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专利名称：一种基于数字信号处理平台的感应无线位置车上检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及感应无线位置车上检测技木，是基于TI (德州仪器)公司提供的DSP (数字信号处理器)平台TMS320F28335上开发的感应无线位置车上检测装置，属于移动机车定位技术。
背景技术：
I.感应无线位置车上检测技术简介感应无线位置车上检测技术所构成的系统，如图I所示主要由地面位置信号发生器、编码电缆、天线箱、车上位置检测器等部分构成。地面位置信号发生器由单片机AT89S51控制，按照一定的顺序分时向编码电缆中各检测位置传输对线中发送载波信号。如图2所示，编码电缆再将载波信号传输到远端。天线箱的主副接收线圈0、1通过电磁感应原理将编码电缆中的载波信号感应到天线线圈里，再通过选频放大等预处理后将接收的信号ΑΝ0、ANl输送到车上位置检测器。车上位置检测器将接收的信号进行处理，取得位置信息得出实际地址。前述车上位置检测器实现位置检测功能完全属于纯硬件电路处理信号的方式，通过附图说明中的图3，可看出硬件电路处理过程过于复杂、集成度极低，从而造成温度稳定性差。信号环路过多会引起电路性能的不稳定，抗干扰能力弱，生产、调试、维护的难度大等。电路中采用的部分硬件芯片是已停产的且无直接替代的产品，很难采购到全新品，这又从另一方面増加了系统的不稳定性。并且传统单片机的功能简单、处理速度较慢、可扩展性不强等，这些都是影响地址检测系统综合性能的决定性因素。2. DSP技术简介DSP (digital signal processor)是ー种独特的微处理器,是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为O或I的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、強化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片，其功能非常強大。但是如此先进的嵌入式技术在感应无线技术领域内还未曾应用过。
发明内容本实用新型的目的是针对背景技术中存在的缺点和问题加以改进，提供一种电路集成度高、处理结构简单，抗干扰性能强，技术先进的基于DSP技术的感应无线位置车上检测装置。本实用新型所采用的技术方案，包括电源部分、信号预处理部分、DSP微处理器部分、显示部分、通信接ロ部分，所述的数字信号处理平台为DSP-TMS320F28335芯片，所述的车上位置检测是以硬件结合嵌入式应用技术组合的处理方式，其中信号预处理部分为两路，分别对天线接收的两路信号ANO、ANl进行预处理；主要包括程控增益放大PGA、电平搬移与限幅电路；通信接ロ部分为RS485接ロ电平转换； 显示部分包括I/O ロ电平转换和IXD部分；DSP微处理主板和IXD显示板共同组成感应无线位置车上检测器，其中DSP为核心控制器且为算法处理器，主板采用4层电路板设计结构，抗电磁干扰，LCD显示板为单板设计。本实用新型技术优点I.本实用新型在使用简单电路框架的结构下实现感应无线位置车上检测功能前级信号处理部分是通过简单外围硬件电路，对感应天线接收的地址模拟信号进行程控增益放大PGA、滤波、电平搬移、AD采样ロ限幅保护等预处理，将信号调整为适合DSP的AD采 样ロ所能处理的范围。后级信号处理部分结合DSP丰富的片上资源，在芯片内部实现AD采样、程控增益放大PGA控制、带通滤波、全波整流、低通滤波、数据还原、地址数据滤波、地址数据传输以及LCD状态显示控制等功能。