基于ARM單片機的城市軌道交通車載ATP測速定位實驗裝置設計

陶漢卿

(1.柳州鐵道職業(yè)技術學院 自動控制學院，廣西 柳州 545616；2.大連交通大學，遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，城市交通問題的日益突出，城市軌道交通因具有運量大、占地少、速度快、準點舒適，安全節(jié)能的特點，其建設蓬勃發(fā)展，進入了黃金發(fā)展時期[1]，城市軌道交通通信信號技術專業(yè)也相繼在各個高校開設。

城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)(ATC系統(tǒng))設備是城市軌道交通通信信號技術專業(yè)工作崗位維護的重要設備，實現(xiàn)ATC系統(tǒng)功能的基礎是列車的速度和位置，因此，測速定位系統(tǒng)是城市軌道交通ATC系統(tǒng)的重要組成部分，測速定位技術則成為ATC系統(tǒng)的關鍵技術[2]。在城市軌道交通通信信號技術專業(yè)的教學中，列車測速定位技術是重點內(nèi)容，教學的目的主要是要求學生掌握測速和定位設備的拆裝與維護，因此，建設城市軌道交通通信信號技術實訓室時需要有測速定位設備。

由于專業(yè)發(fā)展和技術更新較快，人才需求量大，城市軌道交通測速定位設備昂貴，維護成本高，實訓室建設跟不上專業(yè)發(fā)展，實訓設備一般采用直接采購的方式，由于經(jīng)費和場地的限制，大多高職院校的專業(yè)測速定位實訓設備比較缺乏。目前，有少數(shù)的廠家在研發(fā)城市軌道交通通信信號技術專業(yè)實訓設備，但是這些設備僅限于虛擬仿真，達不到訓練的效果。因此，為了加快實訓室的建設，降低成本，更好地根據(jù)城市軌道交通車載ATP測速定位裝置的實訓課程要求開發(fā)實訓項目，提高實踐教學效率，需要開發(fā)城市軌道交通車載ATP測速定位實驗裝置。

本文根據(jù)城市軌道交通通信信號技術專業(yè)相關課程和教學內(nèi)容的要求，結(jié)合企業(yè)真實的生產(chǎn)標準、教學情景和實訓室場地的實際情況，研究開發(fā)小型化、實用性強、價格低廉和功能齊全的城市軌道交通測速定位實驗裝置，應用于加快城市軌道交通通信信號技術實訓室建設，以期滿足城市軌道交通通信信號技術專業(yè)相關課程內(nèi)容的實踐教學和企業(yè)職工培訓，提高學生和企業(yè)職工的實踐綜合動手能力，努力培養(yǎng)高素質(zhì)技術技能型人才。

1 車載ATP測速定位實驗裝置的組成

目前，城市軌道交通車載ATP測速定位傳感器主要采用光電脈沖測速傳感器和多普勒雷達[3]，測速定位實驗裝置模擬的是這兩種傳感器，主要由光電傳感器電路、模擬雷達測速電路、CPU處理電路、TFT液晶電路、GPRS模塊電路等組成。采用光耦和光碼盤模擬光電傳感器，組成光電傳感器電路，利用超聲波測速電路模擬多普勒雷達，實現(xiàn)對速度的測量，經(jīng)過32位帶FLASH的單片機STM32F103V8T6進行處理，采用卡爾曼濾波方法對兩種傳感器采集的數(shù)據(jù)進行融合，得到準確的列車運行速度，然后將速度進行積分運算，得到距離信息，設定列車運行的初始位置，從而計算出列車的位置，達到測速定位的目的，將測速定位結(jié)果在TFT液晶顯示屏顯示，同時將測速結(jié)果通過GPRS模塊發(fā)送到上位機監(jiān)控端，實現(xiàn)對列車速度和位置的實時檢測，且監(jiān)控端可以通過GPRS模塊發(fā)送列車定位修正的相關參數(shù)。其具體組成框圖如下頁圖1所示。

