波分量，保证输出外接负载所需要的基波功率，阻抗匹配电路用于将外接负载变换为放大器所需要的负载，以保证放大器高效地输出所需要的发射功率。
所述时钟电路用于产生射频收发器的频率合成器的参考频率，同时用于产生射频收发器的ADC和数字部分的时钟，此外时钟电路还用于微控制器的工作时钟。
所述的能量检测模块用于检查机车阅读器发射的电磁波，当电磁波的能量超过基准电压时，所述的电池充电电路就对高能充电电池充电，此外，所述的电池保护电路用于防止过流造成的电池烧坏。
当机车即将通过安装有源临时限速标签的轨道时，在铁轨上会产生声音和振动，所述的声音传感器和振动传感器将产生一个信号给传感器唤醒电路，这个传感器唤醒电路将产生一个脉冲给时钟电路，此时，时钟电路开始起振，微处理正常工作。
所述微控制器的工作状态包括灭活状态、休眠状态、读取数据状态、发送数据状态及等待接收状态，主要的工作包括，配置射频收发器的寄存器、设置定时时间、状态转换、标签数据处理等。
本发明的目的还通过下述技术方案实现：
一种有源临时限速标签的信号处理方法，是有源临时限速标签的五个状态中，进行无限循环的过程，具体包括如下步骤：
(1)灭活状态
有源临时限速标签由于采用电池供电，低功耗是重中之重。有源临时限速标签处于(1)灭活状态时，晶振灭活，微控制器和射频收发器都不工作，此时电源仅给传感器唤醒电路供电。当机车即将通过安装有源临时限速标签的轨道时，在铁轨上会产生声音和振动，所述的声音传感器和振动传感器将产生一个信号给传感器电路，这个传感器电路将产生一个脉冲给时钟电路，此时，晶振起振，微控制器跳入(2)休眠状态。并启动休眠超时定时器，如果在规定的时间内没收到射频信号，灭活晶振，有源临时限速标签回到(1)灭活状态。
(2)休眠状态
有源临时限速标签工作在(2)休眠状态后，微控制器进入低功耗模式，开启全局中断，并清除相关的中断标志位，而射频收发器采用WS算法，工作于休眠激活状态。
(3)读取数据状态
当配有机车阅读器的机车通过在固定装置中的有源临时限速标签时，机车阅读器主动的发送射频信号激活有源临时限速标签，射频收发器的接收通路工作，有源临时限速标签的微控制器被射频收发器的中断标志位唤醒，进入(3)读取数据状态，此时，微控制器检查有源临时限速标签标志位，如果有源临时限速标签处于非激活状态，则检查射频收发器接收的信息是否是激活命令，如果是激活命令则置位有源临时限速标签标志位，并启动超时定时器，这样可以在错误的激活时超时退出，然后再转入(5)等待接收状态。否则有源临时限速标签回到(3)读取数据状态。
(4)发送数据状态
如果有源临时限速标签已经处于激活状态，则检查机车阅读器发送的是查询命令还是灭活命令，如果是查询命令，则微控制器跳入至(4)发送数据状态，此时，微控制器将存储的标签ID号和临时限速信息通过射频收发器的发送通路的封装和调制后，发送给机车阅读器。然后自动跳转至(5)等待接收状态。如果是灭活命令，则判断灭活参数是否是当前的标签号。如果是则置位灭活标志，同时进入休眠状态，否则回到(5)等待接收状态。
(5)等待接收状态
当有源临时限速标签进入等待接收状态时，微控制器开启超时定时器，并清除接收中断和超时中断的标志位，若接收机车阅读器发送的射频信号，射频收发器发送一个接收中断标志给微控制器，微控制器进入读取数据状态。如果微控制器的定时器超时中断，此时，有源临时限速标签再次进入(2)休眠状态。
步骤(2)休眠状态的WS算法，是将有源临时限速标签配置在休眠状态，然后周期性地进入接收状态来检测机车阅读器是否已经发送命令过来，周期性进入接收状态是芯片自动完成的，不需要微控制器控制，并且在检测到有效信息后能够发出中断信息，这就意味着在射频收发器处于休眠激活工作过程中微控制器也可以处于低功耗模式，只需要开启中断，接收到射频收发器发送过来的接收中断后再进入正常工作模式，以便节省更多的能量。
本发明与现有的火车临时限速技术相比，通过自动识别技术解决了人为因素造成的误读或漏读等机车安全隐患，本发明提出的低功耗算法和低功耗硬件实现方案解决了有源临时限速标签低功耗问题，提高了其使用寿命。此外，本发明提出的有源临时限速标签在铁路上的安装方案，还解决了有源临时限速标签的识别距离，老化，固定等问题。
附图说明
参考以下结合附图的详细说明，本发明的特征及其它方面将变得更加明显，其中：
图1示出了根据本发明的一个具体实施例的基于RFID技术的监控纪录装置系统；
