CN2835952Y - 基于gps的车辆行程测量累计装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于GPS的车辆行程测量累计装置，有效地监测和累计每一车辆的行程，可以单程累计与显示安全维护之后的行程。可以总程累计与显示车辆出厂或第一次装上本装置之后的总行程；可以行程预设置和清零功能可将以往的行程或装上本装置之前车辆的行程由操作人员进行设置，同时维护之后单程可以由安全维护人员进行清零，以便再次开始下一次记录；实时显示运行速度。本实用新型组成包括GPS接收机及其天线1、接口及电平转换电路2、主控机小系统3、显示模块4、掉电保护的存储模块5、通信模块6、主控小系统中的异步串行通信口7、通信模块中的接口部分8。本实用新型电路有四个部分：GPS接收模块、主控芯片电路、显示模块和存储模块；通信模块可自选。

Description

基于GPS的车辆行程测量累计装置

技术领域：

本实用新型是一种实现测量、累计的车辆行程装置，基于GPS装置基础上实现的。

技术背景：

铁路部门为了保证铁路旅客、人员、货物及财产的安全，一般规定列车每一节车箱，以下简称车辆，在行驶一定里程之后要进行一次检修或大修，当车辆行程最大规定的里程后就必须报废。

目前采用人为操作计算机的管理办法很难保证车辆行驶里程累计的准确度，列车车辆每次并不确定的随着同一列车运行，车辆的运行起始、终止站并不一定每次相同，所以对于这种车辆行程记录经常出现漏计、误计等现象。因此，为了有效的监测和累计每一车辆的行程，有必要研制一种能够精确地累计并指示车辆行程，以便对其进行安全维护。

发明内容：

本实用新型目的是提供一种基于GPS的车辆行程测量累计装置。

本实用新型的目的是这样实现的：其组成包括GPS接收机及其天线1、接口及电平转换电路2、主控机小系统3、显示模块4、掉电保护的存储模块5、通信模块6、主控小系统中的异步串行通信口7、通信模块中的接口部分8。GPS接收机及其天线1每一定的周期性时间内得到当前的车辆的运行状态信息和对应的精度因子输入接口及接口电路2，接口及接口电路2连接主控小系统3的异步串行通信口7，主控机小系统3连接显示模块4和通信模块5两路输出，其中通信模块与主控机小系统3的接口部分8相连，主控机小系统3还连接有掉电保护的存储模块5。

GPS接收机及其天线1每一定的周期性时间内得到当前的车辆的运行状态信息和对应的精度因子，经接口及接口电路2转变为主控小系统3能够接收的TTL电平，再送到主控小系统3的异步串行通信口7，主控芯片将这些信息对应的存储，并从中提取所需要的信息，编程转换所得的信息并求出这一周期时间间隔内车辆的行程，并累计到单程和总程中由显示模块4显示，并由掉电保存的存储模块5进行存储；可以有附加通信功能，列车行程到了一定的程度到需要检修的行程时由通信模块向铁路列车工作站发出信息，通过通信接口8向通信模块6发出信息；人机接口显示维护人员和管理人员随时要了解的车辆的行程数，实时显示车辆当前的速度和预设置车辆行程和报警指示行程，由发光二极管指示。

本实用新型的装置能有效的监测和累计每一车辆的行程，可以单程累计与显示安全维护之后的行程。可以总程累计与显示车辆出厂或第一次装上本装置之后的总行程；可以行程预设置和清零功能可将以往的行程或装上本装置之前车辆的行程由操作人员进行设置，同时维护之后单程可以由安全维护人员进行清零，以便再次开始下一次记录；实时显示运行速度。

附图说明

图1为本实用新型原理框图；

图2为本实用新型实施例电路结构框图；

图3为本实用新型实施例GPS及接收电路图；

图4为本实用新型本软件流程图。

具体实施方式：

本装置实现基于全球定位系统，以下简称GPS的定位信息，计算并累计车辆在进行一次检修之后的行程，以及车辆自从装上本装置之后的总行程，以便于车辆维护人员可准时根据车辆的行程对每一车辆进行维修，保证铁路客运、货运的安全运行。本实用新型电路设计为四个部分：GPS接收模块、主控芯片电路、显示模块和存储模块；通信模块可自选。

GPS接收模块：由GPS接收机，天线，接口及电平转换电路组成，完成接收当前列车的状态信息，转变成为主控芯片所需要的TTL，CMOS电平等，并送至主控芯片的串行通信口，其中GPS接收机可选用任意GPS模块；接口及电平转换采用普通的RS232电平转变为TTL或3.3V供单片机接收的电平，转换芯片可以选用MAX232，MAX3232二者可以分别实现以上转换。

