CN109367569B - 用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统，包括第一处理器、第二处理器和FIFO存储器；模拟采集单元、串行通讯接口单元、脉冲捕捉单元均和第一处理器的输入端连接，第一处理器的输出端和FIFO存储器的输入端连接，FIFO存储器的输出端和第二处理器的输入端连接，第二处理器的输出端和存储单元、通信接口单元均连接；时钟同步单元和第一处理器、第二处理器、模拟采集单元、串行通讯接口单元、脉冲捕捉单元均连接。本发明包含N个串行通讯接口单元，集成度高，可同步采集多种高数据输出率传感设备的检测数据，这样不同配置的轨道几何参数测量时只需要一个该系统；减小了因多个子系统堆砌而带来的数据整合难度及硬件故障率。

Description

用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统和方法

技术领域

本发明涉及轨道检测技术领域，具体涉及用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统和方法。

背景技术

列车运行的安全性及平稳性很大程度依托于轨道的平顺性，在轨道建设期及运营维护期都需要对轨道的几何状态进行精确测量以方便对其平顺性进行评估。轨道几何状态测量成为轨道建设及轨道维护的一项基本工作，服务于该项工作的各种轨道几何状态测量仪应运而生，它们通过光学、卫星导航、惯性导航等不同技术手段并辅以直线传感器、倾角传感器、里程计等多种传感器同时对轨道的轨向、轨距、超高、里程等多种几何参数进行精确测量。比如，轨道几何状态测量仪常以一种运行于轨道上的小车(俗称轨检小车)为载体，车体上集成各种传感器对相关参数进行测量，其中最具代表性的是以高精度全站仪(一种通过测角测距以获得高精度相对坐标的光学仪器)为主测量设备。而轨道几何参数测量的采集与存储对测量数据的安全性、有效性至关重要。轨道几何参数测量的采集与存储系统是多传感器融合轨道几何状态测量仪的一个关键组成。由于高精度全站仪数据量相对较少，目前的数据采集和存储是通过车体采集系统对直线电子尺、里程计、倾角计数据进行采集并打包实时输出到车体上架设工业电脑。

随着轨道交通的发展，高精度全站仪设备的走走停停，作业速度慢的缺点日渐突出，基于惯性导航测量及卫星导航测量或者几种测量方式相互融合的技术得以发展，其测量速度有了数倍甚至数十倍的提升，同时这些测量设备测量过程中所产生的原始数据量显著增加。在作业模式上也是趋向于现场采集与存储，最终测量结果的解算通过后处理的方式实现。而工业电脑实时采集存储受到传输带宽的限制，且传输过程中数据的不完整性及不稳定性会直接导致测量失败。另外，惯导系统数据输出频率达数百赫兹，卫星导航测量系统也达到数赫兹，各个传感器数据的实时同步要求非常高，数据的错位会对测量产生明显误差甚至直接导致测量失败。工业电脑是多线程处理模式，采集时很难满足多种传感器数据苛刻的同步对齐要求。简而言之，通过工业电脑采集和存储传感数据主要存在如下缺点：

1、数据采集率低；

2、用于高速数据率的串行接口少；

3、无本地存储，存储依托于电脑；

4、各传感器数据同步性能差；

5、人机交互接口少；

6、采集系统与电脑之间有线连接；

因此，行业急需一种能够解决克服上述缺点的应用在轨道几何状态测量系统的轨道几何参数测量的采集与存储系统或者方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统。

本发明的另一目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统，包括：中央运算与处理单元、时钟同步单元、N个串行通讯接口单元、脉冲捕捉单元、通信接口单元和模拟采集单元；N≥1；所述中央运算与处理单元包括：第一处理器、第二处理器和FIFO存储器；所述模拟采集单元、串行通讯接口单元、脉冲捕捉单元均和第一处理器的输入端连接，所述第一处理器的输出端和FIFO存储器的输入端连接，所述FIFO存储器的输出端和第二处理器的输入端连接，所述第二处理器的输出端和通信接口单元均连接；所述时钟同步单元和第一处理器、第二处理器、模拟采集单元、串行通讯接口单元、脉冲捕捉单元均连接。

