專利名稱：感應無線地址檢測設備的制作方法
技術領域：
技術背景本實用新型涉及感應無線通信技術，特別指移動機車的精確定位和數據通信使用的感應無線地址檢測設備。
背景技術：
如何實現移動機車相互間的通信、地址檢測、精確定位及與中央控制室的通信聯絡。一直是困擾大中型料場，倉儲管理及鋼鐵企業焦化廠等行業的技術難題。長期以來，我國廣大技術人員采用了“γ射線式”、“干簧管式”、“條形碼式”、“繼電接觸式”等技術，但終因多方面原因，不能適用于惡劣的工業現場，得不到推廣應用，均以失敗而告終。
發明內容
本實用新型的目的是針對背景技術中存在的問題和缺點加以改進，提供一種能在惡劣環境下實現移動機車的位置檢測、精確定位和機車間的相互通信的感應無線地址檢測設備。
本實用新型的技術方案是本實用新型外圍設備包括感應無線編碼扁平電纜、機上載波部分，其特征在于本實用新型包括通信電纜、阻抗匹配器(HVB)、帶通濾波板、地址檢測板、PC和數碼地址顯示，其中扁平電纜信號由通信電纜連接至HVB，將R信號和G信號傳輸到帶通濾波板，由PC控制帶通濾波板的模擬開關電路分時采集R信號和G信號，經放大濾波后將其送到地址檢測板，地址檢測板中，R信號經整流濾波后接A/D轉換器，經PC采集比較，選出一路基準信號與帶通濾波板送來的G信號作相位比較得到地址數據，由PC變換后得到當前機車所處的APD位置。同時HVB將G0信號和G0′信號傳輸到HRPD地址檢測板，板上單片機控制的模擬開關電路分時采集G0信號和G0′信號，經放大、濾波的信號經整流濾波后連接A/D轉換器，由板上單片機得到精密地址數據，經PC采集后與APD地址數據綜合，即可得到高精度位置數據。
本實用新型的優點如下1、精確的位置檢測檢測精度＜5mm；檢測長度靈活可變通過改變G線對數和R線對數及其交叉間隔，可實現各種長度下的位置檢測；檢測方式絕對位置檢測，即使系統掉電，一旦恢復，馬上可得到現行位置；編碼方式格雷(GRAY)碼，有效克服各種干擾引起的檢測誤差。
2、可靠的實時數據通信誤碼率＜10-6；通信方式感應無線，既有無線方式的便利又有有線方式的可靠；雙線通信設置兩對通信線(L1L2)，有效克服通信死區，穩定信號強度，進一步保證通信的可靠；3、應用場合廣泛可普遍適用于各種惡劣條件下(如高溫、多塵、腐蝕性氣體)各種移動機車的位置檢測、通信與自動化控制，如料場、焦爐、碼頭、倉儲、吊(行)車，甚至地鐵等廣泛使用各型移動機械的場合。
圖1是G線交叉編碼圖和R線編碼圖圖2是格雷碼轉換為二進制碼電路圖圖3是地上局地址檢測電路框圖圖4是不同時刻信號相位比較圖圖5是HRPD地址檢測原理示意圖圖6是天線移動示意圖圖7是電壓模擬量變化與精密地址的關系示意圖圖8是系統原理框圖圖9是載波部分電原理圖圖10是發送天線電原理圖圖11是感應無線編碼扁平電纜交叉編碼圖圖12是帶通濾波板電原理圖圖13是地址檢測板電原理圖圖14是HRPD地址檢測電原理圖圖15是數碼地址顯示電原理圖具體實施方式
本實用新型是實行機車自動化控制的一個不可缺少的部分。利用固定于地面軌道旁的感應無線編碼扁平電纜，與機車上的天線間的電磁感應，作為機車行走位置檢測的手段(感應無線位置檢測)，是一種新型的應用技術。其特點是非接觸式、連續地、絕對位置檢測；檢測方式多樣、具有高分辨率(5mm)。由于這項技術具有優越的綜合指標和使用價值，因此在工業(特別是鋼鐵工業)中得到廣泛的應用。在倉庫儲存和原料場得到應用。本實用新型感應無線位置檢測，按檢測精度可分為一般位置檢測APD(Absolut Position Detect)和高分辨率位置檢測HRPD(High Resolving Position Detect)；按檢測方式可分為地上局檢測方式(即由地面中控室檢測出機車行走的位置)和機上局檢測方式(即由車上的機上局檢測出機車行走的位置)。
