CN108995673B - 一种无砟轨道综合参数的监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无砟轨道综合参数的监测系统，包括微控制器、供电单元，还包括分别与微控制器连接的本地存储单元、测量电路、可编程控制开关阵列、公网通讯模块；其中，所述可编程控制开关阵列分别与测量电路、M个传感器接口连接，M≥1；所述测量电路包括振弦测量电路、电阻测量电路、电压测量电路、电流测量电路；所述公网通讯模块设置有独立天线；所述供电单元用于供电。本发明的监测系统体积小，连接与安装简单，成本低，适合高铁轨道旁安装和全线推广，同时将各种功能电路设计于一体，无需进行多系统集成。

Description

一种无砟轨道综合参数的监测系统及方法
技术领域
本发明涉及轨道监测及检测领域，特别涉及一种无砟轨道综合参数的监测系统及方法。
背景技术
我国高速铁路修建迅速，运行轨道里程持续增加，大部分采用无砟轨道方式进行修建，对轨道状态参数进行采集与分析对轨道平稳性、安全性及铁路建设持续改良有着非常重要的意义。其中，轨道状态参数包括钢轨、无砟轨道板、轨道板底座等部位的温度，轨道板应力应变，轨道板端翘曲位移，钢轨相对轨道板位移等；对轨道的温度、应力应变及相对位移进行实时监测采集分析，并上报到监测云平台入库进行更多层面的分析与报告，为轨道状态提供大数据分析。这属于轨道监测及检测领域，也属于高精度传感器应用领域。
高精度位移、温度、应力应变传感器种类繁多，其输出形式有振弦(一种通过振荡频率高低反馈传感参数的方式)、电阻、电压、电流等模拟形式或者SPI,RS485等数字类输出，但不管何种方式，最终需要满足现场精度要求的温度值，这使得采集设备种类也繁多。现有技术就是每个传感器厂家针对每一种单一接口类型传感器进行采集的测量控制单元。在高铁无砟轨道监测中，现有的技术实现方案主要是购买不同厂家的传感器和采集终端或者同一传感器厂家的传感器和多个采集终端进行系统集成。
由于传感器种类多，采集设备多，牵涉到安装、供电、通讯及数据格式等多方面的集成。其缺点主要是设备多，系统复杂、维护难度大、系统功耗大、可扩展性不强。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种无砟轨道综合参数的监测系统。
本发明的另一目的在于提供一种无砟轨道综合参数的监测方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种无砟轨道综合参数的监测系统，包括微控制器、供电单元，还包括分别与微控制器连接的本地存储单元、测量电路、可编程控制开关阵列、公网通讯模块；其中，所述可编程控制开关阵列分别与测量电路、M个传感器接口连接，M≥1；所述测量电路包括振弦测量电路、电阻测量电路、电压测量电路、电流测量电路；所述公网通讯模块设置有独立天线；所述供电单元用于供电。
所述微控制器采用cotex-M4(ARM公司提供的一种内核构架)系列的一款低功耗芯片。
所述本地存储单元采用工业级大容量NAND FLASH芯片(一种类型的闪存芯片)。
所述供电单元采取交流220V转直流12V的工业稳压电源、直流12V转直流12V的隔离稳压模块。工业稳压电源、隔离稳压模块同时作为整个系统总供电输入，可适应现场220V交流供电系统及12V太阳能供电系统。直流12V输入后再通过开关稳压电路及线性稳压电路转换成系统所需直流5V及直流3.3V电压，系统功耗低，所需供电电路及模块体积小，提高了系统集成度，
所述无砟轨道综合参数的监测系统，还包括壳体，微控制器、供电单元、本地存储单元、测量电路、可编程控制开关阵列、公网通讯模块均内置于壳体中，所述壳体防护等级为IP67。将供电、通讯及不同测量电路设计在一个电路板上并安装于小的壳体内，壳体防护等级IP67，接口方便简介，可方便安装于轨道附近，对轨道旁其它系统产生影响小。