优选地，所述时钟同步单元包括：相互连接的晶体振荡器和可编程逻辑器件；所述可编程逻辑器件还和第一处理器、第二处理器、模拟采集单元、串行通讯接口单元、脉冲捕捉单元均连接。

优选地，所述用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统还包括：电源管理单元；所述电源管理单元包括依次连接的第一级直流稳压器、第二级直流稳压器和第三级直流稳压器，所述第一级直流稳压器的输入端连接至供电电源。

优选地，所述供电电源为+29.6V的锂电池组。

优选地，所述通信接口单元包括：USB接口单元和无线数传单元；所述无线数传单元包括WIFI通讯接口单元。

优选地，所述用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统还包括：人机交互单元和存储单元；所述人机交互单元、存储单元和第二处理器的输出端均连接。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集方法，包括：时钟同步单元对第一处理器、第二处理器、N个串行通讯接口单元、模拟采集电路、脉冲捕捉单元进行时钟同步；N≥1；第一处理器同步采集轨道几何参数测量设备的检测数据，并将检测数据发送到FIFO存储器进行存储；第二处理器读取FIFO存储器内的检测数据，并进行运算处理。

优选地，所述第一处理器同步采集轨道几何参数测量设备的检测数据包括：第一处理器根据预先设定的第一通信协议通过串行通讯接口单元对高数据输出率传感设备的检测数据进行读取；模拟采集单元对模拟传感器的检测数据进行采集并转换，第一处理器根据预先设定的第二通信协议读取经模拟采集单元转换后的检测数据；脉冲捕捉单元对里程计脉冲进行捕捉识别，第一处理器根据预先设定的第三通信协议读取脉冲捕捉单元捕捉识别到的检测数据。

优选地，所述时钟同步单元对第一处理器、第二处理器、N个串行通讯接口单元、模拟采集电路、脉冲捕捉单元进行时钟同步包括：第一处理器启动可编程逻辑器件，可编程逻辑器件产生多路同步脉冲信号，并对同步脉冲信号进行计数；当同步脉冲信号的计数值达到与第一处理器约定的计数值时输出周期定标信号给第一处理器；时钟同步单元产生计数器外部脉冲、ADC外部启动脉冲至第一处理器；时钟同步单元产生计数器外部脉冲至第二处理器；时钟同步单元产生时钟脉冲给串行通讯接口。

优选地，所述用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集方法还包括：第一级直流稳压器将供电电源的电压转换成第一电压，并将第一电压输出到以第一电压为工作电压的单元为其供电，同时将第一电压输出至第二级直流稳压器；第二级直流稳压器将第一电压转换至第二电压，并输出到以第二电压为工作电压的单元为其供电，同时将第二电压输出至第三级直流稳压器；第三级直流稳压器将第二电压转换成第三电压，并输出到以第三电压为工作电压的单元为其供电。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

(1)本方案的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统的中央运算与处理单元包括第一处理器、第二处理器和FIFO存储器，第一处理器用于高速采集轨道几何参数测量设备的检测数据。FIFO存储器用于本地存储检测数据，第二处理器用于对检测数据进行处理、存储与交互，实现了双处理器协同工作模式，采集与数据处理、存储交互分开，保证采集与存储互不干扰。同时此种双处理器方式开发难度小。

(2)本方案的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统包含多个串行通讯接口单元，集成度高，可同步采集多种高数据输出率传感设备的检测数据，这样不同配置的轨道几何参数测量时只需要一个该系统；减小了因多个子系统堆砌而带来的数据整合难度及硬件故障率。

(3)本方案的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统包括时钟同步单元，保证轨道几何参数测量传感设备在动态测量过程中，多个测量参数处于轨道同一位置的精准性，避免参数错位，从而同步实现对惯性导航系统、GNSS接收机、轨枕识别器等多种高数据输出率传感设备进行数据采集。

(4)本方案的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统将第二处理器处理后的检测数据经WIFI通讯接口单元传输给电脑，可对当前测量状态进行初步检查及直观性显示，或者经USB接口单元发送到U盘进行存储。

