CN208569368U - 一种轨边车轮传感器智能处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种轨边车轮传感器智能处理装置，包括可编程逻辑门阵列电路模块FPGA、电源管理电路模块、触发信号处理电路模块、AD采集电路模块、网络电路模块、参数配置电路模块和模拟信号处理电路模块；所述的FPGA包括时序/逻辑控制电路模块、数字信号处理电路模块、智能控制电路模块和FIFO模块；本实用新型智能处理装置封装在铝制壳体中，壳体上设置有两个航空插头A和B、n个SMA接头以及4个BNC接头；n为正整数。本实用新型可在轨边实时处理多个车轮传感器信号，节约磁头电缆资源，探测站主机将车轮传感器采集信号和数字化红外探头采集数据进行时间同步，精准定位故障位置，实现THDS系统数字化和网络化。

Description

一种轨边车轮传感器智能处理装置

技术领域

本实用新型属于轨道交通运行安全监测领域，具体涉及一种轨边车轮传感器智能处理装置。

背景技术

利用红外非接触测温技术对运行设备进行在线无损探伤，是一种普遍采用且极为重要的机电系统运行监测手段。

车辆轴温智能探测系统(THDS)，基于红外辐射非接触测温技术，在线式实时探测运行状态下的列车轴承温度，可以准确且及时地排除车辆轴承故障隐患，现已经在我国轨道交通领域普及应用多年，成为我国铁路运行安全保障体系的重要一环。

在THDS系统中，安装在铁路轨道上的多个车轮传感器所采集信号用于实现系统开机、轴距和车速计算、探测位置判定等功能，是THDS系统的信号前哨和关键组成部分。目前，THDS系统中的多个车轮传感器采集信号都采用模拟信号分别经由各自的磁头电缆由轨边引入室内统一处理，这样处理不仅浪费了大量电缆资源，而且增加了系统复杂度和施工难度。同时，由于轨边电磁环境复杂，车轮传感器模拟信号长距离传输易受干扰。

另外，THDS系统在探测站机房内同步采集多个车轮传感器信号与红外探头信号，从而实现所采集温度信息与探测车轴位置精准对应。由于THDS系统采用在线式检测，同时探测目标距离近且列车运行速度快，传统方法将红外探头的模拟信号在轨边数字化后上传至探测站主机，但此时红外探头与车轮传感器信号无法实现同步采集，探测站主机无法将温度信息与车轴位置信息精准对应，从而无法实现温度故障车轴的准确定位。

实用新型内容

针对现有技术存在的电缆资源浪费、红外探头与车轮传感器采集的信号无法实现同步采集的问题，本实用新型提出一种轨边车轮传感器智能处理装置，可在轨边实时处理多个车轮传感器信号，节约磁头电缆资源，同时，可在轨边实现车轮传感器信号滤波、放大和数模转换等信号处理，探测站主机可以将车轮传感器采集信号和数字化红外探头采集数据进行时间同步，精准定位故障位置从而可以实现THDS系统数字化和网络化。

本实用新型提供的一种轨边车轮传感器智能处理装置封装在铝制壳体中，壳体上设置有两个航空插头A和B、n个SMA接头以及4个BNC接头；BNC表示卡扣配合型连接器；n为正整数。所述的智能处理装置包括：可编程逻辑门阵列电路模块FPGA、电源管理电路模块、触发信号处理电路模块、AD采集电路模块、网络电路模块、参数配置电路模块和模拟信号处理电路模块。所述的FPGA包括时序/逻辑控制电路模块、数字信号处理电路模块、智能控制电路模块和FIFO模块；FIFO表示先入先出队列；AD表示模数。

所述的电源管理电路模块通过航插A外接电源；所述的触发信号处理电路模块的输入端连接航插A，输出端连接时序/逻辑控制电路模块；所述的AD采集电路模块的输入端连接模拟信号处理电路模块的输出端和时序/逻辑控制电路模块，输出端连接数字信号处理电路模块；所述的模拟信号处理电路模块的输入端连接4个BNC接头，输出端连接AD采集电路模块和时序/逻辑控制电路模块；所述的网络电路模块的输入端连接FIFO模块和时序/逻辑控制电路模块，输出端通过航插B连接探测站主机；所述的参数配置电路模块与FPGA连接，通过时序/逻辑控制电路模块与网络电路模块连接；

