CN108646236A

CN108646236A - 一种列车非接触式测速传感器

Info

Publication number: CN108646236A
Application number: CN201810244829.4A
Authority: CN
Inventors: 沈海阔; 黄颖
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2018-10-12

Abstract

本发明公开了一种列车非接触式测速传感器，该测速传感器包括：电源模块，用以为测速传感器提供直流电源；射频模块，实现信号的产生、发射、接收及下变频，最终输出I/Q两路差频信号；信号调理模块，将所述射频模块输出的I/Q两路差频信号进行滤波放大；DSP信号处理模块，对经过所述信号调理模块的滤波放大后的差频信号进行采集，并进行数字滤波处理，进行频谱分析并求解速度；最终输出速度信息；所述DSP信号处理模块输出一路Vtune信号用于控制射频模块的输出频率。本申请的列车非接触式测速传感器避免了传统接触式列车测速传感器由于列车运行时速过高而导致的一定误差，可根据列车运行速度设置不同频段的采样频率，提高了列车测速的精度与可靠性。

Description

一种列车非接触式测速传感器

技术领域

本发明涉及测速传感器技术领域。更具体地，涉及一种列车非接触式测速传感器。

背景技术

列车传统测速方式如测速电机和磁脉冲速度传感器等为接触式测量方式，其结构简单安装方便，在对测速的实时性和精度要求不高时较为适用，因此是我国传统铁路运输中主要使用的测速技术。近年来，随着高速铁路的发展和安全系数要求的提高，传统接触式测速方法由于列车时速的提升产生轴承磨损、空转等问题从而带来的一定的测速误差，不能满足现代铁路运输的参数指标要求。因此非接触式测速方式如航位推算系统、GPS导航定位测速等逐渐取得了广泛应用。而航位推算系统的惯性传感器在长时间的使用之后会对误差进行累计，长时间后航位推算得到的速度和距离信息的精确度极低；GPS导航定位测速的精度不高且存在GPS信号盲区，不适宜用于广泛测速。

因此，需提供一种在列车高速运行下测速精度高、可靠性强的测速方式，为列车安全行驶提供更加有力的保障。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种列车非接触式测速传感器，避免了传统接触式测速方式带来的误差，并可根据列车运行速度设置不同频段的采样频率，提高了列车测速的精度与可靠性。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种列车非接触式测速传感器，该测速传感器包括：

电源模块，用以为测速传感器供电；

射频模块，实现测速信号的产生、发射、接收及下变频，最终输出I/Q两路差频信号；

信号调理模块，将所述射频模块输出的I/Q两路差频信号进行滤波放大；

DSP信号处理模块，对经过所述信号调理模块的滤波放大后的差频信号进行采集，并进行数字滤波处理，进行频谱分析并求解速度；最终输出速度信息；

所述DSP信号处理模块输出一路Vtune信号(调制信号)用于控制射频模块测速信号的输出频率。

优选地，所述电源模块为射频模块和信号调理模块提供5V直流电源，为DSP信号处理模块提供12V直流电源。

优选地，所述DSP信号处理模块采用ADC(模拟/数字信号转换器)进行差频信号采集，并将所采集到的差频信号进行数字滤波处理；所述DSP信号处理模块还包括DAC(数字/模拟信号转换器)，DSP控制DAC产生所述Vtune信号。

优选地，所述频谱分析和求解速度是通过谱估计算法得到信号的功率谱并搜索出列车实时速度对应的频率，完成相应速度求解。

更优选地，所述信号的功率谱的具体计算过程为：采用现代功率谱中AR参数模型法(自回归模型)建模，通过Burg算法(最大熵谱算法)计算出该模型的参数；设置AR模型阶数为100，采样点数为1024点，计算出信号的功率谱。

更优选地，所述DSP信号处理模块将在计算出的信号的功率谱中进行频率搜索找到列车时速对应的信号频率，并计算出相应的列车速度。

优选地，所述DSP信号处理模块通过RS232串口把速度信息输出。

优选地，所述DSP信号处理模块采用分段式采样频率进行差频信号的采集。

由于列车时速对应不同的频率，因此可以根据信号频率范围进行分段采样。为使得所述列车非接触式测速传感器能够识别0.2到600km/h的列车时速范围(对应频率范围为8Hz到27000Hz)并满足标准测速误差要求(即在列车时速小于50km/h时，误差范围小于0.1km/h；时速大于50km/h时，误差范围随速度呈1％增长)。更优选地，可将频率范围分成三段，在8Hz到1600Hz范围使用4000Hz采样频率；在1500Hz到3000Hz范围使用8000Hz采样频率；在2600Hz到27000Hz范围使用80000Hz采样频率。

本发明中的信号滤波包括通过所述信号调理模块进行硬件滤波和通过所述DSP信号处理模块进行软件数字滤波两部分。其中硬件滤波采用电阻、电容元器件对射频模块输出差频信号进行滤波，增强输出差频信号幅度，减小噪声和干扰，从而能更有效的获取有用信号，同时减小后端处理的复杂度；软件滤波将所述硬件滤波后的信号再次滤波包括直流滤波和低通滤波两部分。

