CN112550376A - 列车测速系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种列车测速系统及方法，列车测速系统包括两个同步运行的测速子系统，每一测速子系统包括速度传感器、可编程逻辑器件和CPU，所述速度传感器安装于列车车轮；在每一测速子系统中，所述速度传感器用于采集车轮齿数并向所述可编程逻辑器件发送脉冲信号，所述可编程逻辑器件用于以第一预设频率采样所述脉冲信号以统计脉冲数量，并以第二预设频率对计数值进行锁存，所述CPU用于以所述第二预设频率获取所述可编程逻辑器件锁存的所述计数值，根据所述计数值计算所述列车的速度；若在同一时刻两个所述CPU计算出的速度的误差在预设范围内，则判定测速结果无异常，并输出所述列车的速度，以提高列车测速的准确性。

Description

列车测速系统及方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通技术领域，特别涉及一种列车测速系统及方法。

背景技术

在城市轨道交通应用中，列车对速度检测的要求越来越高，测速准确性和可靠性已经成为影响列车行车安全及运营性能的重要指标。列车本身的速度检测、闭塞区间控制、安全防护、制动控制、进站停车位置等功能都需要一个准确的测速结果。

发明内容

本发明的目的是提供一种列车测速系统及方法，以提高列车测速的准确性。

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种列车测速系统，包括两个同步运行的测速子系统，每一测速子系统包括速度传感器、可编程逻辑器件和CPU，所述速度传感器安装于列车车轮；

在每一测速子系统中，所述速度传感器用于采集车轮齿数并向所述可编程逻辑器件发送脉冲信号，所述可编程逻辑器件用于以第一预设频率采样所述脉冲信号以统计脉冲数量，并以第二预设频率对计数值进行锁存，所述CPU用于以所述第二预设频率获取所述可编程逻辑器件锁存的所述计数值，根据所述计数值计算所述列车的速度；

若在同一时刻两个所述CPU计算出的速度的误差在预设范围内，则判定测速结果无异常，并输出所述列车的速度。

进一步的，在上述列车测速系统中，两个所述速度传感器分别为光电式速度传感器和霍尔式速度传感器。

进一步的，在上述列车测速系统中，两个所述速度传感器安装于所述列车的不同车轮上。

进一步的，在上述列车测速系统中，在每一测速子系统中，所述速度传感器包括两个采集单元，分别通过独立传输通道向所述可编程逻辑器件发送脉冲信号，所述可编程逻辑器件使用两个端口接收两路脉冲信号，所述两个采集单元的脉冲相位差不等于0。

进一步的，在上述列车测速系统中，所述两个采集单元的脉冲相位差为90°。

进一步的，在上述列车测速系统中，所述可编程逻辑器件根据两路脉冲信号的脉冲相位差确定方向，正向则计数递增，逆向则计数递减；

所述CPU将本次获取的所述计数值与上一次获取的所述计数值相比较，若所述计数值增大则判定所述列车为正向行驶，若所述计数值减小则判定所述列车为逆向行驶。

进一步的，在上述列车测速系统中，所述可编程逻辑器件将每一路的计数值分别进行锁存，所述CPU获取所述可编程逻辑器件锁存的两个计数值。

进一步的，在上述列车测速系统中，所述传输通道包括电磁兼容防护电路、滤波电路、比较电路、开关电路和隔离电路；

所述电磁兼容防护电路用于对所述采集单元送入的脉冲信号进行保护；

所述滤波电路用于对所述脉冲信号中的毛刺和/或高频杂波进行过滤；

所述比较电路用于对滤波后的所述脉冲信号进行比较；

所述开关电路用于对比较后的所述脉冲信号开关控制；

所述光耦隔离电路用于对比较后的所述脉冲信号进行光耦隔离。

进一步的，在上述列车测速系统中，所述第一预设频率与所述第二预设频率比值大于等于1000。

一种列车测速方法，采用一种列车测速系统实现，所述列车测速系统包括两个同步运行的测速子系统，每一测速子系统包括速度传感器、可编程逻辑器件和CPU，所述速度传感器安装于列车车轮，所述列车测速方法包括：

两个测速子系统同步运行，所述速度传感器采集车轮齿数并向所述可编程逻辑器件发送脉冲信号，所述可编程逻辑器件以第一预设频率采样所述脉冲信号以统计脉冲数量，并以第二预设频率对计数值进行锁存；所述CPU以所述第二预设频率获取所述可编程逻辑器件锁存的所述计数值，根据所述计数值计算所述列车的速度；