尽可能简化与优化硬件电路，減少信号在外部电路的传输环节，在实现车上位置检测功能的前提下，大幅增加电路的稳定性、自适应性和扩展性。2.本实用新型基于DSP信号处理技术，是现如今最通用的嵌入式处理技术之一。数据处理速度快、功能強大、算法极其灵活、并且便于生产调试与维护。所实现位置检测功能的电路结构相当简单，并且通过RS485进行数据通信、可以方便的连接PLC、エ控机等エ业自动化控制设备，可根据实时检测的地址信息，结合自动化控制系统实现对移动机车定位与自动走行控制。3. DSP-TMS320F28335内部集成16路12位高精度AD通道，不但可以满足位置检测，还可以扩展电压、电流、温度、压カ等功能的检测，可以满足绝大部分功能检测，扩展性強。同时DSP28335拥有非常丰富的通用I/O ロ资源，通过拨码开关对I/O ロ进行參数设置，无需改动硬件就可方便的进行功能选择与功能升级。

图I为感应无线车上位置检测系统基本结构示意图。图2为感应无线位置车上检测系统编码电缆结构示意图。图3为现有技术的车上位置检测器硬件电路结构图。图4为感应无线位置车上检测系统接收信号相位示意图。图5为本实用新型硬件处理框图。图6为DSP微处理器部分原理图。图7为电源部分电路原理图。图8为信号预处理部分电路原理图。图9为显示部分电路原理图。图10为通信接ロ部分电路原理图。
具体实施方式
以下部分结合附图和具体实现方法对本实用新型做进ー步说明。[0028]一种基于数字信号处理平台的感应无线位置车上检测装置，包括电源部分I、信号预处理部分2、DSP微处理器部分3、显示部分4、通信接ロ部分5，其特点是所述的数字信号处理平台为DSP-TMS320F28335芯片，所述的车上位置检测是以硬件与嵌入式应用技术组合的处理方式，其中信号预处理部分2为两路，分别对天线接收的两路信号AMKANl进行预处理；主要包括程控增益放大PGA、电平搬移与限幅电路；通信接ロ部分5为RS485接ロ电平转换； 显示部分4包括I/O ロ电平转换和IXD部分；DSP主板和IXD显示板共同组成感应无线位置车上检测器，其中DSP为核心控制器且为算法处理器，主板采用4层电路板设计结构，抗电磁干扰，LCD显示板为单板设计。所述的感应无线位置车上检测装置，其特征在于所述的信号预处理部分(2)由程控增益放大PGA电路、电平搬移与限幅电路、低通滤波电路组成，该部分电路依次包括芯片IClI、芯片IC 12、芯片IC 21和芯片IC 22为主的两路程控增益放大PGA电路；由芯片IC14、芯片IC 24结合电阻R24、电阻R25、电阻R44和电阻R45组成的两路电平搬移与限幅电路；由电阻R26、电容C18与电阻R46、电容C38组成的两路低通滤波电路，其中具体连接为CPUl的8位62、63、64、65、66、67、68、69脚I/O控制线连接到芯片IC11、芯片IC21的4、5、6、7、8、9、10、11脚，结合电阻R10、电阻R30与芯片IC11、芯片IC22、电容Cl I、电容C 31组成两路程控增益放大PGA电路，再通过耦合电容Cl 2、耦合电容C32传输给电阻R24、电阻R25、电阻R26、芯片IC14、电容C18与电阻R44、电阻R45、电阻R46、芯片IC24、电容C38组成的电平搬移与限幅电路，将信号TXO、TXl转换成0-3VDC的信号ΑΙΝ0、ΑΙΝ1，在经过电阻R26、电阻R46、电容C18、电容C 38组成的低通信号滤波电路后，再传送给CPUl的ADO、ADl即DSP28335的42,46脚采样输入口处理。