CN113715874B - 基于无线的地铁列车电子定位系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及基于无线的地铁列车电子定位系统，所述定位系统包括GPS/BDS传感器、列车主机、无线发射模块、无线接收模块、列车监控中心，GPS/BDS传感器、无线发射模块均与列车主机相连接，无线接收模块与列车监控中心连接，所述GPS/BDS传感器与无线发射模块之间还设有依次连接的差分信号处理模块、数据增益匹配模块、输出驱动模块。差分信号处理模块能够接收GPS/BDS传感器采集到的位置信息，并以差分的形式传入处理系统，进行差分增益处理。数据增益匹配模块首先将差分信号异步放大，然后通过场效应晶体管电流源进行驱动线与并将信号输入到下一级。输出驱动模块利用三极管和电阻进行定值放大，同时利用二极管单向导通性滤波性能对输出信号进行稳定输出。

Description

基于无线的地铁列车电子定位系统

技术领域

本申请涉及地铁列车与电子定位领域，具体涉及一种基于无线的地铁列车电子定位系统。

背景技术

随着全国各大城市轨道交通行业的快速发展，地铁已经成为城市交通网络的主要部分，地铁现在是上班族人群，市内出游人群的首要选择，但地铁的安全问题不容忽视，且因为其速度快，可躲避空间小，人流量大，我们就更加高度重视地铁的安全行驶。

尤其是地铁行驶在隧道中突然意外导致停车时，隧道压抑感强，给乘客带来很大的心理压力，目前地铁中现有的电子定位系统存在以下问题：1.信号的准确性差，处理结果精度低；2.信号传递功耗高；3.信号抗干扰能力弱。

如图1所示，为现有技术的差分处理电路，主要采用场效应晶体管作为放大元件，电压摆幅大，功耗低，然后场效应晶体管受电磁信号影响很大，准确性低，精度差。

如图2所示，为现有技术的跨导增益模块，共包括偏执产生电路、运算放大器核心结构以及共模反馈电路结构三部分，其中NMOS晶体管的启动电源在0.1V左右，反应迅速，然而，利用电容作为反馈电路的核心元件，容易受到外界电磁场的干扰，稳定性较差。

如图3所示，为现有技术的驱动模块，采用放大器芯片PA443作为驱动核心，可以输出350V的高电压，驱动能力很强，但是以芯片PA443作为放大核心，需要合理规划其外围配置电路，同时，其外围电路容易受到杂波干扰，从而导致信号失真。

发明内容

本发明针对以上问题，设计了基于无线的地铁列车电子定位系统，可以监控运行中地铁的位置，以便在地铁发生故障时，提前做出预防措施，减少伤害的产生。

本申请提出基于无线的地铁列车电子定位系统，所述定位系统包括GPS/BDS传感器、列车主机、无线发射模块、无线接收模块、列车监控中心，GPS/BDS传感器、无线发射模块均与列车主机相连接，无线接收模块与列车监控中心连接，所述GPS/BDS传感器与无线发射模块之间还设有依次连接的差分信号处理模块、数据增益匹配模块、输出驱动模块；所述差分信号处理模块接收GPS/BDS传感器输出的信号后对进行放大，将放大后的信号传输到数据增益匹配模块，数据增益匹配模块对信号进行稳定、去干扰后传输到输出驱动模块，输出驱动模块与无线发射模块相连接。