若在同一时刻两个所述CPU计算出的速度的误差在预设范围内，则判定测速结果无异常，并输出所述列车的速度。

进一步的，在上述列车测速方法中，两个所述速度传感器安装于所述列车的不同车轮上。

进一步的，在上述列车测速方法中，两个所述速度传感器分别为光电式速度传感器和霍尔式速度传感器。

进一步的，在上述列车测速方法中，所述速度传感器包括两个采集单元，分别通过独立传输通道向所述可编程逻辑器件发送脉冲信号，所述可编程逻辑器件使用两个端口接收两路脉冲信号，所述两个采集单元的脉冲相位差不等于0。

进一步的，在上述列车测速方法中，所述两个采集单元的脉冲相位差为90°。

进一步的，在上述列车测速方法中，所述可编程逻辑器件根据两路脉冲信号的脉冲相位差确定方向，正向则计数递增，逆向则计数递减；

所述CPU将本次获取的所述计数值与上一次获取的所述计数值相比较，若所述计数值增大则判定所述列车为正向行驶，若所述计数值减小则判定所述列车为逆向行驶。

进一步的，在上述列车测速方法中，所述可编程逻辑器件将每一路的计数值分别进行锁存，所述CPU获取所述可编程逻辑器件锁存的两个计数值。

进一步的，在上述列车测速方法中，所述传输通道包括电磁兼容防护电路、滤波电路、比较电路、开关电路和隔离电路；

所述电磁兼容防护电路用于对所述采集单元送入的脉冲信号进行保护；

所述滤波电路用于对所述脉冲信号中的毛刺和/或高频杂波进行过滤；

所述比较电路用于对滤波后的所述脉冲信号进行比较；

所述开关电路用于对比较后的所述脉冲信号开关控制；

所述光耦隔离电路用于对比较后的所述脉冲信号进行光耦隔离。

进一步的，在上述列车测速方法中，所述第一预设频率与所述第二预设频率比值大于等于1000。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.采用两个速度传感器结合各自的可编程逻辑器件及CPU组成两个测速子系统进行测速，将两个测速子系统的测速结果采用二取二原理进行比较，当两个测速结果的误差在预设范围内才表示测速结果无异常，如此可保证测速结果安全可靠。

2.两台速度传感器分别为光电式和霍尔式，由于光电式传感器使用光感原理而霍尔式传感器使用磁敏原理，所以使用不同采集原理的传感器可避免由外部光或电磁干扰导致的两台速度传感器同时失效或误采集；

3.两台速度传感器安装在两个不同车轮上，可以避免因单个车轮因出现空转打滑等现象导致获取的速度与真实速度间产生较大偏差；

4.使用独立的速度传感器信号传输电路，对信号进行加强和隔离，增强信号容错性的同时，避免外部干扰通过传感器对内的传输线路引入设备内部；

5.两个速度传感器的采集结果最终需要经过比较，当比较误差在一定范围内方可接收使用，否则应采用要求重测、对外报警等措施，实施异常处理；

6.可编程逻辑器件可采用速度较低资源不多的CPLD或FPGA，CPU可以采用较低速度、低功耗的PowerPC或ARM系列CPU，整体方案价格便宜，且器件选择灵活度较高，成本低、实施便利度较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，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为本发明一实施例提供的列车测速系统的结构图；

图2为速度传感器双通道连接图；

图3为传输通道的电路结构图；

图4为可编程逻辑器件速度传感器模块结构图。

具体实施方式

以下结合附图1～4和具体实施方式对本发明提出的列车测速系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

本发明一实施例提供的一种列车测速系统包括两个同步运行的测速子系统，每一测速子系统包括速度传感器、可编程逻辑器件和CPU。如图1所示，测速子系统1包括速度传感器11、可编程逻辑器件12和CPU13，测速子系统2包括速度速度传感器21、可编程逻辑器件22和CPU23。

速度传感器11、12安装在列车车轮上，优选的安装于列车的不同车轮上，可以避免尹单个车轮尹出现空转、打滑等现象导致获取的速度与真实速度件产生较大偏差。优选的，速度传感器11、12是两种不同采集原理的传感器，例如分别为光电式和霍尔式，由于光电式传感器使用光感原理而霍尔式传感器使用磁敏原理，所以使用不同采集原理的传感器可避免由外部光或电磁干扰导致的两台速度传感器同时失效或误采集。

