一种基于码牌识别与绝对值编码器相结合的地址检测器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种地址检测器，主要应用于工业作业机车的地址检测，它包括地址检测器、绝对值编码器、码牌、阅读头、激光对射光电传感器，并提出了一种基地址+段地址的机车地址检测方案，其中，车载部分设置阅读头地面站部分设置码牌，码牌按照一定的规律进行开孔，每块码牌标识一个唯一的编码，由该编码记录机车的基地址位置信息；阅读头上设有激光对射光电传感器，采用激光对射光电传感技术来读取码牌孔位信息得到基地址；绝对值编码器安装在机车主轮轴上，在机车运动时绝对值编码器随着主轮轴转动输出数字量的段地址。本实用新型具备接口丰富，可扩展性强，系统升级方便等优势。
【专利说明】—种基于码牌识别与绝对值编码器相结合的地址检测器【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种地址检测器，主要应用于工业作业机车的地址检测，特别指一种采用激光对射光电传感技术读取码牌孔位信息结合绝对值编码器的数据对机车地址进行精确检测的装置。
【背景技术】
[0002]国内外工业作业机车的地址检测方式大致有如几种，但是都有各自的优缺点。
[0003]1、感应无线技术是发达国家七十年代末兴起的一项新技术，该技术主要应用于大型机车的数据通信、地址检测、并结合计算机技术、自动化技术达到自动控制的目的。感应无线技术将无线通讯与炉号位置识别合于一体，能实现大型机车的定位和与地面通讯，能适应恶劣的环境，在技术上是较好的解决方案。但这种方案的最大缺点是技术非常复杂，成本昂贵，且电缆易于损坏，一旦损坏维修困难，维修时间长，而且维修费用高。
[0004]2、射频识别(RFID)技术是90年代兴起的一项新型自动识别技术，它的突出优点是利用无线射频方式进行非接触双向通讯，从而达到识别目标和数据交换的目的。利用RFID技术进行机车地址检测是将具有固定编号的电子标签埋于铁轨中间，利用车上的读写器来识别和确定车辆的绝对地址，它具有成本低，适应性强，抗干扰能力强，预埋标签无源等优点。但是其缺点是对正精度偏低，有可能同时读取多个电子标签信息从而无法正确检测机车地址。
[0005]3、利用接近开关加金属码牌进行机车地址检测是克服工业现场粉尘、雾气等干扰采取的一种方案。但是由于接近开关有效感应距离短，不超过10cm，使接近开关与码牌间的距离难以控制，不能保证对正精度，而且金属码牌不能实现绝对编码，使炉号识别的软件工作量和系统的不稳定因素增加。
【发明内容】
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[0006]本实用新型的目的是针对【背景技术】中的缺点和问题加以改进和创新，提供一种结构简单，检测精度高，成本低的基于码牌识别与绝对值编码器相结合的地址检测器。
[0007]本实用新型的技术方案是构造一种地址检测器，它包括地址检测器、绝对值编码器、码牌、阅读头、激光对射光电传感器，其中:车载部分设置阅读头地面站部分设置码牌，码牌按照一定的规律开孔，每块码牌标识一个唯一的编码，由该编码记录机车的基地址位置信息；阅读头上设有激光对射光电传感器，绝对值编码器安装在机车主轮轴上，在机车运动时绝对值编码器随着主轮轴转动输出数字量的段地址；
[0008]所述的地址检测器包括电源模块、LED显示部分、并行上传数据接口部分、ARM7处理器部分、RS485通信接口部分、掉电保存数据模块、复位和掉电检测电路部分、Profibus-DP总线接口部分、激光对射型光电传感器读取码牌编码信息部分。
[0009]本实用新型基于码牌识别与绝对值编码器相结合的地址检测器，经过实验检测地址误差<=5mm，完全适应目前工业机车地址检测的精度要求，产品中采用了先进的ARM技术以及多种措施提高系统可靠性，具备接口丰富，可扩展性强，系统升级方便等优势，为工业机车地址检测的设计提供了一种全新的解决方案，势必会广泛应用于工业机车地址检测领域。
[0010]本实用新型优点有以下优点和效果:
