智能计轴传感器的设计

1 前言

　　计轴系统的可靠性是由计轴传感器的可靠性和后续计轴处理机的可靠性共同来保障的。目前已有的各种计轴传感器均属于非智能型计轴传感器，基本上都属于为后续计轴主机提供可靠的车轴有/无的信息，而少有预处理，显然，如果能研制一种性能价格比更高的计轴传感器，对提高计轴系统性能，降低整个系统的成本是极为有益的。为此，我们研究了一种新的智能型的计轴传感器设计方案。

2 智能计轴传感器机械结构设计

　　图1 给出了智能型计轴传感器的机械结构示意图。

　　该结构中，为了使传感器能更好的适应南方站场防水、防潮、防高温以及抗冲击、抗震动的实际需要，结构上采取以下措施：

　　①.双层结构设计，外层是机械保护层，它采用金属厚板材加工而成，质量较大，以满足抗冲击、抗震动的要求。

　　②.外层的四个侧面为细百叶窗设计，又可遮阳、避雨，又利于通风、散热。

　　③.内外层之间用于固定内层的紧固架，采用坚固而不导热的PVC塑料和橡胶垫，内盒呈“悬空”状态紧固在中间，两盒之间大部为中空结构，减少了热传导，增大自然散热。

　　④.内层为全金属、全密封结构，敏感元件用环氧树脂等防水材料封装在外壳上，敏感元件与传感器主板的连线、电源线、通信线等均采用防水连接，以防湿气和雨水的侵入。

　　⑤.底部也为架空结构，留有排水孔。

3 主要算法设计

　　所有智能计轴传感器的三个敏感元件的编号依次为S1、S2、S3（参见图2）。其对应通道采样时的计轴值为（S1）、（S2）、（S3）。

　　3.1 计轴机制设计

　　为了实时完成计轴任务，每当车轮经过敏感元件产生电信号时，智能计轴传感器的微处理机以响应外中断的方式来完成有关的计轴处理。

　　中断设置为上跳沿触发方式。理由之一是为了防止因通道故障引起对中断机制的破坏;理由之二是为了避免三个敏感元件引起中断的冲突。

　　系统为每个通道设置一个响应标志，它们分别是：marks1（S1通道）、marks2（S2通道）、marks3（S3通道）。每当系统初始化或者在区段出清做“复位”时，置这三个标志为0。当系统响应某个通道的计轴中断时，将响应通道的该标志置1。因此，在连续响应3次中断之后，有故障的通道其标志一定是0。

　　如果敏感元件的相互间隔为Ncm，当车速为200KM/h时，其线速度为50M/S，即一个毫秒可运行5cm。这意味车轮在依次经过同一个智能计轴传感器的三个检测元件时引起计轴中断的时间间隔约为（N/5）ms。

　　轮对间距约在70cm-90cm，意味在车速200KM/h时，不同车轮经过同一个计轴传感器引起计轴中断的最小时间间隔为14ms。

　　当车轮经过三个磁敏感元件时，引起其附近磁场发生相应变化，产生感应信号。如果三个传感器相距越近，三个感应信号的重叠部分就越多。当车速较高时，势必引起中断冲突。解决办法是：

　　①.适当设置门槛电平阀值;

　　②.适当设置敏感元件间隔。（参见图3）

　　车轮轮径一般为35cm-47cm。以最大轮径47cm考虑，其半径为23.5cm，选取敏感元件设置的高度在距车轮下缘1.5cm处。为避免中断冲突，可选取两个敏感元件的间距N大于2L。由图3可知，

　　L=（23.52-222）1/2 ≈8cm

　　考虑到传感器安放的位置与车轮的弧度关系，可以取间距N=15cm。

　　当车列以200KM/h行驶时，三个敏感元件引起中断的时间间隔为3ms。

　　3. 2计轴数据处理设计

　　与计轴处理相关的数据缓冲区包括以下标志和内存工作单元。

　　（1）.工作单元：①TBUF（1B） ——- 秒计数单元 ②CINT（1B） ——- 中断计数累计单元 ③C1（1B）—————— 敏感元件 S1的计轴累计单元 ④C2（1B）—————— 敏感元件S2的计轴累计单元 ⑤C3（1B）—————— 敏感元件S3的计轴累计单元 ⑥DERECT1（1B）- 上行方向（即从S1→S3方向）标记单元 ⑦DERECT2（1B）- 下行方向（即从S3→S1方向）标记单元 ⑧DERECT3（1B）- 方向不确定标记单元

