JP4850805B2 - Optical communication type 3D sensing stone with built-in triaxial acceleration sensor and PIC microcomputer - Google Patents

Optical communication type 3D sensing stone with built-in triaxial acceleration sensor and PIC microcomputer Download PDF

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Description

本発明は、三軸加速度センサとPIC(Programmable Interrupt Controller:ADコンバータ内蔵型の1チップマイクロコンピュータ)を内蔵した光通信式三次元センシングストーンに係り、特に鉄道車両走行荷重載荷時のバラスト砕石の三次元的な運動(並進運動および回転運動)を精密に測定し、砕石内部でデジタル信号として変換した後、光ケーブルを用いてノイズのないクリーンなデジタル情報としてデータ転送する測定用センサに関するものである。   The present invention relates to an optical communication type three-dimensional sensing stone incorporating a triaxial acceleration sensor and a PIC (Programmable Interrupt Controller: one-chip microcomputer with built-in AD converter), and in particular, the tertiary of a ballast crushed stone when a railway vehicle is loaded. The present invention relates to a measurement sensor that precisely measures original motion (translational motion and rotational motion), converts it into a digital signal inside a crushed stone, and then transfers data as clean digital information without noise using an optical cable.

砕石等の不連続集合体からなる構造物の破壊進展状況の把握、および、そのメカニズム解明には、不連続集合体構造物を構成する個々の部材の挙動を実測することが不可決である。ことに道床のように砕石が密に詰まった状態では、個々の砕石の局所的で三次元的な並進挙動と回転挙動とが、道床破壊の引き金になるものと想定される。しかしながら、不連続集合体の個々の部材は不連続集合体内部にあり外部からは見えない。また、その挙動がx,y,z軸の三軸方向の並進運動であり、さらに、x,y,z軸の三軸に関する回転運動も伴うため、従来はその挙動を計測することができなかった。   In order to grasp the progress of fracture of a structure composed of discontinuous aggregates such as crushed stones and to elucidate the mechanism, it is impossible to actually measure the behavior of individual members constituting the discontinuous aggregate structure. In particular, when the crushed stones are densely packed like the road bed, the local and three-dimensional translational and rotational behavior of each crushed stone is assumed to trigger the bed bed destruction. However, the individual members of the discontinuous assembly are inside the discontinuous assembly and are not visible from the outside. Moreover, the behavior is a translational motion in the triaxial direction of the x, y, and z axes, and further, there is a rotational motion with respect to the three axes of the x, y, and z axes, so that the behavior cannot be measured conventionally. It was.

たとえば、列車走行時の軌道構造の測定は従来より行われているが、いずれもレールや枕木表面に関するものであり、測定が困難な道床内部の砕石挙動を直接測定した事例は少ない。砕石中に加速度センサを埋め込んだ計測事例はあるものの、得られるデータは特定の一軸方向に関する測定値のみであり、砕石自体がどの軸を向いているのかもわからず、しかも、砕石の三次元的な動きについては把握できなかった。   For example, the track structure during train running has been conventionally measured, but both relate to rails and sleeper surfaces, and there are few examples of directly measuring the crushed stone behavior inside the road bed, which is difficult to measure. Although there are measurement examples in which an acceleration sensor is embedded in crushed stone, the data obtained are only measured values for a specific uniaxial direction, and it is not possible to know which axis the crushed stone itself is pointing to. I couldn't figure out the movement.

なお、落石の運動を測定するために、落石の内部に加速度センサを取り付けて計測するようにしたものがある(下記非特許文献1参照)。   In addition, in order to measure the movement of a falling rock, there is one in which an acceleration sensor is attached to the inside of the falling rock (see Non-Patent Document 1 below).

しかしながら、この計測方法では一軸センサを用いており、落石が回転すると運動方向の変化が検出できない。また、有線接続でないので、計測データの取得が困難である。   However, this measurement method uses a uniaxial sensor and cannot detect a change in the direction of movement when the falling rock rotates. In addition, since it is not a wired connection, it is difficult to obtain measurement data.