所述的时序/逻辑控制电路模块分别与FPGA中的数字信号处理电路模块、智能控制电路模块和FIFO模块连接，时序/逻辑控制电路模块的输出还连接n个SMA接头；所述的数字信号处理电路模块的输入端连接AD采集电路模块，输出端连接FIFO模块；所述的智能控制电路模块与FIFO模块连接；所述的FIFO模块分别与数字信号处理电路模块、智能控制电路模块和网络电路模块连接。

相对于现有技术，本实用新型的优点在于：

1、本实用新型提出一种轨边车轮传感器智能处理装置，在轨边对多个车轮传感器进行模拟信号处理、模数转换和数字信号处理，实现了车轮传感器的信息化。增强了车轮传感器输出信号的可靠性，同时节约了大量车轮传感器信号电缆资源，也显著降低了THDS系统安装及检修施工复杂度。

2、本实用新型提出一种轨边车轮传感器智能处理装置，基于网络实现了轨边车轮传感器与探测站主机的数据通信，实现了车轮传感器的网络化。基于标准TCP/UDP协议通信，提高了数据传输的可靠性，可以实现轨边设备的统一网络化管理和数据共享。

3、本实用新型提出一种轨边车轮传感器智能处理装置，具备智能处理单元，实现了轨边车轮传感器的智能化。可以实现不依赖探测站主机向THDS系统轨边设备发送工作起始信号，可以自主计算车速、轴距等信息并利用网络上传探测站主机。

4、本实用新型提出一种轨边车轮传感器智能处理装置，该装置基于硬实时操作，以过车初始信号为基准时刻产生高精度计时时钟，为车轮传感器数据中插入了高精度的计时时间戳。同时该装置可输出多路同步触发信号，可以实现THDS系统轨边红外探头等设备的精准时钟同步。

附图说明

图1是本实用新型的一种轨边车轮传感器智能处理装置的结构示意图，其中箭头指示线为数据传输连接示意线，双端点曲线为控制信号连接示意线。

图中：

10-可编程逻辑门阵列电路模块FPGA；11-时序/逻辑控制电路模块；

12-数字信号处理电路模块；13-智能控制电路模块；14-FIFO模块；20-电源管理电路模块；

30-触发信号处理电路模块；40-AD采集电路模块；50-网络电路模块；

60-参数配置电路模块；70-模拟信号处理电路模块；航空插头A和B。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型提出的轨边车轮传感器智能处理装置，利用卡轨器安装在铁路轨道的钢轨上。

如图1所示，本实用新型提出一种轨边车轮传感器智能处理装置，封装在铝制壳体C中，壳体C上设置有两个航空插头A和B，n个SMA接头SMA_1,SMA_2,…,SMA_n，以及4个防水型BNC接头BNC_a,BNC_b,BNC_c,BNC_d。BNC表示卡扣配合型连接器，n为正整数。本实用新型的智能处理装置包括：可编程逻辑门阵列电路模块FPGA10、电源管理电路模块20、触发信号处理电路模块30、AD采集电路模块40、网络电路模块50、参数配置电路模块60和模拟信号处理电路模块70。所述的FPGA10实现的模块包括：时序/逻辑控制电路模块11、数字信号处理电路模块12、智能控制电路模块13和FIFO模块14，FIFO表示先入先出队列，AD表示数模。

所述的电源管理电路模块20和触发信号处理电路模块30都连接航空插头A。所述的电源管理电路模块20通过航插A外接电源，如探测站机房12V电源，对电源进行滤波和电平转换后，为本实用新型的智能处理装置中的各模块：触发信号处理电路模块30、可编程逻辑门阵列电路模块FPGA10、AD采集电路模块40、网络电路模块50、参数配置电路模块60和模拟信号处理电路模块70供电。

所述的触发信号处理电路模块30的输入端连接航插A，输出端连接FPGA10的时序/逻辑控制电路模块11。在外触发工作模式下，触发信号处理电路模块30通过航插A接收探测站主机发送的外部触发信号，对外部触发信号进行滤波、判定、电平转换等处理后发送给时序/逻辑控制电路模块11。

