CN2618815Y

CN2618815Y - 感应无线地址检测设备

Info

Publication number: CN2618815Y
Application number: CN 03227733
Authority: CN
Inventors: 聂础辉; 李徽; 连建军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2004-06-02
Anticipated expiration: 2013-05-20

Abstract

本实用新型涉及感应无线通信技术，特别指移动机车的精确定位和数据通信使用的感应无线地址检测设备。本实用新型的外围设备包括感应无线编码扁平电缆、机上载波部分，其特征在于本实用新型包括通信电缆、阻抗匹配器(HVB)、带通滤波板、地址检测板、PC和数码地址显示。本实用新型可以做到精确的位置检测,检测精度＜5mm；检测长度灵活可变；检测方式是绝对位置检测，即使系统掉电，一旦恢复，马上可得到现行位置；编码方式是格雷(GRAY)码，能有效克服各种干扰引起的检测误差。实时数据通信可靠：误码率＜10^－6；感应无线通信，既方便又可靠；双线通信能有效克服通信死区，信号稳定。可普遍适用于各种恶劣条件下各种移动机车的位置检测、通信与自动化控制。

Description

感应无线地址检测设备

技术背景

本实用新型涉及感应无线通信技术，特别指移动机车的精确定位和数据通信使用的感应无线地址检测设备。

背景技术

如何实现移动机车相互间的通信、地址检测、精确定位及与中央控制室的通信联络。一直是困扰大中型料场，仓储管理及钢铁企业焦化厂等行业的技术难题。长期以来，我国广大技术人员采用了“γ射线式”、“干簧管式”、“条形码式”、“继电接触式”等技术，但终因多方面原因，不能适用于恶劣的工业现场，得不到推广应用，均以失败而告终。

发明内容

本实用新型的目的是针对背景技术中存在的问题和缺点加以改进，提供一种能在恶劣环境下实现移动机车的位置检测、精确定位和机车间的相互通信的感应无线地址检测设备。

本实用新型的技术方案是：本实用新型外围设备包括感应无线编码扁平电缆、机上载波部分，其特征在于本实用新型包括通信电缆、阻抗匹配器(HVB)、带通滤波板、地址检测板、PC和数码地址显示，其中扁平电缆信号由通信电缆连接至HVB，将R信号和G信号传输到带通滤波板，由PC控制带通滤波板的模拟开关电路分时采集R信号和G信号，经放大滤波后将其送到地址检测板，地址检测板中，R信号经整流滤波后接A/D转换器，经PC采集比较，选出一路基准信号与带通滤波板送来的G信号作相位比较得到地址数据，由PC变换后得到当前机车所处的APD位置。同时HVB将G₀信号和G₀′信号传输到HRPD地址检测板，板上单片机控制的模拟开关电路分时采集G₀信号和G₀′信号，经放大、滤波的信号经整流滤波后连接A/D转换器，由板上单片机得到精密地址数据，经PC采集后与APD地址数据综合，即可得到高精度位置数据。

本实用新型的优点如下：

1、精确的位置检测：检测精度：＜5mm；检测长度灵活可变：通过改变G线对数和R线对数及其交叉间隔，可实现各种长度下的位置检测；检测方式：绝对位置检测，即使系统掉电，一旦恢复，马上可得到现行位置；编码方式：格雷(GRAY)码，有效克服各种干扰引起的检测误差。

2、可靠的实时数据通信：误码率＜10^-6；通信方式：感应无线，既有无线方式的便利又有有线方式的可靠；双线通信：设置两对通信线(L₁L₂)，有效克服通信死区，稳定信号强度，进一步保证通信的可靠；

3、应用场合广泛：可普遍适用于各种恶劣条件下(如高温、多尘、腐蚀性气体)各种移动机车的位置检测、通信与自动化控制，如料场、焦炉、码头、仓储、吊(行)车，甚至地铁等广泛使用各型移动机械的场合。