图2示出了根据本发明的一个具体实施例的有源临时限速标签的硬件结构示意图；
图3示出了根据本发明的一个具体实施例的有源临时限速标签的射频收发器的内部硬件结构示意图；
图4示出了根据本发明的一个具体实施例的有源临时限速标签的低功耗硬件电路模块示意图；
图5示出了根据本发明的一个具体实施例的有源临时限速标签信号流程处理流程示图；
图6示出了根据本发明的一个具体实施例的有源临时限速标签低功耗WS算法分析图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
图1给出了实施例的基于RFID技术的监控纪录装置系统，阅读器读取的有源临时限速标签的信息，然后将信息反馈给限速预警装置车载系统，车载系统在车载系统的显示器上显示有源临时限速标签信息的内容，提醒司机进行相应的操作。
图2所示，本发明的有源临时限速标签包括微控制器(MCU)、射频收发器、时钟电路、匹配网络、以及微带天线、传感器唤醒电路、声音传感器、振动传感器、能量检测模块、电池充电电路和电池保护电路。
当机车即将通过安装有源临时限速标签的轨道时，在铁轨上会产生声音和振动，所述的声音传感器和振动传感器将产生一个信号给传感器唤醒电路，这个传感器唤醒电路将产生一个脉冲给时钟电路，此时，时钟电路开始起振，微处理器正常工作。接收通路：阅读器将信息通过射频信号发送给有源临时限速标签，有源临时限速标签的微带天线将射频信号通过匹配网络转化为单端信号，传输给射频收发器，微控制器通过读取射频收发器接收寄存器中的信息，再进行相应的控制。此外，能量检测模块检测到射频信号后，将发脉冲给电池充电电路，此时，高能充电电池将一边给微控制器进行供电，一边充电，而电池保护电路是为了防止充电过程中的电流过冲。发送通路：微控制器将要发送的命令写入射频收发器，射频收发器与匹配网络连接将单端信号转换为射频信号，再通过微带天线发射出去。
为了更好的实现本实施例，以下对射频收发器的结构以及其与本有源临时限速标签的其他部件的连接做进一步说明。
如图3所示，所述射频收发器包括射频信号的接收和发送通路。接收通路采用的是正交下变频合成技术。接收的射频信号通过低噪声放大器(LAN)放大，然后和一对正交载波混频转化为中频的I/Q两路信号。I/Q两路信号先经过自动增益控制电路和滤波器，再经ADC模块采样成数字信号，最后进入解调电路解调出基带数据存入至接收缓冲区中，以便于微控制器做进一步处理。发送通路则采用零中频的直接频率合成技术。发送缓冲区的数据在射频收发器中能够自动添加包头和CRC校验码，然后数字调制模块对封装好的数据进行调制。压控振荡器和90度相位偏移电路组成频率合成电路，产生的I/Q两路载波信号供接收通路的混频，而调制后的数据经过零中频的直接频率进行上变频，最后通过功率放大器(PA)后将数据发送出去。
所述的匹配网络包括非平衡变压器，滤波电路和阻抗匹配电路，非平衡变压器用于将差分的射频信号转换为单端信号，滤波电路用于滤除不需要的高次谐波分量，保证输出外接负载所需要的基波功率，阻抗匹配电路用于将外接负载变换为放大器所需要的负载，以保证放大器高效地输出所需要的发射功率；
图4示出了本发明的有源临时限速标签的低功耗硬件电路模块，包括了能量检测模块，电池充电电路和电池保护电路。如图4的电池充电电路所示，绝缘栅型场效应极管连接的M1、M2做全波整流管，M3、M4构成的闩锁(Latch)连通充电回路，电容C1作滤波和储能器件。当某个时刻A处于信号正半周时，B处于信号负半周，于是M3和M1导通，M2和M4截止，这样就形成由ANTA-R2-M1-C1-GND-M3-R1-ANTB的充电回路。当A点电压到达VWS时，latch(M3-M4)开始起作用使B点电压迅速降到地电压附近，而A点电压也加速上升，迅速完成充电过程。为了防止过流而造成电池烧坏，本发明还增加了电池保护电路模块。
实施例2
图5所示，本发明的有源临时限速标签的信号处理方法，是微控制器的灭活状态、休眠状态、读取数据状态、发送数据状态及等待接收状态五个状态中，进行无限循环的过程。
(1)灭活状态