　　在初始化时或在该区段出清后，上述标志和工作单元全部清零。

　　⑵ 智能计轴传感器发往计轴处理机的信息格式设计

　　智能计轴传感器发往计轴处理机的信息共占两个字节：首字节为工作状态，次字节为当时所计轴数（0-255）。

　　智能计轴传感器工作状态字节的格式如下：

　　其中，①.SYS为智能计轴传感器微处理器自检状态：SYS=0 系统正常;SYS=1 系统有故障。

　　②.SES1、SES2、SES3分别为三个敏感器件及其通道工作状态：SESi=0 表示第i号敏感器件及其通道工作正常;SESi=1 表示第i号敏感器件及其通道工作不正常。

　　在本区段被占用时，系统处于计轴状态，该3位由计轴中断处理程序，根据计轴情况识别填写。

　　当本区段出清后，系统进入自检循环，该3位根据系统自检信号及其反应正确与否来设置。

　　③.DER为方向：DER=0 表示车行方向为从S1到S3;DER=1 表示车行方向为从S3到S1

　　当本区段出清后，系统进入自检循环后，该位为0。

　　④.ERR为计轴异常标志位：ERR=0，表明按“多数原则”计轴正常;ERR=1，表明计轴结果可能有问题

　　⑤.T1、T2用来记录从上次中断开始到现在经过的时延（单位为：秒）

　　当本区段出清，系统进入自检循环后，第二个字节为校验字节（0A5H），其作用在于检查通信环节是否正常。

　　（3）.敏感元件及其通道工作状态识别算法

　　借助于标志MARKS1、MARKS2、MARKS3、中断计数累计单元以及三个通道计轴累计单元。可以很简单地对敏感元件及其通道工作状态作出判断：

　　当CINT的值大于或等于3之后，如果MARKS1、MARKS2、MARKS3中仍为0者，则对应的通道必定有故障。作为验证，其对应的通道计轴累计单元C1、C2或C3必定为0。

　　整个系统对车行方向的识别与判断是在传感器和处理机两机进行，最终由计轴处理机完成的。

　　（4）.软计时机制设计

　　为了防止因人为破坏，或雷电的引起的意外计数，系统设置了软计时机制。具体方法是：

　　每当一个计轴中断开始时，计轴传感器的微处理器就自动开始一个软时钟的计时过程。

　　①.即使车列运行速度为1KM/h（只有在列车启动或即将停止时才会出现），每秒钟也能运行约28cm。此时的车列车轮经过两个敏感元件的最大时延也不过只有约半秒钟。

　　②.人为破坏或雷电等干扰反映在计轴计数上则表现有“孤立”和“大时延”的特点，即两次此类事件发生的时间间隔一般都远远大于半秒。

　　根据上述特点，并参考其它相关数据，就可以对人为破坏或雷电等干扰作出判别。

　　在设置此机制之后，为了确保“故障导致安全”，无论何种情况，一旦识别结果认为“有可能”是车列进入本区段，先做本区段已被“占用”处理。在经过软计时机制及其后续处理，确认是“意外”的偶然事件之后，解除处理。

4 结论

　　“故障导向安全”原则在智能计轴传感器部分体现在下述几方面：

　　①.任何计轴系统其可靠性最重要的基础就是计轴数必须准确。本系统敏感元件的冗余设置及“少数服从多数”的计轴算法，大大提高了计轴计数的可靠性。

　　②.系统对μP、通道设置了完整的自检环节，还设置校验码，并将自检结果包含在通信数据中，当系统出现可能导致危及安全的故障时能实时将故障状态告诉计轴处理机。这就为计轴处理机按“故障导向安全”原则控制轨道继电器动作作好了准备。

　　本文作者创新点：1）完全贯彻“故障导向安全”的原则，分析了智能计轴传感器的硬件组成原理;2）一种全新的计轴机制设计，即3感应信号设计;3）对智能计轴传感器进行了处理软计时机制设计，即抗干扰设计。

参考文献：

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