附图说明

图1是G线交叉编码图和R线编码图

图2是格雷码转换为二进制码电路图

图3是地上局地址检测电路框图

图4是不同时刻信号相位比较图

图5是HRPD地址检测原理示意图

图6是天线移动示意图

图7是电压模拟量变化与精密地址的关系示意图

图8是系统原理框图

图9是载波部分电原理图

图10是发送天线电原理图

图11是感应无线编码扁平电缆交叉编码图

图12是带通滤波板电原理图

图13是地址检测板电原理图

图14是HRPD地址检测电原理图

图15是数码地址显示电原理图

具体实施方式

本实用新型是实行机车自动化控制的一个不可缺少的部分。利用固定于地面轨道旁的感应无线编码扁平电缆，与机车上的天线间的电磁感应，作为机车行走位置检测的手段(感应无线位置检测)，是一种新型的应用技术。其特点是：非接触式、连续地、绝对位置检测；检测方式多样、具有高分辨率(5mm)。由于这项技术具有优越的综合指标和使用价值，因此在工业(特别是钢铁工业)中得到广泛的应用。在仓库储存和原料场得到应用。本实用新型感应无线位置检测，按检测精度可分为一般位置检测APD(Absolut Position Detect)和高分辨率位置检测HRPD(High Resolving Position Detect)；按检测方式可分为地上局检测方式(即由地面中控室检测出机车行走的位置)和机上局检测方式(即由车上的机上局检测出机车行走的位置)。

由图8可知，本实用新型外围设备包括感应无线编码扁平电缆、机上载波部分，其特点是本实用新型包括通信电缆、阻抗匹配器(HVB)、带通滤波板、地址检测板、PC和数码地址显示，其中扁平电缆信号由通信电缆连接至HVB后，将R信号和G信号传输到带通滤波板，由PC控制带通滤波板的模拟开关电路分时采集R信号和G信号，经放大滤波后将其送到地址检测板，地址检测板中，R信号经整流滤波后送A/D转换器，经PC采集比较，送出信号幅值最大的一路作为基准信号，该基准信号与带通滤波板送来的G信号作相位比较，得到一组串行的格雷码地址数据，由PC变换后得到当前机车所处的APD位置。同时HVB将G₀信号和G₀′信号传输到HRPD地址检测板，由板上单片机控制的模拟开关电路分时采集G₀信号和G₀′信号，经放大和电子滤波，得到我们所需要的有用信号，该信号经整流滤波后送到A/D转换器，由板上单片机采集，运算，查表后得到精密地址数据。该数据经PC采集后与APD地址数据综合，即可得到反映机车相对于感应无线编码扁平电缆的绝对地址的高精度位置数据。该数据一方面送上位机作进一步处理，另一方面送数码显示板显示。

本实用新型地址检测原理：

1、APD检测原理

1)、地上局检测方式：

当机车上的PC发送出载波，经由功率放大器放大后输出到发送天线，在固定于车上的发送线圈中通入交变电流时，在天线附近产生交变磁场，则感应无线编码扁平电缆(靠近天线部分)每对线中产生感应电动势(每对线两个交叉点的叉开部分可以看着一个单线圈)，但由于各对线交叉数不同，所以在电缆端口检测到的信号相位不一。以R线的信号作为标准信号，各路G线信号与之进行相位比较，相位相同为“0”，相位相反则为“1”，如此得出一组数据则反映了天线(亦即移动机车)在编码电缆上所处的位置。如图10当天线处在0号位置时，从端口检测到的各路G线信号与R线信号相位相同，位置为0、0、0；当天线处在1号位置时，从端口检测到的G1、G2线信号与R线信号相位相同，而G₀线信号则由于经过一个交叉点，所以与R线信号相位相反，为置为0、0、1、；……。因G线的编制采用格雷码结构，所以得到的位置亦是格雷码数据，利用图2电路原理，很容易将其变为二进制码数据。如G线的对数为n，则可得2ⁿ个位置数据，若电缆中G线交叉间距(最小交叉间距)为W，则APD检测分辨率为r＝W/2(W为G₀线的交叉间距)。当感应天线位于R₁段时，R_i(i≠1)线上信号很弱，通过比较各路R线信号，就能判定机车在R₁段，则选用R₁线上的信号作为标准信号，各路G线信号与其作相位比较，即可得该段上的位置数据G₀。通过下式可计算出机车相对于感应无线编码扁平电缆的绝对位置P：

P＝L×i+r×G (1)

i——机车所处的段位号，(i＝0，1，2，3……)

