专利名称：故障安全型红外线双向应答器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及故障安全技术领域和查询应答器领域，尤其涉及轨道交通运行控制领 域特定需求下的应答器系统。
背景技术：
轨道交通运行控制领域中需要使用查询应答器系统，用于车辆的准确定位，其特 定领域要求应答器系统具备双向数据通信能力，车载阅读器和地面应答器都能输出信号给 各自的控制系统，因此车载阅读器和地面应答器应做成对称结构；具备故障导向安全功能， 因此系统应使用故障安全理论和容错技术设计；具备较高的通信可靠性和宽角度的通信覆 盖范围，因此系统应使用各种冗余技术；具有较低的电磁辐射水平，避免干扰业已安装使用 的射频应答器。针对以上特点，用于轨道交通车辆定位的双向应答器系统与一般性的射频 应答器系统在结构上有重大差异。目前现存的查询应答器系统大部分采用射频技术实现，包括各种有源和无源应答 器系统，使用的频率范围为125kHz 1GHz。射频应答器的特点是信息量多；存在较强的电 磁辐射，多套应答器近距离同时工作可能相互干扰；不具备故障导向安全的特性；标签是 孤立的，不能输出信号给其他系统。申请号为01808272. 6的专利描述一种用于通信系统的 光应答器，能够将电信号转化为光信号并馈送到另一端。申请号200580025167. 2的专利描 述了一种低成本声频应答器定位系统，由基站和应答器标签组成；使用声频信号进行通信 以确定标签在有界的3D空间中的位置。以上应答器产品和专利其标签都是孤立的，不能输 出信号给连接的相关控制系统；不具备故障导向安全的特性；。如何设计一种能够有效的满足上述需求的适用于轨道交通运行控制的故障_安 全型应答器系统是技术人员要解决的问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供了一种适用于轨道交通运行控制特定领域的 故障安全红外线双向应答器系统，旨在解决上述的问题。为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的本发明包括一个安装在移动车辆上的车载阅读器和一个安装轨旁的地面应答器； 车载阅读器和地面应答器由各自的发射单元、接收单元以及相对应的红外线收发阵列构成。与现有技术相比，本发明的有益效果是能够可靠实现车辆和地面的双向红外线 数据通信，阅读器和应答器都能输出信号给各自的控制系统，满足了车辆准确定位的需求； 实现了设备故障导向安全，提高轨道交通运行的安全性；不干扰附近位置的射频应答器系 统，提高了设备的适应性。
图1为本发明结构示意图2为图1中发射单元结构示意图；图3为图1中接受单元结构示意图；图4为图1中红外线阵列结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述由图1、图2、图3、图4可见本发明包括一个安装在移动车辆上的车载阅读器和 一个安装轨旁的地面应答器；车载阅读器和地面应答器由各自的发射单元1、接收单元2以 及相对应的红外线收发阵列3构成；本发明中车载阅读器和地面应答器的发射单元1、接收单元2硬件结构相同，但软 件控制逻辑和动作时序不同。所述的发射单元1包括一组主电路和至少一组以上的、与主电路相同的备用电 路；所述的主电路和备用电路连接切换电路9，切换电路9与红外线阵列相连；所述的主电 路包括依次连接的CPTO、编码电路6、调制电路7以及与切换电路9相连的驱动电路8 ；所述的接收单元2包括三个相同的解码器；所述的解码器包括连接红外线阵列 的隔离整形电路11 ；隔离整形电路11通过CPU12与监督定时器13连接；三个解码器中的 CPU分别与三中取二表决器14相连；三中取二表决器14通过故障-安全驱动电路15与安 全继电器16相连；安全继电器16分别与三个解码器中的CPU相连；所述的安全继电器16是重力式安全继电器或者是带强制导向接点的弹力式安全 继电器；由图4可见所述的红外线收发阵列3采用多组红外线发射管和接收管在空间位 置上交替排列而成；本发明的主要原理是地面应答器将系统预存的数据经过编码、调制，驱动880nm 或940nm波长的红外线收发阵列3，发射扇形宽角度红外光束。