有源临时限速标签由于采用电池供电，低功耗是重中之重。有源临时限速标签处于(1)灭活状态时，晶振灭活，微控制器和射频收发器都不工作，此时电源仅给传感器唤醒电路供电。当机车即将通过安装有源临时限速标签的轨道时，在铁轨上会产生声音和振动，所述的声音传感器和振动传感器将产生一个信号给传感器电路，这个传感器电路将产生一个脉冲给时钟电路，此时，晶振起振，微控制器跳入(2)休眠状态。并启动休眠超时定时器，如果在规定的时间内没收到射频信号，灭活晶振，有源临时限速标签回到(1)灭活状态。
(2)休眠状态
有源临时限速标签工作在(2)休眠状态后，微控制器进入低功耗模式，开启全局中断，并清除相关的中断标志位，而射频收发器采用WS算法，工作于休眠激活状态。
(3)读取数据状态
当配有机车阅读器的机车通过在固定装置中的有源临时限速标签时，机车阅读器主动的发送射频信号激活有源临时限速标签，射频收发器的接收通路工作，有源临时限速标签的微控制器被射频收发器的中断标志位唤醒，进入(3)读取数据状态，此时，微控制器检查有源临时限速标签标志位，如果有源临时限速标签处于非激活状态，则检查射频收发器接收的信息是否是激活命令，如果是激活命令则置位有源临时限速标签标志位，并启动超时定时器，这样可以在错误的激活时超时退出，然后再转入(5)等待接收状态。否则有源临时限速标签回到(3)读取数据状态。
(4)发送数据状态
如果有源临时限速标签已经处于激活状态，则检查机车阅读器发送的是查询命令还是灭活命令，如果是查询命令，则微控制器跳入至(4)发送数据状态，此时，微控制器将存储的标签ID号和临时限速信息通过射频收发器的发送通路的封装和调制后，发送给机车阅读器。然后自动跳转至(5)等待接收状态。如果是灭活命令，则判断灭活参数是否是当前的标签号。如果是则置位灭活标志，同时进入休眠状态，否则回到(5)等待接收状态。
(5)等待接收状态
当有源临时限速标签进入等待接收状态时，微控制器开启超时定时器，并清除接收中断和超时中断的标志位，若接收机车阅读器发送的射频信号，射频收发器发送一个接收中断标志给微控制器，微控制器进入读取数据状态。如果微控制器的定时器超时中断，此时，有源临时限速标签再次进入(2)休眠状态。
步骤(2)休眠状态的WS算法的工作时序图如图6所示。
射频收发器从休眠状态醒来和进入接收状态分别用事件0(EVENT0)和事件1(EVENT1)来表示，用tEvent0表示连续两次醒来或者连续两次进入接收状态的时间间隔，即一个WS周期。用tEvent1表示从休眠状态醒来后进入接收状态的时间。为了确保有效的数据包被接收到，数据包将在一段时间内以确定的时间间隔重复发送，WS也应该设置合适的接收状态等待时间(tRX_time)，这段时间应该比数据包发送的周期要长，否则在最坏的情况下将会丢失数据包。
将有源临时限速标签配置在休眠状态，然后周期性地进入接收状态来检测机车阅读器是否已经发送命令过来，周期性进入接收状态是射频收发芯片自动完成的，不需要微控制器控制，并且在检测到有效信息后能够发出中断信息，这就意味着在射频收发器处于休眠激活工作过程中微控制器也可以处于低功耗模式，只需要开启中断，接收到射频收发器发送过来的接收中断后再进入正常工作模式，以便节省更多的能量。

Claims (4)

1.一种有源临时限速标签，其特征在于，包括微控制器、射频收发器、时钟电路、匹配网络、微带天线、传感器唤醒电路、声音传感器、振动传感器、能量检测模块、高能充电电池、电池充电电路和电池保护电路；
其中，传感器唤醒电路分别与振动传感器、声音传感器、时钟电路连接；所述的时钟电路分别与微控制器、射频收发器连接；所述的微控制器、射频收发器、匹配网络、微带天线依次连接；所述的高能充电电池分别与微控制器、射频收发器和电池保护电路连接；所述的电池保护电路与电池充电电路连接；所述的能量检测模块分别与匹配网络、微带天线、电池保护电路、电池充电电路连接；
进一步：
所述射频收发器包括射频信号的接收通路和射频信号的发送通路；
所述的声音传感器用于将列车在铁轨上行进时产生的声音转化为声音信号传送至传感器唤醒电路；
所述的振动传感器用于将列车在铁轨上行进时产生的振动转化为振动信号传送至传感器唤醒电路；
所述的传感器唤醒电路根据声音传感器传送的声音信号和振动传感器传送的振动信号产生一个脉冲给时钟电路；
所述的时钟电路根据传感器唤醒电路产生的脉冲进行起振；
所述的微带天线用于发送射频信号；
所述的匹配网络包括非平衡变压器，滤波电路和阻抗匹配电路，非平衡变压器用于将差分的射频信号转换为单端信号，滤波电路用于滤除不需要的高次谐波分量，保证输出外接负载所需要的基波功率，阻抗匹配电路用于将外接负载变换为放大器所需要的负载，以保证放大器高效地输出所需要的发射功率；
