专利名称：提高风力传感器抗干扰能力的超声波设备及其抗干扰方法
技术领域：
本发明属于铁路安全监测技术领域，尤其涉及一种提高风力传感器抗干 扰能力的超声波设备及其抗干扰方法。
背景技术：
随着高速铁路的发展，风力对高速铁路安全运行所产生的影响越来越突 出，为了保证铁路的安全运行，风力、风速和风向等因素被溶入到控车信号等 信号集成系统中。为此，提高风力数据采集的安全性、准确性成为一项越来越 重要的任务。
由于列车高速通过风力信号采集点时，会在列车以及列车附近区域产生 强风干扰，而风力传感器无法将这些干扰有效去除，表现形式为风力与风向 的瞬间不稳定变化，并可持续一段时间，从几十秒到几分钟不等，在这种情 况下，风力与风向的测量数据严重偏离真值，造成铁路信号系统的误判，影 响行车安全和行车效率。
目前，针对列车临近和经过风力信号采集点时的报警技术有多种实现方 式，如采用红外技术实现阻拦式列车临近和经过的告警，采用电磁技术实现 列车临近和经过的告警，以及采用燥声振动探测技术实现列车临近和经过的 告警等。但是，以上每一种技术都有局限性。红外技术最大的缺点就是红外 线易受到天气因素的影响，如雾、雪、雨等影响。电磁技术容易受到外界磁 场的干扰，尤其是雷电天气，干扰更为明显。燥声振动探测技术缺点更为明 显，因为大型货车(如公共汽车、卡车)通过探测器时，都有可能被识别为高速列车。
发明内容
针对列车高速通过风力信号采集点时，产生的强风干扰没有有效的手段从 风力传感器中去除的问题，本发明提出一种提高风力传感器抗干扰能力的超声 波设备及其抗干扰方法。
本发明的技术方案是， 一种提高风力传感器抗干扰能力的超声波设备，其
特征是所述超声波设备由超声波阵列控制板与轨旁超声波阵列两个部分组成； 其中，所述超声波阵列控制板由中央处理器单元、数字通信单元、第一超
声波阵列电路、第二超声波阵列电路、485地址设置电路和电源电路组成； 所述第一超声波阵列电路由第一超声波发射电路和第一超声波接收电路
组成；
所述第二超声波阵列电路由第二超声波发射电路和第二超声波接收电路 组成；
所述轨旁超声波阵列由第一超声波测试组合单元和第二超声波测试组合 单元组成；
所述第一超声波测试组合单元包括第一超声波测试发送传感器和第一超 声波测试接收传感器；
所述第二超声波测试组合单元包括第二超声波测试发送传感器和第二超 声波测试接收传感器；
所述中央处理器单元分别与数字通信单元、第一超声波阵列电路、第二超 声波阵列电路、485地址设置电路和电源电路相连；
所述第一超声波发射电路和第一超声波接收电路分别与所述第一超声波 测试组合单元相连；
所述第二超声波发射电路和第二超声波接收电路分别与所述第二超声波测试组合单元相连；
所述超声波阵列控制板实现功率发射、信号接收、信号带通滤波、AD转 换以及拦阻状态判断；
所述超声波阵列控制板为风力传感器数据采集单元提供数字接口 ，将拦阻 状态发送给风力传感器。
所述第一超声波测试发送传感器和所述第一超声波测试接收传感器分别 安装于铁道两侧，二者之间距离小于等于8米且二者都高出地面0.5米-1米。
所述第二超声波测试发送传感器和所述第二超声波测试接收传感器分别 安装于铁道两侧，二者之间距离小于等于8米且二者都高出地面0.5米-1米。
所述第一超声波测试发送传感器与所述第二超声波测试接收传感器安装 于铁道的同一侧，且二者间隔距离大于8米。
所述第一超声波测试接收传感器和所述第二超声波测试发送传感器安装 于铁道的同一侧，且二者间隔距离大于8米。
一种采用所述超声波设备提高风力传感器抗干扰能力的方法，其特征是所 述方法包括下列步骤
步骤1:安装调试超声波设备并在铁道两侧布设超声波测试发送传感器和 超声波测试接收传感器；
