基于FPGA的列車(chē)定位系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試平臺(tái)

摘 要：軌道交通領(lǐng)域中，當(dāng)列車(chē)定位系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試的時(shí)候都是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)信標(biāo)的位置結(jié)合觀察天線發(fā)射功率的方式來(lái)進(jìn)行調(diào)試的。這樣的方式不僅精確度差，耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，而且浪費(fèi)人力、物力。本文針對(duì)這些問(wèn)題，對(duì)列車(chē)定位系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試需求進(jìn)行了分析，并且通過(guò)FPGA的方式實(shí)現(xiàn)了列車(chē)定位系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)。最后對(duì)該平臺(tái)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：定位系統(tǒng);靜態(tài)測(cè)試;軌道交通

中圖分類(lèi)號(hào)：U283.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

列車(chē)定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的確定列車(chē)在線路中的位置是軌道交通行車(chē)安全和指揮系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

采用查詢(xún)應(yīng)答器的方式來(lái)對(duì)列車(chē)進(jìn)行定位是軌道交通領(lǐng)域比較常用的做法。

查詢(xún)應(yīng)答器系統(tǒng)主要由三部分組成，即查詢(xún)應(yīng)答器子架，查詢(xún)應(yīng)答器天線以及軌旁信標(biāo)。查詢(xún)應(yīng)答器子架發(fā)射功率給查詢(xún)應(yīng)答器天線用以激活軌旁信標(biāo)，并接收軌旁信標(biāo)的數(shù)據(jù)，最終傳輸給信號(hào)系統(tǒng)的主處理器單元用于列車(chē)定位功能使用。

1 背景介紹

信標(biāo)是安裝在線路沿線反應(yīng)線路絕對(duì)位置的物理標(biāo)志。信標(biāo)分為有源信標(biāo)和無(wú)源信標(biāo)兩種，有源信標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)車(chē)地的雙向通信，無(wú)源信標(biāo)在列車(chē)經(jīng)過(guò)信標(biāo)所在位置時(shí)，車(chē)載天線發(fā)射的電磁波激勵(lì)信標(biāo)工作，并傳遞絕對(duì)位置信息給列車(chē)。

每個(gè)信標(biāo)都有固定的編碼，列車(chē)通過(guò)識(shí)別信標(biāo)的數(shù)據(jù)并結(jié)合車(chē)載電子地圖和速傳傳感器等用以實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位，校驗(yàn)列車(chē)輪徑等功能。

當(dāng)前軌道交通領(lǐng)域中，在列車(chē)定位系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試的時(shí)候通常是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)信標(biāo)的位置結(jié)合觀察天線發(fā)射功率的方式來(lái)進(jìn)行調(diào)試的。這樣的方式精確度差，耗時(shí)長(zhǎng)、效率低。

2 需求分析

天線安裝在轉(zhuǎn)向架上，沿著車(chē)輛的縱向軸方向。通過(guò)六個(gè)螺栓安裝在車(chē)輛轉(zhuǎn)向架的支架上，要求安裝面的平面度在+/-0.5 mm范圍內(nèi)。天線設(shè)置在距離信標(biāo)金屬底板300 mm，誤差為+/-3 mm的高度。

天線是安裝在車(chē)輛的轉(zhuǎn)向架上的，每次天線安裝后，都需要使用信標(biāo)手動(dòng)掃過(guò)天線下方的有效區(qū)域，來(lái)判斷天線是否安裝到位。由于天線底面與信標(biāo)的金屬底板要求距離為300 mm+/-3 mm，手動(dòng)劃過(guò)的時(shí)候，信標(biāo)與天線之間的距離無(wú)法保證。

3 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述需求，列車(chē)定位系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試裝置，包括：位于上方的天線安裝平面、位于下方并且設(shè)有軌道地平面的軌道、安裝于天線安裝平面的天線、信標(biāo)位置測(cè)量控制單元、信標(biāo)垂向位置調(diào)整單元和信標(biāo)平面位置調(diào)整單元。

