CN103507831A - 一种铁路轴温监测系统的数字式多点红外探测装置 - Google Patents
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Abstract
一种铁路轴温监测系统的数字式多点红外探测装置，该装置是一种使用阵列式红外传感器、多通道模拟放大器、嵌入式处理器和串行数字传输接口组成的智能型红外轴温探头，属于铁路安全检测技术领域。本发明的特征在于：所述装置由依次连接的多点线阵中远红外光子探测器、两级低漂移独立的多通道模拟信号放大器和基于M3内核的嵌入式的多通道模拟信号采集处理器模块组成。处理器模块还扩展有车轮传感信号输入端、主辅探头同步控制端、RS485数据接口部分，并能控制高精度DAC芯片的输出，闭环调整各路放大器零点。本发明还能同时针对列车左右车轮轴温探测要求，配套设计成主、辅两个探测装置，并通过协同控制方法进行了通信防冲突处理。
Description
技术领域
本发明提出一种铁路轴温监测系统的数字式多点红外探测装置，该装置是一种使用阵列式红外传感器、多通道模拟放大器、嵌入式处理器和串行数字传输接口组成的智能型红外轴温探头，属于铁路安全检测技术领域。
背景技术
红外轴温监测系统是监测铁路火车轴承温度，保证行车安全的重要措施。它是在铁路列车正常运行的状态下，利用物体产生红外线辐射能量与物体温度成正比的原理，通过路边安置的红外探测装置，实时地对过往列车的每个轴承温度进行非接触测量的行车安全监测系统。
目前的红外轴温探测设备主要技术是：
1.探头采用单点热敏电阻，响应时间在mS 量级，对高速列车探测反应速度不够，而近年的红外光子探头大多采用单点探测或单点双探头探测，探测信息较单一，误判率较高；
2.目前使用的探头需要将模拟探测信号和车轮传感信号均通过电缆传输到较远的探测站处理端，不仅抗干扰能力差，各种信号与控制电缆和设备连接复杂，导致现行的探测站硬件构成复杂，耗电、体积大、维护成本高，性能不够稳定、上传信息不及时等问题。
发明内容
本发明的目的是为解决上述问题而提供的一种新型探测结构，这是一种利用多点探测技术与嵌入式微控制器相结合的数字式智能红外光子探测装置。
本发明采用如下技术方案：
所述的一种铁路轴温监测系统的数字式多点红外探测装置，其主要特征是：采用了多点线阵中远红光子探测器（1），两级低漂移独立的多通道模拟信号调理电路（2）、带有多通道模拟信号采集转换的Cortex-M3内核嵌入式处理器模块（3）、实现数据上传的通信与采集控制的接口扩展电路（4）、为探测器提供低温工作环境的制冷控制器（5）、为整个装置供电的多路电源组合（6）和全封闭的铝合金探头箱体（7）构成。
所述的红外探测装置采用的多点探测器（1），内部的独立管芯可根据需要设计为一字形或十字形排列，以适用于多线扫描和方向识别，安装在散热条件良好的金属镜筒上。
所述的红外探测装置的模拟信号调理电路（2），采用多通道独立放大，信号的输出端直接与处理器的ADC端口相连接。而（2）的基准调零端与高精度DAC芯片的输出相连接，可通过处理器DAC闭环调整放大器的零点。
所述的红外探测装置内的与Cortex-M3处理器模块（3）相连的接口扩展板（4），扩展有车轮传感信号触发输入端、主辅探头同步控制端、RS485串行数据接口部分。
所述的红外探测装置的制冷控制器（5）与（1）的制冷供电引脚连接，通过（1）内部测温电阻的温度信号来反馈调节制冷控制电流。
所述的红外探测装置中为整个装置供电的电源组合模块（6）除了直接为外围电路供电之外，还隔离变换为制冷器供电的5V、为处理器模块供电的3.3V和为模拟信号调理电路供电的正负5V电源。
所述的红外探测装置的处理器模块（3）还同时针对列车左右车轮的轴温探测要求，同步控制配套成主、辅探测，通过协同控制方法进行了通信冲突处理，将采集的轴温数据等信息打包，添加标志后将报文通过高速485通信口传至上位机。
所述的以上各个部件均装在铝合金探头箱体（7）中，红外探测器通过箱体前端的锗透镜接受外部探测信号。箱体的下端为两个与带有触发控制和数据通信的电缆防水插口，使整个探测装置仅由两根电缆与上位机探测站连接。
与现有技术相比，本发明主要有以下优点：
1、采用了多点线阵中远红外光子探测器，比目前已有的单点单探头和双探头并用的方案相比，响应速度更快，采集的轴温数据信息量更大、数据处理后更加准确；
2、采用两级低漂移独立的多通道模拟信号放大器电路，并利用高精DAC输出闭环调整各路放大器零点，简化了模拟信号处理过程；