步骤2:设定阈值和风力传感器数据采集单元恢复工作的时间；
步骤3:采集并接收超声波信号；
步骤4:根据设定阈值，将采集的超声波信号的模拟量归一化，形成列车 通过码；
步骤5:根据列车通过码，判断是否有列车经过；如果有列车经过，执行 步骤6;否则，返回步骤3，接收下一组超声波信号；
步骤6:通过485地址设置电路向风力传感器数据采集单元发送报警信号; 步骤7:风力传感器数据采集单元接收到报警信号后，将采集的风力数据进行临时存储，并暂停风力采集工作；
步骤8:根据列车通过码，判断列车是否已经经过；如果列车已经经过， 执行步骤10;否则，执行步骤9;
步骤9:风力传感器数据采集单元继续暂停工作；
步骤10:在设定的风力传感器数据采集单元恢复工作时间后，风力传感器 数据采集单元恢复工作，继续采集风力数据；同时返回步骤3，接收下一组超
声波信号。
所述步骤4中，将采集的超声波信号的模拟量归一化是指将采集的模拟信
号转化为数字信号"1"或"0";大于等于设定阈值的超声波信号的模拟量被
转化为"1"，小于设定阈值的超声波信号的模拟量被转化为"o"。
本发明的效果在于，采用超声波设备对列车的经过进行探测，不易受到外 界环境影响，两对反向布设的超声波发射和接收传感器，降低了错误告警的几 率，从而保证列车高速通过风力信号采集点时，产生的强风干扰不会被采集进 风力传感器，进而使风力传感器抗干扰能力得以提高。
图1是本发明提供的超声波设备组成原理图。
图2是本发明的实施例的中央处理器单元电路图。
图3是本发明的实施例的数字通信单元电路图；其中，(a)为数字通信单元 的非隔离式232接口电路，(b)为数字通信单元的光耦隔离式485接口电路。 图4是本发明的实施例的超声波阵列电路图。 图5是本发明的实施例的485地址设置电路图。
图6是本发明的实施例的电源电路图；其中，(a)为整流电源电路图，(b) 为5V数字电源电路图，(c)为5V隔离电源电路图。 图7是铁道两侧布设超声波测试传感器示意图。图8是超声波测试传感器接收与发射示意图。
图9是本发明提供的采用超声波设备提高风力传感器抗干扰能力的方法的 实现流程图。
具体实施例方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅 仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图l是本发明提供的超声波设备组成原理图。图1中，本发明提供的提高 风力传感器抗干扰能力的超声波设备由超声波阵列控制板与轨旁超声波阵列 两个部分组成。其中，超声波阵列控制板由中央处理器单元、数字通信单元、 第一超声波阵列电路、第二超声波阵列电路、485地址设置电路和电源电路组 成。第一超声波阵列电路由第一超声波发射电路和第一超声波接收电路组成。 第二超声波阵列电路由第二超声波发射电路和第二超声波接收电路组成。
轨旁超声波阵列由第一超声波测试组合单元和第二超声波测试组合单元 组成。第一超声波测试组合单元包括第一超声波测试发送传感器和第一超声波 测试接收传感器。第二超声波测试组合单元包括第二超声波测试发送传感器和 第二超声波测试接收传感器。
中央处理器单元分别与数字通信单元、第一超声波阵列电路、第二超声波 阵列电路、485地址设置电路和电源电路相连。
第一超声波发射电路和第一超声波接收电路分别与第一超声波测试组合 单元相连。第二超声波发射电路和第二超声波接收电路分别与第二超声波测试 组合单元相连。
超声波阵列控制板为轨旁超声波阵列提供发射功率、信号接收、信号带通 滤波、AD转换以及拦阻状态判断，并为上位机(此处为风力传感器数据采集 单元)提供数字接口。同时完成系统自检以及故障定位等功能。轨旁超声波阵列由两组超声波测试组合单元组成，安装在轨旁，是整个设备的执行单元。系