所述可编程控制开关阵列包括继电器、CPLD(可编程逻辑器件)。
本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：
一种无砟轨道综合参数的监测方法，包括以下步骤：
S1、根据配置的工作模式，微控制器通过公网通讯模块拨号上网并登陆云端服务器与之交互需要设定的传感器数据及控制信息；
S2、根据配置可编程控制开关阵列，将每一个传感器连接到与之对应的测量电路；测量电路将所测数值上传至云端服务器，同时存储在本地备份；为了适配不同厂家的传感器，将传感值的计算放在云端服务器；
S3、为了达到每个与传感器接口连接的传感器能通过编程方式连接到不同的测量单元，本发明设计了一个以继电器和CPLD(可编程逻辑器件)组合产生的可编程控制开关阵列，微控制器产生切换逻辑与时序，确定可编程控制开关阵列的工作模式；微控制器通过CPLD产生数字电路的开关逻辑，进而控制继电器切换；此时，当测量某一个传感器时，微控制器根据配置给CPLD一个控制组合，CPLD再通过设计的逻辑关系控制相应的继电器切换。
所述传感器与传感器之间是相互隔离的，不会发生串扰，传感器能够通过配置自由切换到各个测量电路。
所述测量电路包括振弦测量电路、电阻测量电路、电压测量电路、电流测量电路。
所述电阻测量电路、电流测量电路分别将测得的电阻、电流转换成电压，最后通过A/D(模拟/数字)转换器将模拟量转化成数字量传输至微控制器，微控制器通过电路参数计算出对应的电阻值、电流值；
所述电压测量电路测得的电压值通过A/D(模拟/数字)转换器将模拟量转化成数字量传输至微控制器，微控制器通过电路参数计算出对应的电压值。
所述振弦测量电路是以不同频率对传感器进行扫频式激励，当激励频率与传感器内部振弦固定频率(这个固有频率是与传感器的传感状态成某种数学关系，因此通过测频率来计算传感值)接近或相等时振弦余振最强、持续时间最久，通过对该余振频率的接收与识别并将频率计算出来即达到了振弦采集功能。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、高速铁路轨道旁，现场安装空间非常有限；监测系统最好是一个独立的系统，其通讯与供电不影响高铁现有供电、通讯系统。基于这种实际需求与现场条件，本发明设计一种紧凑通用功能齐全方便安装使用的终端系统，只需要将各种传感器安装在本终端系统的传感器接口，系统可通过本地配置或者远程配置好每一个接口的种类，采集时间与间隔，系统即可编程为适合现场应用的一个终端。
2、本发明将多种传感器测量电路设计于一体，现有方案是多模块或者多系统级，而本发明是板级。
3、本发明可通过远程配置来智能切换每一个通道的测量属性。现有方案只能通过搭配不同的测量系统来实现现场需求，具有智能可编程性。
4、现有技术方案无专门针对轨道监测点应力应变、位移、温度监测的专用设备，属系统集成，而本发明是针对现场需求设计的一款专用终端系统，其关键点和保护点在于支持待扩展与发掘。
5、本发明的监测系统体积小，连接与安装简单，成本低，适合高铁轨道旁安装和全线推广。现有技术手段是多套系统进行集成，而本发明是将各种功能电路设计于一体，无需进行多系统集成。
6、本发明可连接多类传感器，每个接口传感器的采集可以通过本地或远程进行配置进行可编程切换，现场可根据实际需要灵活选择传感器，例如某一个监测点是2个温度传感器，2个应力应变计，4个位移计；而另一个监测点可能是3三个温度传感器，4个应力应变计，1个位移计；而现有技术手段只能通过不同的系统搭配来实现。
7、本发明系统功耗低，适合小功率太阳能组合供电，现有技术多种系统需要一个复杂的供电系统，整体功耗不易控制，即使采用太阳能电池供电，其功率与体积将数倍于本发明。