圖1 測速定位裝置結(jié)構圖

2 裝置硬件設計

硬件設計主要包括光電傳感器電路、模擬雷達測速電路、CPU處理電路、TFT液晶電路、GPRS等模塊電路的設計。CPU處理電路采用32位的CORTEX M3的微控制器STM32F103V8T6單片機，用于對光電速度傳感器和雷達測速電路采集到的數(shù)據(jù)進行處理、進行卡爾曼濾波，得出準確的速度值，然后計算出距離，對列車進行定位，并顯示在TFT液晶顯示屏，同時與監(jiān)控端計算機進行通信。STM32F103V8T6芯片是32位ARM核心帶FLASH的單片機，具有11個內(nèi)置的16位定時器，片內(nèi)有單周期乘法和硬件除法，支持72 MHz的時鐘，大大提高了對列車速度和定位的檢測精度。STM32F103V8T6內(nèi)置有用于存放程序和數(shù)據(jù)的64 K或128 K字節(jié)的閃存存儲器，提高了卡爾曼濾波代碼運行效率和對列車速度位置檢測的時效性。STM 32F103V8T6支持定時器、ADC、SPI、I2C和USART等外設，80個快速IO接口，可以連接GPRS收發(fā)模塊和TFT液晶顯示模塊，簡化了GPRS無線數(shù)傳模塊的設計[4]，還可以進行在線調(diào)試和下載，提高了測速定位實驗裝置的可操作性和維護便利性。

2.1 光電傳感器電路

本文設計的測速定位實驗裝置光電傳感器采用的是增量式光電編碼器，主要由光碼盤、發(fā)光二極管、光敏傳感器、轉(zhuǎn)軸、波形變換電路、電源及連接線等組成。在光碼盤上等間距地開通100個長方形孔，光碼盤轉(zhuǎn)軸連接到列車車軸，車軸帶動光碼盤同步速度轉(zhuǎn)動，發(fā)光二極管安裝在光碼盤的一側(cè)，光敏三極管安裝在另一側(cè)，當光碼盤的旋轉(zhuǎn)到有方形孔位置時，光敏三極管能接收到發(fā)光二極管的光，當光碼盤旋轉(zhuǎn)到無方形孔位置時，光敏三極管接收不到發(fā)光二極管的光。光敏傳感器產(chǎn)生正弦波，經(jīng)過波形變換電路輸出脈沖，通過檢測脈沖的頻率可以計算出列車的轉(zhuǎn)速。增量式光電編碼器還可以輸出兩路相位差為90°的脈沖信號，用以判定列車運行的方向[5]。光電傳感器測速定位具有結(jié)構簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。

增量式光電編碼器測速接口電路如圖2所示。圖中，增量式光電編碼器A相輸出接到STM32F103V8T6的TIM4_CH1口，B相輸出接到STM32F103V8T6的TIM4_CH2口，TIM4作為計數(shù)器使用，計算增量式光電編碼器A、B兩相的脈沖，TIM3作為定時器，每間隔10 ms的周期產(chǎn)生中斷，CPU讀取TIM4_CH1、TIM4_CH2兩個口的脈沖數(shù)，TIM4停止計數(shù)。CPU對脈沖數(shù)采用式(1)進行計算，得出A、B兩相采集到的速度值。

V=πD×3.6×f/N(km/h)

(1)

式中：V——列車運行速度(km/h)；

f——增量式光電編碼器輸出脈沖的頻率；

|N——增量式光電編碼器旋轉(zhuǎn)一圈輸出的脈沖數(shù)；

|D——城市軌道交通列車的車輪直徑，本設計采用840 mm。

當兩相速度值|vA-vB|≤1 km/h，認為速度值準確，取速度較大值，與雷達測速值進行融合，否則認為測速不準確，取前一個時刻的速度值與當前時刻的雷達測速值進行融合。

圖2 增量式光電編碼器測速接口電路圖

2.2 模擬雷達測速電路

光電傳感器容易受列車空轉(zhuǎn)和打滑的影響，本設計增加了超聲波檢測模擬城市軌道交通的雷達測速，用以克服光電傳感器測速的缺點。該超聲波電路由發(fā)射電路和接收電路組成。

圖3 超聲波發(fā)射電路圖

超聲波發(fā)射電路如圖3所示。電路的TRIG接STM32F103V8T6單片機的TIM_CH1口，由定時器TIM2產(chǎn)生頻率為40 kHz的方波發(fā)送，經(jīng)過兩級放大，其中前級采用超低失調(diào)電壓雙路運算放大器，后級采用LM386高增益放大，放大后的方波信號驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭將超聲波發(fā)射。

圖4 超聲波接收電路圖

超聲波接收電路如圖4所示。電路采用超聲波專用接收芯片CX20106A，配以外圍器件OP07雙路運算放大器和LM555CM電路組成。接收到的超聲波信號經(jīng)過OP07組成的運算放大電路進行放大后，由LM555CM組成多諧振蕩電路進行整形，然后接入CX20106A的1腳，由CX20106A的7腳輸出，送至STM32F103V8T6單片機的TIM_CH2口。CX20106A芯片適用于城市軌道交通超聲波測速定位實驗裝置，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。

