CN108827283A - 一种机车位置检测电路、检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机车位置检测电路、检测方法及系统。所述检测电路包括单片机、电感数字转换器以及印刷电路板PCB线圈；所述单片机与所述电感数字转换器相连接；所述PCB线圈包括多个，所述PCB线圈与所述电感数字转换器相连接；所述PCB线圈与所述电感数字转换器之间并联有电容，所述PCB线圈与所述电容构成振荡电路；多个所述PCB线圈具有间隔且埋设于轨道的下方；当机车经过所述轨道时，所述振荡电路输出频率转换成数字量输出，由所述电感数字转换器接收，根据接收的数字量确定所述机车的当前位置、运动方向及运动速度。采用本发明所提供的检测电路、检测方法及系统能够降低机车故障率以及机车位置检测电路的维护难度。

Description

一种机车位置检测电路、检测方法及系统

技术领域

本发明涉及机车位置检测领域，特别是涉及一种机车位置检测电路、检测方法及系统。

背景技术

随着我国高速铁路的快速发展，对铁路运输类人才的培养需求越来越旺盛，为了更好的切近实际，让学生尽快适应职业培养需求和更直观的教学，沙盘模型教学无疑是一种最为有效的教学模式，因其直观性强，更加接近现场，但相比现场教学更加安全、便利，使得越来越多的铁路大专院校采用这种教学模式，也催生了越来越多的教学设备制造企业投入研发相关的沙盘教学模型，为了让沙盘教学模型更加的接近实际，就需要沙盘模型具备整个铁路系统的所有环节，轨道电路作为整个沙盘模型的重要组成部分之一，用于检测轨道区间车辆占用情况，同时也起到列车位置检测的作用，目前主要有两种实现方式，一种是采用干簧管检测，这种检测的方法是在钢轨相应区段的分界处安装干簧管，然后在机车模型上加装磁铁，当机车通过时，机车上的磁铁对干簧管作用，干簧管闭合的方式进行检测；另一种方式是射频卡检测方式，这种检测方式是在轨道上或侧面安装射频识别(RadioFrequency Identification，RFID)卡，RFID卡内写有相关的区段信息，在机车上安装RFID读卡器，当机车通过时，RFID读卡器读取安装在轨道上(旁)的RFID卡信息的方式来获取机车位置信息。这两种方式是目前的主流方案，但这两种方式都需要在钢轨上表面或机车模型上安装相应的外部设备，由于机车模型是按照真实车辆等比缩小制作而成，精密度较高，人为加装外部设备很容易出现机械卡死甚至损坏机车车辆，故障率高，维护难度大。

发明内容

本发明的目的是提供一种机车位置检测电路、检测方法及系统，以解决在机车或钢轨上加装外部设备故障率高，维护难度大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种机车位置检测电路，包括：单片机、电感数字转换器以及印刷电路板PCB线圈；

所述单片机与所述电感数字转换器相连接；

所述PCB线圈包括多个，所述PCB线圈与所述电感数字转换器相连接；所述PCB线圈与所述电感数字转换器之间并联有电容，所述PCB线圈与所述电容构成振荡电路；多个所述PCB线圈具有间隔且埋设于轨道的下方；当机车经过所述轨道时，所述振荡电路输出频率转换成数字量输出，由所述电感数字转换器接收，根据接收的数字量确定所述机车的当前位置、运动方向及运动速度。