また、本願発明者は、先行して特許文献1(非公開:特願2006−260726号)として、三軸加速度センサを用いた三次元センシングストーンを提案している。
特願2006−260726号 「落石の運動機構に関する研究 その2−落石運動の測定方法」,右城 猛、篠原昌二、家石一美,四国の地盤災害・地盤環境に関するシンポジウム,地盤工学会四国支部、2004年9月
The inventor of the present application has previously proposed a three-dimensional sensing stone using a three-axis acceleration sensor as Patent Document 1 (unpublished: Japanese Patent Application No. 2006-260726).
Japanese Patent Application No. 2006-260726 “Study on rock movement mechanism, Part 2-Measurement method of rock fall movement”, Takeshi Ujo, Shoji Shinohara, Kazumi Ieishi, Symposium on Geo-disaster and Geo-environment in Shikoku, Geotechnical Society Shikoku Branch, September 2004

バラスト軌道劣化モデルの開発には、実態荷重環境下での砕石の三次元的な運動に関する測定が必須である。上記のように本願発明者は、三軸加速度センサを用いたセンシングストーンを製作し、鉄道営業線での現場測定実験を行い、従来の測定手段では測定できなかった低周波から高周波に至る砕石の並進挙動と回転挙動を同時に測定することに成功した。   In order to develop a ballast trajectory degradation model, it is essential to measure the three-dimensional movement of crushed stone under actual load environment. As described above, the inventor of the present application manufactured a sensing stone using a triaxial acceleration sensor, conducted an on-site measurement experiment on a railroad sales line, and was able to measure crushed stone from low frequency to high frequency that could not be measured by conventional measuring means. We succeeded in measuring the translational behavior and the rotational behavior at the same time.

しかしながら、本センシングストーンは、多軸の測定を行うため出力ケーブル本数が多く、測定時に多数の太いケーブルの引き回しが必要である。さらに、その出力信号の記録のために、A/D変換装置、データロガー、発電機などの大掛かりな測定機材を現場に搬入・設置する必要があるが、鉄道軌道近辺への大掛かりな機材の設置は困難を極める。したがって、現場測定において多数の砕石の挙動を測定するためには、三軸加速度センサとデータロガーの接続方法、データ処理方法に関して改善が必要となる。   However, since this sensing stone performs multi-axis measurement, the number of output cables is large, and many thick cables must be routed during measurement. Furthermore, in order to record the output signals, it is necessary to carry in and install large-scale measuring equipment such as A / D converters, data loggers, and generators at the site. Is extremely difficult. Therefore, in order to measure the behavior of a large number of crushed stones in the field measurement, it is necessary to improve the connection method of the triaxial acceleration sensor and the data logger and the data processing method.

また、鉄道営業線では2万ボルトの高電圧が作用するため、センシングストーンから外部に延長した出力ケーブルに、走行車両からの誘導電流が発生し、計測データにノイズが含まれてしまう。そのため、ノイズ低減方法の開発が必要である。   In addition, since a high voltage of 20,000 volts acts on the railway business line, an induced current is generated from the traveling vehicle in the output cable extended from the sensing stone to the outside, and noise is included in the measurement data. Therefore, it is necessary to develop a noise reduction method.

このように、センシングストーンの実用化のためには、(1)センシングストーン内部における測定情報のデジタル処理化と、(2)インターフェースに関するノイズ低減対策法を検討することの2点が重要である。   As described above, in order to put the sensing stone into practical use, two points are important: (1) digital processing of measurement information inside the sensing stone, and (2) examination of noise reduction countermeasures related to the interface.

本発明は、上記状況に鑑みて、センシングストーン内部における測定情報のデジタル処理化と、インターフェースに関するノイズ低減対策を施した三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した光通信式三次元センシングストーンを提供することを目的とする。   In view of the above situation, the present invention provides an optical communication type three-dimensional sensing stone that incorporates a digital processing of measurement information inside the sensing stone and a three-axis acceleration sensor and a PIC microcomputer that take measures for noise reduction related to the interface. The purpose is to do.

本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した光通信式三次元センシングストーンにおいて、三軸加速度センサと、この三軸加速度センサからの出力信号を処理する、ADコンバータ内蔵型の1チップマイクロコンピュータであるPICマイクロコンピュータとを砕石内部に組み込み、前記PICマイクロコンピュータ内部のROMプログラムにより、前記三軸加速度センサの多チャンネルアナログデータをデジタルデータとして自動的に変換・出力するとともに、前記三軸加速度センサ専用の多チャンネル対応型の転送プロトコルを構築し、前記PICマイクロコンピュータからの出力データを、電気的なノイズの影響を受けない光ケーブルを用いて外部に転送することにより、三軸加速度計測時のノイズを低減させることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In an optical communication type three-dimensional sensing stone incorporating a triaxial acceleration sensor and a PIC microcomputer, a one-chip microchip with a built-in AD converter that processes the triaxial acceleration sensor and an output signal from the triaxial acceleration sensor A PIC microcomputer, which is a computer, is incorporated in the crushed stone, and the multi-channel analog data of the three-axis acceleration sensor is automatically converted and output as digital data by the ROM program inside the PIC microcomputer, and the three-axis acceleration By constructing a multi-channel transfer protocol dedicated to the sensor and transferring the output data from the PIC microcomputer to the outside using an optical cable that is not affected by electrical noise, Reduce noise And wherein the door.

