摘 要：介紹了一種新型智能型計(jì)軸傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及計(jì)軸機(jī)制設(shè)計(jì)，敏感元件及其通道工作狀態(tài)識別算法，如何體現(xiàn)“故障導(dǎo)向安全”原則在智能計(jì)軸傳感器上的實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：傳感器;計(jì)軸; 算法
1 前言
計(jì)軸系統(tǒng)的可靠性是由計(jì)軸傳感器的可靠性和后續(xù)計(jì)軸處理機(jī)的可靠性共同來保障的。目前已有的各種計(jì)軸傳感器均屬于非智能型計(jì)軸傳感器，基本上都屬于為后續(xù)計(jì)軸主機(jī)提供可靠的車軸有/無的信息，而少有預(yù)處理，顯然，如果能研制一種性能價(jià)格比更高的計(jì)軸傳感器，對提高計(jì)軸系統(tǒng)性能，降低整個(gè)系統(tǒng)的成本是極為有益的。為此，我們研究了一種新的智能型的計(jì)軸傳感器設(shè)計(jì)方案。
2 智能計(jì)軸傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖1 給出了智能型計(jì)軸傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。
該結(jié)構(gòu)中，為了使傳感器能更好的適應(yīng)南方站場防水、防潮、防高溫以及抗沖擊、抗震動的實(shí)際需要，結(jié)構(gòu)上采取以下措施：
①.雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，外層是機(jī)械保護(hù)層，它采用金屬厚板材加工而成，質(zhì)量較大，以滿足抗沖擊、抗震動的要求。
②.外層的四個(gè)側(cè)面為細(xì)百葉窗設(shè)計(jì)，又可遮陽、避雨，又利于通風(fēng)、散熱。
?、?內(nèi)外層之間用于固定內(nèi)層的緊固架，采用堅(jiān)固而不導(dǎo)熱的PVC塑料和橡膠墊，內(nèi)盒呈“懸空”狀態(tài)緊固在中間，兩盒之間大部為中空結(jié)構(gòu)，減少了熱傳導(dǎo)，增大自然散熱。
④.內(nèi)層為全金屬、全密封結(jié)構(gòu)，敏感元件用環(huán)氧樹脂等防水材料封裝在外殼上，敏感元件與傳感器主板的連線、電源線、通信線等均采用防水連接，以防濕氣和雨水的侵入。
⑤.底部也為架空結(jié)構(gòu)，留有排水孔。
3 主要算法設(shè)計(jì)
所有智能計(jì)軸傳感器的三個(gè)敏感元件的編號依次為S1、S2、S3（參見圖2）。其對應(yīng)通道采樣時(shí)的計(jì)軸值為（S1）、（S2）、（S3）。
3.1 計(jì)軸機(jī)制設(shè)計(jì)
為了實(shí)時(shí)完成計(jì)軸任務(wù)，每當(dāng)車輪經(jīng)過敏感元件產(chǎn)生電信號時(shí)，智能計(jì)軸傳感器的微處理機(jī)以響應(yīng)外中斷的方式來完成有關(guān)的計(jì)軸處理。
中斷設(shè)置為上跳沿觸發(fā)方式。理由之一是為了防止因通道故障引起對中斷機(jī)制的破壞;理由之二是為了避免三個(gè)敏感元件引起中斷的沖突。
系統(tǒng)為每個(gè)通道設(shè)置一個(gè)響應(yīng)標(biāo)志，它們分別是：marks1（S1通道）、marks2（S2通道）、marks3（S3通道）。每當(dāng)系統(tǒng)初始化或者在區(qū)段出清做“復(fù)位”時(shí)，置這三個(gè)標(biāo)志為0。當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)某個(gè)通道的計(jì)軸中斷時(shí)，將響應(yīng)通道的該標(biāo)志置1。因此，在連續(xù)響應(yīng)3次中斷之后，有故障的通道其標(biāo)志一定是0。
如果敏感元件的相互間隔為Ncm，當(dāng)車速為200KM/h時(shí)，其線速度為50M/S，即一個(gè)毫秒可運(yùn)行5cm。這意味車輪在依次經(jīng)過同一個(gè)智能計(jì)軸傳感器的三個(gè)檢測元件時(shí)引起計(jì)軸中斷的時(shí)間間隔約為（N/5）ms。