L——一段电缆的长度，

r——APD最小分辨率

G：检测出的位置数据。

地上局位置检测电路框图见图3；PC作为位置检测中心，对输入的数据进行运算、软件滤波、相符判别等。

2)、机上局检测方式：

信号由地上局以同频分时的方式，按一定时序将信号分别送给感应无线编码扁平电缆的R、G₀、G₁等线，固定在机车上的接收天线中收到信号，因天线所处位置不同，在不同时刻信号的相位也不同，如图4，只要把t₁、t₂内收到的信号与t₀内收到的信号进行相位比较，则能得出反映天线位置的一组串行格雷码数据，其机车的绝对位置计算公式与地上局检测方式的式(1)完全一致。

2、高分辨率(HRPD)位置检测原理：

APD位置检测方式的分辨率完全依赖于感应无线编码电缆中G线的最小交叉间距。由于交叉间距过分减小，会使得感应无线编码电缆与机车上的天线间的耦合减弱，信噪比恶化，经试验，APD分辨率的极限值为10cm。虽然在一般的工业控制系统应用中，这个分辨率已经够了，但在有些特殊行业却要求有更高分辨率的位置检测系统(如焦化厂炼焦炉的三车联锁控制系统以及行车等自动控制系统)，于是便产生了HRPD。

HRPD的基本原理是采取特殊的幅度数据处理技术，将APD最小交叉间距分细，得到1cm至5mm，甚至更少的分辨率。HRPD也分为地上局检测方式和机上局检测方式。其原理基本相同，这里以地上局检测方式为例说明。

在APD感应无线编码电缆中，增加一对间距最小对线G₀′与原有的G₀错开半个最小间距位置，并使天线宽度与G₀的最小交叉间距一致，(见图5)。随着天线移动，(如图6)，如果考虑到发送天线产生的磁场在一定范围内近似于均匀分布，那么地上局接受到的G₀、G₀′信号幅度V(G₀)、V(G₀′)的大小就由天线在G₀、G₀′对线某交叉间距内所作用的有效面积来决定，可得以下公式：

V(G₀)＝V₀X(1-X/r) (2)

V(G₀)＝V₀X(X/r) (3)

则：X/r＝V(G₀′)/[V(G₀)+V(G₀′)(4)

式中：V0——V(G₀)、V(G₀′)的最大幅度

r——APD的分辨率r＝W/2

W——为G₀的最小交叉间距

由于G₀和G₀′是对称的两组信号，V(G₀)+V(G₀′)是一个不受天线所处位置影响的定值。所以X的值是由V(G₀)或V(G₀′)的幅度决定的。但由于V(G₀)和V(G₀′)都受电压强弱影响，仅用它来反映精密地址是不可靠的。如果用比值HP＝V(G₀)/V(G₀′)的值反映精密地址，那就可靠了，因为HP的值是不受幅值影响而仅与其相对大小有关的一个非线性函数。(如图7)，图中V(G₀)、V(G₀)为线性函数，而HP值是一个非线性函数。利用计算机查表分辨技术，对照HP值即可查出精密地址值X(0＜X＜r)，经分析可知在G₀为“0”区域内，其函数值单调上升，所读地址为原APD地址+X；在G₀为“1”区域内，其函数值单调下降，所读地址为原APD地址+(1-X)。