所述时钟电路用于产生射频收发器的频率合成器的参考频率，同时用于产生射频收发器的ADC的时钟和数字部分的时钟，此外，时钟电路还用于产生微控制器的工作时钟；
所述的能量检测模块用于检查机车阅读器发射的电磁波，当电磁波的能量超过基准电压时，所述的电池充电电路就对高能充电电池充电，此外，所述的电池保护电路用于防止过流造成的电池烧坏；
所述微控制器的工作状态包括灭活状态、休眠状态、读取数据状态、发送数据状态及等待接收状态，微控制器用于配置射频收发器的寄存器、设置定时时间、状态转换、标签数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种有源临时限速标签，其特征在于所述的射频信号的接收通路将接收的射频信号通过低噪声放大器放大，然后和一对正交载波信号混频进而转化为中频的I/Q两路信号，中频的I/Q两路信号先经过自动增益控制电路和滤波器，再经过ADC采样成数字信号，最后进入解调电路解调出基带数据存入至发送缓冲区中，以便于微控制器做进一步处理；
同时，所述的射频信号的发送通路则采用零中频的直接频率合成技术，发送缓冲区的数据在射频收发器中自动添加包头和CRC校验码，然后数字调制模块对封装好的数据进行调制，压控振荡器和90度相位偏移电路组成频率合成电路，频率合成电路产生的I/Q两路载波信号供接收通路的混频，而调制后的数据经过零中频的直接频率进行上变频，最后通过功率放大器(PA)后将数据发送至机车阅读器。
3.根据权利要求1所述一种有源临时限速标签的信号处理方法，其特征在于，具体的是有源临时限速标签的五个状态进行无限循环的过程，包括如下步骤：
(1)灭活状态
有源临时限速标签处于(1)灭活状态时，晶振灭活，微控制器和射频收发器都不工作，此时电源仅给传感器唤醒电路供电，当机车即将通过安装有源临时限速标签的轨道时，在铁轨上会产生声音和振动，所述的声音传感器和振动传感器将产生声音信号和振动信号给传感器电路，这个传感器电路将产生一个脉冲给时钟电路，此时，晶振起振，微控制器跳入(2)休眠状态，并启动休眠超时定时器，如果在规定的时间内没收到射频信号，灭活晶振，有源临时限速标签回到(1)灭活状态；
(2)休眠状态
有源临时限速标签工作在(2)休眠状态后，微控制器进入低功耗模式，开启全局中断，并清除相关的中断标志位，而射频收发器采用WS算法，工作于休眠激活状态；
(3)读取数据状态
当配有机车阅读器的机车通过在固定装置中的有源临时限速标签时，机车阅读器主动的发送射频信号激活有源临时限速标签，射频收发器的接收通路工作，有源临时限速标签的微控制器被射频收发器的中断标志位唤醒，进入(3)读取数据状态，此时，微控制器检查有源临时限速标签标志位，如果有源临时限速标签处于非激活状态，则检查射频收发器接收的信息是否是激活命令，如果是激活命令则置位有源临时限速标签标志位，并启动超时定时器，在错误的激活时超时退出，然后再转入(5)等待接收状态，否则有源临时限速标签回到(3)读取数据状态；
(4)发送数据状态
如果有源临时限速标签已经处于激活状态，则检查机车阅读器发送的是查询命令还是灭活命令，如果是查询命令，则微控制器跳入至(4)发送数据状态，此时，微控制器将存储的有源临时限速标签ID号和临时限速信息通过射频收发器的发送通路封装和调制后，发送给机车阅读器，然后自动跳转至(5)等待接收状态，如果是灭活命令，则判断灭活参数是否是当前的有源临时限速标签的标签号，如果是则置位灭活标志，同时进入休眠状态，否则回到(5)等待接收状态；
(5)等待接收状态
当有源临时限速标签进入等待接收状态时，微控制器开启超时定时器，并清除接收中断和超时中断的标志位，若接收机车阅读器发送的射频信号，射频收发器发送一个接收中断标志给微控制器，微控制器进入读取数据状态。如果微控制器的定时器超时中断，此时，有源临时限速标签再次进入(2)休眠状态。
4.根据权利要求3所述的一种有源临时限速标签的信号处理方法，其特征在于，步骤(2)休眠状态中的WS算法，是将有源临时限速标签配置在休眠状态，然后由芯片自动的周期性地进入接收状态来检测机车阅读器是否已经发送命令过来，并且在检测到有效信息后发出中断信息。
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