由圖8可知，本實用新型外圍設備包括感應無線編碼扁平電纜、機上載波部分，其特點是本實用新型包括通信電纜、阻抗匹配器(HVB)、帶通濾波板、地址檢測板、PC和數碼地址顯示，其中扁平電纜信號由通信電纜連接至HVB后，將R信號和G信號傳輸到帶通濾波板，由PC控制帶通濾波板的模擬開關電路分時采集R信號和G信號，經放大濾波后將其送到地址檢測板，地址檢測板中，R信號經整流濾波后送A/D轉換器，經PC采集比較，送出信號幅值最大的一路作為基準信號，該基準信號與帶通濾波板送來的G信號作相位比較，得到一組串行的格雷碼地址數據，由PC變換后得到當前機車所處的APD位置。同時HVB將G0信號和G0′信號傳輸到HRPD地址檢測板，由板上單片機控制的模擬開關電路分時采集G0信號和G0′信號，經放大和電子濾波，得到我們所需要的有用信號，該信號經整流濾波后送到A/D轉換器，由板上單片機采集，運算，查表后得到精密地址數據。該數據經PC采集后與APD地址數據綜合，即可得到反映機車相對于感應無線編碼扁平電纜的絕對地址的高精度位置數據。該數據一方面送上位機作進一步處理，另一方面送數碼顯示板顯示。
本實用新型地址檢測原理1、APD檢測原理1)、地上局檢測方式當機車上的PC發送出載波，經由功率放大器放大后輸出到發送天線，在固定于車上的發送線圈中通入交變電流時，在天線附近產生交變磁場，則感應無線編碼扁平電纜(靠近天線部分)每對線中產生感應電動勢(每對線兩個交叉點的叉開部分可以看著一個單線圈)，但由于各對線交叉數不同，所以在電纜端口檢測到的信號相位不一。以R線的信號作為標準信號，各路G線信號與之進行相位比較，相位相同為“0”，相位相反則為“1”，如此得出一組數據則反映了天線(亦即移動機車)在編碼電纜上所處的位置。如圖10當天線處在0號位置時，從端口檢測到的各路G線信號與R線信號相位相同，位置為0、0、0；當天線處在1號位置時，從端口檢測到的G1、G2線信號與R線信號相位相同，而G0線信號則由于經過一個交叉點，所以與R線信號相位相反，為置為0、0、1、；……。因G線的編制采用格雷碼結構，所以得到的位置亦是格雷碼數據，利用圖2電路原理，很容易將其變為二進制碼數據。如G線的對數為n，則可得2n個位置數據，若電纜中G線交叉間距(最小交叉間距)為W，則APD檢測分辨率為r＝W/2(W為G0線的交叉間距)。當感應天線位于R1段時，Ri(i≠1)線上信號很弱，通過比較各路R線信號，就能判定機車在R1段，則選用R1線上的信號作為標準信號，各路G線信號與其作相位比較，即可得該段上的位置數據G0。通過下式可計算出機車相對于感應無線編碼扁平電纜的絕對位置PP＝L×i+r×G(1)i——機車所處的段位號，(i＝0，1，2，3……)L——一段電纜的長度，r——APD最小分辨率
G檢測出的位置數據。
地上局位置檢測電路框圖見圖3；PC作為位置檢測中心，對輸入的數據進行運算、軟件濾波、相符判別等。
2)、機上局檢測方式信號由地上局以同頻分時的方式，按一定時序將信號分別送給感應無線編碼扁平電纜的R、G0、G1等線，固定在機車上的接收天線中收到信號，因天線所處位置不同，在不同時刻信號的相位也不同，如圖4，只要把t1、t2內收到的信號與t0內收到的信號進行相位比較，則能得出反映天線位置的一組串行格雷碼數據，其機車的絕對位置計算公式與地上局檢測方式的式(1)完全一致。
2、高分辨率(HRPD)位置檢測原理APD位置檢測方式的分辨率完全依賴于感應無線編碼電纜中G線的最小交叉間距。由于交叉間距過分減小，會使得感應無線編碼電纜與機車上的天線間的耦合減弱，信噪比惡化，經試驗，APD分辨率的極限值為10cm。雖然在一般的工業控制系統應用中，這個分辨率已經夠了，但在有些特殊行業卻要求有更高分辨率的位置檢測系統(如焦化廠煉焦爐的三車聯鎖控制系統以及行車等自動控制系統)，于是便產生了HRPD。