輪對間距約在70cm-90cm，意味在車速200KM/h時(shí)，不同車輪經(jīng)過同一個(gè)計(jì)軸傳感器引起計(jì)軸中斷的最小時(shí)間間隔為14ms。
當(dāng)車輪經(jīng)過三個(gè)磁敏感元件時(shí)，引起其附近磁場發(fā)生相應(yīng)變化，產(chǎn)生感應(yīng)信號。如果三個(gè)傳感器相距越近，三個(gè)感應(yīng)信號的重疊部分就越多。當(dāng)車速較高時(shí)，勢必引起中斷沖突。解決辦法是：
?、?適當(dāng)設(shè)置門檻電平閥值;
?、?適當(dāng)設(shè)置敏感元件間隔。（參見圖3）
車輪輪徑一般為35cm-47cm。以最大輪徑47cm考慮，其半徑為23.5cm，選取敏感元件設(shè)置的高度在距車輪下緣1.5cm處。為避免中斷沖突，可選取兩個(gè)敏感元件的間距N大于2L。由圖3可知，
L=（23.52-222）1/2 ≈8cm
考慮到傳感器安放的位置與車輪的弧度關(guān)系，可以取間距N=15cm。
當(dāng)車列以200KM/h行駛時(shí)，三個(gè)敏感元件引起中斷的時(shí)間間隔為3ms。
3. 2計(jì)軸數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)
與計(jì)軸處理相關(guān)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)包括以下標(biāo)志和內(nèi)存工作單元。
?。?）.工作單元：①TBUF（1B） ——- 秒計(jì)數(shù)單元 ②CINT（1B） ——- 中斷計(jì)數(shù)累計(jì)單元 ③C1（1B）—————— 敏感元件 S1的計(jì)軸累計(jì)單元 ④C2（1B）—————— 敏感元件S2的計(jì)軸累計(jì)單元 ⑤C3（1B）—————— 敏感元件S3的計(jì)軸累計(jì)單元 ⑥D(zhuǎn)ERECT1（1B）- 上行方向（即從S1→S3方向）標(biāo)記單元 ⑦DERECT2（1B）- 下行方向（即從S3→S1方向）標(biāo)記單元 ⑧DERECT3（1B）- 方向不確定標(biāo)記單元
在初始化時(shí)或在該區(qū)段出清后，上述標(biāo)志和工作單元全部清零。
?、?智能計(jì)軸傳感器發(fā)往計(jì)軸處理機(jī)的信息格式設(shè)計(jì)
智能計(jì)軸傳感器發(fā)往計(jì)軸處理機(jī)的信息共占兩個(gè)字節(jié)：首字節(jié)為工作狀態(tài)，次字節(jié)為當(dāng)時(shí)所計(jì)軸數(shù)（0-255）。
智能計(jì)軸傳感器工作狀態(tài)字節(jié)的格式如下：
其中，①.SYS為智能計(jì)軸傳感器微處理器自檢狀態(tài)：SYS=0 系統(tǒng)正常;SYS=1 系統(tǒng)有故障。
?、?SES1、SES2、SES3分別為三個(gè)敏感器件及其通道工作狀態(tài)：SESi=0 表示第i號敏感器件及其通道工作正常;SESi=1 表示第i號敏感器件及其通道工作不正常。
在本區(qū)段被占用時(shí)，系統(tǒng)處于計(jì)軸狀態(tài)，該3位由計(jì)軸中斷處理程序，根據(jù)計(jì)軸情況識別填寫。
當(dāng)本區(qū)段出清后，系統(tǒng)進(jìn)入自檢循環(huán)，該3位根據(jù)系統(tǒng)自檢信號及其反應(yīng)正確與否來設(shè)置。
?、?DER為方向：DER=0 表示車行方向?yàn)閺腟1到S3;DER=1 表示車行方向?yàn)閺腟3到S1
當(dāng)本區(qū)段出清后，系統(tǒng)進(jìn)入自檢循環(huán)后，該位為0。
?、?ERR為計(jì)軸異常標(biāo)志位：ERR=0，表明按“多數(shù)原則”計(jì)軸正常;ERR=1，表明計(jì)軸結(jié)果可能有問題
⑤.T1、T2用來記錄從上次中斷開始到現(xiàn)在經(jīng)過的時(shí)延（單位為：秒）
