面向軌道交通安全評估的分布式檢測裝置的製作方法
2023-05-12 21:28:36
專利名稱：面向軌道交通安全評估的分布式檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種分布式檢測裝置，特別是指一種面向軌道交通安全評估 的分布式檢測裝置。
背景技術：
軌道交通系統包括鐵路、地鐵和輕軌等三類。每類系統都包括機車車輛、 運行控制、牽引供電、線路和車站，因此軌道交通的安全評估系統包括基礎設 施、載運工具和運輸組織過程等方面的內容。由於軌道交通屬於大運量公共交 通，其安全運行是及其重要的。
目前，國內機車、車輛、動車組都安裝有各種傳感器用於檢測安全運行狀 態；在大型車站站場，也安裝了安全檢測系統來檢測站場安全情況和旅客情況。 現有面向安全的檢測系統主要有
*視頻系統，用於檢測車站人流；
*站場設備系統，用於檢測站場各種設備的運行狀態；如溫度、煙霧、液 位、電機運行狀態等等。
*機車和動車組車載故障檢測系統，通過無線網絡或者USB將機車和動 車組車載設備的檢測數據傳輸到地面檢測中心
軌道交通安全評估的檢測系統現有問題主要包括
1各個既有系統獨自建設、彼此孤立的，互聯性差，不能得到全局和全面 的安全信息。目前部署的各類型檢測傳感器各自獨立，雖然滿足各自系統的需 求，但得不到全局安全檢測信息，不能進行綜合檢測。
2布線複雜，限制了檢測的範圍。由於現有檢測系統需要多個測量點的多 類型傳感器的數據，由於缺乏統一的前端傳感器接入裝置，需要把每個傳感器線傳輸至檢測站的信號處理端或者上位機，因此現場布線十分複雜、數據傳輸 負荷較大，現有的檢測方式僅僅適合於小範圍、局部的檢測，不能完成大範圍 全局檢測。
3現有系統擴展性和安全性不高。由於現有檢測系統各自獨立建設，如需 對增加新的檢測對象，則需重新構建檢測裝置，很難在現有系統基礎上進行擴 展。現有檢測裝置通常將數據輸入到檢測站的檢測計算機中進行數據處理和安 全評估，中心計算機安全穩定性決定了檢測系統的安全性。
發明內容
本發明的目的在於避免上述現有技術中的不足之處而提供一種面向軌 道交通安全評估與預測的分布式檢測裝置。
該系統能解決現有軌道交通安全評估的檢測系統的問題。該系統前端機
具有現場總線CAN通訊和網絡通訊功，利用雙絞線作為CAN傳輸介質傳送 實時性高的檢測數據，利用網線作為網絡通訊傳輸線傳送大容量檢測數據， 因此現場布線十分簡單，能夠適應大範圍全局檢測的需求；前端機還具有多 類型傳感器接入功能，通過DSP + CPLD能夠就近接入目前安全評估所用的 多類型傳感器；前端機DSP + CPLD結構具有實時在線處理多源異構檢測數 據的能力，使現有獨立建設的檢測系統構成一體化的檢測系統，增強了檢測 系統擴展能力並得到全局安全檢測信息。
本發明的目的可以通過以下措施來達到
面向軌道交通安全評估的分布式檢測裝置的一個或多個前端機通過網 絡通訊控制器連接到一個上位機進行大容量數據通訊，多個前端機之間通過 CAN通訊控制器實現實時性強的現場總線級通訊；
上位機為配備普通網卡的PC機或工控機；
其中網絡通訊控制器由LAN ISA Ethernet控制器CS8900A、隔離變壓 器HR601626、 RJ45接口頭連接構成；
其中CAN通訊控制器由DSP TMS320F2812(以下簡稱DSP)的eCAN模 塊、光耦隔離器、CAN控制器接口 PCA82C250連接構成；前端機以DSP為核心，包括接入網絡通訊控制電路、串行接口電路、