〔2〕上記〔1〕記載の三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した光通信式三次元センシングストーンにおいて、前記三軸加速度センサと、この三軸加速度センサからの出力信号を処理する、前記ADコンバータ内蔵型の1チップマイクロコンピュータであるPICマイクロコンピュータとを覆う静電シールドを備えることを特徴とする。   [2] In an optical communication type three-dimensional sensing stone incorporating the triaxial acceleration sensor according to [1] above and a PIC microcomputer, the triaxial acceleration sensor and an output signal from the triaxial acceleration sensor are processed. An electrostatic shield is provided to cover a PIC microcomputer, which is a one-chip microcomputer with a built-in AD converter.

〔3〕上記〔1〕記載の三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した光通信式三次元センシングストーンにおいて、前記砕石内部に配置される電源部に電源からのノイズを除去するフィルタを具備することを特徴とする。   [3] In the optical communication type three-dimensional sensing stone incorporating the three-axis acceleration sensor and the PIC microcomputer as described in [1] above, a power source unit disposed inside the crushed stone is provided with a filter for removing noise from the power source. It is characterized by that.

本発明によれば、砕石の三次元的な運動の測定において、三次元センシングストーン内部における測定情報のデジタル処理化を図るとともに、インターフェースに関するノイズ低減対策を施すことができる。   According to the present invention, in the measurement of the three-dimensional movement of crushed stone, it is possible to digitalize the measurement information inside the three-dimensional sensing stone and to take noise reduction measures for the interface.

本発明の三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した光通信式三次元センシングストーンは、三軸加速度センサと、この三軸加速度センサからの出力信号を処理する、ADコンバータ内蔵型の1チップマイクロコンピュータであるPICマイクロコンピュータとを砕石内部に組み込み、前記PICマイクロコンピュータ内部のROMプログラムにより、前記三軸加速度センサの多チャンネルアナログデータをデジタルデータとして自動的に変換・出力するとともに、前記三軸加速度センサ専用の多チャンネル対応型の転送プロトコルを構築し、前記PICマイクロコンピュータからの出力データを、電気的なノイズの影響を受けない光ケーブルを用いて外部に転送することにより、三軸加速度計測時のノイズを低減させる。   An optical communication type three-dimensional sensing stone incorporating a triaxial acceleration sensor and a PIC microcomputer according to the present invention is a three-chip acceleration sensor and an AD converter built-in type one-chip microprocessor that processes an output signal from the triaxial acceleration sensor. A PIC microcomputer, which is a computer, is incorporated in the crushed stone, and the multi-channel analog data of the three-axis acceleration sensor is automatically converted and output as digital data by the ROM program inside the PIC microcomputer, and the three-axis acceleration By constructing a multi-channel transfer protocol dedicated to the sensor and transferring the output data from the PIC microcomputer to the outside using an optical cable that is not affected by electrical noise, Reduce noise.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

図1は本発明の実施例を示す三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した光通信式三次元センシングストーンシステムの全体ブロック図である。   FIG. 1 is an overall block diagram of an optical communication type three-dimensional sensing stone system incorporating a triaxial acceleration sensor and a PIC microcomputer according to an embodiment of the present invention.

この図において、1は三軸加速度センサ、2はその三軸加速度センサ1からのアナログ信号を読み込むPICマイクロコンピュータ、3は出力インターフェース、4は電源部、5は三軸加速度センサ1及びPICマイクロコンピュータ2を囲む静電シールド、6はPICマイクロコンピュータ2からの出力シリアルデータを送る光ファイバー、7は光ファイバー6を介して送られる出力シリアルデータを受けるマイクロコンピュータ(H8)、8はマイクロコンピュータ(H8)7からの出力データを送るRS−232Cライン、9はRS−232Cライン8を介して送られる出力データを受ける外部コンピュータである。   In this figure, 1 is a triaxial acceleration sensor, 2 is a PIC microcomputer that reads an analog signal from the triaxial acceleration sensor 1, 3 is an output interface, 4 is a power supply unit, 5 is a triaxial acceleration sensor 1 and a PIC microcomputer. The electrostatic shield surrounding 2, 6 is an optical fiber for sending output serial data from the PIC microcomputer 2, 7 is a microcomputer (H8) for receiving output serial data sent via the optical fiber 6, and 8 is a microcomputer (H8) 7. RS-232C line 9 for sending output data from, and 9 is an external computer for receiving the output data sent via RS-232C line 8.