可选的，所述单片机为Ardiuno控制器；所述电感数字转换器为LCD1314；

所述LDC1314通过I2C总线与所述Ardiuno控制器进行通信；

所述LDC1314的中断输出引脚INB与Arduino的INTO引脚2相连；

所述LDC1314的引脚SD与Arduino的引脚4相连；

所述LDC1314的引脚CLKIN采用外部有源晶振输入40M的外部时钟信号，ADDR接地使得LDC1314的从机地址为0x2a。

可选的，所述电感数字转换器的频率范围为1kHz～10MHz。

可选的，所述LDC1314最多与4个PCB线圈相连接。

一种机车位置检测方法，所述检测方法应用于一种机车位置检测电路，所述检测电路包括：单片机、电感数字转换器以及印刷电路板PCB线圈；所述单片机与所述电感数字转换器相连接；所述PCB线圈包括多个，所述PCB线圈与所述电感数字转换器相连接；所述PCB线圈与所述电感数字转换器之间并联有电容，所述PCB线圈与所述电容构成振荡电路；多个所述PCB线圈具有间隔且埋设于轨道的下方；当机车经过所述轨道时，所述振荡电路输出频率转换成数字量输出，由所述电感数字转换器接收，根据接收的数字量确定所述机车的当前位置、运动方向及运动速度；

所述检测方法包括：

获取第一时刻的第一线圈电感；

根据所述第一时刻的第一线圈电感判断是否有机车经过轨道，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为有机车经过轨道，获取第二时刻的第二线圈电感；

根据所述第一线圈电感以及所述第二线圈电感确定所述机车的当前位置、运动速度以及运动方向。

可选的，所述根据所述第一线圈电感以及所述第二线圈电感确定所述机车的当前位置、运动速度以及运动方向，具体包括：

根据所述第一线圈电感确定所述机车的第一位置；

根据所述第二线圈电感确定所述机车的第二位置；

将所述第一位置到所述第二位置的方向作为所述机车的运动方向；

获取所述第一位置到所述第二位置的距离以及时间；

根据所述距离以及所述时间确定所述运动速度。

一种机车位置检测系统，包括：

第一线圈电感获取模块，用于获取第一时刻的第一线圈电感；

第一判断模块，用于根据所述第一时刻的第一线圈电感判断是否有机车经过轨道，得到第一判断结果；

第二线圈电感获取模块，用于若所述第一判断结果表示为有机车经过轨道，获取第二时刻的第二线圈电感；

机车参数确定模块，用于根据所述第一线圈电感以及所述第二线圈电感确定所述机车的当前位置、运动速度以及运动方向。

可选的，所述机车参数确定模块具体包括：

第一位置确定单元，用于根据所述第一线圈电感确定所述机车的第一位置；

第二位置确定单元，用于根据所述第二线圈电感确定所述机车的第二位置；

运动方向确定单元，用于将所述第一位置到所述第二位置的方向作为所述机车的运动方向；

距离及时间获取单元，用于获取所述第一位置到所述第二位置的距离以及时间；

运动速度确定单元，用于根据所述距离以及所述时间确定所述运动速度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种机车位置检测电路、检测方法及系统，将印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)线圈埋设于轨道的下方，避免了传统的机车位置检测电路设于轨道的上方，致使轨道上方凸起的问题，从而完全避免了机车在轨道运行时，容易出现机械卡死，甚至损坏机车车辆的现象，进而降低了机车损坏的故障率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的机车位置检测电路的电路图；

图2为本发明所提供的Ardiuno控制器与LDC1314硬件连接的电路图；

图3为本发明所提供的机车位置检测方法流程图；

图4为本发明所提供的机车位置检测系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种机车位置检测电路、检测方法及系统，能够降低机车故障率以及机车位置检测电路的维护难度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的机车位置检测电路的电路图，一种机车位置检测电路，包括：单片机1、电感数字转换器2以及印刷电路板PCB线圈3；所述单片机1与所述电感数字转换器2相连接；所述PCB线圈3包括多个，所述PCB线圈3与所述电感数字转换器2相连接；所述PCB线圈3与所述电感数字转换器2之间并联有电容，所述PCB线圈3与所述电容构成振荡电路；多个所述PCB线圈3具有间隔且埋设于轨道的下方；当机车经过所述轨道时，所述振荡电路输出频率转换成数字量输出，由所述电感数字转换器2接收，根据接收的数字量确定所述机车的当前位置、运动方向及运动速度。