時鐘與復位電路、電源電路、存儲電路；
DSP通過信號調理電路接入各類檢測用的傳感器，電流輸出的傳感器經 電流電壓變換電路接入到DSP的ADC 口，電壓輸出的傳感器經電壓調理電 路接入至DSP的ADC 口，開關量輸出的傳感器經電平變換電路輸入至DSP 的事件管理器EV 口，脈衝序列輸出的傳感器經電平變換電路輸入至DSP 的輸入輸出10 口，帶CAN接口的傳感器經CAN通訊控制器接口電路輸入 至DSP的eCAN 口 。
電流輸出傳感器經電流電壓變換電路、電壓頻率變換電路，電壓輸出傳 感器經電壓頻率變換電路，開關量輸出傳感器經電平變換電路，脈衝序列輸 出的傳感器經電平變換電路，分別接入複雜可編程邏輯器件CPLD Altera MAXIIEPM 1270T144C5N (以下簡稱CPLD)輸入端，CPLD輸出端連接至 DSP; CPLD還連接有鍵盤電路，液晶顯示電路。
面向軌道交通安全評估的分布式檢測裝置的上位機可為多個。
本發明相比現有技術具有如下優點
1前端機DSP+CPLD結構能夠接入安全評估所需的大量的多類型傳感器、 具有實時在線處理的能力。現場施工中各類傳感器就近接入到前端機，能夠採 用一套裝置完成現有的軌道交通安全評估所需的各類檢測任務，使現有獨立建 設的檢測系統構成完整一體的檢測系統，得到全局安全檢測信息。
2前端機具有網絡通訊具有CAN總線通訊能力和網絡通訊能力，利用CAN 總線傳送實時性高的檢測數據，利用通訊網絡傳送大容量檢測數據，利用雙絞 線作為CAN傳輸線、網線作為網絡通訊傳輸線，現場布線簡單，滿足大範圍 檢測的需求；
3上位機+前端機結構適於系統擴展。今後如有新的檢測需求，僅僅增加 前端機就能完成任務。
圖l面向軌道交通安全評估的分布式檢測裝置示意圖2前端機構成方框圖3 CAN通訊控制器方框圖4網絡通訊控制器方框圖5北京地鐵站場檢測總體示意圖6站場前端機接入傳感器示意圖。
具體實施例方式
解決現有軌道交通安全評估的檢測系統問題的突破口包括兩類問題， 一類 是檢測系統能夠接入多類型檢測用的傳感器，能夠具有信號處理能力。因此選
用數據信號處理器DSP和複雜可編程邏輯陣列CPLD來完成接入、處理功能。
第二類是減少系統數據傳輸總量，簡化現場布線，提高系統擴展能力。因此 採用現場總線通訊和網絡通訊分開的方式，現場總線採用CAN通訊，利用雙 絞線作為CAN傳輸線傳送實時性高的檢測數據，網絡通訊利用普通網線作為 傳輸線採用TCP/IP協議傳送大容量檢測數據，大大簡化了現場布線，能夠適應 大範圍全局檢測的需求。
如圖1為面向軌道交通安全評估的分布式檢測裝置示意圖，
該系統主要結構分為兩部分上位機和前端機。上位機主要接收多個前端 機發送的檢測數據，處理不同前端機的數據，獲得全局安全運行評估、安全預 測等任務。上位機利用TCP/IP協議通過通訊網絡與前端機進行通訊。上位機可 以連接多個前端機，構成多點檢測系統。上位機可以有多臺，以滿足不同的應 用。
前端機以DSP+CPLD為核心，具有統一接入多類型檢測傳感器、在線實時 特徵提取等輸出等功能，具有CAN通訊和網絡通訊功能。利用雙絞線作為CAN 總線傳送實時性高的檢測數據，利用網線作為網絡通訊傳輸線傳送大容量檢測 數據，現場布線簡單，能夠適應大範圍全局檢測的需求；如圖2為本發明前端機構成方框圖，前端機接入檢測的各類傳感器並進行 處理。採用兩種接入方式，如果需要接入的傳感器較少，可直接接入到DSP中；