[0011]1、本实用新型采用码牌识别和绝对值编码器相结合的方式，为工业机车开发了一种全新的地址检测装置。本装置结构简单，检测精度高，成本低下。由于核心功能主要采用软件完成，简化了硬件电路设计，可靠性高，抗干扰能力强，同时系统升级方便，另外，由于该系统具有丰富的外设接口，可以方便系统功能的扩展以及实现与PLC、工控机等工业自动化设备的接口与通信。
[0012]2、基地址加高分辨率段地址的方式有效地减小了检测过中的累计误差，保证了整个地址检测的准确性。
[0013]3、由于采用了绝对值编码器使得地址检测灵敏度达到了 1mm。
[0014]4、本地址检测器检测到的地址误差可以<=5mm。
[0015]5、为了防止机车掉电时数据丢失，再次上电时不知道机车此时的绝对地址，本地址检测器，在硬件电路中设计了掉电检测电路和数据存储电路以解决上述问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为码牌的编码方式说明图。
[0017]图2为阅读头的结构示意图。
[0018]图3为地址检测方式说明图。
[0019]图4为地址检测器总体结构图。
[0020]图5为地址检测器硬件结构图。
[0021]图6为ARM7处理器部分原理图。
[0022]图7为LED显示机车绝对地址值原理图。
[0023]图8为激光对射型光电传感器读取码牌编码信息原理图。
[0024]图9为EEPROM掉电保存数据部分原理图。
[0025]图10为复位和掉电检测电路部分原理图。
[0026]图11为电源供电部分原理图。
[0027]图12为profibus总线接口原理图。
[0028]图13为RS485通信接口原理图。
[0029]图14为地址检测器并行上传数据接口原理图。
【具体实施方式】
[0030]根据图1至15可知，本实用新型包括地址检测器、绝对值编码器、码牌1、阅读头
2、激光对射光电传感器3，其中，
[0031]车载部分设置阅读头2地面站部分设置码牌1，码牌I按照一定的规律开孔，每块码牌标识一个唯一的编码，由该编码记录机车的基地址位置信息；阅读头2上设有激光对射光电传感器3，绝对值编码器安装在机车主轮轴上，在机车运动时绝对值编码器随着主轮轴转动输出数字量的段地址；[0032]所述的地址检测器包括电源模块、LED显示部分、并行上传数据接口部分、ARM7处理器部分、RS485通信接口部分、掉电保存数据模块、复位和掉电检测电路部分、Profibus-DP总线接口部分、激光对射型光电传感器读取码牌编码信息部分。
[0033]本实用新型所述的码牌I上有编有两排孔，上面为编码信息，下面为编码信息对应的时钟孔。
[0034]本实用新型所述的阅读头2上设有两组六对激光对射型光电传感器动态读取码牌号，采用两组光电传感器分别读取机车在左行和右行时的码牌编码信息。
[0035]本实用新型所述的机车连续地址获取，采用绝对值编码器安装在机车的主轮轴上，绝对值编码器随着主轮轴运动，通过RS485接口实时的输出机车地址信息。
[0036]本实用新型所述的ARM7处理器为LPC2148芯片，2148处理器通过光耦U5和U6实时采集激光传感器发出的开关量的到码牌编码信息，并通过RS485实时获取机车地址信息，之后LPC2148处理器经过多种码牌编码信息出错处理、多种地址滤波算法，得到机车最终地址信息后，将其上传至机车PLC。
[0037]本实用新型所述的并行上传数据接口部分，采用锁存器U13、U14和U15做三个字节数据复用，再经过光耦U3和U4做电平转换后，将机车的绝对地址数据上传至PLC。
[0038]本实用新型所述的掉电检测保存数据模块，采用MAX708作为掉电检测芯片，MAX708内部自带一个电压比较器，通过R86、R87分压，当电源电压引起的分压电压，低于内部基准电压1.25V时，电压比较器立刻输出一个下降沿。LPC2148处理器采集到这个下降沿时，立即将所需要保存的信息，保存至外部24C02中。