在实际应用中，所述单片机1为Ardiuno控制器；所述电感数字转换器2为LCD1314；LDC1314是TI公司的一款电感数字转换器2，可以支持四通道传感器线圈接入，实现非接触式电感检测，其转换位数高达12位，该产品使用简便，仅需要传感器频率处于1kHz至10MHz的范围内即可开始工作；由于支持的传感器频率范围1kHz至10MHz较宽，因此还支持使用非常小的PCB线圈，从而进一步降低感测解决方案的成本和尺寸；本发明采用PCB线圈3用来非接触检测机车模型，当金属机车模型靠近PCB线圈3时，由于金属电涡流效应，将导致PCB线圈电感量变化。

图2为本发明所提供的Ardiuno控制器与LDC1314硬件连接的电路图，如图2所示，本发明所提供的机车位置检测电路包括单片机1、LDC1314及安装在轨道下方的PCB线圈3，PCB线圈3两端并接一个电容C，PCB线圈电感L与电容C构成一LC振荡电路，一旦机车模型通过时，埋设在轨道下方的PCB线圈3由于电涡流效应，将引起其电感L的变化，进而影响LC振荡电路的输出频率，LDC1314将LC振荡电路的输出频率转化成数字量输出，该数字量可以看成是PCB线圈3的等效电感，可以通过该数字量的变化就可以知道当前PCB线圈3上是否有机车通过，一片LDC1314最多可以连接4个PCB线圈3构成的LC振荡电路，即四通道，利用单片机1轮回查询四通道的输出数据，通过LDC1314输出的等效电感数据，确定机车的当前位置、运动方向及运动速度，具体实施过程如图1所示，从左到右在线路下部埋设A、B、C、D四个线圈，四个线圈分别描述四个不同的区段，用单片机1读取四通道数据，通过实验，事先确定有机车占用时LDC1314输出的数据和无机车占用时LDC1314输出的数据，以确定一个阈值P，若当前读取的数据超过阈值P，则表示该区段被机车占用，即机车处在该线圈所在区段，若当前读取的数据小于阈值，则表示当前区段未被占用，区段处于空闲状态。通过比较前后两次机车位置和前后两次机车通过PCB线圈3的时间差，即可确定机车的运动方向和运动速度。如：机车上次检测到的位置处于线圈B，第二处检测到的位置是C，则表示机车的运动方向是从B到A，若B、C两个线圈之间的距离为S，从B到C所需的时间为T，则机车的速度为V＝S/T。

LDC1314通过I2C总线与单片机1进行通信，包括SDA和SCL两条通信信号线，其中时钟信号SCL与Arduino的模拟引脚5相连，数据信号SDA与Arduino的模拟引脚4相连，INB为中断输出引脚与Arduino的INTO引脚2相连，SD与Arduino的4脚相连；CLKIN采用外部有源晶振输入40M的外部时钟信号，ADDR接地使得LDC1314的从机地址为0x2a,一片LDC1314可接4个PCB线圈3，可以实现三个区段的检测。

PCB线圈3作为本电路的主要检测器件，其设计的好坏直接影响着检测的灵敏度和可靠性，由于PCB线圈3设计非常复杂，其各种阻抗的匹配和线圈的形状、尺寸及线圈的匝数都对检测有很大的影响，为此，为了提高设计的精度和降低设计的难度，本系统采用TI公司提供Designer LDC1314在线设计软件进行设计，根据需要设定线圈的大小，线圈的匝数及线宽等参数后，系统自动设计成PCB文件，并对相关的阻容参数也一一列出，大大降低了设计难度。

本发明提供了一种基于LDC1314的机车位置检测电路，采用Arduino作为主控制器，LDC1314及4个PCB线圈3作为传感器，传感器PCB线圈3置于钢轨下方，当机车在钢轨上通过时，由于金属电涡流效应，将引起PCB线圈电感的变化，单片机1通过I2C总线读取LDC1314相应的数据，即可确定机车的位置和轨道的占用情况，有效的避免了机械卡死现象，提高了系统检测的可靠性和准确性。