若需要接入的傳感器較多，可通過CPLD進行接入。CPLD擴展了DSP可接入 的範圍和類型，使採用統一前端機能夠接入所有檢測所需的傳感器。
前端機是以DSP和CPLD為核心，包括電源電路、存儲器電路、時鐘與復 位電路、信號調理電路、鍵盤和液晶顯示電路、串行接口電路等基本構成電路。 還包括CPLD、 CAN通訊控制電路、網絡通訊控制電路等。其中信號調理電路 包括模擬量輸出的傳感器調理電路如電流電壓變換、電壓頻率變換電路、電壓 調節電路，開關量輸出的傳感器調理電路如電平變換電路，脈衝序列輸出的傳 感器調理電路如電平變換電路。覆蓋了目前所有檢測系統可能用到的各種傳感 器類型如電流輸出的傳感器、電壓輸出的傳感器、開關量輸出的傳感器、脈衝 序列輸出的傳感器等。
電流輸出的傳感器如檢測溫度的溫度傳感器AD590。
電壓輸出的傳感器如檢測電壓信號的霍耳電壓傳感器。
開關量輸出的傳感器如液位傳感器、煙霧傳感器。
脈衝序列輸出的傳感器如溫度的傳感器DS18B20、視頻傳感器。
下面敘述該方案的具體結構及工作過程和工作原理 請參考圖1和圖2，本系統主要結構分為兩部分上位機和前端機。
上位機主要接收多個前端機發送的檢測數據，處理不同前端機的數據，獲 得全局安全運行評估、安全預測等任務。上位機利用TCP/IP協議通過通訊網絡 與前端機進行通訊。上位機可以連接多個前端機，構成多點檢測系統。上位機 可以有多臺，以滿足不同的應用。
前端機是以DSP和CPLD為核心，包括電源電路、存儲器電路、時鐘與復 位電路、信號調理電路、鍵盤和液晶顯示電路、串行接口電路等基本構成電路。 還包括CPLD、 CAN通訊控制電路、網絡通訊控制電路等。其中信號調理電路包括模擬量輸出的傳感器調理電路如電流電壓變換、電壓頻率變換電路、電壓 調節電路，開關量輸出的傳感器調理電路如電平變換電路，脈衝序列輸出的傳 感器調理電路如電平變換電路。這些電路覆蓋了目前檢測系統可能用到的各種 傳感器類型如電流輸出的傳感器、電壓輸出的傳感器、開關量輸出的傳感器、 脈衝序列輸出的傳感器等。
由於DSP的I/0埠數量有限，大多數情況下由於接入傳感器較多，利
用CPLD器件I/0資源豐富的特點，將電流源傳感器、電壓源傳感器、開關 量傳感器接入到CPLD中傳感器數據在CPLD中進行處理，並將結果傳給 DSP，減輕了DSP的負擔。提高了裝置的傳感器接入能力，並且可以實現單 通道接入以及多個通道組合接入的多種類靈活的傳感器接入方式。
前端機採用兩種控制方式一為手動控制方式，即通過裝置的人機接口設 備，CPLD還控制鍵盤和顯示模塊的讀寫，當人按鍵發出指令時，由CPLD 讀出，CPLD控制的LCD顯示。另一種控制方式可以通過數據網絡對裝置 實現遠程檢測和指令下發。
前端機還具備CAN總線通信功能，對於新型的帶有CAN通信功能及前 端處理功能的傳感器，可以直接通過現場總線接入到本裝置中，每條總線根 據波特率的不同，可連接多達iio個傳感器節點。
前端機通過現有Intranet或區域網，採用TCP/IP與上位機進行通訊。
圖3 CAN通訊控制器方框圖。CAN通訊控制電路由DSP TMS320F2812 的eCAN模塊、光耦隔離器、CAN控制器接口 PCA82C250構成。前端機 之間傳送檢測信號、帶有CAN通訊功能的傳感器數據傳輸至前端機需要通 過CAN總線。
圖4網絡通訊控制器方框圖，用於前端機與上位機的數據通訊。由LAN ISA Ethernet控制器CS8900A、隔離變壓器HR601626、 RJ45接口頭連接構成。 DSP將發送數據通過控制器CS8900,經過RJ45接口頭傳輸至上位機。