附图说明
图1是本发明所述一种无砟轨道综合参数的监测系统的结构示意图。
图2是图1所述监测系统的供电单元的原理图。
图3是图1所述监测系统的电阻测量电路、电压测量电路、电流测量电路的原理图。
图4是图1所述监测系统的振弦测量电路的原理图。
图5是图1所述监测系统的可编程控制开关阵列的原理图。
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，但本发明的实施方式不限于此。
如图1、2、3、4、5所示，一种无砟轨道综合参数的监测系统，包括微控制器、供电单元，还包括分别与微控制器连接的本地存储单元、测量电路、可编程控制开关阵列、公网通讯模块；其中，所述可编程控制开关阵列分别与测量电路、M个传感器接口连接，M≥1；所述测量电路包括振弦测量电路、电阻测量电路、电压测量电路、电流测量电路；所述公网通讯模块设置有独立天线；所述供电单元用于供电。
所述微控制器采用cotex-M4(ARM公司提供的一种内核构架)系列的一款低功耗芯片。
所述本地存储单元采用工业级大容量NAND FLASH芯片(一种类型的闪存芯片)。
如图2所示，所述供电单元采取交流220V转直流12V的工业稳压电源、直流12V转直流12V的隔离稳压模块。工业稳压电源、隔离稳压模块同时作为整个系统总供电输入，可适应现场220V交流供电系统及12V太阳能供电系统。直流12V输入后再通过开关稳压电路及线性稳压电路转换成系统所需直流5V及直流3.3V电压，系统功耗低，所需供电电路及模块体积小，提高了系统集成度，
所述无砟轨道综合参数的监测系统，还包括壳体，微控制器、供电单元、本地存储单元、测量电路、可编程控制开关阵列、公网通讯模块均内置于壳体中，所述壳体防护等级为IP67。将供电、通讯及不同测量电路设计在一个电路板上并安装于小的壳体内，壳体防护等级IP67，接口方便简介，可方便安装于轨道附近，对轨道旁其它系统产生影响小。
所述可编程控制开关阵列包括继电器、CPLD(可编程逻辑器件)。
一种无砟轨道综合参数的监测方法，包括以下步骤：
S1、根据配置的工作模式，微控制器通过公网通讯模块拨号上网并登陆云端服务器与之交互需要设定的传感器数据及控制信息；
S2、根据配置可编程控制开关阵列，将每一个传感器连接到与之对应的测量电路；测量电路将所测数值上传至云端服务器，同时存储在本地备份；为了适配不同厂家的传感器，将传感值的计算放在云端服务器；
S3、为了达到每个与传感器接口连接的传感器能通过编程方式连接到不同的测量单元，本发明设计了一个以继电器和CPLD(可编程逻辑器件)组合产生的可编程控制开关阵列，微控制器产生切换逻辑与时序，确定可编程控制开关阵列的工作模式；微控制器通过CPLD产生数字电路的开关逻辑，进而控制继电器切换；此时，当测量某一个传感器时，微控制器根据配置给CPLD一个控制组合，CPLD再通过设计的逻辑关系控制相应的继电器切换。
表1为测量电路开关控制逻辑表；表2为通道开关控制逻辑表。
表1
表2
例如:在对通道2进行测量时,根据通道配置表获得通道2为振弦类传感器,此时将
测量控制信号设置为:S02S01S00＝001；
通道控制信号设置为S1X...S11S10＝0...10；
此时，其它测量单元处于悬空接入状态，其它通道处于悬空状态。
所述传感器与传感器之间是相互隔离的，不会发生串扰，传感器能够通过配置自由切换到各个测量电路。
如图3、4所示，所述测量电路包括振弦测量电路、电阻测量电路、电压测量电路、电流测量电路。
如图3所示，所述电阻测量电路、电流测量电路分别将测得的电阻、电流转换成电压，最后通过A/D(模拟/数字)转换器将模拟量转化成数字量传输至微控制器，微控制器通过电路参数计算出对应的电阻值、电流值；
