摘 要：介紹了一種新型智能型計軸傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及計軸機(jī)制設(shè)計，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”原則在智能計軸傳感器上的實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：傳感器;計軸; 算法
1 前言
計軸系統(tǒng)的可靠性是由計軸傳感器的可靠性和后續(xù)計軸處理機(jī)的可靠性共同來保障的。目前已有的各種計軸傳感器均屬于非智能型計軸傳感器，基本上都屬于為后續(xù)計軸主機(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格比更高的計軸傳感器，對提高計軸系統(tǒng)性能，降低整個系統(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軸傳感器設(shè)計方案。
2 智能計軸傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖1 給出了智能型計軸傳感器的機(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、抗震動的實際需要，結(jié)構(gòu)上采取以下措施：
①.雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，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.外層的四個側(cè)面為細(xì)百葉窗設(shè)計，又可遮陽、避雨，又利于通風(fēng)、散熱。
③.內(nèi)外層之間用于固定內(nèi)層的緊固架，采用堅固而不導(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
所有智能計軸傳感器的三個敏感元件的編號依次為S1、S2、S3（參見圖2）。其對應(yīng)通道采樣時的計軸值為（S1）、（S2）、（S3）。
3.1 計軸機(jī)制設(shè)計
為了實時完成計軸任務(wù)，每當(dāng)車輪經(jīng)過敏感元件產(chǎn)生電信號時，智能計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敏感元件引起中斷的沖突。
系統(tǒng)為每個通道設(shè)置一個響應(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，置這三個標(biāo)志為0。當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)某個通道的計軸中斷時，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，其線速度為50M/S，即一個毫秒可運(yùn)行5cm。這意味車輪在依次經(jīng)過同一個智能計軸傳感器的三個檢測元件時引起計軸中斷的時間間隔約為（N/5）ms。
輪對間距約在70cm-90cm，意味在車速200KM/h時，不同車輪經(jīng)過同一個計軸傳感器引起計軸中斷的最小時間間隔為14ms。
當(dāng)車輪經(jīng)過三個磁敏感元件時，引起其附近磁場發(fā)生相應(yīng)變化，產(chǎn)生感應(yīng)信號。如果三個傳感器相距越近，三個感應(yīng)信號的重疊部分就越多。當(dāng)車速較高時，勢必引起中斷沖突。解決辦法是：
①.適當(dāng)設(shè)置門檻電平閥值;
②.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，三個敏感元件引起中斷的時間間隔為3ms。
3. 2計軸數(shù)據(jù)處理設(shè)計
與計軸處理相關(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。
（1）.工作單元：①TBUF（1B） ——- 秒計數(shù)單元 ②CINT（1B） ——- 中斷計數(shù)累計單元 ③C1（1B）—————— 敏感元件 S1的計軸累計單元 ④C2（1B）—————— 敏感元件S2的計軸累計單元 ⑤C3（1B）—————— 敏感元件S3的計軸累計單元 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
在初始化時或在該區(qū)段出清后，上述標(biāo)志和工作單元全部清零。
⑵ 智能計軸傳感器發(fā)往計軸處理機(jī)的信息格式設(shè)計
智能計軸傳感器發(fā)往計軸處理機(jī)的信息共占兩個字節(jié)：首字節(jié)為工作狀態(tài)，次字節(jié)為當(dāng)時所計軸數(shù)（0-255）。
智能計軸傳感器工作狀態(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。
②.SES1、SES2、SES3分別為三個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，系統(tǒng)處于計軸狀態(tài)，該3位由計軸中斷處理程序，根據(jù)計軸情況識別填寫。
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。
③.DER為方向：DER=0 表示車行方向為從S1到S3;DER=1 表示車行方向為從S3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。
④.ERR為計軸異常標(biāo)志位：ERR=0，表明按“多數(shù)原則”計軸正常;ERR=1，表明計軸結(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，第二個字節(jié)為校驗字節(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、中斷計數(shù)累計單元以及三個通道計軸累計單元。可以很簡單地對敏感元件及其通道工作狀態(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。作為驗證，其對應(yīng)的通道計軸累計單元C1、C2或C3必定為0。
整個系統(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，最終由計軸處理機(jī)完成的。
（4）.軟計時機(jī)制設(shè)計
為了防止因人為破壞，或雷電的引起的意外計數(shù)，系統(tǒng)設(shè)置了軟計時機(jī)制。具體方法是：
每當(dāng)一個計軸中斷開始時，計軸傳感器的微處理器就自動開始一個軟時鐘的計時過程。
①.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才會出現(xiàn)），每秒鐘也能運(yùn)行約28cm。此時的車列車輪經(jīng)過兩個敏感元件的最大時延也不過只有約半秒鐘。
②.人為破壞或雷電等干擾反映在計軸計數(shù)上則表現(xiàn)有“孤立”和“大時延”的特點，即兩次此類事件發(fā)生的時間間隔一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于半秒。
根據(jù)上述特點，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，為了確保“故障導(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)過軟計時機(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”原則在智能計軸傳感器部分體現(xiàn)在下述幾方面：
①.任何計軸系統(tǒng)其可靠性最重要的基礎(chǔ)就是計軸數(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)”的計軸算法，大大提高了計軸計數(shù)的可靠性。
②.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能實時將故障狀態(tài)告訴計軸處理機(jī)。這就為計軸處理機(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：1）完全貫徹“故障導(dǎo)向安全”的原則，分析了智能計軸傳感器的硬件組成原理;2）一種全新的計軸機(jī)制設(shè)計，即3感應(yīng)信號設(shè)計;3）對智能計軸傳感器進(jìn)行了處理軟計時機(jī)制設(shè)計，即抗干擾設(shè)計。
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