统电源要求为220V交流输入，可以实现轨旁或远程供电两种选择。
图2是本发明的实施例的中央处理器单元电路图。图2中，该中央处理器 单元由CPU编程输入口、 AD输入、晶振电路等组成。采用数字电源与模拟电 路，用电感隔离的模式。
图3是本发明的实施例的数字通信单元电路图。图3中，数字通信单元由 非隔离式232接口电路以及光耦隔离式485接口组成。图3的(a)为数字通信单 元的非隔离式232接口电路，232接口用于上位机调试，在生产中，该器件以 及九针串口接插件J4，该器件以及周边支持器件，如电容等不再进行焊接，只 是在调试时，使用该电路。同时采用拔码开关选择通信方式，如采用非隔离调 试式232接口或是采用光耦隔离485接口。图3(b)为数字通信单元的光耦隔 离式485接口电路，为了便于与系统组网，采用6N137完成485芯片MAX485 与中央处理器之间的光耦隔离控制与信号接口，同时电路的输出带有板级防雷 保护。
图4是本发明的实施例的超声波阵列电路图。图4中，该电路分为发送与 接收部分，发送部分利用CPU强大的PWM功能，生成稳定的40KHz方波， 通过Q7与Q8直接驱动超声器件，本系统拟选用常用压电陶瓷式T\R-40型超 声发送与接收模块。发送部分通过三极管对管模式，提高功率驱动的速度。接 收部分采用完全分离元件模式，提高工作速度，为了更好的更精确的得到接收 端的信号，采用并联谐振带通滤波模式，同时选用可调电感模式。如果采用固 定电感模式，则选用6.8mH电感与2.2nF电容，这样中心频率为37~38KHz之 间。通过输入端信号放大，通过Q6进行电流放大，然后通过C22， D9， D10 完成交直转换，然后通过中央处理器AD转换，读入信号幅值，确定拦阻状态。 本板具有两路超声阵列电路。
图5是本发明的实施例的485地址设置电路图。图5中，485地址设置电路采用上位机设置与当前地址设置两种方式。高六位为上位机设置，低二位由
板上拔码开关设置。采用4K7下拉电阻与拔码开关组成二位地址选择电路，同 时该电路可以选择将120欧姆电阻接入或断开，以方便485组网要求，该设备 与上位机采用远距离通信，这种情况下一般为接收与发送相对应，在这种情况 下，地址设置为两位也就够了。
图6是本发明的实施例的电源电路图。图6中，图6(a)为整流电源，图6(b) 为5V数字电源，图6(c)为5V隔离电源。整流电源为整个电路板提供基础直流 电源。选用板上变压器与整流器件，将输入220VAC电源转换为6-10V直流电 源。然后通过7805线性电源器件将电源转换为稳定的5V直流电源，由于本板 功率很低，采用单一 TO-220封装的7805就可以满足全板数字电路的用电要求。 同时485通信号隔离电源采用的电源模块直流由整流电源转换为5V隔离电源 供给MAX485芯片使用。
图7是铁道两侧布设超声波测试传感器示意图。图7中，第一超声波测试 发送传感器和第一超声波测试接收传感器分别安装于铁道两侧，本实施例中， 以双向两条铁路线为例。实际布设过程中，可以布设在一条铁道两侧。为了保 证信号的有效接收，第一超声波测试发送传感器和第一超声波测试接收传感器 之间的距离应当小于等于8米。同理，将第二超声波测试发送传感器和第二超 声波测试接收传感器分别安装于铁道两侧，且二者之间距离小于等于8米。第 一超声波测试发送传感器与第二超声波测试接收传感器安装在铁道的同一侧， 之间间隔距离大于8米；第一超声波测试接收传感器和第二超声波测试发送传 感器安装在铁道的另一侧，之间间隔距离大于8米；即第二超声波测试发送传 感器和第二超声波测试接收传感器的安装与第一超声波测试发送传感器和第 一超声波测试接收传感器正好反向，且两组发送接收传感器之间的距离大于8 米。这是因为，如果第一超声波测试发送传感器和第二超声波测试发送传感器， 安装在铁道的同一侧，则第一超声波测试接收传感器有可能会收到这两个超声波测试发送传感器发送的超声波，导致影响探测的精度。两组传感器大于8米， 使相互影响的可能性大大降低。
