专用多通道高速数字传感器系统

技术领域

本发明涉及一种专用多通道高速数字传感器系统。

背景技术

近年来，随着中国铁路线路的急剧增加和火车运行的提速，为保证行车安全的铁路货运超偏载检测设备的需求也越来越多。但因列车的提速并追求更高的效率，原货运超偏载设备已不能适应改变了的技术条件。为保证使用精度，原铁路货运超偏载设备设计是为适应10km∕h—30km∕h的工况测试条件,计量区长度3.6米，采用20个板式及剪切梁模拟传感器，采样频率为每秒1000次。而这种原始设计已经越来越跟不上时代的发展，尤其是在列车不断提速的当今世界。

随着列车的不断提速，也就意味着同等距离内列车通过的时间越来越短。因此，为保证提速状况下的测量精度，首先需加长称重计量区，现在至少需增加为原计量区的2倍至3倍。由此计量区内的传感器数量也需增加到原传感器个数的相应倍数。另一方面，铁路超偏载设备安装位置越来越远且偏僻，甚至离控制中心数公里远，这就造成原设备数据传输距离太长，成本增加，干扰因素过大，施工困难。根据目前现场工况使用条件，原有的模拟传感器已经愈加无法满足解决远距离数据传输和抗干扰问题的当下需求。

而随着单位距离内传感器数量的大幅增多且采样频率较快，对于数据采集也提出了更高的要求。系统中计算机采集数据时必须保证众多传感器的传输数据同步进行，才能保证采集到的数据不漏、不错位，保持系统数据波型不失真，达到准确计量的目的。这也对数据采集传输提出了更高的要求。

发明内容

本发明提供一种专用多通道高速数字传感器系统，有效地解决了上文所提到的现有技术所存在的问题。

具体而言，本发明提供一种专用多通道高速数字传感器系统，所述系统包括上位机和用于收集列车经过铁轨时超偏载数据的多个传感器单元，其中，每个所述传感器单元包括弹性体、放大器、模数转换器、中枢芯片，且每个传感器单元均设置在轨道与枕木之间且呈现为板状构件，在每个所述传感器单元中，弹性体处于板状构件中沿长度方向的中央部分由此直接承受来自列车的压力，在板状构件的一侧设置有电子线路板安装槽，传感器单元中的放大器、模数转换器、中枢芯片均设置在该电子线路板安装槽中，在列车通过铁轨时，传感器单元中的弹性体受压导致弹性体的电阻发生改变，由此，列车的压力信息由弹性体转化成模拟电信号，模拟电信号经过放大器进行信号放大之后由模数转换器转换成数字电信号，由此，数字电信号经由中枢芯片远程传输至上位机，中枢芯片从上位机接收采样指令，由此，依据列车速度以及列车振荡波型来确定采样频率，并基于该采样频率启动一个周期内的列车超偏载参数采样并进行模数转换，将传感器从列车经过时所感应到的初始模拟信号转换为数字电信号，每个传感器单元均将一个采样周期内的数字信号按照信号时序编号存入中枢芯片的数据缓冲区，与此同时，所述每个传感器单元自身的传感器位置编号也存入所述数据缓冲区；随后，中枢芯片按照所述采样频率开始下一周期内的模数转换，与此同时，中枢芯片向上位机发送所述一个周期完成列车超偏载采样的完成信号，并探查上位机的工作时序状态；如果上位机此时处于“忙”的工作时序状态，则中枢芯片按照固有的采样频率继续进行超偏载采样和模数转换；如果上位机此时处于“空闲”的工作时序状态，则上位机分散或集中地从各个传感器单元读取已完成模数转换且存于所述数据缓冲区内的数字信号、信号时序编号、传感器位置编号，并存入上位机中固有的数据存储区，以供上位机中的处理程序进行数据处理；上位机在进行数据处理期间一旦遇到中枢芯片对上位机进行工作时序状态的探查，则上位机将返回“忙”的工作时序状态给中枢芯片。