[0039]本实用新型所述的激光对射型光电传感器读取码牌编码信息部分采用高灵敏度、内置放大电路的对射型激光光电传感器读取码牌编码信息。在没有阻挡物时激光光电传感器输出数字量0，当有阻挡物时激光光电传感器输出数字量1，由于事先已经在码牌上开孔编码，这样ARM7处理器通过读取激光光电传感器数字量的变化来读取码牌编码信息。
[0040]本实用新型技术简介
[0041]1、ARM7技术简介
[0042]ARM7系列包括ARM7TDM1、ARM7TDM1-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T。该系列处理器提供Thumb 16位压缩指令集和EmbededICE软件调试方式，适用于更大规模的SoC设计中。ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备。
[0043]ARM7TDMI处理器是ARM通用32位微处理器家族的成员之一。它具有优异的性能，但功耗却很低，使用门的数量也很少。它属于精简指令集计算机(RISC)，比复杂指令集计算机(CISC)要简单得多。这样的简化实现了高的指令吞吐量，出色的实时中断响应，小的、高性价比的处理器宏单元。同时ARM7TDMI处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度。这样可使几个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供0.9MIPS/MHZ的指令执行速度。ARM7TDMI的流水线分3级，分别为:取指、译码、执行。正常操作过程中，在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。
[0044]2、码牌识别技术
[0045]码牌识别技术的原理类似于红外定位技术，主要由车载部分的阅读头和地面站部分的码牌组成。码牌是一块按照一定的规律进行开孔，每块码牌标识一个唯一的编码，由该编码记录机车的基地址位置信息，如图1所示。阅读头是一种激光对射装置，采用的是激光对射光电传感技术来读取码牌孔位信息，达到地址检测的目的，在工业现场，码牌的阅读头采用全金属包裹结构，如图2所示。激光头发射、接收部分的透光窗口采用高透亮、防尘玻璃，并将激光对射光电传感器安装在阅读头中。在机车行进过程中，阅读头利用激光对射光电传感器动态地扫描每块码牌，获得当前码牌的编码，由码牌跟机车基地址位置的唯一对应关系可以确定机车的当前的基地址位置。
[0046]3、绝对值编码器连续地址取址技术
[0047]绝对值编码器是一种基于电磁感应原理的精密测量角位移的传感器，转子和定子中均有绕组。若在转子绕组中通上正弦激磁电流，则转子在定子绕组中感应出同频率的电压，但相位或幅值随转子和定子的相对位移而变化。感应电压经鉴相或鉴幅并经A/D转换等电子线路的处理，输出若干位的数字信号(绝对值型)，或输出具有一定相位差及频率差的多相脉冲或正弦信号。本装置采用美国GEMPLE (捷安浦)公司的GAX60R13/12 ElO LB绝对值编码器，全数字化计值，1/4096高线性度，信号无温度、机械影响，信号干扰零点漂移极小，可在整条轨道连续地、准确地、迅速地检测出机车当前所在的地址。
[0048]本实用新型装置的工作原理为:
[0049]首先将每一个码牌开孔编一个唯一的码，该码确定为一个基地址值，再由阅读头装置通过激光对射型光电传感器读取每一个码牌的编码信息送给ARM7处理器，这样就得到机车的基地址值，同时在读取到码牌正确编码信息时立即将绝对值编码器清零。其次将绝对值编码器安装在机车的主轮轴上，当机车在码牌之间运动时绝对值编码器输出连续的数字量地址值称为段地址值，ARM7处理器通过RS485通信接口读取这些码牌之间的段地址值。当机车正向行驶时机车的绝对地址值=基地址值+段地址值，当机车反向行驶时机车的绝对地址值=基地址-段地址值。ARM7处理器在处理完这些数据得到最终机车绝对地址值后可以通过并行上传数据接口或者RS485通信接口上传地址信息，同时也可以将地址信息通过profibus总线接口上传至profibus总线上。ARM7处理器也会通过LED驱动芯片ICl、IC2将地址信息实时动态显示。