所述差分信号处理模块包括二极管D3和二极管D5，二极管D3的正极与GPS/BDS传感器的一个差分输出端、放大器U1A的同相输入端连接，二极管D3的负极通过电阻R20接地，二极管D5的正极与GPS/BDS传感器的另一差分输出端连接；所述二极管D5的负极与电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端与电容C8的一端、放大器U2A的同相输入端连接，放大器U2A的反相输入端通过电阻R16与电源VCC连接，放大器U2A的输出端与电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端与电阻R13的一端、二极管D4的另一端、瞬态抑制二极管D7的一端连接，电阻R13的另一端与电容C7的一端、二极管D4的正极、电阻R15的一端、电阻R19的一端、数据增益匹配模块的三极管Q9的基极连接；所述放大器U1A的反相输入端与电阻R7的一端连接，放大器U1A的输出端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与电容C1的一端、电阻R4的一端、二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与电阻R4的另一端、电容C5的一端、电阻R8的一端、电阻R12的一端、数据增益匹配模块的三极管Q4的集电极连接；所述电阻R7的另一端与二极管D1的负极、电容C4的一端、电阻R1的一端、电源VCC连接，且电源VCC与电容C1的另一端、电阻R8的另一端、电阻R15的另一端连接；所述瞬态抑制二极管D7的另一端、电容C7的另一端、电阻R19的另一端、电容C4的另一端、二极管D1的正极、电阻R1的另一端、电容C5的另一端、电阻R12的另一端均接地。

所述数据增益匹配模块包括三极管Q4，三极管Q4的集电极与电容C2的一端、三极管Q1的基极、差分信号处理模块的电阻R12的一端连接，三极管Q4的发射极与三极管Q9的集电极、三极管Q7的基极连接，三极管Q9的基极与差分信号处理模块的电阻R15的一端连接；所述三极管Q7的发射极与电阻R21的一端连接，三极管Q7的集电极与三极管Q4的基极、电阻R11的一端、场效应管Q6的栅极连接，电阻R11另一端与三极管Q1的发射极连接；所述场效应管Q6的源极与场效应管Q5的源极、输出驱动模块的三极管Q8的集电极连接，场效应管Q6的漏极与三极管Q2的发射极、电阻R5的一端连接；所述三极管Q2的集电极与电阻R2的一端连接，三极管Q2的基极与三极管Q3的基极、可变电阻R6的调节端、电容C6的一端连接，三极管Q3的集电极与电阻R3的一端连接，三极管Q3的发射极与场效应管Q5的漏极连接，场效应管Q5的栅极与输出驱动模块的电阻R14的一端连接，可变电阻R6的上端与电容C3的一端、无线发射模块的输入端连接；所述三极管Q9的发射极、可变电阻R6的下端、电阻R21的另一端、电容C6的另一端均接地，三极管Q1的集电极、电容C2的另一端、电阻R5的另一端、电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、电容C3的另一端均与电源VCC连接。

所述输出驱动模块包括三极管Q8，三极管Q8的发射极与电阻R23的一端连接，三极管Q8的集电极与数据增益匹配模块的场效应管Q6的源极连接，三极管Q8的基极与电容C9的一端、电阻R14的一端、电阻R24的一端、二极管D6的正极连接，电阻R14的另一端与数据增益匹配模块的场效应管Q5的栅极连接；所述二极管D6的负极与电阻R22的一端、肖特基二极管D8的负极、场效应管Q10的栅极连接，场效应管Q10的漏极与无线发射模块的输入端连接；所述电阻R23的另一端、电容C9的另一端、电阻R24的另一端、电阻R22的另一端、肖特基二极管D8的正极、场效应管Q10的源极均接地。

有益效果

本申请的基于无线的地铁列车电子定位系统，差分信号处理接收GPS/BDS传感器采集到的位置信息，以差分的形式传入处理系统，进行差分增益处理，极大程度的提高信号的准确性和处理结果的精度；数据增益匹配模块首先将差分信号异步放大，然后通过场效应晶体管电流源进行驱动线与并将信号输入到下一级，利用电流镜来驱动高精度信号，可以实现信号更好的传递，降低传输损耗；输出驱动模块利用三极管和电阻组成的放大电路进行定值放大，同时利用二极管单向导通性滤波性能对输出信号进行稳定输出，可以提高信号的精度和抗干扰能力。

附图说明

图1为现有技术的差分处理电路原理图。

图2为现有技术的跨导增益模块原理图。

图3为现有技术的驱动模块原理图。

图4为本申请的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

一种基于无线的地铁列车电子定位系统，所述定位系统包括GPS/BDS传感器、列车主机、无线发射模块、无线接收模块、列车监控中心，GPS/BDS传感器、无线发射模块均与列车主机相连接，无线接收模块与列车监控中心连接，GPS/BDS传感器用于对地铁列车进行位置定位，列车主机用于接收GPS/BDS传感器的位置信息供列车员根据地铁列车的航线进行实时确认匹配，无线发射模块可以将GPS/BDS传感器检测到的列车的位置信息发送到无线接收模块，列车监控中心通过无线接收模块接收GPS/BDS传感器的位置信息实时监控地铁列车的行进状态。