HRPD的基本原理是采取特殊的幅度數據處理技術，將APD最小交叉間距分細，得到1cm至5mm，甚至更少的分辨率。HRPD也分為地上局檢測方式和機上局檢測方式。其原理基本相同，這里以地上局檢測方式為例說明。
在APD感應無線編碼電纜中，增加一對間距最小對線G0′與原有的G0錯開半個最小間距位置，并使天線寬度與G0的最小交叉間距一致，(見圖5)。隨著天線移動，(如圖6)，如果考慮到發送天線產生的磁場在一定范圍內近似于均勻分布，那么地上局接受到的G0、G0′信號幅度V(G0)、V(G0′)的大小就由天線在G0、G0′對線某交叉間距內所作用的有效面積來決定，可得以下公式V(G0)＝V0X(1-X/r) (2)V(G0)＝V0X(X/r) (3)
則X/r＝V(G0′)/[V(G0)+V(G0′)(4)式中V0——V(G0)、V(G0′)的最大幅度r——APD的分辨率r＝W/2W——為G0的最小交叉間距由于G0和G0′是對稱的兩組信號，V(G0)+V(G0′)是一個不受天線所處位置影響的定值。所以X的值是由V(G0)或V(G0′)的幅度決定的。但由于V(G0)和V(G0′)都受電壓強弱影響，僅用它來反映精密地址是不可靠的。如果用比值HP＝V(G0)/V(G0′)的值反映精密地址，那就可靠了，因為HP的值是不受幅值影響而僅與其相對大小有關的一個非線性函數。(如圖7)，圖中V(G0)、V(G0)為線性函數，而HP值是一個非線性函數。利用計算機查表分辨技術，對照HP值即可查出精密地址值X(0＜X＜r)，經分析可知在G0為“0”區域內，其函數值單調上升，所讀地址為原APD地址+X；在G0為“1”區域內，其函數值單調下降，所讀地址為原APD地址+(1-X)。
本實用新型的具體電路如下PC部分是以單片機為內核。由串行接口和并行接口組成，發送出載波和總線信號。地址載波功率放大器具有兩級前置小信號放大和功率調整電路。原理圖見圖9，載波信號由IN1輸入，信號限幅后由放大電路兩級放大后，輸出功率調整電路用于對現場實際需要調整輸出信號的大小。天線箱由發送天線組成。原理圖見圖10，發送天線是一個R、C諧振電路，諧振頻率為20KHZ-500KHZ。感應無線編碼扁平電纜結構在感應無線編碼扁平電纜內部，由若干對電線相互重疊，分為G線和R線，如圖11所示。各對基線1(G0、G1、G2……)在一段內，以一定的間距按格雷碼規則交叉編制。格雷碼有一個顯著的特點，就是從一個代碼變為相鄰的另十個代碼時，其中只有一位發生變化，因而在感應無線編碼扁平電纜中的任何處不存在兩對線同時交叉，避免了天線過交叉點時可能引起的誤差。R線作為標準信號線，不能交叉，但考慮到外界雜散電磁場的影響，不能太長，故采用R線分段技術，每對R線只在相應的段叉開，而在其余段雙絞，即R0在0段叉開，在1、2等段雙絞。整個電纜由若干段組成，段與段之間由段間相連接起來。始端箱用于連接感應無線編碼扁平電纜和通信電纜。終端箱用于為感應無線編碼扁平電纜的電阻匹配。阻抗匹配器用于為感應無線編碼扁平電纜的電阻匹配，并使輸入信號由雙端信號轉變為單端信號輸出，同時具有隔離作用。帶通濾波板的原理圖紙如圖12，電路由模選開關、放大電路、濾波電路和半波整流電路組成，模選開關用于分時選通各對R線和各對G線，放大電路用于對小信號放大，濾波電路用于對各信號帶通濾波，消除干擾信號。R信號由一路模選開關，按總線信號控制分時開放R0和R1信號，由放大電路放大后經由電子濾波器濾波，得到有用信號，再將信號分成兩路，一路經過半波整流后得到“CC”信號；一路經過放大后得到“CP”信號，它用來作為與G信號(“PP”信號)相位比較的基準信號。G信號由另一路模選開關，按總線信號控制分時開放各G信號，由放大電路放大后經由電子濾波器濾波，得到有用信號，經放大后得到“PP”信號。