ここで、PICマイクロコンピュータ2とマイクロコンピュータ(H8)7間の通信プロトコルは、図2に示すように、ポート番号3bitと測定データ10bitとでデータ13bit、ヘッダ「1」を14bitとし、さらにエンド「010」の3ビットを設けるようにしている。   Here, as shown in FIG. 2, the communication protocol between the PIC microcomputer 2 and the microcomputer (H8) 7 includes a port number 3 bits and measurement data 10 bits, data 13 bits, a header “1” of 14 bits, and an end “ Three bits of “010” are provided.

図3はピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップ(H48D)10の外観を示している。また、そのピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップ10のブロック図を、図4に示す。このピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップ10は、Xセンサ11、Yセンサ12、Zセンサ13、温度センサ14、増幅器(AMP)15、制御部16、参照電源17とを備えている。   FIG. 3 shows the appearance of the piezoresistive triaxial acceleration sensor chip (H48D) 10. A block diagram of the piezoresistive triaxial acceleration sensor chip 10 is shown in FIG. The piezoresistive triaxial acceleration sensor chip 10 includes an X sensor 11, a Y sensor 12, a Z sensor 13, a temperature sensor 14, an amplifier (AMP) 15, a control unit 16, and a reference power supply 17.

次に、加速度の検出を行うピエゾ抵抗素子の配置について説明する。   Next, the arrangement of piezoresistive elements for detecting acceleration will be described.

図5はピエゾ抵抗素子の構造を示しており、図5(a)はそのピエゾ抵抗素子の平面図、図5(b)は図5(a)のA−A線断面図である。また、図6はピエゾ抵抗素子とその回路を示す図である。   5 shows the structure of the piezoresistive element. FIG. 5 (a) is a plan view of the piezoresistive element, and FIG. 5 (b) is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 5 (a). FIG. 6 is a diagram showing a piezoresistive element and its circuit.

これらの図において、21はピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップ、22は半導体ピエゾ素子である。   In these figures, 21 is a piezoresistive triaxial acceleration sensor chip, and 22 is a semiconductor piezo element.

次に、ピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップを用いた三次元センシングストーンの構造とその動作原理について述べる。   Next, the structure of a three-dimensional sensing stone using a piezoresistive triaxial acceleration sensor chip and its operating principle will be described.

図7は三次元センシングストーンの動作原理図である。   FIG. 7 is an operation principle diagram of the three-dimensional sensing stone.

図7は、辺長がそれぞれLx ,Ly ,Lz である直方体の対角線上の頂点に、ピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップを2個配置したものである。それぞれ「Aセンサ」31と「Bセンサ」32とする。両センサ間の直線距離Lは三平方の和よりL=√(Lx 2 +Ly 2 +LZ 2 )である。また、2 個のセンサを結ぶ直線Lと、x,y,z軸の三軸がなす方向余弦をそれぞれθx ,θy ,θz と記号表示するとcosθx =Lx /L,cosθy =Ly /L,cosθZ =Lz /Lの関係が成り立つ。また、x,y,z軸に直交する面を考えてAセンサ31とBセンサ32の軸間距離Tx ,Ty ,Tz を求めると、x1 ,x2 軸間距離Tx 、y1 ,y2 軸間距離Ty 、z1 ,z2 軸間距離Tz は、それぞれ次式により求められる。 In FIG. 7, two piezoresistive triaxial acceleration sensor chips are arranged at the vertices on the diagonal line of the rectangular parallelepiped whose side lengths are L x , L y , and L z , respectively. They are referred to as “A sensor” 31 and “B sensor” 32, respectively. The linear distance L between the two sensors is L = √ (L x 2 + L y 2 + L Z 2 ) from the sum of three squares. Further, if the direction cosine formed by the straight line L connecting the two sensors and the three axes of the x, y, and z axes is represented by θ x , θ y , and θ z , respectively, cos θ x = L x / L, cos θ y = The relationship L y / L, cos θ Z = L z / L is established. Further, when the inter-axis distances T x , T y , T z of the A sensor 31 and the B sensor 32 are obtained in consideration of the plane orthogonal to the x, y, z axes, the x 1 , x 2 inter-axis distances T x , y The 1 and y 2 interaxial distances T y , z 1 and z 2 interaxial distances T z are obtained by the following equations, respectively.