所述的显示部分4中的5V与3. 3V的电平转换电路组成为电平转换芯片IC38、电平转换芯片IC 39用于隔离3. 3V与5VDC的直流电压，CPUl的 2、5、6、7、10、11、12、13、16 脚分别连接到电平转换芯片 IC38 的 2、21、20、19、18、17、16、15、14脚，CPUl的24、25、26脚分别连接电平转换芯片IC39的19、20、21脚，电平转换芯片IC38、电平转换芯片IC 39的I脚与5V相连，电平转换芯片IC38、电平转换芯片IC 39的23、24脚都与3. 3V相连，电平转换芯片IC38的11、12、13、22脚和电平转换芯片IC39的2、
11、12、13、22脚都与地相连。DSP位置检测器实现的工作原理为地面位置信号发生器I由单片机AT89S51控制，如图2，按一定的时间顺序分时向编码电缆中各检测位置传输对线中发送载波信号。其发送顺序是在t0、tl、…时间段，分别向R0、Rl、Sj-1、…、S0、Gn-l、…、GO、GO’发送载波信号后，然后停止ts时间。其中，发R0、GO、G0’的时间和停止时间ts稍长为Tl，这是因为发RO时要建立D⑶和储存的基准相位信号；发GO、GO’时要进行A/D转换。向R1、Sj-1、…、S0、Gn-l、…、Gl发送载波信号的时间为T2，T2=1000ms/波特率。由于感应无线位置检测都由一般位置检测(APD)和高分辨率位置检测(HRPD)组成。APD检测，是检测信号的相位得到，HRH)检测，是检测信号的幅度得到。为了说明原理，考虑只有一段，即不考虑段位置信号传输线(S传输线)。地面位置信号发生器I的信号输出给连接电缆，连接电缆将信号传输给编码电缆2，编码电缆2将信号输送到远端。位置信号接收天线箱3的0、1接收线圈通过电磁感应原理将编码电缆中的位置载波信号接收到天线线圈里，再通过天线内的选频放大初步处理后将两路位置信号TXO、TXl输送到本实用新型所涉及的车上位置检测器4。如图6-9所示，车上位置检测器共分为电源I、信号预处理2、核心处理3、显示4、通信接ロ 5共5部分。如图7电源部分I :是提供给整个硬件器件工作的直流电压。由外部输入的5VDC直流电压经CE51滤波后传输给芯片IC31的3、4、11、12输入口。芯片IC31的17、18脚经电容C54滤波后再输出3. 3V。芯片IC31的25脚连接到反馈网络电阻R53和电阻54中点，电阻R53另一端接I. 9V，电阻R54另一端则接地，芯片IC31的23、24脚输出的直流电压I. 9V经CE54滤波后输出。芯片IC31的22、23脚连接电阻R52、电阻51后再与3. 3V相连。信号预处理部分2 :为两路，其原理是将天线接收线圈O、I接收进来的地址模拟信 号TXO、TXl经过耦合电容C10、C30去除直流后传输给程控增益放大PGA电路。主要是通过CPUl 的 8 位 62、63、64、65、66、67、68、69 脚 I/O 控制线连接到芯片 IC11、芯片 IC21 的 4、5、6、7、8、9、10、11脚，结合电阻R10、电阻30与芯片IC11、芯片IC22、电容C11、电容C 31组成两路程控增益放大PGA电路。可根据需要自动调整信号TXO、TXl的放大倍数，将接收的交流信号幅度调整至理想的处理区间。再通过耦合电容C12、耦合电容C32传输给电阻R24、电阻R25、电阻R26、芯片IC14、电容C18与电阻R44、电阻R45、电阻R46、芯片IC24、电容C38组成的电平搬移与限幅电路，将信号TX0、TX1转换成0-3VDC的信号ΑΙΝ0、ΑΙΝ1。