圖中D1、D2是二極管；U1是CD4051BC，單八路模擬選擇開關；U2是SN74HC573，鎖存電路；U3、U4、U5是LM318，單路放大器；U6是NE5532，兩路放大器；U7是CD4067，單十六路模擬選擇開關；BF1、BF2是有源電子濾波器；JP1是總線接口；J1是15芯輸入接口。U1、U2和U3組成兩組模擬選擇電路，從J1輸入R、G信號，R信號經U1選通后由U3一級放大，由BP1濾波后分兩路信號，一路由U4二級放大經D1、D2半波整流得到“CC”信號，通過JP1送往地址檢測板；一路由U6A二級放大得到“CP”信號，通過JP1送往地址檢測板。G信號經U2選通后由U5一級放大，由BP2濾波后，由U6B二級放大得到“PP”信號，通過JP1送往地址檢測板。
地址檢測板的原理圖紙如圖13，由比較電路、放大電路、譯碼電路、鎖存電路和模數轉換電路組成。“CC”信號經由帶通濾波板輸入后，經過放大濾波后由A/D轉換器送到PC，經比較，選出幅值大的一路做基準信號“CP”。“PP”信號和“CP”信號分別經過過零比較后相異或，得到G信號與基準信號(R信號)同相或反相的一組數據，由鎖存電路送PC，經格雷碼變換后得到二進制的APD數據。圖中；U1、U2、U3是LM311，比較器；U4是SN74HC86，邏輯異或門；U5是SN74HC245，緩沖器；U6是LM318，單路放大器；U7是SN74HC02，邏輯或非門；U8是SN74HC30邏輯與非門；U9是SN74HC138，譯碼，電路；U10是ADC0801，A/D轉換器；U11、U12是SN74HC573，鎖存電路；J1是25芯輸出接口；JP1是總線接口。從JP1輸出“CC”、“PP”和“CP”信號，“CC”信號經由U6放大后由U10送到PC，經比較，選出幅值大的一路做基準信號“CP”，“PP”信號和“CP”信號分別經過U1和U3過零比較后經U4A相異或，得到一信號經過U2電平比較送U5輸出經JP1送PC，經格雷碼變換后得到二進制的APD數據，該數據與HRPD地址檢測板的數據經PC綜合后由JP1送至U11、U12，經J1送往數碼地址顯示板顯示，地址控制線A3、A4、A5、A6經U8和A0、A1、A2、VCC、/IORQ(高八位地址線)控制U9，譯碼地址值由U7輸出后控制U5、U10、U11、U12。
HRPD地址檢測的電原理圖如圖14，由模選開關、放大電路、帶通濾波電路、整流電路、單片機(CPU)電路、模數轉換電路、譯碼電路、復位電路和鎖存電路組成。G0和G0′信號模選開關，按板內單片機控制分時開放，經放大和電子濾波，得到有用信號，將信號半波整流濾波后得到直流信號；由A/D轉換器轉變成數字信號后送單片機進行運算、查表得到精密地址數值，以備PC隨時讀取。圖中D1、D2二極管；U1、U2、U3TL081，放大器；U5CD4051BC，單八路模擬選擇開關；U6SN74HC32，邏輯或門；U7IMP813L，復位發生和看門狗電路；U8AT89C51，單片機芯片；U9SN74HC573，鎖存電路；U10ADC0801，A/D轉換器；J13芯輸入接E1；JPI總線接口。G0和G0′信號由J1輸入通過U5選通后由U1一級放大，BP1濾波后，U2二級放大，U3和D1、D2半波整流濾波得到直流信號由U10轉變成數字信號后送U8進行運算、查表得到精密地址數值，用U9鎖存以備PC隨時從JP1讀取。用U7為U8提供復位發生和看門狗信號。U8的P2.6為U5提供選通控制信號。由JP1輸入總線地址信號和RD(讀信號)信號經U4和U6輸出控制U9而讀取地址數據。
數碼地址顯示原理圖紙如圖15，電路由數碼管和數碼驅動電路組成。地址數據送到數碼驅動電路，由數碼驅動電路驅動數碼管顯示。圖中JP1是8芯輸入接口；JP2是跳線開關，；U1是HD7279，數碼管驅動電路；D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7是數碼管；D8、D9、D10、D11、D12、D13、D14、D15、D16是發光管。數據信號由JP1輸入送U1驅動D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12、D13、D14、D15、D16。