本发明的有益效果如下：

本申请提供的列车非接触式测速传感器，避免了列车高速运行传统接触式测量方式带来的一定误差；采用AR模型的Burg算法分析信号的功率谱，极大的提高了频谱的分辨率；并且可根据列车运行速度设置不同频段的采样频率，采用分段式采样频率进行信号采集，可精确测量0.2到600km/h的列车时速并满足列车测速误差。在列车时速小于50km/h时，误差范围小于0.1km/h；时速大于50km/h时，误差范围随速度呈1％增长。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是本申请的列车非接触式测速传感器结构框图；

图2是本申请的射频模块结构图；

图3是本申请的信号调理模块电路原理图；

图4是本申请的DSP信号处理模块结构图。

图5是本申请的DSP信号处理模块流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供一种列车非接触式测速传感器，该测速传感器包括：电源模块、射频模块、信号调理模块和DSP信号处理模块；

所述电源模块主要用于为射频模块、信号调理模块提供5V直流电源；为DSP信号处理模块提供12V直流电源。

所述射频模块，是将高频电磁波信号转换为中频电信号输出的器件，实现测速信号的产生、发射、接收及下变频，最终输出I/Q两路差频信号；测速信号经射频模块发射出去后，遇到目标反射回来，射频信号进行接收回波，并进行下变频，最终向测速传感器内部输出I/Q两路差频信号。所述I/Q两路差频信号经信号调理模块滤波放大后送至ADC进行信号采集。同时所述射频模块接收一路Vtune信号(调制信号)，此信号由DSP控制DAC(数字/模拟信号转换器)产生，用于控制射频模块测速信号的输出频率。

所述信号调理模块，由于回波信号十分微弱且混有许多杂波，因此在采样之前需要由信号调理模块对信号进行模拟滤波放大处理。合适的差频信号幅度，可以滤除额外的噪声和干扰，能极大的减小后端处理的复杂度。

所述DSP信号处理模块。采用ADC进行信号采集；将采集到的数据进行数字滤波处理，滤除直流信号以及高频信号；通过DSP进行频谱分析，通过谱估计算法得到信号的功率谱并搜索出列车实时速度对应的频率，完成相应速度求解功能；最后通过RS232串口把速度信息输出，具体传给上位机机车控制系统，进行速度的实时显示。

图2示出了本申请的射频模块结构图，具体可以包括以下部件：

信号源部分，信号收发部分，混频输出部分。

信号源部分包括VCO(压控振荡器)和供压源；VCO可以通过Vtune信号(调制信号)的幅值变化控制发射的射频信号(RF)的频率，实现连续波或调频连续波工作模式；供压源，可以提供传感器+5V工作电源；

信号收发部分包括发射天线和接收天线；发射天线为信号发射路径，接收天线为目标回波信号接收路径；图2中1表示射频发送模块，2表示射频接收模块。

混频输出部分包括混频器，IF前置放大器；混频器，可在同一时刻发射信号与接收信号在此处混频；IF前置放大器，可以初步滤除干扰和噪声信号，限制信号带宽，并且能在一定程度上避免传感器遭受ESD(静电释放)危害。

由VCO输出一个固定频率为的发射信号，其中一路经天线发射出去，一路又分流成两路分别进入I、Q所在的通道的混频器中，其中Q通道的信号在混频之前还需先经90°的移相；天线接收到的回波信号也经混频器分别与实时分流的两路信号进行混频，最终得到I、Q两路输出差频信号。I、Q两路输出差频信号中即携带有目标的距离、速度和方向信息。

图3示出了本申请信号调理模块电路原理图，具体可以包括以下部件：

滤波放大电路，可以通过插件(电阻、电容)对射频模块输出的差频信号进行硬件模拟滤波放大处理。根据以下条件来确定电阻和电容的值：

1.放大倍数＝RF1/RX1

如图3电路中，RF1＝10K，RX1＝1K，所以电路放大倍数为10倍。

2.低通滤波器上限截止频率f＝1/(2pi*RF1*CF1)>12KHz

如RF1＝1K，CF1＝103，那么f＝16KHz。

3.高通滤波器频率f＝1/2pi*RX1*CX1

如RX1＝1K，CX1＝0.47uF，那么f＝339Hz。

图4示出了本申请一种DSP信号处理模块结构图，具体可以包括以下部件：

DSP主芯片TMS320F28335，32位浮点型DSP，主频150MHz。

系统使用的片上存储器主要包括：256K×16位的FLASH，34K×16位的SRAM，8K×16位的BOOT ROM，2K×16位的OTP ROM。系统使用的主要片上外设包括：2×8通道12位的ADC(模数转换器)；18路PWM(脉冲宽度调制)；3通道SCI异步串口(串行通信接口)，并且有2路RS232转换电路，方便与上位机实现通讯；2通道MCBPS同步串口(多通道缓冲串行口)，可配置成SPI模式(串行外设接口)与DAC(数模转换器)相连以及通用输入输出I/O。