如图4所示，为本申请提出基于无线的地铁列车电子定位系统原理图，所述GPS/BDS传感器与无线发射模块之间还设有差分信号处理模块、数据增益匹配模块、输出驱动模块，所述差分信号处理模块接收GPS/BDS传感器输出的信号后对进行放大，将放大后的信号传输到数据增益匹配模块，数据增益匹配模块对信号进行稳定、去干扰后传输到输出驱动模块，输出驱动模块与无线发射模块相连接。

差分信号处理模块主要是接收GPS/BDS传感器采集到的位置信息，并以差分的形式传入处理系统，进行差分增益处理。信号从输入端INPUTA和输入端INPUTB双端以差分信号的形式输入到电路系统中，经过二极管D3、二极管D5隔除环境干扰直流分量。之后信号接入放大器U1A和放大器U2A放大器进行正向差分放大，放大倍数会根据电阻R7和电阻R16来确定，提高可调电阻提高电路的可适应性。电容C1和电容C5主要滤除输出信号中的电压纹波，对运放输出信号进行抗干扰处理。电阻R4和二极管D2并联，滤除有效信号的低压部分，保留高压部分，并通过电阻R8和电阻R12进行载压值增大，便于后续信号的处理；同理电阻R13和二极管D4对信号进行同样的处理，不过这个是保留低压部分，滤除高压部分，其中稳压二极管D7对电阻R17和二极管D4接点处的电位，进行整体增高，以此保留特定部分的低压信号，电容C7连接输出信号和地，对输出电压的纹波进行滤除。

具体而言，所述差分信号处理模块包括二极管D3和二极管D5，二极管D3的正极与GPS/BDS传感器的一个差分输出端、放大器U1A的同相输入端连接，二极管D3的负极通过电阻R20接地，二极管D5的正极与GPS/BDS传感器的另一差分输出端连接；所述二极管D5的负极与电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端与电容C8的一端、放大器U2A的同相输入端连接，放大器U2A的反相输入端通过电阻R16与电源VCC连接，放大器U2A的输出端与电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端与电阻R13的一端、二极管D4的另一端、瞬态抑制二极管D7的一端连接，电阻R13的另一端与电容C7的一端、二极管D4的正极、电阻R15的一端、电阻R19的一端、数据增益匹配模块的三极管Q9的基极连接；所述放大器U1A的反相输入端与电阻R7的一端连接，放大器U1A的输出端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与电容C1的一端、电阻R4的一端、二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与电阻R4的另一端、电容C5的一端、电阻R8的一端、电阻R12的一端、数据增益匹配模块的三极管Q4的集电极连接；所述电阻R7的另一端与二极管D1的负极、电容C4的一端、电阻R1的一端、电源VCC连接，且电源VCC与电容C1的另一端、电阻R8的另一端、电阻R15的另一端连接；所述瞬态抑制二极管D7的另一端、电容C7的另一端、电阻R19的另一端、电容C4的另一端、二极管D1的正极、电阻R1的另一端、电容C5的另一端、电阻R12的另一端均接地。