3、模拟信号在探头内部实现了数字化，同时扩展有车轮传感信号触发输入端，主、辅探头同步控制端等，避免了模拟信号和车轮信号直接上传，简化了上位机探测站的硬件结构和软件信息处理过程；
4.采用微处理器实现探头多点信号采集处理，利用其内部集成的高速ADC、UART等高性能接口。配套设计成主辅探头探测，并通过协同控制方法进行了多探头通信冲突处理。
附图说明
图1 为本发明的硬件电路结构框图。
图2 为本发明的信号模拟放大电路的DAC闭环调零原理图。
图3 为本发明主、辅探头的连接方式与RS485通信连接框图。
图4 为本发明的外形结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步地阐述：
图1是本发明的硬件结构框图，由前端四点线阵中远红光子探测器(1)、四路模拟信号放大调理电路(2)、带有四路数据采集的CorTEX-M3内核嵌入式处理器模块（3）、车轮传感信号触发输入扩展接口、主辅探头握手接口与通信协同控制接口电路（4）、探测器制冷控制器（5）和电源模块组合（6）构成。上述部件均装在散热良好的铝合金密封机壳（7）内；
如图2所示，红外信号前端模拟放大电路由前后两级运算放大器构成，第一级带有调零控制端，与高精度DAC输出端相连。放大的红外信号再经M3 处理器的ADC采集处理，转化为红外温度数据上传。同时M3处理器能够在不同的工作状态将采集数据处理后通过SPI接口控制DAC输出，进行放大器的闭环零点校正；
如图3所示，针对列车左右车轮的轴温探测要求，本发明将系统设计成主、辅探测形式，主、辅探头构造基本相同，其中通信部分利用处理器串行通用接口隔离转换芯片，使主、辅探头在同一总线上与上位机通信。为使主、辅探头能够协调工作，两探头之间设计有两根互联握手线，由主探头控制时序解决通信总线占用冲突的问题；
如图4所示，四点红外探测器安装在前边嵌有锗透镜的铝制镜筒之后端，与机壳通过螺丝固定并确保探测器的半导体制冷器的良好散热；两个防水插头连接的多芯电缆可分级别接往车轮传感器、外供低压电源和上位机探测站。
本发明权利不仅局限于此，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改动为等同变化的等效实施例，但未脱离本发明的技术实质进行的简单修改等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种铁路轴温监测系统的数字式多点红外探测装置，其主要特征是：该装置由多点线阵中远红光子探测器（1），两级低漂移独立的多通道模拟信号调理电路（2）、带有多通道模拟信号采集转换的Cortex-M3内核嵌入式处理器模块（3）、实现数据上传的通信与采集控制的接口扩展电路（4）、为探测器提供低温工作环境的制冷控制器（5）、为整个装置供电的多路电源组合（6）和全封闭的铝合金探头箱体（7）构成。
2.根据权利要求1，所述的红外探测装置采用的多点探测器（1），内部的独立管芯可根据需要设计为一字形或十字形排列，以适用于多线扫描和方向识别，封装在散热条件良好的金属外壳中。
3.根据权利要求1，所述的红外探测装置的模拟信号调理电路（2），采用多通道独立放大，信号的输出端直接与处理器的ADC端口相连接；而（2）的基准调零端与高精度DAC芯片的输出相连接，可通过处理器DAC闭环调整放大器的零点。
4.根据权利要求1，所述的红外探测装置内的与Cortex-M3处理器模块（3）相连的接口扩展板（4），扩展有车轮传感信号触发输入端、主辅探头同步控制端、RS485串行数据接口部分。
5.根据权利要求1，所述的红外探测装置的制冷控制器（5）与（1）的制冷供电引脚连接，通过（1）内部测温电阻的温度信号来反馈调节制冷控制电流。
6.根据权利要求1，所述的红外探测装置中为整个装置供电的电源组合模块（6）除了直接为外围电路供电之外，还隔离变换为制冷器供电的5V、为处理器模块供电的3.3V和为模拟信号调理电路供电的正负5V电源。
7.根据权利要求1，所述的红外探测装置的处理器模块（3）还同时针对列车左右车轮的轴温探测要求，同步控制配套成主、辅探测，通过协同控制方法进行了通信冲突处理，将采集的轴温数据等信息打包，添加标志后将报文通过高速485通信口传至上位机。
8.根据权利要求1，所述的以上各个部件均装在铝合金探头箱体（7）中，红外探测器通过箱体前端的锗透镜接受外部探测信号，箱体的下端为两个与带有触发控制和上位机数据通信电缆的防水插头相连接。
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