在经过电阻R26、电阻R46、电容C18、电容C 38组成的低通信号滤波电路后，再传送给CPUl的AD0、ADl即DSP28335的42、46脚采样输入口处理。DSP微处理器部分3 :处理器CPUl为DSP-TMS320F28335芯片，通过片上集成模拟采样ロ ADO、ADl将地址信号ΑΙΝΟ、AINl进行取样、存储、带通滤波、全波整流、低通滤波，将所接收地址模拟信号转换成便于处理的数字信号。将所得数字量化的信号进行相位比对得出天线所在位置的粗地址，其中接收RO传输对线信号为相位基准信号，其它G9-G0线传输对线信号与RO对线上信号进行相位比对得出O和I的格雷码，DSP28335再将所得到的格雷码换算出地址信息，得出一般地址(APD)。然后再将GO传输对线发送载波信号时天线接收线圈I检测信号的幅度A (GO)和位置信号发生器I对G0’传输对线发送载波信号时天线接收线圈I检测信号的幅度A (G0’)进行运算，得到精密地址(HRPD)。再将两地址求和得出综合地址。最后将所得地址通过ICT03串ロ传输出去。并驱动IXD将位置信息显示出来。其中位置检测具体实现过程为(I)车上位置检测系统的一般位置检测(APD)，是从天线(3)接收线圈O感应信号的相位中得到APD位置。在t0时间段，接收线圈O感应的是传输对线R发送的信号，称为R信号，以R信号相位作为基准相位，若与之同相记为“0”，与之反相记为“I” ;在tl时间段，接收线圈O感应的是传输对线Rl发送的信号。由图2可知Rl的结构，Rl信号一定与R信号反相，记为Rl=I，将这个“I”作为起始位；在t2时间段，接收线圈O感应的是传输对线G2发送的信号，G2=0或=1，取决与接收线圈O的位置。接收线圈O的中线分别在
、 的位置，则接收线圈O的接收信号的相位如图4 (为了突出相位关系，图中信号的幅度画成一祥大小或为O)。图4的信号，就是ニ进制绝对相移键控(2PSK)调制信号，对该信号解调，并以Rl=I作为起始位，则得到在位置D，G2GlG0=000，g=0 ;在位置f ,G2G1G0=010，g=3 ;在位置:芝'，G2G1G0=110, g=4 ;在位置 , G2G1G0=111 或 101，g=5 或 6，由于处于 5、6 交界处，故无论为5或为6都认为正确。于是得到APD位置公式ΛΡ = gxr ■■■■·■·■......■■■■(!)如果存在j段，各段长度分别为Li (1=0,1,…，j_l)，若检测在第i段，则ADD=L0+L1+…Li-1+gXr。(2)车上HRPD位置检测原理编码电缆2结构如图2所示。当位置信号发生器I向GO发送载波信号吋，由A/D转换对信号幅度采样，得到A (G0);当位置信号发生器I向G0’发送载波信号时，由A/D转换对信号幅度采样，得到A (G0’)。由于GO传输对线与GO’传输对线交叉错开距离r，这 种方式下，对A (GO)和A (G0’)进行计算，就得到车上位置检测系统的高分辨率位置检测(HRPD)。设天线3接收线圈O中心线偏离GO两交叉间中心的距离为d0，偏离G0’两交叉间中心的距离为dl，显然，d0、dl就是HRro位置且r=d0+dl。根据电磁感应的原理，并建立均匀磁场模型，即当接收线圈与编码电缆之间距离较小时，近似认为编码电缆2中传输对线产生的磁力线沿X方向均匀分布且垂直穿过接收线圈，在这种近似模型下，接收线圈产生的感应电动势的幅度与接收线圈有效感应面积成正比。这个模型尽管与实际有一定的差异，但是用这个模型可以方便地得到位置检测公式，经过实际验证，得到的高分辨率位置公式与实际是基本相符的。采用均匀磁场模型有
.4(G0) = .4max (>S.........(2),.