数据增益匹配模块会对差分信号异步放大，之后通过场效应晶体管电流源进行驱动线与后输入下一级。放大后的信号经过二极管和电阻成的电压控制模块，可以形成阈值电压判断，对信号进行进一步处理。之后，信号进入级联三极管Q9和三极管Q7进行级联增益匹配，同时利用场效应管Q6和场效应管Q5组成的镜像电流源对其进行驱动，增益匹配可以使差分进行处理的数据信号更加准确。电容C2和C3主要是隔离电源电压，滤除传递信号的纹波。三极管Q4主要起到正反馈的作用，三极管Q1和Q7对各自部分信号进行放大处理后，同时接到场效应管Q6和三极管Q4基极，场效应管Q6的输出信号进行后续处理。三极管Q4会将信号输出到Q1的基极，进行压值信号的反馈，保证高压和低压信号的稳定。而电阻R6、三极管Q3和Q2构成负反馈电路，保证输出信号的稳定。首先通过调节滑变电阻R6的阻值，调节OUTPUT信号参加负反馈的比例，之后经过三极管Q3进行稳定后，通过发射极传递到场效应管Q5的漏极；同时信号还可通过三极管Q2的基极输入，Q2的发射极输出到场效应管Q6的漏极，两者可不同比例的改变场效应管Q6和Q5的栅极电压。

具体而言，所述数据增益匹配模块包括三极管Q4，三极管Q4的集电极与电容C2的一端、三极管Q1的基极、差分信号处理模块的电阻R12的一端连接，三极管Q4的发射极与三极管Q9的集电极、三极管Q7的基极连接，三极管Q9的基极与差分信号处理模块的电阻R15的一端连接；所述三极管Q7的发射极与电阻R21的一端连接，三极管Q7的集电极与三极管Q4的基极、电阻R11的一端、场效应管Q6的栅极连接，电阻R11另一端与三极管Q1的发射极连接；所述场效应管Q6的源极与场效应管Q5的源极、输出驱动模块的三极管Q8的集电极连接，场效应管Q6的漏极与三极管Q2的发射极、电阻R5的一端连接；所述三极管Q2的集电极与电阻R2的一端连接，三极管Q2的基极与三极管Q3的基极、可变电阻R6的调节端、电容C6的一端连接，三极管Q3的集电极与电阻R3的一端连接，三极管Q3的发射极与场效应管Q5的漏极连接，场效应管Q5的栅极与输出驱动模块的电阻R14的一端连接，可变电阻R6的上端与电容C3的一端、无线发射模块的输入端连接；所述三极管Q9的发射极、可变电阻R6的下端、电阻R21的另一端、电容C6的另一端均接地，三极管Q1的集电极、电容C2的另一端、电阻R5的另一端、电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、电容C3的另一端均与电源VCC连接。

输出驱动模块主要是利用三极管和电阻进行定值放大，以及利用二极管单向导通性滤波性能对输出信号进行稳定输出。信号经过增益匹配后，输入到三极管Q8中，三极管Q8和电阻R23构成共发射极电路，起到信号反馈的作用，场效应管Q5栅极输出信号经过电阻R14后，一路进行输出，一路进行反馈，反馈信号从三极管Q8的基极输入集电极输出。肖特基二极管D8和电阻R22组成升压电路，提供固定电压，使信号负载在高一点的直流电压上，增强信号的抗干扰性。电容C9对反馈信号的压值进行纹波滤除；二极管D6主要是将前级电路处理过程中产生的低压干扰信号进行滤除。

具体而言，所述输出驱动模块包括三极管Q8，三极管Q8的发射极与电阻R23的一端连接，三极管Q8的集电极与数据增益匹配模块的场效应管Q6的源极连接，三极管Q8的基极与电容C9的一端、电阻R14的一端、电阻R24的一端、二极管D6的正极连接，电阻R14的另一端与数据增益匹配模块的场效应管Q5的栅极连接；所述二极管D6的负极与电阻R22的一端、肖特基二极管D8的负极、场效应管Q10的栅极连接，场效应管Q10的漏极与无线发射模块的输入端连接；所述电阻R23的另一端、电容C9的另一端、电阻R24的另一端、电阻R22的另一端、肖特基二极管D8的正极、场效应管Q10的源极均接地。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (2)

1.基于无线的地铁列车电子定位系统，包括GPS/BDS传感器、列车主机、无线发射模块、无线接收模块、列车监控中心，GPS/BDS传感器、无线发射模块均与列车主机相连接，无线接收模块与列车监控中心连接，其特征在于：所述GPS/BDS传感器与无线发射模块之间还设有依次连接的差分信号处理模块、数据增益匹配模块、输出驱动模块；所述差分信号处理模块接收GPS/BDS传感器输出的信号后对进行放大，将放大后的信号传输到数据增益匹配模块，数据增益匹配模块对信号进行稳定、去干扰后传输到输出驱动模块，输出驱动模块与无线发射模块相连接；