x =Lsinθx =√(L2 −Lx 2 )=√(Ly 2 +LZ 2 ),Ty =Lsinθy =√(L2 −Ly 2 )=√(LZ 2 +Lx 2 ),TZ =Lsinθz =√(L2 −LZ 2 )=√(Lx 2 +Ly 2
この直方体に並進運動と回転運動が同時に発生し、直方体頂点にとりつけたA、Bの両センサ31,32にも、異なる大きさの加速度が生じた状態を想定する。Aセンサ31のx,y,z三軸に関する加速度測定値をそれぞれx1 ,y1 ,z1 ,Bセンサ32のx,y,z三軸に関する加速度測定値をそれぞれx2 ,y2 ,z2 とし、直方体の運動に関する加速度評価点をAセンサ31およびBセンサ32の中点とする。2個のセンサについて、x,y,z軸別に平均値αx ,αy ,αz を求めると以下の通りである。
T x = L sin θ x = √ (L 2 −L x 2 ) = √ (L y 2 + L Z 2 ), T y = L sin θ y = √ (L 2 −L y 2 ) = √ (L Z 2 + L x 2 ), T Z = L sin θ z = √ (L 2 −L Z 2 ) = √ (L x 2 + L y 2 )
It is assumed that translational motion and rotational motion are simultaneously generated in the rectangular parallelepiped, and accelerations of different magnitudes are generated in both the A and B sensors 31 and 32 attached to the vertex of the rectangular parallelepiped. The acceleration measurement values for the x, y, and z axes of the A sensor 31 are x 1 , y 1 , and z 1 , respectively, and the acceleration measurement values for the x, y, and z axes of the B sensor 32 are x 2 , y 2 , and z, respectively. 2 and the acceleration evaluation point related to the movement of the rectangular parallelepiped is the midpoint of the A sensor 31 and the B sensor 32. The average values α x , α y , and α z for the two sensors for the x, y, and z axes are as follows.

αx =(x1 +x2 )/2,αy =(y1 +y2 )/2,αz =(z1 +z2 )/2(m/s2
また、Aセンサ31について、軸毎に平均値からの偏差量βx 、βy 、βz を求めると以下の通りである。
α x = (x 1 + x 2 ) / 2, α y = (y 1 + y 2 ) / 2, α z = (z 1 + z 2 ) / 2 (m / s 2 )
Further, regarding the A sensor 31, deviations β x , β y , β z from the average value are obtained for each axis as follows.

βx =x1 −αx =x1 −(x1 +x2 )/2=(x1 −x2 )/2
βy =y1 −αy =y1 −(y1 +y2 )/2=(y1 −y2 )/2
βz =z1 −αz =z1 −(z1 +z2 )/2=(z1 −z2 )/2(m/s2
すなわち、平均値αx ,αy ,αz は、直方体中心の加速度評価点における並進運動に関する加速度を表し、一方、偏差量βx ,βy ,βz は、直方体中心の加速度評価点における回転運動に関する加速度を表す。
β x = x 1 −α x = x 1 − (x 1 + x 2 ) / 2 = (x 1 −x 2 ) / 2
β y = y 1 −α y = y 1 − (y 1 + y 2 ) / 2 = (y 1 −y 2 ) / 2
β z = z 1 −α z = z 1 − (z 1 + z 2 ) / 2 = (z 1 −z 2 ) / 2 (m / s 2 )
That is, the average values α x , α y , and α z represent the acceleration related to the translational motion at the acceleration evaluation point at the center of the rectangular parallelepiped, while the deviation amounts β x , β y , β z represent the rotation at the acceleration evaluation point at the center of the rectangular parallelepiped. Represents acceleration related to movement.

ここに、回転運動に関する加速度は、加速度評価点と測定点間の軸の長さが関係する。したがって、加速度の回転成分βx ,βy ,βz については、加速度評価点と両センサ間の距離(Tx /2,Ty /2,Tz /2)で割って基準化し、回転方向の加速度成分γx ,γy ,γz とする。 Here, the acceleration relating to the rotational motion is related to the length of the axis between the acceleration evaluation point and the measurement point. Therefore, the rotation components β x , β y , β z of acceleration are normalized by dividing by the distance (T x / 2, T y / 2, T z / 2) between the acceleration evaluation point and both sensors. Acceleration components γ x , γ y , and γ z .