可编程逻辑器件12、22可采用速度较低资源不多的CPLD或FPGA，CPU13、23可以采用较低速度、低功耗的PowerPC或ARM系列CPU。如此可使得整体系统价格便宜，且器件选择灵活度较高，成本低、实施便利度较高。

在测速子系统1中，速度传感器11用于采集车轮齿数并向可编程逻辑器件12发送脉冲信号，可编程逻辑器件12用于以第一预设频率A采样所述脉冲信号以统计脉冲数量，并以第二预设频率B对计数值进行锁存，CPU13用于以第二预设频率B获取可编程逻辑器件12锁存的所述计数值，根据计数值计算列车的速度；测速子系统2亦然，速度传感器21用于采集车轮齿数并向可编程逻辑器件22发送脉冲信号，可编程逻辑器件22用于以第一预设频率采样所述脉冲信号以统计脉冲数量，并以第二预设频率对计数值进行锁存，CPU23用于以第二预设频率获取可编程逻辑器件22锁存的所述计数值，根据计数值计算列车的速度。若在同一时刻两个所述CPU计算出的速度的误差在预设范围内，则测速结果无异常，并输出所述列车的速度。

具体的，所述第一预设频率A与所述第二预设频率B比值大于等于1000。例如，可编程逻辑器件12、22使用1us一次的固定频率(即第一预设频率A＝10⁶Hz)采样脉冲信号，统计脉冲数量，然后每2ms(即第一预设频率A＝0.5×10³Hz)进行一次计数值锁存。同时，编程逻辑器件12、22分别向CPU13、23发送中断信号，通知CPU13、23进行处理。CPU13、23每2ms收到中断信号后，通过软件驱动分别从可编程逻辑器件12、22获得锁存的计数值，通过单位时间内的计数值来计算列车速度。CPU13、23的取值及清中断操作必须在1ms内完成，确保不会影响下一个2ms的中断信号通知。

由此，两个CPU13、23即可在同一时刻分别计算出列车的速度，进行相互比较，根据比较的差异结果进行分析，当比较误差在一定范围内时表示测速过程无异常，测速结果可接收使用。否则应采用要求重测、对外报警等措施，实施异常处理。

优选的，速度传感器11具有两个采集单元分别采集齿数，两个采集单元分别通过独立传输通道向可编程逻辑器件12发送脉冲信号，可编程逻辑器件12使用两个端口接收两路脉冲信号，所述两个采集单元的脉冲相位差不等于0。两个采集单元的脉冲相位差优选为90°。同理，速度传感器21具有两个采集单元分别采集齿数，两个采集单元分别通过独立传输通道向可编程逻辑器件22发送脉冲信号，可编程逻辑器件22使用两个端口接收两路脉冲信号，所述两个采集单元的脉冲相位差不等于0。两个采集单元的脉冲相位差优选为90°。图2示出了速度传感器的双通道连接图。可以理解的是，速度传感器中设置两个采集单元，可以实现冗余通道容错和纠错的目的。需要说明的是，两个速度传感器11、12中两个采集单元的脉冲相位差可以相同也可以不同，本发明对此不作限定。

可编程逻辑器件12、22对两个采集单元发送的脉冲信号进行采样时，首先对两路脉冲信号的相位差进行解析，判断方向。由于两路脉冲信号的相位差φ固定，因此只要比较相位差φ是正还是负即可判断出方向，正向则计数递增，即计数值从0开始依次递增为正数，逆向则计数递减，即计数值从0开始依次递减为负数。然后，CPU13、23可分别将从可编程逻辑器件12、22获取的计数值与上一次获取的计数值相比较，若所述计数值增大则判定所述列车为正向行驶，若所述计数值减小则判定所述列车为逆向行驶。举例而言，若上一次获取的计数值为1000，本次获取的计数值为1500，即计数值增大，则所述列车为正向行驶，若上一次获得计数值为-500，本次获取的计数值为-1000，即计数值减小，则所述列车为逆向行驶。

在一种实施例中，可编程逻辑器件12、22可将每一路的计数值分别进行锁存，所述CPU13、23分别获取可编程逻辑器件12、22锁存的两个计数值，用于计算列车速度以及判断列车方向。具体的，可编程逻辑器件解析采样到的两路脉冲信号，不断向两路信号分别对应的两个寄存器内计数，正向则计数递增，逆向则计数递减，然后每2ms将两个寄存器内的计数值锁存到两个独立的锁存寄存器内，CPU可以由定时时钟触发中断，每2ms一次读取这两个独立锁存寄存器的计数值。