[0050]在软件设计中，采用了多种方法来提高装置的处理速度和准确度，主要体现在以下几个方面:
[0051]激光对射管扫描码牌时，利用外部中断对信号进行采集，在匹配最大车速的同时也允许激光对射管更长的反应时间，有效地减小了误差。每扫过一个码牌，程序都会将最新的码牌对应的地址保存，这个地址可用作判断下一个地址正确与否的参照，并在出现错误时能够进行地址预测以保证装置正常的工作。
[0052]绝对值编码器工作时，程序连续记录几次数据值，通过比较大小判断机车的行驶方向，若出现差值较大时则视为出现错误，并抛弃当前值以上一次正确的数据为准。绝对值编码器测量的是两个码牌之间的距离，所以在经过码牌后立即清零数据重新计数，这样避免误差的累积，提高了装置的准确性。
[0053]本实用新型所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行的描述，并非对本实用新型构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
【权利要求】
1.一种基于码牌识别与绝对值编码器相结合的地址检测器，其特征在于包括地址检测器、绝对值编码器、码牌(I)、阅读头(2)、激光对射光电传感器(3)，其中: 车载部分设置阅读头(2)地面站部分设置码牌(I )，码牌(I)按照一定的规律开孔，每块码牌标识一个唯一的编码，由该编码记录机车的基地址位置信息；阅读头(2)上设有激光对射光电传感器(3 )，绝对值编码器安装在机车主轮轴上，在机车运动时绝对值编码器随着主轮轴转动输出数字量的段地址； 所述的地址检测器包括电源模块、LED显示部分、并行上传数据接口部分、ARM7处理器部分、RS485通信接口部分、掉电保存数据模块、复位和掉电检测电路部分、Profibus-DP总线接口部分、激光对射型光电传感器读取码牌编码信息部分。
2.根据权利要求1所述的基于码牌识别与绝对值编码器相结合的地址检测器，其特征在于所述的码牌(I)上有编有两排孔，上面为编码信息，下面为编码信息对应的时钟孔。
3.根据权利要求1所述的基于码牌识别与绝对值编码器相结合的地址检测器，其特征在于所述的阅读头(2)上设有两组六对激光对射型光电传感器动态读取码牌号，采用两组光电传感器分别读取机车在左行和右行时的码牌编码信息。
4.根据权利要求1所述的基于码牌识别与绝对值编码器相结合的地址检测器，其特征在于所述的机车连续地址获取，采用绝对值编码器安装在机车的主轮轴上，绝对值编码器随着主轮轴运动，通过RS485接口实时的输出机车地址信息。
5.根据权利要求1所述的基于码牌识别与绝对值编码器相结合的地址检测器，其特征在于所述的ARM7处理器为LPC2148芯片，2148处理器通过光耦U5和U6实时采集激光传感器发出的开关量的到码牌编码信息，并通过RS485实时获取机车地址信息，之后LPC2148处理器经过多种码牌编码信息出错处理、多种地址滤波算法，得到机车最终地址信息后，将其上传至机车PLC。
6.根据权利要求1所述的基于码牌识别与绝对值编码器相结合的地址检测器，其特征在于所述的并行上传数据接口部分，采用锁存器U13、U14和U15做三个字节数据复用，再经过光耦U3和U4做电平转换后，将机车的绝对地址数据上传至PLC。
7.根据权利要求1所述的基于码牌识别与绝对值编码器相结合的地址检测器，其特征在于所述的掉电检测保存数据模块，采用MAX708作为掉电检测芯片，MAX708内部自带一个电压比较器，通过R86、R87分压，当电源电压引起的分压电压，低于内部基准电压1.25V时，电压比较器立刻输出一个下降沿，LPC2148处理器采集到这个下降沿时，立即将所需要保存的信息，保存至外部24C02中。
【文档编号】G06K7/00GK203588275SQ201320790780
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】胡月香, 管专, 陈进, 陈勇波, 毛晓华, 彭毅, 鲁成华, 陈雄 申请人:岳阳千盟电子有限公司