2.3 顯示模塊

本文設計的測速定位實驗裝置采用320×240分辨率的TFT液晶顯示器(LCD)以圖片、文字、曲線等形式顯示學校和系統(tǒng)信息，以及采集到的列車速度和定位信息，該LCD具有體積小、顯示清晰、功耗低、方便攜帶等特點。該模塊供電電壓為3.3 V，可以直接和STM32F103V8T6單片機相連，STM32F103V8T6單片機的PE0～PPE15等16根數(shù)據(jù)線與TFT液晶顯示器的16根數(shù)據(jù)線相連，STM32F103V8T6單片機的PC2與CS控制線相連，PC3與控制線RS相連，PC4與控制線WR相連，PC5與控制線RD相連，PC6與RST復位信號控制線相連。接口電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的下位機程序主要由光電傳感器測速程序、模擬雷達測速程序、卡爾曼濾波的速度數(shù)據(jù)融合程序和顯示程序等組成。上位機監(jiān)控端采用PC機模擬城市軌道交通車載人機界面，通過GPRS與下位機通信，在上位機進行車輪直徑和列車初始位置的設置，然后傳輸至STM32F103V8T6單片機進行列車速度和定位的檢測。下位機軟件程序設計流程如圖6所示。

圖5 TFT接口電路圖

圖6 下位機軟件程序設計流程圖

3.1 光電傳感器測速程序

將增量式光電編碼器A、B兩相的脈沖分別計算得出速度值，判斷兩相的速度差是否在±1 km/h范圍內(nèi)，如果是，取速度較大值作為光電傳感器測速值，反之，則取前一時刻的速度值與當前時刻的模擬雷達測速值進行速度融合作為列車速度值。

3.2 模擬雷達測速程序

模擬雷達測速模塊周期性發(fā)出的超聲波脈沖信號，采用定時器TIM2對系統(tǒng)內(nèi)部72 MHz高速時鐘以計數(shù)的方式計算超聲波脈沖信號發(fā)射和接收的時間差，根據(jù)超聲波的速度可以計算出列車運行速度。

3.3 卡爾曼濾波速度融合

因為測速定位實驗裝置安裝在模型車上，而模型車是按照實際列車的車輪輪徑按一定比例縮小的，所以要采用實際列車的直徑進行速度計算，經(jīng)過融合后的速度值乘以時間值計算出距離值，從而結(jié)合初始位置進行定位。

由于地鐵列車在運行過程中車輪會產(chǎn)生磨損，根據(jù)式(1)，光電傳感器測速會直接影響速度的測量精度，所以在速度定位檢測的計算中需要進行補償或修正[6]。

本設計采用了光電傳感器測速和模擬雷達測速兩種測速結(jié)合的方式，安裝兩個光電傳感器和一個模擬雷達測速傳感，從而獲取多個速度值，然后對這些數(shù)值進行卡爾曼濾波，進行輪徑補償和空轉(zhuǎn)滑行的修正后計算出準確的速度和距離值，提高測速定位的精度。

4 系統(tǒng)測試

本文設計的測速定位實驗裝置使用的列車采用1∶87的模型車，采用直流24 V蓄電池供電。模型車在沙盤上運行，檢測的速度均為真實列車輪徑、模擬雷達測速傳感器模型車速度換算后的速度。按照城市軌道交通車載ATP測速定位傳感器的標準，對測速定位實驗裝置進行了測試，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 測速定位實驗裝置測試結(jié)果示例圖

由圖7可知，設定距離為列車開始運行至停車點的距離，轉(zhuǎn)速A為光電測速傳感器檢測到的速度，轉(zhuǎn)速B是模擬雷達測速傳感器檢測到的速度，“+”符號表示正方向運行，時速為數(shù)據(jù)融合處理后所得到的速度，行程為列車走行的距離，程標距離是列車當前位置至停車點的距離。

5 結(jié)語

本文以STM32F103V8T6為CPU，設計了城市軌道交通列車測速定位實驗裝置，實現(xiàn)了模擬車載ATP光電傳感器測速和雷達測速。將采集的速度值進行卡爾曼濾波，對輪徑磨損進行補償，對速度進行修正，提高測速定位的精度。測速定位實驗裝置按照最優(yōu)準則進行最優(yōu)融合，提高了速度采集的精度。測速定位實驗裝置體積小、成本低和功能齊全，滿足高職院校“適用、夠用”的原則，豐富了實踐教學內(nèi)容，加快了院校城市軌道交通通信信號技術實訓室的建設，提高了專業(yè)教學效率，具有較高的實用價值和經(jīng)濟效益。