當(dāng)本區(qū)段出清，系統(tǒng)進(jìn)入自檢循環(huán)后，第二個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)字節(jié)（0A5H），其作用在于檢查通信環(huán)節(jié)是否正常。
（3）.敏感元件及其通道工作狀態(tài)識別算法
借助于標(biāo)志MARKS1、MARKS2、MARKS3、中斷計(jì)數(shù)累計(jì)單元以及三個(gè)通道計(jì)軸累計(jì)單元?？梢院芎唵蔚貙γ舾性捌渫ǖ拦ぷ鳡顟B(tài)作出判斷：
當(dāng)CINT的值大于或等于3之后，如果MARKS1、MARKS2、MARKS3中仍為0者，則對應(yīng)的通道必定有故障。作為驗(yàn)證，其對應(yīng)的通道計(jì)軸累計(jì)單元C1、C2或C3必定為0。
整個(gè)系統(tǒng)對車行方向的識別與判斷是在傳感器和處理機(jī)兩機(jī)進(jìn)行，最終由計(jì)軸處理機(jī)完成的。
?。?）.軟計(jì)時(shí)機(jī)制設(shè)計(jì)
為了防止因人為破壞，或雷電的引起的意外計(jì)數(shù)，系統(tǒng)設(shè)置了軟計(jì)時(shí)機(jī)制。具體方法是：
每當(dāng)一個(gè)計(jì)軸中斷開始時(shí)，計(jì)軸傳感器的微處理器就自動開始一個(gè)軟時(shí)鐘的計(jì)時(shí)過程。
?、?即使車列運(yùn)行速度為1KM/h（只有在列車啟動或即將停止時(shí)才會出現(xiàn)），每秒鐘也能運(yùn)行約28cm。此時(shí)的車列車輪經(jīng)過兩個(gè)敏感元件的最大時(shí)延也不過只有約半秒鐘。
?、?人為破壞或雷電等干擾反映在計(jì)軸計(jì)數(shù)上則表現(xiàn)有“孤立”和“大時(shí)延”的特點(diǎn)，即兩次此類事件發(fā)生的時(shí)間間隔一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于半秒。
根據(jù)上述特點(diǎn)，并參考其它相關(guān)數(shù)據(jù)，就可以對人為破壞或雷電等干擾作出判別。
在設(shè)置此機(jī)制之后，為了確?！肮收蠈?dǎo)致安全”，無論何種情況，一旦識別結(jié)果認(rèn)為“有可能”是車列進(jìn)入本區(qū)段，先做本區(qū)段已被“占用”處理。在經(jīng)過軟計(jì)時(shí)機(jī)制及其后續(xù)處理，確認(rèn)是“意外”的偶然事件之后，解除處理。
4 結(jié) 論
“故障導(dǎo)向安全”原則在智能計(jì)軸傳感器部分體現(xiàn)在下述幾方面：
?、?任何計(jì)軸系統(tǒng)其可靠性最重要的基礎(chǔ)就是計(jì)軸數(shù)必須準(zhǔn)確。本系統(tǒng)敏感元件的冗余設(shè)置及“少數(shù)服從多數(shù)”的計(jì)軸算法，大大提高了計(jì)軸計(jì)數(shù)的可靠性。
?、?系統(tǒng)對μP、通道設(shè)置了完整的自檢環(huán)節(jié)，還設(shè)置校驗(yàn)碼，并將自檢結(jié)果包含在通信數(shù)據(jù)中，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)可能導(dǎo)致危及安全的故障時(shí)能實(shí)時(shí)將故障狀態(tài)告訴計(jì)軸處理機(jī)。這就為計(jì)軸處理機(jī)按“故障導(dǎo)向安全”原則控制軌道繼電器動作作好了準(zhǔn)備。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：1）完全貫徹“故障導(dǎo)向安全”的原則，分析了智能計(jì)軸傳感器的硬件組成原理;2）一種全新的計(jì)軸機(jī)制設(shè)計(jì)，即3感應(yīng)信號設(shè)計(jì);3）對智能計(jì)軸傳感器進(jìn)行了處理軟計(jì)時(shí)機(jī)制設(shè)計(jì)，即抗干擾設(shè)計(jì)。
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