附图说明

图1是本发明的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统的应用示意图。

图2是本发明的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统的结构框图。

图3是本发明的电源管理单元的结构框图。

图4是本发明的时钟同步单元工作的原理图。

图5是本发明的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1-4，用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统，包括：中央运算与处理单元、时钟同步单元、N个串行通讯接口单元、脉冲捕捉单元、通信接口单元和模拟采集单元；N≥1；所述中央运算与处理单元包括：第一处理器、第二处理器和FIFO存储器；所述模拟采集单元、串行通讯接口单元、脉冲捕捉单元均和第一处理器的输入端连接，所述第一处理器的输出端和FIFO存储器的输入端连接，所述FIFO存储器的输出端和第二处理器的输入端连接，所述第二处理器的输出端和通信接口单元均连接；所述时钟同步单元和第一处理器、第二处理器、模拟采集单元、串行通讯接口单元、脉冲捕捉单元均连接。

所述用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统安装于轨道几何状态检查仪(轨检小车)，轨道几何状态检查仪上还集成有全站仪、惯导仪、卫星导航接收机、轨距尺、轨枕识别器、倾角仪、里程计、温湿度计等轨道几何参数测量设备。其中，所述用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统通过多个串行通讯接口单元分别和惯导仪、卫星导航接收机、轨枕识别器、倾角仪、里程计连接，而惯导仪(惯性导航系统)、卫星导航接收机(GNSS接收机)、轨枕识别器均为高数据输出率传感设备，例如惯导系统达到200Hz数据输出率，这样所述用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统通过串行通讯接口单元可以实现对惯导仪、卫星导航接收机、轨枕识别器等多种高数据输出率传感设备的同步数据采集。所述用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统通过模拟采集单元和轨距尺、温湿度计、全站仪连接，通过脉冲捕捉单元和里程计连接。现有传感设备系统只有轨距尺、里程计、温度计、倾斜仪等具有低速采集功能的几个基础传感器，其同步通过电脑读取时间抓取，时间精准性差，但因为是静态作业(测量时停下来)而对测量结果影响不大，但是在高速动态测量时就会引起数据错位。

所述中央运算与处理单元包括两个处理器，分别为第一处理器、第二处理器。这样中央运算与处理单元可实现双CPU协同工作模式，第一处理器用于高速采集轨道几何参数测量设备的检测数据。第二处理器用于对检测数据进行处理、存储与交互；即第一处理器用于检测数据的采集，其根据预先设定的第一通信协议通过多个串行通讯接口单元对各个数字通讯设备或者传感器进行快速的数据读取，模拟采集单元对模拟传感器进行高速数据采集并转换，第一处理器根据预先设定的第二通信协议读取经模拟采集单元转换后的检测数据。脉冲捕捉单元对里程计脉冲进行捕捉识别；并同时将第一处理器读取的数据发送到FIFO存储器中存储，第二处理器读取FIFO存储器内的数据，并对数据进行计算、合并加工后进行存储、显示、传输。在本实施例，所述第一处理器和第二处理器均为型号为STM32F407的单片机。现有检测数据同步采集系统一般采取单处理器工作模式；或者现有技术中也有双核或者多核微处理器，但会存在开发难度大、接口不够、成本高等问题。

在本实施例，所述用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统还包括：电源管理单元；所述电源管理单元包括依次连接的第一级直流稳压器、第二级直流稳压器和第三级直流稳压器，所述第一级直流稳压器的输入端连接至供电电源。其中，所述供电电源为+29.6V的锂电池组。

参见图3，所述电源管理单元用于为所述用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统内的各个单元供电。其中第一级直流稳压器用于将锂电池组的+29.6V电压转换成+12V直流电压，并输出到以+12V为工作电压的单元为其供电，同时将+12V直流电压输出至第二级直流稳压器，第二级直流稳压器将+12V直流电压转换至+5V直流电压，并输出到以+5V为工作电压的单元为其供电，同时将+5V直流电压输出至第三级直流稳压器，第三级直流稳压器将+5V直流电压转换成+3.3V直流电压，并输出到以+3.3V为工作电压的单元为其供电。