信標(biāo)位置測(cè)量控制單元搭載有信標(biāo)，用于探測(cè)信標(biāo)相對(duì)天線的位置數(shù)據(jù)，根據(jù)位置數(shù)據(jù)計(jì)算識(shí)別出信標(biāo)的當(dāng)前位置，然后根據(jù)當(dāng)前位置及目標(biāo)位置規(guī)劃出信標(biāo)移動(dòng)軌跡，再根據(jù)信標(biāo)移動(dòng)軌跡輸出垂直移動(dòng)指令給信標(biāo)垂向位置調(diào)整單元，以及輸出平面移動(dòng)指令給信標(biāo)平面位置調(diào)整單元。所述的位置數(shù)據(jù)為坐標(biāo)系中各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，以下所述的位置同理指各點(diǎn)坐標(biāo)。

設(shè)定坐標(biāo)系：設(shè)與軌道6平行的方向?yàn)閄方向;根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)系，與軌道地平面平行，且垂直于X方向的方向?yàn)閅方向;垂直于X方向和Y方向組成平面的方向?yàn)閆方向。所以，上述的垂直方向?yàn)閆方向;上述的水平方向包括X方向和Y方向。

信標(biāo)垂向位置調(diào)整單元固定連接在信標(biāo)位置測(cè)量控制單元的底部，根據(jù)垂直移動(dòng)指令控制信標(biāo)位置測(cè)量控制單元沿垂直方向運(yùn)動(dòng)。

信標(biāo)平面位置調(diào)整單元定連接在信標(biāo)垂向位置調(diào)整單元的底部，根據(jù)平面移動(dòng)指令在軌道地平面上沿水平方向運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)信標(biāo)垂向位置調(diào)整單元和信標(biāo)位置測(cè)量控制單元水平移動(dòng)。從而通過(guò)信標(biāo)的自動(dòng)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試的自動(dòng)化。

信標(biāo)位置測(cè)量控制單元包括：用于固定信標(biāo)的信標(biāo)固定裝置、三個(gè)信標(biāo)位置傳感器和信標(biāo)位置控制裝置。

三個(gè)信標(biāo)位置傳感器用于測(cè)量信標(biāo)相對(duì)天線的位置數(shù)據(jù)，至少三個(gè)信標(biāo)位置傳感器分別安裝在信標(biāo)固定裝置朝向天線的一側(cè)、信標(biāo)固定裝置朝向軌道地平面的一側(cè)以及信標(biāo)固定裝置的側(cè)面。

信標(biāo)固定裝置固定連接信標(biāo)位置控制裝置。信標(biāo)位置控制裝置根據(jù)信標(biāo)相對(duì)天線的位置數(shù)據(jù)，根據(jù)位置數(shù)據(jù)計(jì)算識(shí)別出信標(biāo)的當(dāng)前位置，然后根據(jù)當(dāng)前位置以及目標(biāo)位置，計(jì)算規(guī)劃出信標(biāo)移動(dòng)軌跡，并根據(jù)信標(biāo)移動(dòng)軌跡輸出垂直移動(dòng)指令或者平面移動(dòng)指令。其中，通過(guò)平面擬合方程計(jì)算信標(biāo)的當(dāng)前位置。

測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試流程，信標(biāo)位置測(cè)量控制單元測(cè)量信標(biāo)相對(duì)天線的位置數(shù)據(jù)。信標(biāo)位置測(cè)量控制單元根據(jù)信標(biāo)相對(duì)天線的位置數(shù)據(jù)，計(jì)算識(shí)別出信標(biāo)的當(dāng)前位置，判斷信標(biāo)是否移動(dòng)到目標(biāo)位置，若否，信標(biāo)位置測(cè)量控制單元控制信標(biāo)平面位置調(diào)整單元和信標(biāo)垂向位置調(diào)整單元繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直至到達(dá)目標(biāo)位置。信標(biāo)位置測(cè)量控制單元在天線反饋的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，開(kāi)始掃信標(biāo)。信標(biāo)位置測(cè)量控制單元控制信標(biāo)平面位置調(diào)整單元和信標(biāo)垂向位置調(diào)整單元移動(dòng)到X方向的邊緣位置，然后沿X方向移動(dòng)并記錄移動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，保存到信標(biāo)位置測(cè)量控制單元。

4 詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。信標(biāo)位置測(cè)試單元，采用傳感器+控制器的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳感器采用基恩士的LK-G400傳感器這款傳感器可以測(cè)量的范圍400 mm