图8是超声波测试传感器接收与发射示意图。图8中，为了保证超声波发
送和接收的质量，第一超声波测试发送传感器和第一超声波测试接收传感器二
者都高出地面0.5米-1米。第二超声波测试发送传感器和第二超声波测试接收 传感器二者也都高出地面0.5米-1米。
图9是本发明提供的采用超声波设备提高风力传感器抗干扰能力的方法的 实现流程图。图9中，本发明提供的提高风力传感器抗干扰的方法包括下列步
骤
步骤1:安装调试超声波设备并在铁道两侧布设超声波测试发送和接收传 感器。
步骤2:设定阈值和风力传感器数据采集单元恢复工作的时间。 步骤3:采集并接收超声波信号。
步骤4:根据设定阈值，将采集的超声波信号的模拟量归一化，形成列车 通过码。模拟量归一化是将采集的模拟信号转化为数字信号"1"或者"0"; 大于等于设定阈值的模拟信号转化为"1"，小于设定阈值的模拟信号转化为 "0"。两组超声波传感器形成列车通过码的形式为11、 10、 01、 00。这里，00 代表两个超声波传感器都被挡住，说明有车经过；而10、 01表明一个传感器 被挡，这时不能断定是否有车经过，而11表示两个超声波传感器都没有被挡 住， 一定没有列车经过。
步骤5:根据列车通过码，判断是否有车经过；如果有车经过，执行步骤 6;否则，返回步骤3，接收下一组超声波信号。
步骤6:当设备检测到的列车通过码为00时，说明有列车经过，通过485
地址设置电路向风力传感器数据采集单元发送报警信号。
步骤7:风力传感器数据采集单元接收到报警信号后，将采集的风力数据进行临时存储，并暂停风力采集工作。
步骤8:根据列车通过码，判断列车是否己经经过；如果列车已经经过， 执行步骤10;否则，执行步骤9。
步骤9:风力传感器数据采集单元继续暂停工作。
步骤10:在步骤2设定的风力传感器数据采集单元恢复工作时间之后，风 力传感器数据采集单元恢复工作，继续采集风力数据；同时返回步骤3，接收 下一组超声波信号。
本发明采用超声波设备对列车的经过进行探测，不易受到外界环境影响， 比采用红外、电磁以及噪声振动等技术进行探测更准确有效；同时采用两对 反向布设的超声波发射接收传感器，降低了错误告警的几率，从而保证列车 高速通过风力信号采集点时，产生的强风干扰不会被采集进风力传感器，进 而使风力传感器抗干扰能力得以提高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种提高风力传感器抗干扰能力的超声波设备，其特征是所述超声波设备由超声波阵列控制板与轨旁超声波阵列两个部分组成；其中，所述超声波阵列控制板由中央处理器单元、数字通信单元、第一超声波阵列电路、第二超声波阵列电路、485地址设置电路和电源电路组成；所述第一超声波阵列电路由第一超声波发射电路和第一超声波接收电路组成；所述第二超声波阵列电路由第二超声波发射电路和第二超声波接收电路组成；所述轨旁超声波阵列由第一超声波测试组合单元和第二超声波测试组合单元组成；所述第一超声波测试组合单元包括第一超声波测试发送传感器和第一超声波测试接收传感器；所述第二超声波测试组合单元包括第二超声波测试发送传感器和第二超声波测试接收传感器；所述中央处理器单元分别与数字通信单元、第一超声波阵列电路、第二超声波阵列电路、485地址设置电路和电源电路相连；所述第一超声波发射电路和第一超声波接收电路分别与所述第一超声波测试组合单元相连；所述第二超声波发射电路和第二超声波接收电路分别与所述第二超声波测试组合单元相连；所述超声波阵列控制板实现功率发射、信号接收、信号带通滤波、AD转换以及拦阻状态判断；所述超声波阵列控制板为风力传感器数据采集单元提供数字接口，将拦阻状态发送给风力传感器。