γx =βx /(Tx /2)={(x1 −x2 )/2}/(Tx /2)=(x1 −x2 )/Tx =(x1 −x2 )/√(Ly 2 +Lz 2 ),
γy =βy /(Ty /2)={(y1 −y2 )/2}/(Ty /2)=(y1 −y2 )/Ty =(y1 −y2 )/√(Lz 2 +Lx 2 ),
γz =βz /(Tz /2)={(z1 −z2 )/2}/(Tz /2)=(z1 −z2 )/Tz =(z1 −z2 )/√(Lx 2 +Ly 2
上述のように、2つのセンサの各軸の測定値の平均と差をとることにより、砕石の三次元の並進挙動と、回転挙動とを非常に容易に同時測定可能である。なお、加速度測定の単位をm/s2 とすると、並進加速度成分αx ,αy ,αz の単位は測定値と同じm/s2 である。一方、回転方向の加速度成分γx ,γy ,γz については、軸と直交する半径で除しているので、軸方向加速度(m/s2 )÷軸間半径(m)となり、単位はrad/s2 となる。
γ x = β x / (T x / 2) = {(x 1 −x 2 ) / 2} / (T x / 2) = (x 1 −x 2 ) / T x = (x 1 −x 2 ) / √ (L y 2 + L z 2 ),
γ y = β y / (T y / 2) = {(y 1 −y 2 ) / 2} / (T y / 2) = (y 1 −y 2 ) / T y = (y 1 −y 2 ) / √ (L z 2 + L x 2 ),
γ z = β z / (T z / 2) = {(z 1 −z 2 ) / 2} / (T z / 2) = (z 1 −z 2 ) / T z = (z 1 −z 2 ) / √ (L x 2 + L y 2 )
As described above, by taking the average and difference between the measured values of each axis of the two sensors, the three-dimensional translational behavior and rotational behavior of the crushed stone can be measured very easily and simultaneously. If the unit of acceleration measurement is m / s 2 , the units of translational acceleration components α x , α y , α z are m / s 2 which is the same as the measured value. On the other hand, the acceleration components γ x , γ y , γ z in the rotational direction are divided by the radius orthogonal to the axis, so that the axial acceleration (m / s 2 ) ÷ the inter-axis radius (m), the unit is rad / s 2

図8は三次元センシングストーンの構造を示す図である。   FIG. 8 is a diagram showing the structure of a three-dimensional sensing stone.

この図に示すように、三次元センシングストーン41内に図7で示したAセンサ及びBセンサを配置し、上記した三次元センシングを行うようにしている。   As shown in this figure, the A sensor and the B sensor shown in FIG. 7 are arranged in the three-dimensional sensing stone 41 to perform the above-described three-dimensional sensing.

図9は三次元センシングストーンの設置状況を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing the installation status of the three-dimensional sensing stone.

この図において、41は三次元センシングストーン、42は路盤、43はバラスト、44はまくらぎ、45はレールであり、三次元センシングストーン41はバラスト43内に配置される。   In this figure, 41 is a three-dimensional sensing stone, 42 is a roadbed, 43 is a ballast, 44 is a sleeper, 45 is a rail, and the three-dimensional sensing stone 41 is arranged in the ballast 43.

図10は三次元センシングストーンの回路図である。   FIG. 10 is a circuit diagram of a three-dimensional sensing stone.

この図に示すように、三次元センシングストーン50の内部には、三軸加速度センサ51と52、PICマイクロコンピュータ53、出力インターフェース54、電源部55が備えられ、電源部55には外部から電源が供給される。この電源部55にはノイズを除去するフィルタ55A,55Bが設けられている。   As shown in this figure, the three-dimensional sensing stone 50 includes three-axis acceleration sensors 51 and 52, a PIC microcomputer 53, an output interface 54, and a power supply unit 55. The power supply unit 55 is supplied with power from outside. Supplied. The power supply unit 55 is provided with filters 55A and 55B for removing noise.

また、出力インターフェース54からは受信側へ電気的なノイズの影響を受けない光ファイバー56が接続されるように構成されている。   An optical fiber 56 that is not affected by electrical noise is connected from the output interface 54 to the receiving side.

図11はPICマイクロコンピュータ(PIC16F88)のピン配置を示す図、図12はH8マイクロコンピュータを示す図である。   FIG. 11 is a diagram showing the pin arrangement of the PIC microcomputer (PIC16F88), and FIG. 12 is a diagram showing the H8 microcomputer.

図11に示すPICマイクロコンピュータ1個で情報の処理を行うことができる。   Information processing can be performed by one PIC microcomputer shown in FIG.

また、図12に示すH8マイクロコンピュータで、光ファイバーからの出力データを取込み、外部コンピュータへと接続することができる。   Further, the H8 microcomputer shown in FIG. 12 can capture output data from the optical fiber and connect it to an external computer.