当车辆越过地面应答器时， 调制红外光束照射到车载阅读器的红外线收发阵列3，产生相应的光电流，并经过隔离、整 形，滤除干扰噪声后，送入微处理器解码，恢复出原始数据。该数据经过和车载预存的数据 比较一致后，送入故障-安全型驱动电路15产生输出电压，驱动安全继电器16吸起，输出 有效信号给连接的相关控制系统。车载阅读器向地面发送数据的过程和上述过程类似。车 载阅读器和地面应答器的通信在时间上交替进行，采用相同的载波频率。地面应答器将预存的若干字节数据送入编码电路6，将用户信息附加上CRC校验 码，以提高抗干扰能力，然后进行脉冲调制7。调制用的载波通常选定33kHz 56kHz的矩 形波，占空比1/3，也可以选择别的频率和占空比。频率和占空比的选择由使用的红外线接 收管决定。脉冲调制的方法是数据信号先反相，再和载波进行“与”操作。脉冲调制的结果 是数据位为“1”时，调制输出恒为“0”，无载波；调制数据位为“0”时，输出为载波，即输出 载波的持续时间就是数据位“0”时间宽度。调制信号经过驱动电路8放大后，送入红外线 收发阵列3，转化成红外线光信号，向外辐射。由图2可见为提高发射电路的可靠性，发射单元1采用双机热备的硬件冗余结构。具体方法是发射电路环节(5) (8)安装相同的两套，一套为主发射电路，一套为备用 发射电路。主、备发射电路同时工作，具体哪套电路向后级输出由切换电路9控制，切换电路又受故障检测电路10控制。主发射电路工作正常时，故障检测电路10输出“主输出”指 令给切换电路9，此时主发射电路的信号经过切换电路输出，驱动红外线收发阵列3。当故 障检测电路10检测出主发射电路故障时，就发出“备用输出”指令，切换电路9断开主发射 电路的输出，接通备用发射电路，其输出信号经过切换电路送入红外线收发阵列3，同时故 障检测电路发出“主发射电路故障”的报警，提醒用户及时检修。接收单元2采用故障_安全型结构实现，具体方法是解码处理使用三中取二的容 错电路，隔离整形电路11、CPU12和监督定时器13组成一个解码器，整个接收单元共有三 个相同的解码器，见图3中的三个虚线框。三个解码器 各自独立工作，其解码的输出为“有 效”指令和“无效”指令两种。三路解码输出送入三中取二表决器14。表决器14按照大数 表决的模式工作，当三路解码输出有两路或三路均为“有效”指令时，表决器14输出“有效” 指令；若三路解码输出有两路或三路均为“无效”指令时，表决器14输出“无效”指令。单 个解码器的故障不影响系统正常运行。为了保证安全，表决器14也是故障-安全结构的， 即表决器故障时，总输出“无效”指令，防止了系统误动。为了提高运行的稳定性，各解码器还带有独立的监督定时器13。CPU12工作正常 时，定时发送刷新脉冲给监督定时器13。若CPU12未在规定时间内发刷新脉冲给监督定时 器13，通常表明CPU12产生了故障，监督定时器13将自动产生复位信号，促使CPU12复位， 重新引导执行程序，恢复正常工作。使用监督定时器13，可以有效地提高CPU抗突发干扰的 能力，提高了系统的稳定性。表决器14的输出指令保证了逻辑输出的正确性，执行环节的正确性由故障-安 全驱动电路15和安全继电器16保证。普通的驱动电路，当驱动电路故障时，输出高低电 平的几率是相同的，若输出高电平，则继电器16吸起，常开接点闭合，产生危险输出，这是 绝对不允许的。如果使用普通继电器，万一产生接点熔接、卡死等故障，即使继电器线圈无 电，常开接点也可能闭合，从而产生危险输出。因此安全系统的输出必须使用故障-安全 驱动电路15和安全继电器16的组合形式。驱动电路15采用动态脉冲驱动，在接收到特定 频率和特定幅度的脉冲信号后，内部的电容充、放电路电路按特定节拍顺序动作，产生电流 输出。当电路中的任一元件故障时，包括开路、短路故障，充、放电电路都会缺乏必须的工作 条件而停止工作，电容上原先的电荷在很短的时间泄放殆尽，最终无电流输出，继电器(16) 落下，实现了故障-安全。