所述的AD采集电路模块40的输入端连接模拟信号处理电路模块70的输出端和时序/逻辑控制电路模块11，输出端连接数字信号处理电路模块12。在外触发工作模式下，AD采集电路模块40将模拟信号处理电路模块70发来的车轮传感器的模拟信号，在时序/逻辑控制电路模块11的控制下进行模数转换后，发送给数字信号处理电路模块12。所述AD采集电路模块用于实现车轮传感器模拟信号的数字信息化。

所述的模拟信号处理电路模块70的输入端连接4个BNC接头，输出端连接AD采集电路模块40和时序/逻辑控制电路模块11。在外触发工作模式下，模拟信号处理电路模块70通过4个BNC接头接收车轮传感器采集的四路模拟信号，对模拟信号进行滤波、放大、保持等处理后传送给AD采集电路模块40。在自触发工作模式下，模拟信号处理电路模块70通过一个BNC接头接收初始过车时产生的车轮传感器信号，对车轮传感器信号进行滤波、放大、保持等处理后发送给时序/逻辑控制电路模块11。

所述的网络电路模块50的输入端连接FIFO模块14和时序/逻辑控制电路模块11，输出端通过航插B连接探测站主机。当FIFO模块14中在车轮传感器信号数据达到预设长度后，网络电路模块50在时序/逻辑控制电路模块11的控制下，读取FIFO模块14中的数据，并基于TCP或UDP协议，通过航插B和网线上传给探测站主机。网络电路模块50实现了本实用新型的轨边车轮传感器智能处理装置的网络化，将车轮传感器的采集数据进行网络上传，同时实现了轨边车轮传感器智能处理装置与探测站主机的数据交互。

所述的参数配置电路模块60与FPGA10连接，通过时序/逻辑控制电路模块11与网络电路模块50连接。参数配置电路模块60将FPGA10配置文件导入FPGA10，完成FPGA10的初始化配置工作。参数配置电路模块60和通过时序/逻辑控制电路模块11与网络电路模块50相连接，探测站主机通过网络下发的相关配置参数到网络电路模块50，网络电路模块50发送给时序/逻辑控制电路模块11，时序/逻辑控制电路模块11将相关配置参数存入参数配置电路模块60。时序/逻辑控制电路模块11还可以从参数配置电路模块60读取智能控制电路模块13的算法参数、AD采集电路模块40的配置参数、网络电路模块50的配置参数等预设定参数。

所述的时序/逻辑控制电路模块11分别与FPGA10中的数字信号处理电路模块12、智能控制电路模块13和FIFO模块14连接，时序/逻辑控制电路模块的输出还连接n个SMA接头；同时与触发信号处理电路模块30、AD采集电路模块40、网络电路模块50和参数配置电路模块60连接，时序/逻辑控制电路模块11控制各模块按照既定时序/逻辑有序工作。时序/逻辑控制电路模块11输出还连接n个SMA接头。FPGA 10为轨边车轮传感器智能处理装置核心控制器件。在外触发工作模式下，时序/逻辑控制电路模块11在接收到触发信号处理电路模块30发来的外部触发信号后，基于硬实时操作处理外部触发信号，通过SMA接头发出多路高精度同步触发信号。在自触发模式下，时序/逻辑控制电路模块11接收到模拟信号处理电路模块70处理后的车轮传感器信号，在判定过车发生时，生产内部自触发信号，基于硬实时操作，通过SMA接头发出多路高精度同步触发信号，供给THDS系统轨边红外探头和其他设备作为时钟同步和工作起始信号。

所述的数字信号处理电路模块12的输入端连接AD采集电路模块40，输出端连接FIFO模块14。数字信号处理电路模块12在时序/逻辑控制电路模块11的控制下，以外触发或自触发时刻为基准时刻生产时间戳，对接收到的AD采集电路模块40发送的数据包，进行中值均值滤波等信号处理后，依据自定义协议，为数据插入报文、校验、计时时间戳等信息，而后将打包数据存入FPGA10内部的FIFO模块14。所述的数字信号处理模块12以外部触发或自触发时刻为基准时钟为车轮传感器数据插入高精度计时时钟信息，5分钟累积误差小于100μs。同时，轨边车轮传感器智能处理装置可输出多路触发信号，可作为THDS系统轨边其他设备的工作起始信号和时钟同步信号，各路触发时间最大误差小于50μs。