本発明では、三次元センシングストーンの実用化のために、(1)出力情報のデジタル処理に関する回路設計を行うこと、および、(2)インターフェースに関するノイズ低減対策法を検討し改善した。   In the present invention, for practical use of the three-dimensional sensing stone, (1) circuit design related to digital processing of output information and (2) noise reduction countermeasures related to the interface were studied and improved.

前者については、ADコンバータ内蔵型の1チップマイクロコンピュータ(PIC)を砕石内部に組み込み、PIC内部のROMプログラムにより、三軸加速度センサの多チャンネルアナログデータをデジタルデータとして自動的に変換・出力するようにした。   For the former, a one-chip microcomputer (PIC) with built-in AD converter is built into the crushed stone, and the multi-channel analog data of the triaxial acceleration sensor is automatically converted and output as digital data by the ROM program inside the PIC. I made it.

また、後者については、本センサ専用の多チャンネル対応型の転送プロトコルを新たに構築し、PICマイクロコンピュータからの出力データを、電気的なノイズの影響を受けない光ケーブルを用いて外部に転送することにより、計測時のノイズを低減させることができた。   For the latter, a new multi-channel transfer protocol dedicated to this sensor will be constructed, and the output data from the PIC microcomputer will be transferred to the outside using an optical cable that is not affected by electrical noise. As a result, noise during measurement could be reduced.

3次元センシングストーンのノイズ低減対策、光ケーブルによる簡素化が行われたことにより、より精度良く簡便に道床の振動が測定できるようになった。   Noise reduction measures for 3D sensing stones and simplification with optical cables have made it possible to measure the vibration of the roadbed more accurately and easily.

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。   In addition, this invention is not limited to the said Example, Based on the meaning of this invention, a various deformation | transformation is possible and these are not excluded from the scope of the present invention.

本発明の三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した光通信式三次元センシングストーンは、砕石の三次元的な動きを的確に把握することができる。   The optical communication type three-dimensional sensing stone incorporating the three-axis acceleration sensor and the PIC microcomputer of the present invention can accurately grasp the three-dimensional movement of the crushed stone.

本発明の実施例を示す三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した光通信式三次元センシングストーンシステムの全体ブロック図である。1 is an overall block diagram of an optical communication type three-dimensional sensing stone system incorporating a triaxial acceleration sensor and a PIC microcomputer according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例を示すPICマイクロコンピュータとH8マイクロコンピュータとの間の通信プロトコルを示す図である。It is a figure which shows the communication protocol between the PIC microcomputer and H8 microcomputer which show the Example of this invention. 本発明の実施例を示すピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップの外観を示す図である。It is a figure which shows the external appearance of the piezoresistive type triaxial acceleration sensor chip which shows the Example of this invention. 図3に示されたピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップのブロック図である。FIG. 4 is a block diagram of the piezoresistive triaxial acceleration sensor chip shown in FIG. 3. 本発明の実施例を示すピエゾ抵抗素子の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the piezoresistive element which shows the Example of this invention. 本発明の実施例を示すピエゾ抵抗素子とその回路を示す図である。It is a figure which shows the piezoresistive element which shows the Example of this invention, and its circuit. 三次元センシングストーンの動作原理図である。It is an operation | movement principle figure of a three-dimensional sensing stone. 三次元センシングストーンの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of a three-dimensional sensing stone. 三次元センシングストーンの設置状況を示す図である。It is a figure which shows the installation condition of a three-dimensional sensing stone. 三次元センシングストーンの回路図である。It is a circuit diagram of a three-dimensional sensing stone. PICマイクロコンピュータ(PIC16F88)のピン配置を示す図である。It is a figure which shows pin arrangement of a PIC microcomputer (PIC16F88). H8マイクロコンピュータを示す図である。It is a figure which shows a H8 microcomputer.