主控芯片电路：选用单片机芯片实现，实现行程的计算，信息的接收和处理，存储通信等功能。从电路的简单和可靠性方面考虑应选用集成模块较多的单片机，如选用内部集成掉电保持存储器的芯片，如PIC系列，C8051FXXX系列，或选用低成本的普通的8051系列，这就需要外扩掉电保持的存储部分。

显示器模块：可以由数码管，LCD实现，显示单程、总程和速度等信息。可以采用任意一种显示电路，但选择LCD或者是数码管主要考虑可靠性如抗振动，环境，如温度、湿度等的要求。

存储模块：存储单程、总程等信息，且要求在掉电时数据能够保持，防止列车进站停电时数据丢失，可以长期累计。如果选用内部集成的数据存储器，则只需要软件实现，如果是外扩的存储器则需要外扩掉电保护的数据存储芯片如FRAM、EEPROM等。

通信模块：这一部分是扩展功能，主要是实现数据的上传给铁路监控中心实时查询列车车辆的行程，可以由GSM，或者总线实现。

实现的功能：

(1)单程累计功能累计与显示安全维护之后的行程。

(2)总程累计功能累计与显示车辆出厂或第一次装上本装置之后的总行程；

(3)行程预设置和清零功能可将以往的行程或装上本装置之前车辆的行程由操作人员进行设置，同时维护之后单程可以由安全维护人员进行清零，以便再次开始下一次记录；

(4)运行速度实时显示功能通过切换按键，可以实时显示车辆当前的运行速度；

技术指标

(1)测量准确度：＜3％；

(2)里程累计范围：0～99999.9万公里；

(3)温度范围：装置工作温度范围为-30℃~+70℃，天线工作范围为-55℃~+125℃。

可实现自动累计列车每一节车箱的单程及总程，实时显示速度、方向等信息，以便铁于列车安全维护人员进行检修。其误差小于3％

误差分析

本装置实际计算时采用公式(2)，其误差表达式为

$\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}=\frac{\∂L}{\∂V}*\frac{\mathrm{\ΔV}}{V}+\frac{\∂L}{\∂t}*\frac{\mathrm{\Δt}}{t}$

即

$\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}=\frac{t}{3.6}*\frac{\mathrm{\ΔV}}{V}+\frac{V}{3.6}*\frac{\mathrm{\Δt}}{t}---\left(3\right)$

式中：t-为刷新率，ls；

      Δt-为时间的误差，±1us；

      V-为速度，km/h；

      ΔV-为速度的误差，±0.5km/h。

由此可知(3)式可化为

$\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}=\frac{1}{3.6}*\frac{0.5}{V}+\frac{V}{3.6}*\frac{{10}^{-6}}{1}$

相对误差为

$\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}=0.1389*\frac{1}{V}---\left(4\right)$

从(4)式可知，行程的相对误差取决于速度的大小，当速度大于10km/h，则行程的误差小于2％，当然这里不考虑由于累计计算误差以及浮点计算的舍入误差带来的误差，车辆一般而言速度常高于10km/h，由此可以知道此时的相对误差小于2％。

具体的实施方式

本测量装置硬件设计关键部分主要由定位信息接收电路模块、主电路模块等组成，其实施方案框图如图2所示。编程部分由三个软件模块：接收GPS信息模块，里程计算、累计及其存储模块，显示及键盘处理模块。其程序流程图示于图4。

定位信息接收电路，GPS模块采用GARMIN的OEM产品，该系列的产品均为12通道的GPS接收机，也就是说可以同时接收和跟踪12颗卫星的定位信号，从而可以实现快速定位。这一系列的接收机接收功耗非常小，数据更新率为每隔1秒1次，其优良的性能可以很好的满足陆地定位、导航的灵敏度需求。同时它还具有外部电源，内部可充电电池，这样在其OEM板中可以将卫星轨道参数，上次定位位置，时间，时间日期等数据保存在静态存储器中，减少掉电后重新启动搜索天空所需要的时间。本装置可选用的GPS15L接收机，其电气指标为：输入电压3.3VDC-5.5VDC，电流峰值为100mA，标称值为85mA；接收机灵敏度最小可达-165dBW；定位时间热启动约为45s，所有数据未知时搜索天空需要5min；定位误差小于15m，速度为0.05m/s同时还有±0.5km/h的数据舍入误差。可以由在精度方面达到这一指标的其它GPS接收机代替，由于GPS接收机发送过来的信息是以RS232电平传送，要在其与主控机接口上有电平转换电路。接收电路如图3所示。