ADC可同步采样两路信号；利用ePWM的中断功能实现差频信号的采集，每次中断时对信号进行一次采集；通过控制ePWM的中断频率控制采样率。将采样数据进行软件数字滤波处理，包括直流滤波和低通滤波，滤除直流信号以及高频信号。将滤波后数据进行AR模型Burg算法的信号功率谱分析，找到列车速度对应的频率。解算出频率对应的列车速度，通过RS232与上位机实现通讯。

下面简述DSP信号处理模块的分段式采样率工作原理：

为使得所述列车非接触式传感器能够识别0.2到600km/h的列车时速范围(对应频率范围为8Hz到27000Hz)。为满足采样定理并减少频谱混叠，选取3到5倍最高信号频率，这里取采样频率为80KHz。若在信号整个频率范围内采用一个固定的采样频率，那么信号频谱分辨率应由最低频率信号精度来决定。根据国内外列车测速传感器测速精度误差要求，即在列车时速小于50km/h时，误差范围小于0.1km/h；时速大于50km/h时，误差范围随速度呈1％增长。因此，根据列车速度与信号频率对应公式，即0.1km/h速度误差对应4Hz频率。由于频谱分辨率为采样频率/采样点数，那么系统采样点数为采样频率80KHz除以最低信号频率信号分辨率4Hz，即两万点数。

根据系统实时性要求，两万的采样点数过大不能满足系统实时测速要求。因此，综合考虑频率分辨率与系统的实时性处理要求，需要对信号进行变采样率采样处理。可将列车速度对应频率分为三个频率段，分别设置每一段采样率保证其均满足采样定理，且相邻频率段之间有部分重叠区域。即，在8Hz到1600Hz范围使用4000Hz采样频率；在1500Hz到3000Hz范围使用8000Hz采样频率；在2600Hz到27000Hz范围使用80000Hz采样频率。

下面简述DSP信号处理模块的工作流程如下：

采用模块化设计思想，DSP信号处理模块主要分为信号采集、信号滤波、信号处理以及与上位机通讯这几个子模块。

1.信号采集模块：利用ePWM的中断功能实现差频信号的采集，每次中断时对信号进行一次采集；通过控制ePWM的中断频率控制采样率。

2.信号滤波模块：在硬件滤波的基础上，进一步完成数字滤波，滤除直流信号以及高频信号。

3.信号处理模块：采用AR模型的Burg算法实现信号频率功率谱估计，精确找到列车速度对应的信号频率，进而算出列车运行速度。

4.通讯模块：通过RS232串口与上位机进行通讯，实时显示速度值。

如图5所示，为DSP信号处理模块流程图，分为主程序与中断程序两部分。在主程序中对DSP中AD模块、ePWM模块、SCI模块等进行初始化设置，使用ePWM1设置采样频率触发中断，在中断程序中启动ADC转换，进行信号的采样。采样数据存储采用乒乓传输缓存方式，即设置两个采集区和相应溢出标志位。当缓存区1溢出时，主程序取出其中数据进行后续数据处理，中断程序继续向缓存区2内存储采样数据。当缓存区2溢出时，主程序取出其中数据进行后续数据处理，中断程序继续向缓存区1内存储采样数据。主程序中的数据处理包括数字滤波(包含直流滤波与低通滤波)，信号功率谱分析，列车速度对应频率提取，列车速度的解算以及与上位机机车控制系统的实时通讯。

需要说明的是，对于本申请实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的部件组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请的装置并不受所描述的材料和部件的限制，因为依据本申请，某些材料和部件可以采用其他材料和部件代替。

其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本申请所必须的。

最后，还需要说明的是，在本申请中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的一种列车非接触式测速传感器进行了详细介绍，本申请中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有

改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims

1.一种列车非接触式测速传感器，其特征在于，该测速传感器包括：

电源模块，用以为测速传感器供电；

所述DSP信号处理模块输出一路Vtune信号用于控制射频模块的测速信号的输出频率。

2.根据权利要求1所述测速传感器，其特征在于，所述电源模块为射频模块和信号调理模块提供5V直流电源，为DSP信号处理模块提供12V直流电源。

3.根据权利要求1所述测速传感器，其特征在于，所述DSP信号处理模块采用ADC进行差频信号采集，并将所采集到的差频信号进行数字滤波处理；所述DSP信号处理模块还包括DAC，DSP控制DAC产生所述Vtune信号。

4.根据权利要求1所述测速传感器，其特征在于，所述频谱分析和求解速度是通过谱估计算法得到信号的功率谱并搜索出列车实时速度对应的频率，完成相应速度求解。

5.根据权利要求4所述测速传感器，其特征在于，所述信号的功率谱的具体计算过程为：采用现代功率谱中AR参数模型法建模，通过Burg算法计算出该模型的参数；设置AR模型阶数为100，采样点数为1024点，计算出信号的功率谱。

6.根据权利要求5所述测速传感器，其特征在于，所述DSP信号处理模块将在计算出的信号的功率谱中进行频率搜索找到列车时速对应的信号频率，并计算出相应的列车速度。

7.根据权利要求1所述测速传感器，其特征在于，所述DSP信号处理模块通过RS232串口把速度信息输出。

8.根据权利要求1所述测速传感器，其特征在于，所述DSP信号处理模块采用分段式采样频率进行差频信号的采集。