符号の説明Explanation of symbols

1,51,52 三軸加速度センサ
2,53 PICマイクロコンピュータ
3,54 出力インターフェース
4,55 電源部
5 静電シールド
6 光ファイバー
7 マイクロコンピュータ(H8)
8 RS−232Cライン
9 外部コンピュータ
10,21 ピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップ
11 Xセンサ
12 Yセンサ
13 Zセンサ
14 温度センサ
15 増幅器(AMP)
16 制御部
17 参照電源
22 半導体ピエゾ素子
31 Aセンサ
32 Bセンサ
41,50 三次元センシングストーン
42 路盤
43 バラスト
44 まくらぎ
45 レール
55A,55B フィルタ(電源部)
1, 51, 52 Triaxial acceleration sensor 2, 53 PIC microcomputer 3, 54 Output interface 4, 55 Power supply unit 5 Electrostatic shield 6 Optical fiber 7 Microcomputer (H8)
8 RS-232C line 9 External computer 10, 21 Piezoresistive triaxial acceleration sensor chip 11 X sensor 12 Y sensor 13 Z sensor 14 Temperature sensor 15 Amplifier (AMP)
16 control unit 17 reference power source 22 semiconductor piezo element 31 A sensor 32 B sensor 41, 50 three-dimensional sensing stone 42 roadbed 43 ballast 44 sleeper 45 rail 55A, 55B filter (power source unit)

Claims (3)

三軸加速度センサと、該三軸加速度センサからの出力信号を処理する、ADコンバータ内蔵型の1チップマイクロコンピュータであるPICマイクロコンピュータとを砕石内部に組み込み、前記PICマイクロコンピュータ内部のROMプログラムにより、前記三軸加速度センサの多チャンネルアナログデータをデジタルデータとして自動的に変換・出力するとともに、前記三軸加速度センサ専用の多チャンネル対応型の転送プロトコルを構築し、前記PICマイクロコンピュータからの出力データを、電気的なノイズの影響を受けない光ケーブルを用いて外部に転送することにより、三軸加速度計測時のノイズを低減させることを特徴とする三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した光通信式三次元センシングストーン。   A triaxial acceleration sensor and a PIC microcomputer, which is a one-chip microcomputer with a built-in AD converter, for processing an output signal from the triaxial acceleration sensor are incorporated in a crushed stone, and by a ROM program in the PIC microcomputer, Multi-channel analog data of the three-axis acceleration sensor is automatically converted and output as digital data, and a multi-channel compatible transfer protocol dedicated to the three-axis acceleration sensor is constructed to output data from the PIC microcomputer. An optical communication system incorporating a triaxial acceleration sensor and a PIC microcomputer, which reduces noise during triaxial acceleration measurement by transferring to the outside using an optical cable that is not affected by electrical noise Three-dimensional sensing stone. 請求項1記載の三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した光通信式三次元センシングストーンにおいて、前記三軸加速度センサと、該三軸加速度センサからの出力信号を処理する、前記ADコンバータ内蔵型の1チップマイクロコンピュータであるPICマイクロコンピュータとを覆う静電シールドを備えることを特徴とする三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した光通信式三次元センシングストーン。   2. An optical communication type three-dimensional sensing stone having a built-in triaxial acceleration sensor and a PIC microcomputer according to claim 1, wherein the triaxial acceleration sensor and the AD converter built-in type process an output signal from the triaxial acceleration sensor. An optical communication type three-dimensional sensing stone incorporating a three-axis acceleration sensor and a PIC microcomputer, comprising an electrostatic shield that covers a PIC microcomputer that is a one-chip microcomputer. 請求項1記載の三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した光通信式三次元センシングストーンにおいて、前記砕石内部に配置される電源部に電源からのノイズを除去するフィルタを具備することを特徴とする三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した光通信式三次元センシングストーン。   The optical communication type three-dimensional sensing stone incorporating the three-axis acceleration sensor and the PIC microcomputer according to claim 1, further comprising a filter for removing noise from a power source in a power source portion arranged inside the crushed stone. Optical communication type 3D sensing stone with built-in triaxial acceleration sensor and PIC microcomputer.
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JPH02222810A (en) * 1989-01-23 1990-09-05 Mitsubishi Electric Corp Rotary encoder
JP2002228497A (en) * 2001-02-06 2002-08-14 Hitachi Cable Ltd Falling rock guard net warning device
JP4093392B2 (en) * 2001-08-01 2008-06-04 大日本コンサルタント株式会社 Self-supporting network measurement system
JP3696586B2 (en) * 2002-10-07 2005-09-21 Necトーキン株式会社 Attitude angle detector
JP2005230306A (en) * 2004-02-20 2005-09-02 Star Micronics Co Ltd Die
JP2005315829A (en) * 2004-03-30 2005-11-10 Denso Corp Sensor device
JP2007018126A (en) * 2005-07-06 2007-01-25 Nec Tokin Corp Collapse monitoring system
KR101302607B1 (en) * 2005-09-01 2013-09-02 프라운호퍼-게젤샤프트 츄어 푀르더룽 데어 안게반텐 포르슝에.파우. Stand-alone miniaturised communication module

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