所述的智能控制电路模块13与FIFO模块14连接，智能控制电路模块13中预设计算轴距、车速等关键参数的算法，可以自适应选择工作模式，进行关键参数的自主计算，并利用网络上传给探测站主机。所述的智能控制电路模块13与FIFO模块14连接，读取FIFO模块14中的车轮传感器数据，依据预定算法计算车速、轴距等信息，而后将计算结果打包后回传FIFO模块14，然后经网络电路模块50上传给探测站主机。

所述的FIFO模块14分别与数字信号处理电路模块12、智能控制电路模块13和网络电路模块50连接。FIFO模块14从数字信号处理电路模块12接收车轮传感器信号的打包数据，接收智能控制电路模块13的计算结果数据，FIFO模块14通过网络电路模块50将车轮传感器信号的打包数据、智能控制电路模块13的计算结果数据上传给探测站主机。

本实用新型提供的轨边车轮传感器智能处理装置，在上电后，参数配置电路模块60将FPGA10配置文件导入FPGA10，完成FPGA10的初始化配置工作。FPGA10还可以从参数配置电路模块60读取智能控制电路模块13算法参数、AD采集电路模块40配置参数、网络电路模块50配置参数等预设定参数。同时，探测站主机也可以通过网络下发相关配置参数到FPGA 10，然后再存入参数配置电路模块60。

本实用新型提供的轨边车轮传感器智能处理装置具有两种工作模式：外触发模式和自触发模式，通过智能控制电路模块13可以自适应选择工作模式。外触发工作模式，接收探测站主机外部触发作为工作起始信号和基准计时时钟。自触发模式由自身判断一路车轮传感器信号作为工作起始时刻和基准计时时钟。

在外触发工作模式下，本实用新型装置通过航插A接收探测站主机发送的外部触发信号作为工作起始信号，触发信号处理电路模块30对外触发信号进行滤波、判定、电平转换等处理后发送给时序/逻辑控制电路模块11，时序/逻辑控制电路模块11以外部触发时刻为基准，基于硬实时操作处理外部触发信号，通过SMA接头发出多路高精度同步触发信号。本实用新型的轨边车轮传感器智能处理装置向外部输出的多路触发信号可以作为硬时钟同步信号，用于THDS系统轨边红外探头的时钟同步和工作起始信号。同时，在时序/逻辑控制电路模块11的时序和逻辑控制下，各模块开始有序工作。四路车轮传感器模拟信号首先通过4个BNC接头a，b，c，d引入到模拟信号处理电路模块70，模拟信号处理电路模块70对信号进行滤波、放大、保持等操作都传送给AD采集电路模块40，AD采集电路模块40在时序/逻辑控制电路模块11的控制下，对经处理后的四路车轮传感器模拟信号就模数转换后发送给数字信号处理电路模块12，数字信号处理电路模块12在时序/逻辑控制电路模块11的控制下，会以外触发时刻为基准时刻生产时间戳，在接收到AD采集电路模块40发送的数据包，对数据进行中值均值滤波等信号处理，然后依据自定义协议，为数据插入报文、校验、计时时间戳等信息，而后将打包数据存入FPGA10内部的FIFO模块14。FIFO模块14通过乒乓操作提高数据存取速度，当FIFO模块14中在车轮传感器信号数据达到预设长度后，在时序/逻辑控制电路模块11的控制下，网络电路模块50读取FIFO模块14中的数据，并基于TCP或UDP协议，通过航插B和网线上传给探测站主机。

自触发模式下，本实用新型的轨边车轮传感器智能处理装置根据一路BNC_a通道车轮传感器信号生产内部自触发信号，同时向轨边各设备发出开机和时钟同步信号。BNC_a接头将初始过车时产生的车轮传感器信号，经过模拟信号处理电路模块70处理后，发送给时序/逻辑控制电路模块11。时序/逻辑控制电路模块11判定过车发生时，基于硬实时操作，通过SMA接头发出多路高精度同步触发信号，供给THDS系统轨边红外探头和其他设备作为时钟同步和工作起始信号。然后在时序/逻辑控制电路模块11的控制下，各模块开始有序工作，流程与外触发工作模式大致相同。其中，与外触发工作模式不同的是，在自触发模式下，智能控制电路模块13也会读取FIFO模块14中的车轮传感器数据，并依据预定算法计算车速、轴距等信息，而后将计算结果打包后回传FIFO模块14，然后经网络电路模块50上传给探测站主机。