优选地，所述中枢芯片采用微型单片机形式，设置多个管脚以容纳多个通道信息输入，并通过以太网向外通讯传输数据，并设置多个对外输出接口，内置CPU和数据缓冲区。

优选地，所述数据处理包括对传感器单元传来的数字信号进行分类、绘图、计算。

优选地于，中枢芯片的整个数字电路部份面积设置成约40×80mm

优选地，由中枢芯片及其配属元器件设计的可履行功能的电路板体积为40×80×4mm

本发明所提供的系统通过传感器、中枢芯片、上位机的有效配合，在收集高速列车在轨道上行进期间的数字信号，并在传感器和上位机两方面分别设置合适的存储单元，进而根据上位机的忙碌与否的工作状况确定后续操作，且在后续操作中再对上位机本身的忙碌与否的工作状况进行相关确认，如此反馈，确保了整体系统的工作有条不紊，由此确保在上位机延后处理数据时也绝不会导致数据错位、数据丢失、波形失真等等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行论述，显然，在结合附图进行描述的技术方案仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1示出了根据本发明的专用多通道数字传感器系统的电路原理框图；

图2示出了根据本发明的专用多通道高速数字传感器系统的运行流程图；

图3示出了多个传感器单元在技术测试过程中的实际安装图；

图4示出了根据本发明的专用多通道数字传感器系统中的传感器单元的机械结构示意图；

图5和图6分别示出了柱式传感器和剪力传感器的外形安装结构图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚完整描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中所述的实施例，本领域普通技术人员在不需要创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都在本发明所保护的范围内。

在详细介绍本发明之前对本发明所提供的专用多通道高速数字传感器的使用背景进行介绍。

上文中提到，当前列车的高速运行对于传感器自身以及数字采集都提出了非常高的要求。在此举例进行分析。例如，铁路货车车体自身振荡频率为2Hz/s~6Hz/s，根据采样定律,每个采样周期应大于2.5倍被测物的自身振荡频率周期才能准确反应被测物的物理特性（重量)，最起码也应包含一个完整的被测物的振荡波型。列车以10km∕h的速度通过3.6米测量区的时间为1.33秒，如果车体自身振荡频率为2Hz∕s（相应地，车体振荡周期为0.5秒）,则车体通过3.6米测量区时，一个采样周期内可含（1.33/0.5=）2.66个车体振荡周期，大于2.5倍自身振荡频率周期，满足采样定律要求。同理，如果车体自身振荡频率为6Hz∕s（相应地，车体振荡周期为0.167秒），车体通过3.6米测量区时,10km∕h车速时的采样周期可含1.33/0.167=7.98个车体振荡周期，当然更加满足采样定律要求。

反之，将车速从10km/h提高到50km∕h，此时车体自身振荡频率为2Hz∕s，测量区仍为3.6米时，被测试点车体通过仅0.26秒，仅能采到车体0.52个振荡周期波形。如果再将车速提高至100km∕h，则车体自身振荡频率为2Hz∕s，测量区仍为3.6米时，被测试点仅0.13秒，仅能采到0.26个振荡周期波型。由此看出，随着车速显著提高，当列车以50公里∕小时及100公里∕小时，列车通过3.6米长的测试区时均不满足采样定律，由此就无法保证被测车体的重量测试精度。

所以为保证铁路货运超偏载设置在列车高速通过时测试准确度,必须加长测试区采样长度。理论上,车速50公里∕小时，测试区长度为18米，车速100公里∕小时，测试区长度为36米。即使考虑到车体自身振荡频率多数约在4Hz∕s或者采集数据时采集一个完整的车体振荡周期亦可满足测试准确度要求。实际上，当车速达到50公里∕小时时，测试区长度应为7米以上，当车速达到l00公里∕时时，测试区长度应为18米以上。