优选的，如图3所示，所述传输通道包括电磁兼容防护电路、滤波电路、比较电路、开关电路和隔离电路；

所述电磁兼容防护电路用于对所述采集单元送入的脉冲信号进行保护；

所述滤波电路用于对所述脉冲信号中的毛刺和/或高频杂波进行过滤；

所述比较电路用于对滤波后的所述脉冲信号进行比较；

所述开关电路用于对比较后的所述脉冲信号开关控制；

所述光耦隔离电路用于对比较后的所述脉冲信号进行光耦隔离。

采用上述速度传感器信号传输电路，可以对脉冲信号进行加强和隔离，增强信号容错性的同时，避免外部干扰通过传感器对内的传输线路引入设备内部。

具体的，采集单元送入的脉冲信号首先使用电磁兼容防护电路进行保护，通过使用以TVS管为主的电路连接采集信号和地信号，使得通过采集传输线缆直接注入和空间耦合注入的大能量冲击可及时泄放，对后级电路进行保护。TVS管选用protek的PSOT15C型器件。

滤波电路可使用较为典型的LC滤波电路对输入脉冲信号中的毛刺和高频杂波进行过滤，便于后级使用。

在比较电路中，通过对15V的内部参考电压进行分压，将3.75V作为比较阈值，选用LM2903比较器对滤波后的脉冲信号进行比较。脉冲信号送入反相输入端，参考电压3.75V送入同相输入端。当脉冲信号大于3.75V时比较电路输出0V，当脉冲信号小于3.75V时比较电路输出15V。

开关电路，使用NPN型三极管进行控制，比较器输出连接基级，三极管发射级接地，三极管集电极连接后级光耦的输入端负极。比较后的脉冲信号就是一个开关控制信号，用于开关光耦，使得光耦的输出脉冲波形与比较后的脉冲波形一致。

光耦隔离电路，可选用HCPL-060L型光耦，输入端正极连接15V的内部参考电压，输入端负极连接前级三极管的集电极，VCC和ENABLE均连接内部3.3V参考电压。因此在比较电路输出高电平时光耦输出0V，比较电路输出低电平时光耦输出3.3V。

最终送入编程逻辑器件的脉冲信号为3.3V内部脉冲信号。

图4是可编程逻辑器件速度传感器模块结构图，其功能是对发过来的脉冲信号进行同步、锁存，然后将锁存值送给CPU，由CPU计算脉冲频率来实现测速功能。可编程逻辑器件的具体信号接口如下：

各信号定义如下表所示：

基于同一发明构思，本发明还提供一种列车测速方法，采用一种列车测速系统实现，所述列车测速系统包括两个同步运行的测速子系统，每一测速子系统包括速度传感器、可编程逻辑器件和CPU，所述速度传感器安装于列车车轮，所述列车测速方法包括：

两个测速子系统同步运行，所述速度传感器采集车轮齿数并向所述可编程逻辑器件发送脉冲信号，所述可编程逻辑器件以第一预设频率采样所述脉冲信号以统计脉冲数量，并以第二预设频率对计数值进行锁存；所述CPU以所述第二预设频率获取所述可编程逻辑器件锁存的所述计数值，根据所述计数值计算所述列车的速度；

若在同一时刻两个所述CPU计算出的速度的误差在预设范围内，则判定所述列车正常行驶，并输出所述列车的速度。

优选的，在上述列车测速方法中，两个所述速度传感器安装于所述列车的不同车轮上。

优选的，在上述列车测速方法中，两个所述速度传感器分别为光电式速度传感器和霍尔式速度传感器。

优选的，在上述列车测速方法中，所述速度传感器包括两个采集单元，分别通过独立传输通道向所述可编程逻辑器件发送脉冲信号，所述可编程逻辑器件使用两个端口接收两路脉冲信号，所述两个采集单元的脉冲相位差不等于0。

