车号自动识别地面装置的设计及探究

2013-09-12周文波

电子测试 2013年9期

周文波

（沈阳铁路局科研所，辽宁沈阳 110013）

1 系统概述

铁路车号识别系统是铁路运输信息化的重要组成部分，系统的基本功能是在列车以小于160KM/H速度运行过程中自动采集列车运行的基本信息如车辆的属性、车型、车号、车种，车速等信息。系统设备分为车上标签和车下地面识别装置。每辆机车或货车车底安装电子标签，在需要读取车号的地方安装地面识别系统，当列车经过地面识别系统时，地面识别系统采用微波射频技术，自动识别车辆电子标签信息，标签信息存储在本地设备上，需要时通过GPRS或者串口传输给上位机。为铁路运输指挥和货车管理提供实时准确的列车信息。

2 系统功能分析

系统具备以下功能：

2.1 列车标签读取功能

当列车经过地面采集识别装置系统时，车号自动识别系统可以对列车的标签进行扑捉及读取。系统可以在低车速的一定范围内稳定读取车号的功能同时可以判断列车是否通过的功能。

2.2 数据存储功能

车号自动识别系统采集到列车数据时，同步在本地存储卡上存储数据，防止数据直接传输发生错误导致数据丢失。

2.3 数据传输功能

车号自动识别系统附加接口（RS232、RS485、RJ45以太网、GPRS），可以在需要时选择不同的数据传输方式。

2.4 适应全天候的工作环境

由于车号自动识别系统是安装在室外的装置，所有系统应具备很强的适应性及稳定性，适应酷热严寒雨雪等极端天气。

3 系统总体设计

3.1 系统的硬件构成

车号识别系统是一种铁路货车和机车电子标签读出装置，由主机、天线、车轮传感器（磁钢）等三部分组成。

①天线发射微波信号并接收标签反射回来的调制信号，天线承受的荷载应大于4.9KN，抗震动冲击应符合GJB-150-1986的有关规定。天线技术性能符合以下要求 a.增益小于9.6dB b.电压驻波比不大于1.5 c.半功率束宽120°（E面）45°（H面）

②车轮传感器（磁钢）起到探测列车到来的作用，当机车速度小于160KM/H时通过磁钢对车轮的感应开启主机电源，自动打开和关闭功放。在不工作时，可以把功放关闭，以减少对环境和工作人员的微波辐射。

③主机内包含线性电源、射频组件的解码板和磁钢板、PC104控制板等部件。主机自动判断内部温度控制冷却风扇的启停，不需人工干预。系统设置保护电路，在未接天线时打开功放，也不会烧毁检波电路。

3.2 系统的软件构成

系统设计三种通讯协议，适应不同的使用要求。

①实时解码、实时采集车轮传感器信息，然后实时上传，即当标签在读取区域时不断的进行解码并通过串口实时输出标签信息，并实时上传采集的车轮传感器通过时间信息；

②当列车通过后，将列车的车号信号和车轮时间信息生成报文再通过串口上传；

③实时解码车号标签，通过串口以固定的115200波特率上传。

这三种协议可以根据实际使用要求进行选译。

4 系统原理及详细设计

4.1 铁路车号识别系统的组成原理

其中天线水平安装于铁轨中间，天线通过射频电缆与车号主机相连。车轮传感器安装在专用夹具上，然后夹具通过螺栓安装于铁轨底部。车号主机通常安装于室内。

板状天线是一个定向极化天线，读取范围120度，驻波比<1.4，在本系统中实现电磁波的射和标签信号接收的功能。

射频源产生射频信号，经功率放大电路向外发射射频信号。功率放大电路可通过控制端控制功率放大电路的开关。接收到的标签信号经检波电路传至信号调理电路。为防止输出接口开路烧毁检波电路，射频组件设计了保护电路。

信号调理电路实现检波信号调理功能，将信号幅值调整到与解码板相兼容的范围内。解码板是本系统的核心，完成车号解码的功能，完成功放控制功能，完成与上位机通讯的功能，接收功放控制指令、传输解码后的标签信息功能。

磁钢板通过接收车轮到达的信息，然后将电信号放大滤波，转变为12v的数字I/O量传递到解码板中。

4.2 车轮传感器分布设计

将车轮传感器安装于靠近车号机柜一侧的铁轨上，其中1号传感器与天线平行安装，2号传感器安装在1号传感器相邻的轨枕空隙中，3号传感器于1号传感器相距5米安装，4号传感器与2号传感器相距5米安装。其示意图如2。列车方向是根据列车如果先到达1号传感器或3号传感器，则列车为向左行驶；如果先到达2号传感器或4号传感器，则列车为向右行驶。其中如果需要识别机车标签，则需要3和4号磁钢，用于打开射频功放，如不需要机车标签，则不需要。1号传感器用于识别列车类型，如货车或者机车。2号传感器用于识别列车方向。

磁钢依其作用可将其分为开关机磁钢，计轴判辆磁钢（开门，关门磁钢对）。

车轮传感器分布框图如下：

4.3 车号识别面板设计图如下

图1 铁路车号识别系统原理框图

图2 车轮传感器分布示意图

图3 车号识别面板设计图

主机的后面板有电源开关、电源插座、串口1、串口2、天线接口和风扇。电源插座内含保险，并有一只备用保险。背板上两串口分别实现两种通讯协议。天线接口通过射频电缆联接天线。电源插座接入220VAC±10%。风扇会根据主机内温度自动启停，高于20℃时自动开启，低于20℃时自动停止。当环境温度高于65℃时自动停机，避免主机过热损坏。

功放可以通过串口指令打开和关闭，对于带有数字I/O控制的主机，功放也可以通过车轮传感器打开。功放打开后延时一段时间自动关闭。在功放打开状态下，如果再次收到“功放打开”的指令，或收到车轮传感器的车轮信号，延时时间重新计时。对于带有数字I/O的车号识别系统，可以接4路车轮传感器，并根据车号传感器的信号自动控制功放的开关。车轮传感器可以用磁钢，也可以用接近开关。如果您需要在每侧安装多于一只接近开关，直接并联即可。对于用接近开关的情况，传感器供电电压12V，最大输出电流1A。

4.4 通信协议的设计

系统主机串口1实现通讯协议1和通讯协议2。串口2实现通讯协议3。系统上电时功放为关闭状态。可以通过串口指令打开或关闭功放。当功放打开后，30分钟内未收到关闭功放指令，功放可以自动关闭。如果在此期间内再次收到“打开功放”指令，重新开始计时。

串口1波特率默认设置为19200。串口1波特率可以通过软件方便的进行设置，车号主机可以记忆设置的参数，断电不丢失。串口2波特率固定为115200，不能设置。

①具备实时性的通信协议设计：

该协议通过判断车轮传感器自动识别列车到达和离开读取设备，然后打开或关闭功放。当列车到达后，天线开始发射电磁波，读取车号标签信息和车轮通过时间信息。当识别到车号标签信息和车轮时间信息后，立即通过串口上传标签信息和车轮。当列车驶离后或者超过默认延迟时间后，设备自动关闭功放，回到初始状态，等待下一次“打开功放”指令。本协议不但中含有标签的全部信息，还含有标签序号信息，每个标签读取次数的信息和车轮时间新，

②具备存储性的通信协议设计：

本协议对车号用户系统的CPU资源消耗较小。车号系统在收到车号标签信息后不会立即上传，而是保存在系统的缓冲区中，等列车驶离或者超过规定延迟时间后，生成报文再上传给用户。