还需要考虑的是，车速越快，车皮的振荡幅度也越大。为保证对振荡中的波形数学运算准确，必须在每个采样周期内保持对被测物体振荡周期的采样率，而且这个采样率应在各种高速（例如，10公里∕小时乃至100公里∕小时）都能适应。现实中，铁路线枕木间距约为600毫米，3.6米测量区内例如可以设置6根枕木，6根枕木两端每根钢轨下各安装一个板式传感器，共12个板式传感器。每隔2根枕木的钢轨轨腰上安装一个剪力传感器,共8个剪力传感器，以起到调整压力传感器波形及辅助计量的作用。为了保证传感器输出的数据能完整真实地反映车皮振荡波形，使用中，所设计的传感器采样率一般在1KHz∕s。即采集数据时，仪表的模数转换速度多数为每秒1000次，1毫秒变换一次。计算机在1毫秒内能够从20个传感器各采一个数据。然后对采集到的数据进行实时处理——存贮、分析、整理、判别、计算等等。

而正如上文所言，列车车速越高，就意味着传感器测量区的长度也要越长。随着车速逐渐变高，测量区相应延长，例如延长2倍,甚至5倍以上。而设定的传感器的分布密度及计算机的采样率并不改变，这就意味着在单位时间内（例如，1毫秒内）采集的数据量大增，例如需要采集100至200个传感器的数据，同时还要进行数据处理达到实时测量的目的。

这就对数据采集的同步性提出了很大的挑战。因为每个传感器不但要向系统计算机提供自己传感器的编号及所采集数据的时序号，而且系统还必须还需通过传感器所传输数据分析出车体通过传感器时的各个车轴的编号。只有系统所有传感器都处于同步状态才能保证数据反映的车体运动波形的连续和完整，惟其如此才能正确地计算出车体各轴，各转向架及整车的重量，速度等。否则可能会造成数据错位,数据丢失，波形失真的问题。因此，在列车高速行驶的情况下，传感器系统中所包含的数量众多的传感器的数据采集同步是必须要重点考虑的关键问题。

基于上述应用背景，本发明提供一种专用多通道高速数字传感器系统，该系统包括上位机和多个传感器单元。图1示出了根据本发明的专用多通道数字传感器系统的电路原理框图。如上所提，在列车经过铁轨时，传感器单元将周期性地采集列车的超偏载数据。其中，如图1所示，传感器单元包括弹性体、放大器、模数转换器、中枢芯片。

下文中，将基于图1所示对系统中的上位机和多个传感器单元的各自功能和相互互动进行详细介绍。

每个传感器单元均植入有中枢芯片，中枢芯片在本系统中起到关键的高速多数据采集及实时控制过程中的关键桥梁枢纽作用。其采用微型单片机形式，可设置多个管脚（例如100个管脚）以容纳多个通道信息输入，并通过以太网向外通讯传输数据，并设置多个对外输出接口，内置CPU和数据缓冲区。需要注意的是，中枢芯片设置足够大的数据缓存区，这在其后的流程中起到重要的数据中转作用。同时，中枢芯片负责传感器中的模数转换，但正如上文所提，下文中也将详细论述，中枢芯片起到关键的枢纽作用。

如图1所示，在列车通过铁轨时，传感器单元中的弹性体受压导致弹性体的电阻发生改变，由此，列车的压力信息将由弹性体转化成模拟电信号，模拟电信号经过放大器进行信号放大之后由模数转换器转换成数字电信号，由此，数字电信号经由中枢芯片远程传输至上位机。

图2示出了根据本发明的专用多通道高速数字传感器系统的运行流程图。下文将基于图2所示介绍具体运行流程。

首先，中枢芯片从上位机接收采样指令，由此，依据列车速度以及列车振荡波型来确定采样频率，并基于该采样频率启动一个周期内的列车超偏载信息采样并进行模数转换，将传感器单元从列车经过时所感应到的初始模拟信号转换为数字电信号。进而，每个传感器均将一个采样周期内的数字信号按照统一规定编号存入上文所提的数据缓冲区。

随后，中枢芯片按照所述采样频率开始启动下一周期内的模数转换，与此同时，中枢芯片向上位机发送所述一个周期完成列车超偏载采样的完成信号，并探查上位机的工作时序状态。

如果上位机此时处于“忙”的工作时序状态，则中枢芯片按照固有的采样频率继续进行超偏载采样和模数转换。而具体上位机为何处于“忙”的工作状态，下文将会提到，此处暂且不表。