2. 根据权利要求1所述的一种提高风力传感器抗干扰能力的超声波设备，其 特征是所述第一超声波测试发送传感器和所述第一超声波测试接收传感器分别安装于铁道两侧，二者之间距离小于等于8米且二者都高出地面0.5米-1米。
3. 根据权利要求1所述的一种提高风力传感器抗干扰能力的超声波设备，其特征是所述第二超声波测试发送传感器和所述第二超声波测试接收传感器分别安装于铁道两侧，二者之间距离小于等于8米且二者都高出地面0.5米-1米。
4. 根据权利耍求1所述的一种提高风力传感器抗干扰能力的超声波设备，其 特征是所述第一超声波测试发送传感器与所述第二超声波测试接收传感器安装 在铁道的同-侧，且二者间隔距离大于8米。
5. 根据权利要求1所述的一种提高风力传感器抗干扰能力的超声波设备，其 特征是所述第一超声波测试接收传感器和所述第二超声波测试发送传感器安装 在铁道的同一侧，且二者间隔距离大于8米。
6. —种采用如权利要求l所述的超声波设备提高风力传感器抗干扰能力的 方法，其特征是所述方法包括下列步骤步骤1:安装调试超声波设备并在铁道两侧布设超声波测试发送传感器和超声波测试接收传感器；步骤2:设定阈值和风力传感器数据采集单元恢复工作的时间； 步骤3:采集并接收超声波信号；步骤4:根据设定阈值，将采集的超声波信号的模拟量归一化，形成列车通 过码；步骤5:根据列车通过码，判断是否有列车经过；如果有列车经过，执行步 骤6;否则，返回步骤3，接收下一组超声波信号；步骤6:通过485地址设置电路向风力传感器数据采集单元发送报警信号；步骤7:风力传感器数据采集单元接收到报警信号后，将采集的风力数据进 行临时存储，并暂停风力采集工作；步骤8:根据列车通过码，判断列车是否已经经过；如果列车己经经过，执 行步骤10;否则，执行步骤9;步骤9:风力传感器数据采集单元继续暂停工作；步骤10:在设定的风力传感器数据采集单元恢复工作时间后，风力传感器数 据采集单元恢复工作，继续采集风力数据；同时返回歩骤3，接收下一组超声波信号。
7.根据权利要求6所述的一种提高风力传感器抗干扰能力的方法，其特征是所述步骤4中，将采集的超声波信号的模拟量归一化是指将采集的模拟信号转化为数字信号"1"或"0";大丁等丁设定阈值的超声波信号的模拟量被转化为数 字信号"1"，小丁设定阈值的超声波信号的模拟量被转化为数字信号"0"。
全文摘要
本发明公开了铁路安全监测技术领域中的一种提高风力传感器抗干扰能力的超声波设备及其抗干扰方法。技术方案是，超声波设备由超声波阵列控制板与轨旁超声波阵列两个部分组成；超声波阵列控制板由中央处理器单元、数字通信单元、第一超声波阵列电路、第二超声波阵列电路、485地址设置电路和电源电路组成；中央处理器单元分别与数字通信单元、第一超声波阵列电路、第二超声波阵列电路、485地址设置电路和电源电路相连；本发明的方法是，通过该设备判断是否有列车经过风力传感器采集点，如果有列车经过，风力传感器暂停数据采集工作，当列车经过后，风力传感器恢复数据采集工作。本发明提供的设备有效提高了风力传感器抗干扰能力。
文档编号G01L7/00GK101526612SQ200910081399
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月3日 优先权日2009年4月3日
发明者张智祥, 段成明 申请人:北京佳讯飞鸿电气股份有限公司