如图3所示，所述电压测量电路测得的电压值通过A/D(模拟/数字)转换器将模拟量转化成数字量传输至微控制器，微控制器通过电路参数计算出对应的电压值。
如图4所示，所述振弦测量电路是以不同频率对传感器进行扫频式激励，当激励频率与传感器内部振弦固定频率(这个固有频率是与传感器的传感状态成某种数学关系，因此通过测频率来计算传感值)接近或相等时振弦余振最强、持续时间最久，通过对该余振频率的接收与识别并将频率计算出来即达到了振弦采集功能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无砟轨道综合参数的监测系统，其特征在于：包括微控制器、供电单元，还包括分别与微控制器连接的本地存储单元、测量电路、可编程控制开关阵列、公网通讯模块；其中，所述可编程控制开关阵列分别与测量电路、M个传感器接口连接，M≥1；所述测量电路包括振弦测量电路、电阻测量电路、电压测量电路、电流测量电路；所述公网通讯模块设置有独立天线；所述供电单元用于供电；
所述可编程控制开关阵列包括继电器、CPLD；
微控制器通过CPLD产生数字电路的开关逻辑，进而控制继电器切换；此时，当测量某一个传感器时，所述微控制器根据配置给CPLD一个控制组合，CPLD再通过测量电路开关控制逻辑表和通道开关控制逻辑表的描述来控制相应的继电器切换；
所述微控制器的型号为cotex-M4。
2.根据权利要求1所述无砟轨道综合参数的监测系统，其特征在于：所述本地存储单元采用工业级大容量NAND FLASH芯片。
3.根据权利要求1所述无砟轨道综合参数的监测系统，其特征在于：所述供电单元采取交流220V转直流12V的工业稳压电源、直流12V转直流12V的隔离稳压模块。
4.根据权利要求1所述无砟轨道综合参数的监测系统，其特征在于：还包括壳体，微控制器、供电单元、本地存储单元、测量电路、可编程控制开关阵列、公网通讯模块均内置于壳体中，所述壳体防护等级为IP67。
5.一种无砟轨道综合参数的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据配置的工作模式，微控制器通过公网通讯模块拨号上网并登陆云端服务器与之交互需要设定的传感器数据及控制信息；
S2、根据配置可编程控制开关阵列，将每一个传感器连接到与之对应的测量电路；测量电路将所测数值上传至云端服务器，同时存储在本地备份；
S3、微控制器产生切换逻辑与时序，确定可编程控制开关阵列的工作模式；微控制器通过CPLD产生数字电路的开关逻辑，进而控制继电器切换；此时，当测量某一个传感器时，微控制器根据配置给CPLD一个控制组合，CPLD再通过测量电路开关控制逻辑表和通道开关控制逻辑表的描述来控制相应的继电器切换。
6.根据权利要求5所述无砟轨道综合参数的监测方法，其特征在于：所述测量电路包括振弦测量电路、电阻测量电路、电压测量电路、电流测量电路。
7.根据权利要求6所述无砟轨道综合参数的监测方法，其特征在于：所述电阻测量电路、电流测量电路分别将测得的电阻、电流转换成电压，最后通过A/D转换器将模拟量转化成数字量传输至微控制器，微控制器通过电路参数计算出对应的电阻值、电流值；
所述电压测量电路测得的电压值通过A/D转换器将模拟量转化成数字量传输至微控制器，微控制器通过电路参数计算出对应的电压值。
8.根据权利要求6所述无砟轨道综合参数的监测方法，其特征在于：所述振弦测量电路是以不同频率对传感器进行扫频式激励，当激励频率与传感器内部振弦固定频率接近或相等时振弦余振最强、持续时间最久，通过对该余振频率的接收与识别并将频率计算出来即达到了振弦采集功能。
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