主控电路由单片机PIC18F252构成处理与控制核心，接收从GPS接收到的定位信号，并以此进行计算和处理，处理算法见软件设计部分。PIC18F252单片机具有如下特点：(1)CPU中具有8*8单周期指令乘法器，能实现快速计算乘、除法适合于本装置中的路程计算及累计计算；

(2)通信接口既有同步串行通信接口可以适合于实现对显示芯片的控制，方便显示，同时异步串行通信接口可方便地接受来自GPS的信息语句；(3)PIC18F252片内本身含有程序存储器、数据通信存储器以及可以掉电保护的数据存储器，这样可以由少量的芯片实现原来外扩存储的单片机系统，大大的提高本装置的可靠性，同时由于行程累计要求将以前的行程信息能保存并累加到单程和总程，这样为了保存车辆的这些信息，需要对数据信息进行掉电保护。主控电路显示车辆的累计行程、速度等信息，便于随时知道车辆的行程。这一部分主要考虑温度，再加上铁路车辆上的环境如震动等问题，采用可靠性高的数码管实现，单片机与数码管的接口采有MAXIM公司的MAX7221(或者MAX7219等)，它是一款串行八位共阴八段数码管驱动及解码芯片，工作温度范围工业级可以在到-40度，抗干扰能力强，满足本装置工作环境的要求。

关键部分可有如下代替主控芯片可以由其它任何一种单片机或者DSP代替；数据存储部分可以有EEPROM，铁电FRAM，等其它可搽写掉电保持的芯片代替，容量只需要几十个安节即可；显示部分可以由数码管显示，也可以由LCD(液晶)显示，主要是从可靠性，工作温度方面考虑；GPS接收机部分可以由其它任何GPS接收机代替，主要应该从精度方面考虑。以上所述部分的实现芯片、器件等，皆可在电子市场购买。

主控芯片程序设计

该装置的程序采用PIC C进行编程实现，因为GPS信息是每隔1s更新一次，所以行程也就每隔1s算一次，累加一次，行程的计算可以采用以下算法：

方法(1)：采用GPS定位的经度的纬度进行计算，每1s内经度和纬度各改变多少min可以得出，经度纬度每改变1min所对应的路程是一定的，如图4所示可以知道车辆在每一时间内的经度和纬度可以得到这一时间内车辆从点A到点B所移动的近似距离。在A，B两点的距离相对较小的时候(100m左右)，车辆所行驶的铁路弯道不会太大，误差不会太大。计算公式为

$\mathrm{\ΔL}=\sqrt{{((\mathrm{lon}2-\mathrm{lon}1)*18553*\cos \left(\mathrm{\θ}\right))}^2+{((\mathrm{lat}2-\mathrm{lat}1)*18491)}^2}---\left(1\right)$

式中：lon2，lon1-经度，格式为dddmm.mmmm；

      lat2，lat1-纬度，格式为ddmm.mmmm；

              θ-纬度化为十进制。

利用式(1)计算时，计算量大，随之计算误差较大，而且编程复杂，对单片机计算能力要求较高。

方法(2)：利用从GPS得到的当前的速度信息，与时间的积就是这一时间内的行程，计算公式如下所示：

$L=\frac{V*t}{3.6}---\left(2\right)$

式中：L-行程，km；

      V-速度，km/h；

      t-时间，s。

这种方法速度信息实际比经纬度低但计算量相对较小，计算误差随之减小，所以最终误差比前者小。在设计的过程中采用两种计算方法，由实验结果表明，后者的精度和可靠性都较前者高。

方法(3)：可以由以上两种方法相结合，由公式(2)进行计算，当失去定位信号并重新定位这一段时间内的行程由于公式(2)不可用，所以可以由公式(1)计算出这一段时间的直线行程，再累计。

方法(1)、方法(2)主要是适合于精度要求一般的情况下进行的，方法(3)则在有高精度要求，或者隧洞较多，云层较厚的地区可以采用。

Claims (1)

1.一种基于GPS的车辆行程测量累计装置，组成包括GPS接收机及其天线(1)、接口及电平转换电路(2)、主控机小系统(3)、显示模块(4)、掉电保护的存储模块(5)、通信模块(6)、主控小系统中的异步串行通信口(7)、通信模块中的接口部分(8)，其特征是：GPS接收机及其天线(1)每一定的周期性时间内得到当前的车辆的运行状态信息和对应的精度因子输入接口及接口电路(2)，接口及接口电路(2)连接主控小系统(3)的异步串行通信口(7)，主控机小系统(3)连接显示模块(4)和通信模块(5)两路输出，其中通信模块与主控机小系统(3)的接口部分(8)相连，主控机小系统(3)还连接有掉电保护的存储模块(5)。

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