本系统还采用了闭环控制的模式。继电器16的输出状态被反馈到CPU12进行监 督。当发生接点熔接或卡死的故障时，安全继电器16的强制导向结构确保其各组接点都是 联动的，即所有的前接点状态都一致，所有的后接点状态也一致。通过接点状态的反馈，能 够实时检测继电器16的状态，经与CPU12的解码输出比对，即可知继电器工作是否正常。若 不正常，则及时报警，导向了运用安全。闭环模式和安全继电器16的配合使用，消除了继电 器故障无法检测的隐患。在闭环控制模式下，通过驱动电路15和安全继电器16的协同，保 证了系统最终执行输出的安全性。考虑到车载阅读器和地面应答器通信时，位置可能不完全对准，从而造成红外线 光束不能完全对准接收管，产生通信丢码。为了保证通信的可靠，降低丢码现象，系统采用 了红外线收发阵列3。该阵列接收采用器件冗余和空间 冗余技术，其结构示意图见图4。具 体实施方法时采用多支发射管和多支接收管，发射管和接收管空间位置交替排列，和单管收发相比，红外线的发射角度和接收角度大大拓宽，形成较宽的面状覆盖范围；电路设计上保证任意一支接收管接收到红外线信号即表示阵列接收到红外线信号，任意一支发射管发 射的红外线光束的强度都能保证接收设备可能动作；以上两方面的措施提高了通信的可靠 性。以车载阅读器为例，阵列使用3支红外线发射管17、19和21，使用3支接收管18、20和 22。发射管和接收管只要有任意一支发射管的红外光束能够对准接收设备即能可靠通信， 同理只要有任意一支接收管能够收到发射设备的红外光束即能可靠通信。
虽然本发明已对有限数目的实例做了描述，但应知道，本发明可以在附录的权利 要求范围内进行很多变化、改进和其他应用。
权利要求
一种故障安全型红外线双向应答器系统，其特征在于包括一个安装在移动车辆上的车载阅读器和一个安装轨旁的地面应答器；车载阅读器和地面应答器由各自的发射单元(1)、接收单元(2)以及相对应的红外线收发阵列(3)构成。
2.根据权利要求1所述的故障安全型红外线双向应答器系统，其特征在于所述的发 射单元(1)包括一组主电路和至少一组以上的、与主电路相同的备用电路；所述的主电路 和备用电路连接切换电路(9)，切换电路(9)与红外线阵列相连；所述的主电路包括依次 连接的CPU(5)、编码电路(6)、调制电路(7)以及与切换电路(9)相连的驱动电路(8)。
3.根据权利要求1所述的故障安全型红外线双向应答器系统，其特征在于所述的接 收单元(2)包括三个相同的解码器；所述的解码器包括连接红外线阵列的隔离整形电路(II)；隔离整形电路(11)通过CPU(12)与监督定时器(13)连接；三个解码器中的CPU分别 与三中取二表决器(14)相连；三中取二表决器(14)通过故障-安全驱动电路(15)与安全 继电器(16)相连；安全继电器(16)分别与三个解码器中的CPU相连。
4.根据权利要求1所述的故障安全型红外线双向应答器系统，其特征在于所述的红 外线收发阵列(3)采用多组红外线发射管和接收管在空间位置上交替排列而成。
5.根据权利要求3所述的故障安全型红外线双向应答器系统，其特征在于所述的安 全继电器(16)是重力式安全继电器或者是带强制导向接点的弹力式安全继电器。
全文摘要
本发明涉及一种故障安全型红外线双向应答器系统，包括一个安装在移动车辆上的车载阅读器和一个安装轨旁的地面应答器；车载阅读器和地面应答器由各自的发射单元(1)、接收单元(2)以及相对应的红外线收发阵列(3)构成；本发明的有益效果是能够可靠实现车辆和地面的双向红外线数据通信，阅读器和应答器都能输出信号给各自的控制系统，满足了车辆准确定位的需求；实现了设备故障导向安全，提高轨道交通运行的安全性；不干扰附近位置的射频应答器系统，提高了设备的适应性。
文档编号B61L13/04GK101811508SQ20091004654
公开日2010年8月25日 申请日期2009年2月24日 优先权日2009年2月24日
发明者周巧莲, 周迥, 杨迪, 沈拓, 王方程, 马全松 申请人:上海申通轨道交通研究咨询有限公司