圖5北京地鐵站場檢測總體示意圖，北京目前大型地鐵站場安裝了各類系 統，地鐵中心也安裝了視頻檢測系統。每個站場需要檢測大量安全運行狀態信息，各個站場安裝一個或多個前端機接入現場傳感器，前端機通訊網絡將安全 數據傳輸至監控中心的上位機。
圖6站場前端機接入傳感器示意圖。每個地鐵車站需要檢測多類型安全信 息，如檢測站場是否有火災隱患，設置了多個煙霧傳感器和溫度傳感器；檢測
站場汙水排放系統需要檢測汙水水位和排汙泵的運行狀態，因此設置了多個液 位傳感器，檢測泵運行狀態霍耳電壓傳感器、霍耳電流傳感器。
權利要求
1. 一種面向軌道交通安全評估的分布式檢測裝置，其特徵在於該面向軌道交通安全評估的分布式檢測裝置的一個或多個前端機通過網絡通訊控制器連接到一個上位機進行大容量數據通訊，多個前端機之間通過CAN通訊控制器實現實時性強的現場總線級通訊；上位機為配備普通網卡的PC機或工控機；前端機以DSP TMS320F2812為核心，包括DSP接入網絡通訊控制電路、串行接口電路、時鐘與復位電路、電源電路、存儲電路；前端機的網絡通訊控制器由LAN ISA Ethernet控制器CS8900A、隔離變壓器HR601626、RJ45接口頭連接構成；前端機的CAN通訊控制器由數位訊號處理器DSP TMS320F2812的eCAN模塊、光耦隔離器、CAN控制器接口PCA82C250連接構成；DSP通過信號調理電路接入用於安全評估的傳感器，電流輸出的傳感器經電流電壓變換電路接入到DSP的ADC口，電壓輸出的傳感器經電壓調理電路接入至DSP的ADC口，開關量輸出的傳感器經電平變換電路輸入至DSP的事件管理器EV口，脈衝序列輸出的傳感器經電平變換電路輸入至DSP的輸入輸出IO口，帶CAN接口的傳感器經CAN通訊控制器接口電路輸入至DSP的eCAN口。
2. 根據權利要求1所述的面向軌道交通安全評估的分布式檢測裝置，其特徵在於電流輸出傳感器經電流電壓變換電路、電壓頻率變換電路，電壓輸出傳感器經電壓頻率變換電路，開關量輸出傳感器經電平變換電路，脈衝序列輸出的傳感器經電平變換電路，分別接入複雜可編程邏輯器件CPLD Altera MAXII EPM 1270T144C5N輸入端，CPLD中設置定時器和計數器， 完成輸入傳感器的數據處理工作，CPLD輸出端連接至DSP; CPLD還連接有鍵盤電路，液晶顯示電路。
3. 如權利要求1或2所述的面向軌道交通安全評估的分布式檢測裝置， 其特徵在於上位機為多個。
全文摘要
本發明涉及一種面向軌道交通安全評估的分布式檢測裝置，該裝置採用上位機加前端機結構。上位機為帶普通網卡的PC機；前端機採用DSP+CPLD結構，通過電流電壓變換電路、電壓頻率變換電路、電平變換電路、電壓調理電路等接入安全評估檢測所用的大量多類型傳感器；CPLD擴展了傳感器接入通道並完成相關的信號處理工作。前端機通過網絡通訊控制器連接Intranet/區域網，進而與上位機進行大容量數據通訊；多個前端機之間通過CAN通訊控制器實現現場總線級通訊；本裝置現場適合大範圍安全監測，布線簡單，擴展性好。
文檔編號B61L23/00GK101424942SQ200810056198
公開日2009年5月6日 申請日期2008年1月15日 優先權日2008年1月15日
發明者付月輝, 華 葉, 張和生, 揭志熹 申請人:北京交通大學