AT90CAN128的有軌電車檢測器設計

劉　倩

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院，蘭州 730070)

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AT90CAN128的有軌電車檢測器設計

劉倩

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院，蘭州 730070)

摘要:本設計以AT90CAN128為控制核心，利用其輸入捕捉單元對線圈頻率的變化進行檢測，使用CAN通信接口將檢測結果實時傳送，來實現車輛存在與否的可靠檢測。本設計將應用于現代有軌電車軌道占用檢查子系統中，實現在道岔處對軌道占用的檢測，來保障電車的安全行駛和運營調度系統的高效運行。

關鍵詞:車輛檢測器；軌道占用檢查；數據采集；AT90CAN128

引言

在有軌電車的行駛過程中，對軌道占用的檢查在有軌電車的運營控制系統和調度系統中有著至關重要的作用，對軌道占用狀態進行及時有效的檢查，可以保障行車安全、監控車輛位置，使得整個行車系統的運行安全高效。目前常用的軌道占用檢測方案中，軌道電路雖然經濟、方便、可靠性高且技術成熟，但是設備的維護量大、精度不高、誤差大；計軸雖然維護量較小、安全性高，但成本較高；地面應答器定位精度高、工作穩定，但只能給出點式定位信息，維護量大。

環形線圈車輛檢測器已經廣泛應用于各類交通數據的檢測系統中，根據有軌電車的行駛特點，在道岔處敷設線圈，用環線檢測器對車輛的存在與否進行檢測，從而獲取軌道的占用情況，是一種低成本、高效、安全可靠的方法。因此本文介紹了一種車輛檢測器的設計方案，能夠較精確地檢測出車輛的存在狀況。

1環形線圈車輛檢測器檢測原理

環形線圈檢測器是一種基于電磁感應原理的車輛檢測器，它的傳感器是一個埋在路面下方、通有一定工作電流的環形線圈，當車輛經過線圈或停在線圈上方時，由于互感效應會引起線圈回路電感量的變化，檢測器通過該變化量就可以檢測出車輛的存在，從而實現判斷有無車輛經過的目的。

檢測這個電感變化量有兩種方式：一種是利用相位鎖存器和鑒相器，對相位的變化進行檢測，即采用兩個振蕩器結構，主振蕩器作為基準振蕩器，通過鎖相環技術提供穩定的基準電壓，從振蕩器反映車輛通過時的信息；另一種則是利用由環形地埋線圈構成回路的耦合振蕩電路對其振蕩頻率進行檢測。線圈與諧振回路相連，當電感變化時會引起諧振回路諧振頻率的變化，通過跟蹤該頻率，即可判斷是否有車輛通過。本文采用第二種頻率檢測的方法來實現對電感量變化的檢測，由于設計采用AVR單片機AT90CAN128作為數據處理的主控單元，利用該單片機的輸入捕捉單元(Input Capture Unit)對輸入的信號進行捕獲，采集頻率變化信息，通過與基準頻率的比較以及閾值、靈敏度的設定，來判斷是否有車輛通過或者存在，從而檢測有軌電車在道岔處的軌道占用狀況。

2檢測系統組成

檢測系統由感應線圈、饋線、檢測卡和上位機組成。用專用電纜繞成的感應線圈，經由饋線連接到檢測卡。檢測卡上實現車輛檢測的主要硬件電路包括諧振電路、整形濾波電路、MCU主控電路和CAN通信電路。車輛經過時，感應線圈上的頻率變化經過振蕩反饋、整形濾波送入MCU主控電路進行處理，檢測結果經過CAN通信電路傳送給上位機，從而獲得軌道占用情況。檢測系統組成如圖1所示。

圖1　檢測系統組成

3檢測卡硬件結構及原理

檢測卡硬件電路以AT90CAN128單片機為控制核心，該芯片具有以下特點：具備同時讀/寫能力的128 KB可重復編程Flash，4 KB EEPROM和4 KB SRAM，具有53個通用的I/O接口、32個通用工作寄存器、4個具有比較模式和PWM的定時器/計數器、1個SPI串行端口、與IEEE 1149.1標準兼容的JTAG測試接口、1個8通道10位具有可選增益差分輸入的A/D轉換器、1個帶內部振蕩器的可編程看門狗定時器。該芯片內部還集成了CAN控制器，與CAN標準幀2.0A和擴展幀2.0B完全兼容。

檢測卡電路中，由于單片機內置了上電復位，外部復位電路只需在復位引腳上拉電阻連接Vcc即可，在引腳和地之間加一個電容來消除干擾和雜波，可以方便地使線圈檢測器恢復到正常工作狀態。晶振電路輸出一個12 MHz 的脈沖信號，提供給單片機作為檢測的基準信號，使系統能夠有較高的檢測精度。輸出顯示電路可以通過LED燈來顯示電路的運行狀態是否正常、顯示感應線圈上的頻率變化，以判斷有無車輛通過。撥碼開關電路用來調整檢測器的靈敏度和頻率，這樣可以避免多通道線圈間因振蕩引起的頻率串擾，有效地保證了檢測系統的檢測精度。檢測卡電路設計如2所示。