图3为本发明所提供的机车位置检测方法流程图，如图3所示，一种机车位置检测方法，包括：

步骤301：获取第一时刻的第一线圈电感。

步骤302：根据所述第一时刻的第一线圈电感判断是否有机车经过轨道，若是执行步骤303，若否返回步骤301。

步骤303：获取第二时刻的第二线圈电感。

步骤304：根据所述第一线圈电感以及所述第二线圈电感确定所述机车的当前位置、运动速度以及运动方向。

所述步骤304具体包括：根据所述第一线圈电感确定所述机车的第一位置；根据所述第二线圈电感确定所述机车的第二位置；将所述第一位置到所述第二位置的方向作为所述机车的运动方向；获取所述第一位置到所述第二位置的距离以及时间；根据所述距离以及所述时间确定所述运动速度；机车的当前位置由线圈区间确定，采用本发明所提供的机车位置检测方法能够确定出机车当前所在线圈区间。

软件设计主要包括对LDC1314的初始化参数配置和系统相关应用程序的设计，全部基于Arduino IDE开发，用C语言编写程序，初始化完毕后，进入检测环节，采用查询和中断相结合的方式完成检测，一旦检测到线圈电感量发生变化并超过一定阈值，则判断列车占用改区间，并根据上一个占用情况即可确定列车运动的方向、列车的速度，然后控制器根据调度指令控制相应道岔动作、信号机点灯控制等操作，完成沙盘模型列车运动控制的目的。

图4为本发明所提供的机车位置检测系统结构图，如图4所示，一种机车位置检测系统，包括：

第一线圈电感获取模块401，用于获取第一时刻的第一线圈电感。

第一判断模块402，用于根据所述第一时刻的第一线圈电感判断是否有机车经过轨道，得到第一判断结果。

第二线圈电感获取模块403，用于若所述第一判断结果表示为有机车经过轨道，获取第二时刻的第二线圈电感。

机车参数确定模块404，用于根据所述第一线圈电感以及所述第二线圈电感确定所述机车的当前位置、运动速度以及运动方向。

所述机车参数确定模块404具体包括：第一位置确定单元，用于根据所述第一线圈电感确定所述机车的第一位置；第二位置确定单元，用于根据所述第二线圈电感确定所述机车的第二位置；运动方向确定单元，用于将所述第一位置到所述第二位置的方向作为所述机车的运动方向；距离及时间获取单元，用于获取所述第一位置到所述第二位置的距离以及时间；运动速度确定单元，用于根据所述距离以及所述时间确定所述运动速度。

在实际应用中，由于一片LDC1314最多接4个PCB线圈3，对整个检测电路而已，要视线路的长短来确定PCB线圈3的多少，线路长，可能需要的线圈就多，根据需要额外增加LDC1314。

在制作PCB线圈时预留了钢轨的固定位置，将钢轨固定在PCB上，使得钢轨和PCB线圈3合二为一，如图1所示，由于PCB线圈3处于钢轨正下方，在钢轨正上方无任何凸起，所以机车在钢轨上运行时，不存在着机械卡死的现象，经过实际测试，采用LDC1314制作的机车位置检测电路，灵敏度非常的高，无漏检错检现象发生。

同时，本发明利用Arduino作为主控制器，LDC1314作为传感器及转换电路，完成了一款可用于模型列车位置检测的电路，避免了在钢轨上方安装检测器件和在机车上安装标志物而出现机械卡死的现象，将检测线圈和钢轨合二为一，通过PCB预留孔很好的解决了钢轨的安装问题，又提高了检测的可靠性和灵敏度，值得在机车沙盘模型中应用推广。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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发明的限制。

Claims (8)

