專利名稱：基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合技術(shù)領(lǐng)域，特指一種基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，在軌道交通中，如何對車進(jìn)行定位測速，同時(shí)如何解決車、地之間的通信成為軌道交通技術(shù)中要解決的關(guān)鍵問題。以磁懸浮列車為例，為了保證磁浮列車的正常運(yùn)行，必須設(shè)計(jì)滿足磁浮列車運(yùn)行要求的通信和定位測速系統(tǒng)。對于普通的輪軌鐵路，主要通過軌道電路實(shí)現(xiàn)車地通信，定位測速和通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。而磁浮列車沒有車輪，運(yùn)行時(shí)車輛與軌道之間沒有接觸，因此磁浮列車的車地通信不能沿用傳統(tǒng)鐵路的方法，必須研究出新的通信方法?，F(xiàn)有技術(shù)中，感應(yīng)環(huán)線通信是一種可以滿足磁浮列車需要、可靠性高、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的通信方式。而通過測量天線過感應(yīng)環(huán)線的交叉點(diǎn)次數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)列車的定位測速。
傳統(tǒng)的感應(yīng)環(huán)線實(shí)現(xiàn)方式主要有三種，分別是平行長導(dǎo)線感應(yīng)環(huán)線方式、交叉感應(yīng)環(huán)線方式、改進(jìn)的交叉感應(yīng)環(huán)線方式。平行長導(dǎo)線感應(yīng)環(huán)線方式在線路結(jié)構(gòu)上沒有進(jìn)行抗干擾處理，所以系統(tǒng)整體易受到外界電磁干擾影響，抗干擾能力較差，尤其不利于長距離應(yīng)用。交叉感應(yīng)環(huán)線方式一定程度上減少了外界干擾，但是系統(tǒng)存在通信盲區(qū)，必需采用多個(gè)天線交替工作才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)通信。多個(gè)天線增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，并且天線切換時(shí)很容易使通信出錯(cuò)。改進(jìn)的交叉感應(yīng)環(huán)線方式采用信號移相方式消除了通信死區(qū)，但是由于它對發(fā)送和接收信號進(jìn)行了移相操作，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且移相操作使有用信號中混入了移相噪聲，降低了通信的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、能使列車通信和定位測速同時(shí)進(jìn)行，互不影響，同時(shí)減少外界電磁輻射對系統(tǒng)的影響、提高通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性的基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的解決方案為一種基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)，其特征在于它包括地面通信和定位測速單元、車載通信和定位測速單元、鋪設(shè)于軌道中央的軌間電纜以及分別安裝于車體下方正對軌間電纜處的發(fā)射天線、接收天線和定位測速天線，所述地面通信和定位測速單元與軌間電纜相連，車載通信和定位測速單元分別與發(fā)射天線、接收天線和定位測速天線相連，所述軌間電纜包括第一電纜和第二電纜，第一電纜沿著軌道中心縱向鋪設(shè)，第二電纜與第一電纜每隔一定距離交叉一次，于每個(gè)交叉處第一電纜上設(shè)有彎折段。
所述發(fā)射天線的發(fā)射天線線圈和接收天線的接收天線線圈呈“8”字形。
所述發(fā)射天線線圈與一串聯(lián)諧振單元相連，該串聯(lián)諧振單元包括串聯(lián)連接的電容Co1和電阻R01。
所述接收天線線圈與一并聯(lián)諧振單元相連，該并聯(lián)諧振單元包括并聯(lián)連接的電容Ci1和電阻Ri1。
所述定位測速天線水平放置在軌道電纜的上方，位于軌道中心線一側(cè)，定位測速天線的定位測速天線線圈呈長方形。
所述定位測速天線線圈與一并聯(lián)諧振單元相連，該并聯(lián)諧振單元包括并聯(lián)連接的電容Ci2和電阻Ri2。
所述地面通信和定位測速單元包括第一主控制器、第一通信發(fā)射單元、第一通信接收單元、信號隔離單元、定位測速信號發(fā)射單元、第一功放單元和第二功放單元，第一通信發(fā)射單元和定位測速信號發(fā)射單元分別與第一功放單元和第二功放單元的信號輸入接口相連，第一功放單元和第二功放單元的輸出接口與軌間電纜相連，第一通信接收單元與信號隔離單元的輸出接口相連，信號隔離單元的輸入接口與軌間電纜相連，第一通信發(fā)射單元的輸入接口、第一通信接收單元的輸出接口以及定位測速信號發(fā)射單元的輸入接口分別與第一控制器的對應(yīng)接口相連。
所述車載通信和定位測速單元包括第二主控制器、第二通信發(fā)射單元、第三功放單元、第二通信接收單元以及定位測速信號接收單元，第二通信發(fā)射單元通過第三功放單元與通信發(fā)射天線相連，第二通信接收單元的輸入接口與接收天線相連，定位測速信號接收單元的輸入接口與定位測速天線相連，第二通信發(fā)射單元的輸入接口、第二通信接收單元的輸出接口和定位測速信號接收單元的輸入接口分別與第二主控制器的對應(yīng)接口相連。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)就在于本發(fā)明的基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、集成度高，能夠同時(shí)完成軌道列車數(shù)據(jù)通信和定位測速的功能，利用本發(fā)明中的不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線能夠減少外界電磁輻射對系統(tǒng)的影響，提高通信系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)消除了通信盲區(qū)，避免了移相操作，不會(huì)對通信信號加入噪聲。