所述壳体C采用铝金属制作，表面进行绝缘处理，局部加工为翅状散热结构，整体采用法兰结构和灌胶多种方式密封，可达IP56以上防水防尘等级。

Claims (8)

1.一种轨边车轮传感器智能处理装置，其特征在于，所述的智能处理装置封装在铝制壳体中，壳体上设置有两个航空插头A和B、n个SMA接头以及4个BNC接头；BNC表示卡扣配合型连接器；n为正整数；所述的智能处理装置包括：可编程逻辑门阵列电路模块FPGA、电源管理电路模块、触发信号处理电路模块、AD采集电路模块、网络电路模块、参数配置电路模块和模拟信号处理电路模块；所述的FPGA包括时序/逻辑控制电路模块、数字信号处理电路模块、智能控制电路模块和FIFO模块；FIFO表示先进先出队列；AD表示模数；

所述的电源管理电路模块通过航插A外接电源；所述的触发信号处理电路模块的输入端连接航插A，输出端连接时序/逻辑控制电路模块；所述的AD采集电路模块的输入端连接模拟信号处理电路模块的输出端和时序/逻辑控制电路模块，输出端连接数字信号处理电路模块；所述的模拟信号处理电路模块的输入端连接4个BNC接头，输出端连接AD采集电路模块和时序/逻辑控制电路模块；所述的网络电路模块的输入端连接FIFO模块和时序/逻辑控制电路模块，输出端通过航插B连接探测站主机；所述的参数配置电路模块与FPGA连接，通过时序/逻辑控制电路模块与网络电路模块连接；

所述的时序/逻辑控制电路模块分别与FPGA中的数字信号处理电路模块、智能控制电路模块和FIFO模块连接，时序/逻辑控制电路模块的输出还连接n个SMA接头；所述的数字信号处理电路模块的输入端连接AD采集电路模块，输出端连接FIFO模块；所述的智能控制电路模块与FIFO模块连接；所述的FIFO模块分别与数字信号处理电路模块、智能控制电路模块和网络电路模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种轨边车轮传感器智能处理装置，其特征在于，所述的智能控制电路模块具有两种工作模式：外触发工作模式和自触发工作模式；其中，自触发工作模式下，由智能处理装置自身判断一路车轮传感器信号作为工作起始时刻和基准计时时钟。

3.根据权利要求1或2所述的一种轨边车轮传感器智能处理装置，其特征在于，所述的触发信号处理电路模块，在外触发工作模式下，通过航插A接收探测站主机发送的外部触发信号，对外部触发信号进行处理后发送给时序/逻辑控制电路模块。

4.根据权利要求1或2所述的一种轨边车轮传感器智能处理装置，其特征在于，所述的数字信号处理模块以外部触发或自触发时刻为基准时钟为车轮传感器数据插入高精度计时时钟信息。

5.根据权利要求1或2所述的一种轨边车轮传感器智能处理装置，其特征在于，所述的AD采集电路模块，在外触发工作模式下，将模拟信号处理电路模块发来的车轮传感器的模拟信号，在时序/逻辑控制电路模块的控制下进行模数转换后，发送给数字信号处理电路模块。

6.根据权利要求1或2所述的一种轨边车轮传感器智能处理装置，其特征在于，所述的模拟信号处理电路模块，在外触发工作模式下，通过4个BNC接头接收车轮传感器采集的四路模拟信号，对模拟信号进行处理后传送给AD采集电路模块；在自触发工作模式下，通过一个BNC接头接收初始过车时产生的车轮传感器信号，对车轮传感器信号进行处理后发送给时序/逻辑控制电路模块。

7.根据权利要求1或2所述的一种轨边车轮传感器智能处理装置，其特征在于，所述的时序/逻辑控制电路模块；在外触发工作模式下，在接收到触发信号处理电路模块发来的外部触发信号后，基于硬实时操作处理外部触发信号，通过SMA接头发出多路同步触发信号；在自触发模式下，接收到模拟信号处理电路模块处理后的车轮传感器信号，在判定过车发生时，基于硬实时操作生产内部自触发信号，通过SMA接头发出多路同步触发信号。

8.根据权利要求1所述的一种轨边车轮传感器智能处理装置，其特征在于，所述的智能控制电路模块，读取FIFO模块中的车轮传感器数据，依据预定算法计算包括车速、轴距的关键参数，将计算的关键参数打包后回传给FIFO模块。