我G(J)=Amax ひ》Z)xf-—^^iJ.........(3)
………⑷マ則)—U。(”
巧-7{5)从式(4)、(5)看出，只要检测到传输对线GO、G0’上感应信号幅度A (GO)、A (G0’)，便可计算出与y、Z无关的PO、P1，从而得到HRro位置d0 = PlXr,
も=/ X r。分两种情况讨论A.接收线圈O的中心位于GO两交叉间右半部(图2位置.:艺)检测出来的Aro位置数据g为偶数，接收线圈O中心线偏离GO两交叉间中心的距离为do。HRPD= dQ = P1 X r [0056]B.接收线圈的中心位于GO’两交叉间右半部(图2位置:I)检测出来的APD位置数据g为奇数，接收线圈O中心线偏离G0’两交叉间中心的距离为dl。HRPD=も=P0Xr
O由此，得到高分辨率位置HRPD的公式和综合位置ADD的公式
权利要求1.一种基于数字信号处理平台的感应无线位置车上检测装置，包括电源部分(I)、信号预处理部分(2)、DSP微处理器部分(3)、显示部分(4)、通信接口部分(5)，其特征在于所述的数字信号处理平台为DSP-TMS320F28335芯片，所述的车上位置检测是以硬件结合嵌入式应用技术组合的处理方式，其中 信号预处理部分(2)为两路，分别对天线接收的两路信号AMKANl进行预处理，主要包括程控增益放大PGA、电平搬移与限幅电路； 通信接口部分(5)为RS485接口电平转换； 显示部分(4)包括I/O 口电平转换和IXD部分； DSP微处理主板和IXD显示板共同组成感应无线位置车上检测器，其中DSP为核心控制器且为算法处理器，主板采用4层电路板设计结构，抗电磁干扰，LCD显示板为单板设计。
2.根据权利要求I所述的感应无线位置车上检测装置，其特征在于所述的信号预处理部分(2)由程控增益放大PGA电路、电平搬移与限幅电路、低通滤波电路组成，该部分电路依次包括 芯片IClI、芯片IC 12、芯片IC 21和芯片IC 22为主的两路程控增益放大PGA电路； 由芯片IC14、芯片IC 24结合电阻R24、电阻R25、电阻R44和电阻R45组成的两路电平搬移与限幅电路； 由电阻R26、电容C18与电阻R46、电容C38组成的两路低通滤波电路， 其中具体连接为CPUl的8位62、63、64、65、66、67、68、69脚I/O控制线连接到芯片IC11、芯片IC21的4、5、6、7、8、9、10、11脚，结合电阻R10、电阻R30与芯片IC11、芯片IC22、电容Cl I、电容C 31组成两路程控增益放大PGA电路，再通过耦合电容C12、耦合电容C32传输给电阻R24、电阻R25、电阻R26、芯片IC14、电容C18与电阻R44、电阻R45、电阻R46、芯片IC24、电容C38组成的电平搬移与限幅电路，将信号TXO、TXl转换成0-3VDC的信号ΑΙΝΟ、ΑΙΝ1，在经过电阻R26、电阻R46、电容C18、电容C 38组成的低通信号滤波电路后，再传送给CPUl的ADO、ADl即DSP28335的42,46脚采样输入口处理。
3.根据权利要求I所述的感应无线位置车上检测装置，其特征在于所述的显示部分(4)中的5V与3. 3V的电平转换电路组成为 电平转换芯片IC38、电平转换芯片IC 39用于隔离3. 3V与5VDC的直流电压，CPUl的.2、5、6、7、10、11、12、13、16 脚分别连接到电平转换芯片 IC38 的 2、21、20、19、18、17、16、15、.14脚，CPUl的24、25、26脚分别连接电平转换芯片IC39的19、20、21脚，电平转换芯片IC38、电平转换芯片IC 39的I脚与5V相连，电平转换芯片IC38、电平转换芯片IC39的23、24脚都与3. 3V相连，电平转换芯片IC38的11、12、13、22脚和电平转换芯片IC39的2、11、12、.13、22脚都与地相连。
专利摘要一种基于数字信号处理平台的感应无线位置车上检测装置，包括电源部分、信号预处理部分、DSP微处理器部分、显示部分、通信接口部分，所述的数字信号处理平台为DSP-TMS320F28335芯片，所述的车上位置检测是以硬件结合嵌入式应用技术组合的处理方式，其中信号预处理部分为两路，分别对天线接收的两路信号AN0、AN1进行预处理，主要包括程控增益放大PGA、电平搬移与限幅电路；通信接口部分为RS485接口电平转换；显示部分包括I/O口电平转换和LCD部分；DSP微处理主板和LCD显示板共同组成感应无线位置车上检测器，其中DSP为核心控制器且为算法处理器，主板采用4层电路板设计结构，抗电磁干扰，LCD显示板为单板设计。本实用新型是现如今最通用的嵌入式处理技术之一。数据处理速度快、功能强大、算法极其灵活、并且便于生产调试与维护。
文档编号G01S1/06GK202614932SQ20122002422
公开日2012年12月19日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者陈明, 彭毅, 陈勇波 申请人:岳阳千盟电子有限公司