±100 mm，重復(fù)精度可以達(dá)到2 um，線性度可以達(dá)到±0.05% F.S.（F.S.=200 mm）?？刂破魇褂肍PGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，選用Intel公司的Cyclone10LP系列的10CL006，該FPGA具有6 272個(gè)LE，Memory Capacity 270Kb、2個(gè)PLL、20個(gè)clock，Maximum I/O 176個(gè)，Maximum LVDS 65個(gè)?？梢詽M足信標(biāo)位置測(cè)試裝置的使用。

FPGA代碼采用Verilog HDL的形式進(jìn)行編寫(xiě)，Verilog HDL是一種硬件描述語(yǔ)言，用于從算法級(jí)、RTL級(jí)、門(mén)級(jí)到開(kāi)關(guān)級(jí)的多種抽象設(shè)計(jì)層次的數(shù)字系統(tǒng)建模。被建模的數(shù)字系統(tǒng)對(duì)象的復(fù)雜性可介于簡(jiǎn)單的門(mén)級(jí)和完整的電子數(shù)字系統(tǒng)之間。

電路設(shè)計(jì)方面，選用ADI公司的AD7634作為AD輸入，AD7634是一款18位、電荷再分配、逐次逼近型（SAR）架構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），采用ADI公司的iCMOS高電壓工藝制造。該器件的輸入范圍和工作模式可通過(guò)硬件或?qū)Ｓ弥粚?xiě)串行配置端口來(lái)配置。AD7634內(nèi)置一個(gè)18位高速采樣ADC、一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源（和緩沖）、糾錯(cuò)電路，以及串行和并行系統(tǒng)接口端口。在CNVST的下降沿，對(duì)IN+和IN-上的全差分模擬輸入進(jìn)行采樣。AD7634具有四種不同的模擬輸入范圍，功耗與吞吐量呈線性比例關(guān)系，工作溫度范圍為-40℃至+85℃。DA選用TI公司的DAC6571芯片，DAC6571是一種低功耗、單通道、10位緩沖電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器其片上精密輸出放大器允許要實(shí)現(xiàn)軌到軌的輸出擺動(dòng)。DAC6571采用I2C兼容的兩線串行接口在同一數(shù)據(jù)總線上，以高達(dá)3.4 MBPS的時(shí)鐘速率工作，地址支持最多兩個(gè)DAC6571的單調(diào)設(shè)計(jì)。DAC的輸出電壓范圍為0 V至VDD。DAC6571包含一個(gè)上電復(fù)位電路，確保DAC輸出在0 V時(shí)通電，并保持在那里，直到對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效寫(xiě)入。DAC6571包含一個(gè)通過(guò)內(nèi)部控制寄存器訪問(wèn)的掉電功能，可在5 V時(shí)將設(shè)備的電流消耗降低到50 nA。該部件在正常工作時(shí)的低功耗使其非常適合便攜式電池供電設(shè)備。在VDD=5 V時(shí)功耗小于0.7 mW，在掉電模式下降低到1 mW。適用于閉環(huán)伺服控制。

垂向位置調(diào)整單元，使用垂向電機(jī)模組+步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。垂向電機(jī)模組采用的是CBX單線軌直線導(dǎo)軌配57電機(jī)，型號(hào)是SGX滾珠絲桿單線軌滑臺(tái)，行程為100 mm。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用DM860型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

水平位置調(diào)整單元，使用水平電機(jī)模組+伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。水平電機(jī)模組選用HIWIN公司的PG型式定位型直線導(dǎo)軌產(chǎn)品PGHW30HA1/2T1600ZAPI/II/E2+KK+03+S+A11+S32，行程為1 600 mm。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

5 結(jié)論與展望

本文通過(guò)對(duì)列車(chē)定位系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試的需求進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出了列車(chē)定位系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采用信標(biāo)定位方式的列車(chē)定位系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)試，提高了列車(chē)定位系統(tǒng)的調(diào)試效率，降低了列車(chē)定位系統(tǒng)在安裝調(diào)試期間的成本。為軌道交通信號(hào)系統(tǒng)后續(xù)的信息化、自動(dòng)化提供了有力的支撐。

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作者簡(jiǎn)介：王興海（1984-），男，遼寧撫順人，碩士，工程師，研究方向：自動(dòng)化測(cè)量、自動(dòng)控制、軌道交通信號(hào)系統(tǒng)領(lǐng)域。