本实用新型的具体电路如下：

PC部分是以单片机为内核。由串行接口和并行接口组成，发送出载波和总线信号。地址载波功率放大器具有两级前置小信号放大和功率调整电路。原理图见图9，载波信号由IN1输入，信号限幅后由放大电路两级放大后，输出功率调整电路用于对现场实际需要调整输出信号的大小。天线箱由发送天线组成。原理图见图10，发送天线是一个R、C谐振电路，谐振频率为20KHZ-500KHZ。感应无线编码扁平电缆结构：在感应无线编码扁平电缆内部，由若干对电线相互重叠，分为G线和R线，如图11所示。各对基线1(G₀、G₁、G₂……)在一段内，以一定的间距按格雷码规则交叉编制。格雷码有一个显著的特点，就是从一个代码变为相邻的另十个代码时，其中只有一位发生变化，因而在感应无线编码扁平电缆中的任何处不存在两对线同时交叉，避免了天线过交叉点时可能引起的误差。R线作为标准信号线，不能交叉，但考虑到外界杂散电磁场的影响，不能太长，故采用R线分段技术，每对R线只在相应的段叉开，而在其余段双绞，即R₀在0段叉开，在1、2等段双绞。整个电缆由若干段组成，段与段之间由段间相连接起来。始端箱用于连接感应无线编码扁平电缆和通信电缆。终端箱用于为感应无线编码扁平电缆的电阻匹配。阻抗匹配器用于为感应无线编码扁平电缆的电阻匹配，并使输入信号由双端信号转变为单端信号输出，同时具有隔离作用。带通滤波板的原理图纸如图12，电路由模选开关、放大电路、滤波电路和半波整流电路组成，模选开关用于分时选通各对R线和各对G线，放大电路用于对小信号放大，滤波电路用于对各信号带通滤波，消除干扰信号。R信号由一路模选开关，按总线信号控制分时开放R₀和R₁信号，由放大电路放大后经由电子滤波器滤波，得到有用信号，再将信号分成两路，一路经过半波整流后得到“CC”信号；一路经过放大后得到“CP”信号，它用来作为与G信号(“PP”信号)相位比较的基准信号。G信号由另一路模选开关，按总线信号控制分时开放各G信号，由放大电路放大后经由电子滤波器滤波，得到有用信号，经放大后得到“PP”信号。图中D1、D2是二极管；U1是CD4051BC，单八路模拟选择开关；U2是SN74HC573，锁存电路；U3、U4、U5是LM318，单路放大器；U6是NE5532，两路放大器；U7是CD4067，单十六路模拟选择开关；BF1、BF2是有源电子滤波器；JP1是总线接口；J1是15芯输入接口。U1、U2和U3组成两组模拟选择电路，从J1输入R、G信号，R信号经U1选通后由U3一级放大，由BP1滤波后分两路信号，一路由U4二级放大经D1、D2半波整流得到“CC”信号，通过JP1送往地址检测板；一路由U6A二级放大得到“CP”信号，通过JP1送往地址检测板。G信号经U2选通后由U5一级放大，由BP2滤波后，由U6B二级放大得到“PP”信号，通过JP1送往地址检测板。

地址检测板的原理图纸如图13，由比较电路、放大电路、译码电路、锁存电路和模数转换电路组成。“CC”信号经由带通滤波板输入后，经过放大滤波后由A/D转换器送到PC，经比较，选出幅值大的一路做基准信号“CP”。“PP”信号和“CP”信号分别经过过零比较后相异或，得到G信号与基准信号(R信号)同相或反相的一组数据，由锁存电路送PC，经格雷码变换后得到二进制的APD数据。图中；U1、U2、U3是LM311，比较器；U4是SN74HC86，逻辑异或门；U5是SN74HC245，缓冲器；U6是LM318，单路放大器；U7是SN74HC02，逻辑或非门；U8是SN74HC30逻辑与非门；U9是SN74HC138，译码，电路；U10是ADC0801，A/D转换器；U11、U12是SN74HC573，锁存电路；J1是25芯输出接口；JP1是总线接口。从JP1输出“CC”、“PP”和“CP”信号，“CC”信号经由U6放大后由U10送到PC，经比较，选出幅值大的一路做基准信号“CP”，“PP”信号和“CP”信号分别经过U1和U3过零比较后经U4A相异或，得到一信号经过U2电平比较送U5输出经JP1送PC，经格雷码变换后得到二进制的APD数据，该数据与HRPD地址检测板的数据经PC综合后由JP1送至U11、U12，经J1送往数码地址显示板显示，地址控制线A3、A4、A5、A6经U8和A0、A1、A2、VCC、/IORQ(高八位地址线)控制U9，译码地址值由U7输出后控制U5、U10、U11、U12。