在本实施例，所述时钟同步单元包括：相互连接的晶体振荡器和可编程逻辑器件；所述可编程逻辑器件还和第一处理器、第二处理器、模拟采集单元、串行通讯接口单元、脉冲捕捉单元均连接。

所述时钟同步单元工作原理如下：

所述晶体振荡器为高稳定度的，其产生时钟频率输入给可编程逻辑器件(PLD)，该可编程逻辑器件根据检测数据同步采集系统对时钟对齐精准性的需求产生多路同步的时钟脉冲给各个串行通讯接口，产生计数器外部脉冲、ADC外部启动脉冲至第一处理器，产生计数器外部脉冲至第二处理器。而该可编程逻辑器件受第一处理器的控制，在检测数据同步采集系统经历启动及自检并进入到多传感器数据同步采集阶段时，第一处理器启动可编程逻辑器件，该可编程逻辑器件产生多路同步脉冲信号。同时可编程逻辑器件内部也对该同步脉冲信号进行计数，在达到与第一处理器约定的计数值时输出周期定标信号给第一处理器，以防止第一处理器在数据采集过程中出现时钟丢失而造成错位。

在本实施例，所述通信接口单元包括：USB接口单元和无线数传单元。而所述无线数传单元包括WIFI通讯接口单元。

所述第一处理器将采集的检测数据传输至FIFO存储器，这样可以实现对采集的检测数据进行本地存储，能以最快速度和最高质量保证数据的完整性和可靠性；现有技术是实时存储到电脑，数据的高速性、完整性及可靠性会受电脑配置、软件处理能力、操作环境等因素影响。在第二处理器作业完成后可将全部原始数据通过USB接口单元拷贝到电脑进行数据处理或者U盘内进行存储。另外，还可以通过无线数传单元，比如WIFI通讯接口单元同步传输到现场操作的电脑，方便基本信息的显示与基本数据检查。

在本实施例，所述用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统还包括：人机交互单元和存储单元；所述人机交互单元、存储单元和第二处理器的输出端均连接。通过人机交互单元方便工作人员和该系统的交互处理。存储单元用于将第二处理器处理后的检测数据进行存储。

参见图5，适用于上述用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集方法，包括：

S11，时钟同步单元对第一处理器、第二处理器、N个串行通讯接口单元、模拟采集电路、脉冲捕捉单元进行时钟同步；N≥1；具体地，步骤S11包括第一处理器启动可编程逻辑器件，可编程逻辑器件产生多路同步脉冲信号，并对同步脉冲信号进行计数；当同步脉冲信号的计数值达到与第一处理器约定的计数值时输出周期定标信号给第一处理器；时钟同步单元产生计数器外部脉冲、ADC外部启动脉冲至第一处理器；时钟同步单元产生计数器外部脉冲至第二处理器；时钟同步单元产生时钟脉冲给串行通讯接口；

S12，第一处理器同步采集轨道几何参数测量设备的检测数据，并将检测数据发送到FIFO存储器进行存储；具体地，步骤S12包括：第一处理器根据预先设定的第一通信协议通过串行通讯接口单元对高数据输出率传感设备的检测数据进行读取；模拟采集单元对模拟传感器的检测数据进行采集并转换，第一处理器根据预先设定的第二通信协议读取经模拟采集单元转换后的检测数据；脉冲捕捉单元对里程计脉冲进行捕捉识别，第一处理器根据预先设定的第三通信协议读取脉冲捕捉单元捕捉识别到的检测数据。

S13，第二处理器读取FIFO存储器内的检测数据，并进行运算处理。

在本实施例，所述的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集方法还包括：第一级直流稳压器将供电电源的电压转换成第一电压，并将第一电压输出到以第一电压为工作电压的单元为其供电，同时将第一电压输出至第二级直流稳压器；第二级直流稳压器将第一电压转换至第二电压，并输出到以第二电压为工作电压的单元为其供电，同时将第二电压输出至第三级直流稳压器；第三级直流稳压器将第二电压转换成第三电压，并输出到以第三电压为工作电压的单元为其供电。其中，供电电源为+29.6V的锂电池组，第一电压为+12V直流电压，第二电压为+5V直流电压，第三电压为+3.3V直流电压。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统，其特征在于，包括：中央运算与处理单元、时钟同步单元、N个串行通讯接口单元、脉冲捕捉单元、通信接口单元和模拟采集单元；N≥1；