圖2　檢測卡電路設計

3.1振蕩電路和信號整形電路的設計

該部分電路的主要功能是振蕩波形的產生及波形的整形和濾波，電路圖如圖3所示。

圖3　振蕩電路和整形電路

環形感應線圈通過饋線連接到變壓器的原邊，變壓器的副邊連接到振蕩器上，當有車輛經過線圈上的路面時，就會引起線圈振蕩頻率的變化。變壓器的作用是隔離環形線圈和振蕩器，使干擾減小，匝數比取1∶1，使由線圈電感變化所引起的頻率變化完全反映到振蕩器上。波形產生的振蕩電路選擇電容三點式振蕩電路，振蕩的反饋電壓取自電容，高次諧波阻抗小，可以將高次諧波濾除，得到較好的正弦波形。

整形濾波電路則利用三極管電路的導通和截止來對正弦波進行整形，得到方波信號，送入單片機的輸入捕獲單元進行處理。

AT90CAN128芯片的輸入捕捉單元可用來捕獲外部事件，并為其標記發生時間。當一個外部輸入事件發生，如ICP1引腳上的邏輯電平變化時，TCNT1中的計數值被寫入輸入捕捉寄存器ICR1中，并置位輸入捕獲標志位ICF1，產生中斷申請，輸入捕捉功能可用于頻率和周期的精確測量。線圈振蕩產生的頻率信號送入AT90CAN128的ICP1引腳，在無車輛通過時,AT90CAN128不斷采集線圈的基準頻率并進行記錄;當有車輛通過，振蕩頻率發生變化時，采集到的頻率也發生了變化，通過軟件算法對采集到的頻率變化進行分析，從而判斷有無車輛情況，實現軌道占用檢查的目的。

3.2靈敏度與撥碼開關的設計

靈敏度指的是檢測器從背景信號中區別出樣品信號的能力。檢測器易受環境的影響，溫度、路面情況以及交通狀況的不同會影響到檢測的精確度，需要設定靈敏度來保證檢測精度。在車輛檢測器的設計中，靈敏度的定義為：

其中L為無車通過線圈，振蕩電路以基準頻率振蕩時線圈的電感量;L′為有車經過時線圈的電感量。根據電磁感應原理中電感L與頻率f的關系，可以推導出靈敏度與頻率的關系式為:

其中f為無車時電路的振蕩頻率，f′為有車經過時的頻率。若靈敏度的值為0.02%，根據上式進行計算可知，AT90CAN128需要在采樣時間內采集至少10 000個脈沖(即T>10 000)才能夠將頻率的變化分辨出來，對車輛進行檢測。通過設置定時器的初值，使得計數的最大值滿足分辨率的要求，完成對輸入頻率信號變化的識別，準確檢測到有無車輛的存在。

為了實現在不同環境下的精確檢測，共設置了7級可以調節的靈敏度，通過撥碼開關來選擇。8位撥碼開關與AT90CAN128的PB口連接，另一端接地，通過撥碼開關的位置選擇對應的靈敏度，來滿足檢測精度的需求。撥碼開關的值與靈敏度的對應關系如表1所列。

表1　撥碼開關的值與靈敏度的對應關系

3.3LED指示燈的設計

使用AT90CAN128的PE口控制LED燈，通過LED燈來直觀顯示檢測卡的工作狀態，分為故障指示燈和狀態指示燈，用以顯示檢測卡是否正常工作以及有無車輛通過。系統上電后，默認線圈狀態異常(連接無效或者有斷線)，點亮故障指示燈，經檢測后，若無故障則熄滅故障指示燈，表明檢測卡工作正常。狀態指示燈用來顯示有無車輛通過線圈，作為判斷車輛存在與否的標志，只在有車經過線圈時點亮，其余時間均為熄滅狀態。

3.4CAN通信電路的設計

CAN通信接口與上位機進行通信，實現檢測結果及時有效的傳輸。電路圖如圖4所示。

圖4　CAN通信電路

電路主要由單片機AT90CAN128、高速光耦6N137和高速CAN總線收發器組成。單片機AT90CAN128主要負責內部CAN控制器的初始化，以及實現數據的接收和發送等通信任務。在5 V時，AT90CAN128的晶振頻率可以達到16 MHz，設計中采用了該芯片內部的8 MHz晶振。高速光耦6N137起到控制器與工業現場相隔離的作用，可以提高系統的抗干擾能力。CAN總線收發器采用了TJA1050芯片，是CAN控制器與物理總線之間的連接層接口。電路由獨立電源供電，有效地避免了外界電壓變化對通信的影響。

4軟件設計

在本設計中，頻率信號由ICP1引腳輸入，當ICP1上的電平(事件)發生變化時，輸入捕捉即被激活，產生輸入捕捉中斷。中斷函數流程圖如圖5所示。

圖5　捕獲中斷函數

由于單片機模塊化程序設計的特點，在主程序中調用各個子函數對AT90CAN128進行控制，從而實現檢測車輛的目的。

Trolley Detector Design Based on AT90CAN128

Liu Qian

(College of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：The design takes AT90CAN128 as the control core,which uses the input capture unit of AT90CAN128 to detect the change of the coil frequency,and uses the CAN communication interface to transmit the detection results.The design is applied in the track occupancy inspection subsystem of the modern trolley car to realize the inspection of the track occupancy at the turnout,which can ensure the safe running of the trolley car and the efficient operation of the operating system.

Key words:trolley detector;track occupancy inspection;data collection;AT90CAN128

中圖分類號:TP368

文獻標識碼:A