HRPD地址检测的电原理图如图14，由模选开关、放大电路、带通滤波电路、整流电路、单片机(CPU)电路、模数转换电路、译码电路、复位电路和锁存电路组成。G₀和G₀′信号模选开关，按板内单片机控制分时开放，经放大和电子滤波，得到有用信号，将信号半波整流滤波后得到直流信号；由A/D转换器转变成数字信号后送单片机进行运算、查表得到精密地址数值，以备PC随时读取。图中D1、D2：二极管；U1、U2、U3：TL081，放大器；U5：CD4051BC，单八路模拟选择开关；U6：SN74HC32，逻辑或门；U7：IMP813L，复位发生和看门狗电路；U8：AT89C51，单片机芯片；U9：SN74HC573，锁存电路；U10：ADC0801，A/D转换器；J1：3芯输入接E1；JPI：总线接口。G₀和G₀′信号由J1输入通过U5选通后由U1一级放大，BP1滤波后，U2二级放大，U3和D1、D2半波整流滤波得到直流信号由U10转变成数字信号后送U8进行运算、查表得到精密地址数值，用U9锁存以备PC随时从JP1读取。用U7为U8提供复位发生和看门狗信号。U8的P2.6为U5提供选通控制信号。由JP1输入总线地址信号和RD(读信号)信号经U4和U6输出控制U9而读取地址数据。

数码地址显示原理图纸如图15，电路由数码管和数码驱动电路组成。地址数据送到数码驱动电路，由数码驱动电路驱动数码管显示。图中JP1是8芯输入接口；JP2是跳线开关，；U1是HD7279，数码管驱动电路；D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7是数码管；D8、D9、D10、D11、D12、D13、D14、D15、D16是发光管。数据信号由JP1输入送U1驱动D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12、D13、D14、D15、D16。

Claims

1、一种感应无线地址检测设备，外围设备包括感应无线编码扁平电缆、机上载波部分，其特征在于本实用新型包括通信电缆、阻抗匹配器(HVB)、带通滤波板、地址检测板、PC和数码地址显示，其中扁平电缆信号由通信电缆连接至HVB，将R信号和G信号传输到带通滤波板，由PC控制带通滤波板的模拟开关电路分时采集R信号和G信号，经放大滤波后将其送到地址检测板，地址检测板中，R信号经整流滤波后接A/D转换器，经PC采集比较，选出一路基准信号与带通滤波板送来的G信号作相位比较得到地址数据，由PC变换后得到当前机车所处的APD位置。同时HVB将G₀信号和G₀′信号传输到HRPD地址检测板，板上单片机控制的模拟开关电路分时采集G₀信号和G₀′信号，经放大、滤波的信号经整流滤波后连接A/D转换器，由板上单片机得到精密地址数据，经PC采集后与APD地址数据综合，即可得到高精度位置数据。

2、根据权利要求1所述的感应无线地址检测设备，其特征在于所述的带通滤波板U1、U2、U3组成两组模拟选择电路，从J1输入R、G信号，R信号经U1选通后由U3一级放大，由BP1滤波后分两路信号，一路由U4二级放大经D1、D2半波整流得到“CC”信号，通过JP1送往地址检测板；一路由U6A二级放大得到“CP”信号，通过JP1送往地址检测板。G信号经U2选通后由U5一级放大，由BP2滤波后，由U6B二级放大得到“PP”信号，通过JP1送往地址检测板。

3、根据权利要求1所述的感应无线地址检测设备，其特征在于所述的地址检测板从JP1输出“CC”、“PP”和“CP”信号，“CC”信号经由U6放大后由U10送到PC，经比较，选出幅值大的一路做基准信号“CP”，“PP”信号和“CP”信号分别经过U1和U3过零比较后经U4A相异或，得到一信号经过U2电平比较送U5输出经JP1送PC，经格雷码变换后得到二进制的APD数据，该数据与HRPD地址检测板的数据经PC综合后由JP1送至U11、U12，经J1送往数码地址显示板显示，地址控制线A3、A4、A5、A6经U8和A0、A1、A2、VCC、/IORQ(高八位地址线)接控U9，译码地址值由U7输出后接控U5、U10、U11、U12。

4、根据权利要求1所述的感应无线地址检测设备，其特征在于所述的HRPD地址检测G₀和G₀′信号由J1输入通过U5选通后由U1一级放大，BP1滤波后，U2二级放大，U3和D1、D2半波整流滤波得到直流信号由U10转变成数字信号后连至U8进行运算、查表得到精密地址数值，用U9锁存以备PC随时从JP1读取，用U7为U8提供复位发生和看门狗信号，U8的P2.6为U5提供选通控制信号，由JP1输入总线地址信号和RD(读信号)信号经U4和U6输出控制U9而读取地址数据。