權利要求1.一種感應無線地址檢測設備，外圍設備包括感應無線編碼扁平電纜、機上載波部分，其特征在于本實用新型包括通信電纜、阻抗匹配器(HVB)、帶通濾波板、地址檢測板、PC和數碼地址顯示，其中扁平電纜信號由通信電纜連接至HVB，將R信號和G信號傳輸到帶通濾波板，由PC控制帶通濾波板的模擬開關電路分時采集R信號和G信號，經放大濾波后將其送到地址檢測板，地址檢測板中，R信號經整流濾波后接A/D轉換器，經PC采集比較，選出一路基準信號與帶通濾波板送來的G信號作相位比較得到地址數據，由PC變換后得到當前機車所處的APD位置。同時HVB將G0信號和G0′信號傳輸到HRPD地址檢測板，板上單片機控制的模擬開關電路分時采集G0信號和G0′信號，經放大、濾波的信號經整流濾波后連接A/D轉換器，由板上單片機得到精密地址數據，經PC采集后與APD地址數據綜合，即可得到高精度位置數據。
2.根據權利要求1所述的感應無線地址檢測設備，其特征在于所述的帶通濾波板U1、U2、U3組成兩組模擬選擇電路，從J1輸入R、G信號，R信號經U1選通后由U3一級放大，由BP1濾波后分兩路信號，一路由U4二級放大經D1、D2半波整流得到“CC”信號，通過JP1送往地址檢測板；一路由U6A二級放大得到“CP”信號，通過JP1送往地址檢測板。G信號經U2選通后由U5一級放大，由BP2濾波后，由U6B二級放大得到“PP”信號，通過JP1送往地址檢測板。
3.根據權利要求1所述的感應無線地址檢測設備，其特征在于所述的地址檢測板從JP1輸出“CC”、“PP”和“CP”信號，“CC”信號經由U6放大后由U10送到PC，經比較，選出幅值大的一路做基準信號“CP”，“PP”信號和“CP”信號分別經過U1和U3過零比較后經U4A相異或，得到一信號經過U2電平比較送U5輸出經JP1送PC，經格雷碼變換后得到二進制的APD數據，該數據與HRPD地址檢測板的數據經PC綜合后由JP1送至U11、U12，經J1送往數碼地址顯示板顯示，地址控制線A3、A4、A5、A6經U8和A0、A1、A2、VCC、/IORQ(高八位地址線)接控U9，譯碼地址值由U7輸出后接控U5、U10、U11、U12。
4.根據權利要求1所述的感應無線地址檢測設備，其特征在于所述的HRPD地址檢測G0和G0′信號由J1輸入通過U5選通后由U1一級放大，BP1濾波后，U2二級放大，U3和D1、D2半波整流濾波得到直流信號由U10轉變成數字信號后連至U8進行運算、查表得到精密地址數值，用U9鎖存以備PC隨時從JP1讀取，用U7為U8提供復位發生和看門狗信號，U8的P2.6為U5提供選通控制信號，由JP1輸入總線地址信號和RD(讀信號)信號經U4和U6輸出控制U9而讀取地址數據。
專利摘要本實用新型涉及感應無線通信技術，特別指移動機車的精確定位和數據通信使用的感應無線地址檢測設備。本實用新型的外圍設備包括感應無線編碼扁平電纜、機上載波部分，其特征在于本實用新型包括通信電纜、阻抗匹配器(HVB)、帶通濾波板、地址檢測板、PC和數碼地址顯示。本實用新型可以做到精確的位置檢測,檢測精度＜5mm；檢測長度靈活可變；檢測方式是絕對位置檢測，即使系統掉電，一旦恢復，馬上可得到現行位置；編碼方式是格雷(GRAY)碼，能有效克服各種干擾引起的檢測誤差。實時數據通信可靠誤碼率＜10
文檔編號B60Q9/00GK2618815SQ0322773
公開日2004年6月2日 申請日期2003年5月20日 優先權日2003年5月20日
發明者聶礎輝, 李徽, 連建軍 申請人:李徽, 聶礎輝