如果上位机此时处于“空闲”的工作时序状态，则上位机可以分散或集中地从各个传感器读取已完成模数转换的数字信号、信号时序编号、传感器位置编号，并存入上位机中固有的数据存储区，以供上位机中的处理程序进行数据处理。

需要注意的是，上述在铁轨中安装的多个传感器单元面对上位机都有自身的位置编号，每个传感器单元内的数字信号也都有自己的时序编号。由此就确保了上位机中所存储的每个数据均在历史查询和后期处理时均能够按图索骥找到各自的时间点和位置。

图3示出了多个传感器单元在技术测试过程中的实际安装图。如图3所示，每个传感器单元都设置在轨道与枕木之间，由此，当列车在轨道上飞驰而过时，传感器单元中的弹性体受压后将把压力信号转换成模拟电信号。

由此，上位机在进行数据处理时就可以按照信号时序编号和传感器单元位置编号的次序对传感器单元传来的数字信号进行分类、绘图、计算等数据处理工作。上位机在进行数据处理期间一旦遇到中枢芯片对上位机进行工作时序状态的探查，则上位机将返回“忙”的工作时序状态给中枢芯片。

由此，负责数据处理的上位机与负责数据收集的传感器之间的工作互不冲突。考虑到列车经过铁轨的速度极快，传感器在数据收集之后在上位机不忙时可以将数据直接以数字信号形式传送至上位机进行处理，而在上位机忙碌时，则可以将数据暂时存放于自身的缓存之中，随后再发送至上位机。而由于传感器发送的数据均自带时序编号和传感器位置编号，因此在上位机延后处理数据也绝不会导致数据错位、数据丢失、波形失真等等问题。

在此，中枢芯片可以看成是一个独立的微型智能数据管理器。该中枢芯片通过上位机指令激励控制多个数字传感器的同步采集及信息传输。由此看出中枢芯片在工业高速多数据采集及实时控制过程中的关键桥梁枢纽作用。

在实际应用中，包含中枢芯片的整个数字电路部份面积（包括放大器、A∕D变换、MCU管理芯片）可以设置成约40×80mm

如上所述可以看出，实际上本发明的专用多通道高速数字传感器系统紧扣铁路运行实际状况。如上文所言，传感器单元安装于铁轨和枕木之间。图4示出了根据本发明的专用多通道数字传感器系统中的传感器单元的机械结构示意图。如图4所示，传感器单元呈现为板状构件，传感器单元中弹性体处于板状构件中沿长度方向的中央部分由此直接承受来自列车的压力，在板状构件的一侧设置有电子线路板安装槽，传感器单元中的放大器、模数转换器、中枢芯片均设置在该电子线路板安装槽中。在板状构件中，弹性体与放大器之间通过电连接传递信号，而中枢芯片则在电子线路板安装槽中与上位机远程通信。

如此机械设计，最大限度地贴合了铁路运行的实际现场状况，确保了本发明的传感器单元的板状设计结构能够批量化地大规模生产。另外，通过这种板状设计，确保了放大后的数字电信号能够清晰地远程传输至上位机，确保了信号的通畅交流。

如上所述的本发明所提供的专用多通道高速数字传感器系统的上述设计构思在铁路柱式传感器和剪力传感器应用中同样能够最大限度地贴合铁路运行的实际现场状况，由此能够达到大批量传感器同步数据采集的目标。图5和图6分别示出了柱式传感器和剪力传感器的外形安装结构图。中枢芯片同样可固定在传感器内部的扩展部分。

行文至此，已将本发明所提供的专用多通道高速数字传感器系统基本介绍完毕。本发明所提供的系统通过传感器、中枢芯片、上位机的有效配合，在收集高速列车在轨道上行进期间的数字信号，并在传感器和上位机两方面分别设置合适的存储单元，进而根据上位机的忙碌与否的工作状况确定后续操作，且在后续操作中再对上位机本身的忙碌与否的工作状况进行相关确认，如此反馈，确保了整体系统的工作有条不紊，由此确保在上位机延后处理数据时也绝不会导致数据错位、数据丢失、波形失真等等问题。

以上所述仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。