所述数据增益匹配模块包括三极管Q4，三极管Q4的集电极与电容C2的一端、三极管Q1的基极、差分信号处理模块的电阻R12的一端连接，三极管Q4的发射极与三极管Q9的集电极、三极管Q7的基极连接，三极管Q9的基极与差分信号处理模块的电阻R15的一端连接；所述三极管Q7的发射极与电阻R21的一端连接，三极管Q7的集电极与三极管Q4的基极、电阻R11的一端、场效应管Q6的栅极连接，电阻R11另一端与三极管Q1的发射极连接；所述场效应管Q6的源极与场效应管Q5的源极、输出驱动模块的三极管Q8的集电极连接，场效应管Q6的漏极与三极管Q2的发射极、电阻R5的一端连接；所述三极管Q2的集电极与电阻R2的一端连接，三极管Q2的基极与三极管Q3的基极、可变电阻R6的调节端、电容C6的一端连接，三极管Q3的集电极与电阻R3的一端连接，三极管Q3的发射极与场效应管Q5的漏极连接，场效应管Q5的栅极与输出驱动模块的电阻R14的一端连接，可变电阻R6的上端与电容C3的一端、无线发射模块的输入端连接；所述三极管Q9的发射极、可变电阻R6的下端、电阻R21的另一端、电容C6的另一端均接地，三极管Q1的集电极、电容C2的另一端、电阻R5的另一端、电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、电容C3的另一端均与电源VCC连接；

所述输出驱动模块包括三极管Q8，三极管Q8的发射极与电阻R23的一端连接，三极管Q8的集电极与数据增益匹配模块的场效应管Q6的源极连接，三极管Q8的基极与电容C9的一端、电阻R14的一端、电阻R24的一端、二极管D6的正极连接，电阻R14的另一端与数据增益匹配模块的场效应管Q5的栅极连接；所述二极管D6的负极与电阻R22的一端、肖特基二极管D8的负极、场效应管Q10的栅极连接，场效应管Q10的漏极与无线发射模块的输入端连接；所述电阻R23的另一端、电容C9的另一端、电阻R24的另一端、电阻R22的另一端、肖特基二极管D8的正极、场效应管Q10的源极均接地。

2.根据权利要求1所述的基于无线的地铁列车电子定位系统，其特征在于：所述差分信号处理模块包括二极管D3和二极管D5，二极管D3的正极与GPS/BDS传感器的一个差分输出端、放大器U1A的同相输入端连接，二极管D3的负极通过电阻R20接地，二极管D5的正极与GPS/BDS传感器的另一差分输出端连接；所述二极管D5的负极与电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端与电容C8的一端、放大器U2A的同相输入端连接，放大器U2A的反相输入端通过电阻R16与电源VCC连接，放大器U2A的输出端与电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端与电阻R13的一端、二极管D4的另一端、瞬态抑制二极管D7的一端连接，电阻R13的另一端与电容C7的一端、二极管D4的正极、电阻R15的一端、电阻R19的一端、数据增益匹配模块的三极管Q9的基极连接；所述放大器U1A的反相输入端与电阻R7的一端连接，放大器U1A的输出端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与电容C1的一端、电阻R4的一端、二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与电阻R4的另一端、电容C5的一端、电阻R8的一端、电阻R12的一端、数据增益匹配模块的三极管Q4的集电极连接；所述电阻R7的另一端与二极管D1的负极、电容C4的一端、电阻R1的一端、电源VCC连接，且电源VCC与电容C1的另一端、电阻R8的另一端、电阻R15的另一端连接；所述瞬态抑制二极管D7的另一端、电容C7的另一端、电阻R19的另一端、电容C4的另一端、二极管D1的正极、电阻R1的另一端、电容C5的另一端、电阻R12的另一端均接地。

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