1.一种机车位置检测电路，其特征在于，包括：单片机、电感数字转换器以及印刷电路板PCB线圈；

所述单片机与所述电感数字转换器相连接；

所述PCB线圈包括多个，所述PCB线圈与所述电感数字转换器相连接；所述PCB线圈与所述电感数字转换器之间并联有电容，所述PCB线圈与所述电容构成振荡电路；多个所述PCB线圈具有间隔且埋设于轨道的下方；当机车经过所述轨道时，所述振荡电路输出频率转换成数字量输出，由所述电感数字转换器接收，根据接收的数字量确定所述机车的当前位置、运动方向及运动速度。

2.根据权利要求1所述的机车位置检测电路，其特征在于，所述单片机为Ardiuno控制器；所述电感数字转换器为LCD1314；

所述LDC1314通过I2C总线与所述Ardiuno控制器进行通信；

所述LDC1314的中断输出引脚INB与Arduino的INTO引脚2相连；

所述LDC1314的引脚SD与Arduino的引脚4相连；

所述LDC1314的引脚CLKIN采用外部有源晶振输入40M的外部时钟信号，ADDR接地使得LDC1314的从机地址为0x2a。

3.根据权利要求2所述的机车位置检测电路，其特征在于，所述电感数字转换器的频率范围为1kHz～10MHz。

4.根据权利要求1所述的机车位置检测电路，其特征在于，所述LDC1314最多与4个PCB线圈相连接。

5.一种机车位置检测方法，其特征在于，所述检测方法应用于一种机车位置检测电路，所述检测电路包括：单片机、电感数字转换器以及印刷电路板PCB线圈；所述单片机与所述电感数字转换器相连接；所述PCB线圈包括多个，所述PCB线圈与所述电感数字转换器相连接；所述PCB线圈与所述电感数字转换器之间并联有电容，所述PCB线圈与所述电容构成振荡电路；多个所述PCB线圈具有间隔且埋设于轨道的下方；当机车经过所述轨道时，所述振荡电路输出频率转换成数字量输出，由所述电感数字转换器接收，根据接收的数字量确定所述机车的当前位置、运动方向及运动速度；

所述检测方法包括：

获取第一时刻的第一线圈电感；

根据所述第一时刻的第一线圈电感判断是否有机车经过轨道，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为有机车经过轨道，获取第二时刻的第二线圈电感；

根据所述第一线圈电感以及所述第二线圈电感确定所述机车的当前位置、运动速度以及运动方向。

6.根据权利要求5所述的机车位置检测方法，其特征在于，所述根据所述第一线圈电感以及所述第二线圈电感确定所述机车的当前位置、运动速度以及运动方向，具体包括：

根据所述第一线圈电感确定所述机车的第一位置；

根据所述第二线圈电感确定所述机车的第二位置；

将所述第一位置到所述第二位置的方向作为所述机车的运动方向；

获取所述第一位置到所述第二位置的距离以及时间；

根据所述距离以及所述时间确定所述运动速度。

7.一种机车位置检测系统，其特征在于，包括：

第一线圈电感获取模块，用于获取第一时刻的第一线圈电感；

第一判断模块，用于根据所述第一时刻的第一线圈电感判断是否有机车经过轨道，得到第一判断结果；

第二线圈电感获取模块，用于若所述第一判断结果表示为有机车经过轨道，获取第二时刻的第二线圈电感；

机车参数确定模块，用于根据所述第一线圈电感以及所述第二线圈电感确定所述机车的当前位置、运动速度以及运动方向。

8.根据权利要求7所述的机车位置检测系统，其特征在于，所述机车参数确定模块具体包括：

第一位置确定单元，用于根据所述第一线圈电感确定所述机车的第一位置；

第二位置确定单元，用于根据所述第二线圈电感确定所述机车的第二位置；

运动方向确定单元，用于将所述第一位置到所述第二位置的方向作为所述机车的运动方向；

距离及时间获取单元，用于获取所述第一位置到所述第二位置的距离以及时间；

运动速度确定单元，用于根据所述距离以及所述时间确定所述运动速度。