所述中央运算与处理单元包括：第一处理器、第二处理器和FIFO存储器；

所述模拟采集单元、串行通讯接口单元、脉冲捕捉单元均和第一处理器的输入端连接，所述第一处理器的输出端和FIFO存储器的输入端连接，所述FIFO存储器的输出端和第二处理器的输入端连接，所述第二处理器的输出端和通信接口单元均连接；所述时钟同步单元和第一处理器、第二处理器、模拟采集单元、串行通讯接口单元、脉冲捕捉单元均连接；

所述第一处理器同步采集轨道几何参数测量设备的检测数据，并将检测数据发送到FIFO存储器进行存储；第二处理器读取FIFO存储器内的检测数据，并进行运算处理。

2.根据权利要求1所述的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统，其特征在于，所述时钟同步单元包括：相互连接的晶体振荡器和可编程逻辑器件；

所述可编程逻辑器件还和第一处理器、第二处理器、模拟采集单元、串行通讯接口单元、脉冲捕捉单元均连接。

3.根据权利要求1所述的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统，其特征在于，还包括：电源管理单元；

所述电源管理单元包括依次连接的第一级直流稳压器、第二级直流稳压器和第三级直流稳压器，所述第一级直流稳压器的输入端连接至供电电源。

4.根据权利要求3所述的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统，其特征在于，所述供电电源为+29.6V的锂电池组。

5.根据权利要求1所述的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统，其特征在于，所述通信接口单元包括：USB接口单元和无线数传单元；

所述无线数传单元包括WIFI通讯接口单元。

6.根据权利要求1所述的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集系统，其特征在于，还包括：人机交互单元和存储单元；

所述人机交互单元、存储单元和第二处理器的输出端均连接。

7.用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集方法，其特征在于，包括：

时钟同步单元对第一处理器、第二处理器、N个串行通讯接口单元、模拟采集电路、脉冲捕捉单元进行时钟同步；N≥1；

第一处理器同步采集轨道几何参数测量设备的检测数据，并将检测数据发送到FIFO存储器进行存储；

第二处理器读取FIFO存储器内的检测数据，并进行运算处理。

8.根据权利要求7所述的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集方法，其特征在于，所述第一处理器同步采集轨道几何参数测量设备的检测数据包括：

第一处理器根据预先设定的第一通信协议通过串行通讯接口单元对高数据输出率传感设备的检测数据进行读取；

模拟采集单元对模拟传感器的检测数据进行采集并转换，第一处理器根据预先设定的第二通信协议读取经模拟采集单元转换后的检测数据；

脉冲捕捉单元对里程计脉冲进行捕捉识别，第一处理器根据预先设定的第三通信协议读取脉冲捕捉单元捕捉识别到的检测数据。

9.根据权利要求7所述的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集方法，其特征在于，所述时钟同步单元对第一处理器、第二处理器、N个串行通讯接口单元、模拟采集电路、脉冲捕捉单元进行时钟同步包括：

第一处理器启动可编程逻辑器件，可编程逻辑器件产生多路同步脉冲信号，并对同步脉冲信号进行计数；

当同步脉冲信号的计数值达到与第一处理器约定的计数值时输出周期定标信号给第一处理器；

时钟同步单元产生计数器外部脉冲、ADC外部启动脉冲至第一处理器；

时钟同步单元产生计数器外部脉冲至第二处理器；

时钟同步单元产生时钟脉冲给串行通讯接口。

10.根据权利要求7所述的用于轨道几何参数测量的检测数据同步采集方法，其特征在于，还包括：

第一级直流稳压器将供电电源的电压转换成第一电压，并将第一电压输出到以第一电压为工作电压的单元为其供电，同时将第一电压输出至第二级直流稳压器；

第二级直流稳压器将第一电压转换至第二电压，并输出到以第二电压为工作电压的单元为其供电，同时将第二电压输出至第三级直流稳压器；

第三级直流稳压器将第二电压转换成第三电压，并输出到以第三电压为工作电压的单元为其供电。

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