优选的，在上述列车测速方法中，所述两个采集单元的脉冲相位差为90°。

优选的，在上述列车测速方法中，所述可编程逻辑器件根据两路脉冲信号的脉冲相位差确定方向，正向则计数递增，逆向则计数递减；

所述CPU将本次获取的所述计数值与上一次获取的所述计数值相比较，若所述计数值增大则判定所述列车为正向行驶，若所述计数值减小则判定所述列车为逆向行驶。

优选的，在上述列车测速方法中，所述可编程逻辑器件将每一路的计数值分别进行锁存，所述CPU获取所述可编程逻辑器件锁存的两个计数值。

优选的，在上述列车测速方法中，所述传输通道包括电磁兼容防护电路、滤波电路、比较电路、开关电路和隔离电路；

所述电磁兼容防护电路用于对所述采集单元送入的脉冲信号进行保护；

所述滤波电路用于对所述脉冲信号中的毛刺和/或高频杂波进行过滤；

所述比较电路用于对滤波后的所述脉冲信号进行比较；

所述开关电路用于对比较后的所述脉冲信号开关控制；

所述光耦隔离电路用于对比较后的所述脉冲信号进行光耦隔离。

优选的，在上述列车测速方法中，所述第一预设频率与所述第二预设频率比值大于等于1000。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法的实施例而言，由于其基本相似于系统实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

需要说明的是，在本文中，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。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种列车测速系统，其特征在于，包括两个同步运行的测速子系统，每一测速子系统包括速度传感器、可编程逻辑器件和CPU，所述速度传感器安装于列车车轮；

在每一测速子系统中，所述速度传感器用于采集车轮齿数并向所述可编程逻辑器件发送脉冲信号，所述可编程逻辑器件用于以第一预设频率采样所述脉冲信号以统计脉冲数量，并以第二预设频率对计数值进行锁存，所述CPU用于以所述第二预设频率获取所述可编程逻辑器件锁存的所述计数值，根据所述计数值计算所述列车的速度；

若在同一时刻两个所述CPU计算出的速度的误差在预设范围内，则判定测速结果无异常，并输出所述列车的速度。

2.如权利要求1所述的列车测速系统，其特征在于，两个所述速度传感器分别为光电式速度传感器和霍尔式速度传感器。

3.如权利要求1所述的列车测速系统，其特征在于，两个所述速度传感器安装于所述列车的不同车轮上。

4.如权利要求1所述的列车测速系统，其特征在于，在每一测速子系统中，所述速度传感器包括两个采集单元，分别通过独立传输通道向所述可编程逻辑器件发送脉冲信号，所述可编程逻辑器件使用两个端口接收两路脉冲信号，所述两个采集单元的脉冲相位差不等于0。

5.如权利要求4所述的列车测速系统，其特征在于，所述两个采集单元的脉冲相位差为90°。

6.如权利要求4所述的列车测速系统，其特征在于，所述可编程逻辑器件根据两路脉冲信号的脉冲相位差确定方向，正向则计数递增，逆向则计数递减；

所述CPU将本次获取的所述计数值与上一次获取的所述计数值相比较，若所述计数值增大则判定所述列车为正向行驶，若所述计数值减小则判定所述列车为逆向行驶。

7.如权利要求6所述的列车测速系统，其特征在于，所述可编程逻辑器件将每一路的计数值分别进行锁存，所述CPU获取所述可编程逻辑器件锁存的两个计数值。

8.如权利要求4所述的列车测速系统，其特征在于，所述传输通道包括电磁兼容防护电路、滤波电路、比较电路、开关电路和隔离电路；

所述电磁兼容防护电路用于对所述采集单元送入的脉冲信号进行保护；

所述滤波电路用于对所述脉冲信号中的毛刺和/或高频杂波进行过滤；

所述比较电路用于对滤波后的所述脉冲信号进行比较；

所述开关电路用于对比较后的所述脉冲信号进行开关控制；

所述光耦隔离电路用于对比较后的所述脉冲信号进行光耦隔离。

9.如权利要求1所述的列车测速系统，其特征在于，所述第一预设频率与所述第二预设频率比值大于等于1000。

10.一种列车测速方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的列车测速系统实现，包括：

两个测速子系统同步运行，所述速度传感器采集车轮齿数并向所述可编程逻辑器件发送脉冲信号，所述可编程逻辑器件以第一预设频率采样所述脉冲信号以统计脉冲数量，并以第二预设频率对计数值进行锁存；所述CPU以所述第二预设频率获取所述可编程逻辑器件锁存的所述计数值，根据所述计数值计算所述列车的速度；

若在同一时刻两个所述CPU计算出的速度的误差在预设范围内，则判定测速结果无异常，并输出所述列车的速度。

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