本發(fā)明的系統(tǒng)受列車側(cè)向震動(dòng)和高度變化的影響較小，能夠應(yīng)用于惡劣的行車環(huán)境。本發(fā)明的系統(tǒng)無需進(jìn)行不同天線間的切換和信號移相，故實(shí)現(xiàn)比較簡單，比傳統(tǒng)的感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)更加適合在磁浮列車上應(yīng)用，其系統(tǒng)定位測速精度等于軌間電纜交叉點(diǎn)間距，能夠滿足行車需求。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)的框架示意圖；圖2是軌間電纜的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2中I處的放大結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是發(fā)射天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是發(fā)射天線線圈的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是接收天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是圖6中接收天線線圈的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是定位測速天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是圖8中定位測速天線線圈的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是地面通信和定位測速單元的框架結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是車載通信和定位測速單元的框架結(jié)構(gòu)示意圖；圖12是具體實(shí)施例中地面通信發(fā)射單元、地面通信接收單元、車載通信發(fā)射單元、車載通信接收單元的模擬信號接口電路原理示意圖；圖13是具體實(shí)施例中車載定位測速接收單元的電路原理示意圖；圖14是長直導(dǎo)線與矩形線圈互感分析示意圖；圖15是與軌道垂直部分環(huán)線電纜對天線的作用示意圖；圖16是與軌道平行部分環(huán)線電纜對天線的作用示意圖；圖17是互感隨天線高度變化示意圖；圖18是天線偏離中心線的示意圖；圖19是天線處于不同空間位置時(shí)與環(huán)線電纜間互感變化示意圖；圖20是天線處于位置a時(shí)偏移距離與互感關(guān)系曲線示意圖；圖21是天線正向偏移1cm沿軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)互感變化曲線示意圖。
圖例說明1、 軌間電纜11、第一電纜12、第二電纜13、彎折段
2、 通信發(fā)射天線 21、通信發(fā)射天線線圈22、串聯(lián)諧振單元 3、 通信接收天線31、通信接收天線線圈 32、并聯(lián)諧振單元4、 定位測速天線 41、定位測速天線線圈5、 地面通信和定位測速單元42、并聯(lián)諧振單元51、第一主控制器 52、第一通信發(fā)射單元53、第一通信接收單元 54、定位測速信號發(fā)射單元55、第一功放單元 56、第二功放單元57、信號隔離單元 6、 車載通信和定位測速單元61、第二主控制器 62、第二通信發(fā)射單元63、第二通信接收單元 64、定位測速信號接收單元65、第三功放單元具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
參見圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明的一種基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)，它包括地面通信和定位測速單元5、車載通信和定位測速單元6、鋪設(shè)于軌道中央的軌間電纜1以及分別安裝于車體下方正對軌間電纜1處的發(fā)射天線2、接收天線3和定位測速天線4，地面通信和定位測速單元5與軌間電纜1相連，車載通信和定位測速單元6分別與發(fā)射天線2、接收天線3和定位測速天線4相連，軌間電纜1包括第一電纜11和第二電纜12，第一電纜11沿著軌道中心縱向鋪設(shè)，第二電纜12與第一電纜11每隔一定距離交叉一次，于每個(gè)交叉處第一電纜11上設(shè)有彎折段13。本實(shí)施例中，端部的第二電纜12與第一電纜11之間的距離為a，第二電纜12與第一電纜11每隔距離b交叉一次。第一電纜11在每個(gè)交叉處折回一次形成彎折段13，折回的長度為2a，彎折段13擰成雙絞線，并于電纜終端處連接匹配電阻和匹配電容。
參見圖4、圖5、圖6和圖7所示，發(fā)射天線2的發(fā)射天線線圈21和接收天線3的接收天線線圈31呈“8”字形。本實(shí)施例中，“8”字形天線左、右兩側(cè)的線圈寬度均為a，天線水平放置在軌間電纜正上方。為了使發(fā)送信號盡量大，要求發(fā)射天線2中的電流盡量大，因此采用串聯(lián)諧振方式輸出，使天線諧振于發(fā)射信號頻率。本實(shí)施例中，發(fā)射天線線圈21與一串聯(lián)諧振單元22相連，該串聯(lián)諧振單元22包括串聯(lián)連接的電容Co1和電阻R01。為了使接收信號盡量大，要求接收天線3中的電壓盡量大，因此采用并聯(lián)諧振方式輸入，使天線諧振于接收信號頻率。本實(shí)施例中，接收天線線圈31與一并聯(lián)諧振單元32相連，該并聯(lián)諧振單元32包括并聯(lián)連接的電容Ci1和電阻Ri1。
為了分析不對稱式感應(yīng)環(huán)線的通信特性，首先計(jì)算無限長直導(dǎo)線與矩形線圈之間的互感。如圖14所示，矩形線圈置與空間直角坐標(biāo)系的xoy平面內(nèi)，長邊與y軸平行。線圈長L，寬W＝b-a，a、b分別是兩條長邊在x軸的投影。導(dǎo)線處于yoz平面內(nèi)，與y軸平行，在z軸上投影為h。矩形線圈中任意一點(diǎn)p(x，y，0)到導(dǎo)線的距離為rp，當(dāng)導(dǎo)線中通入電流I時(shí)，p點(diǎn)的磁感強(qiáng)度為 為圓坐標(biāo)的切線方向單位矢量， 分別是直角坐標(biāo)x，y，z方向單位矢量。
忽略導(dǎo)線集膚效應(yīng)，應(yīng)用推廣的安培環(huán)路定律可得 所以有|B‾p|=(μ0I+1c2∫S∂E∂t·dS)/2πrp---(2)]]>在理想的感應(yīng)環(huán)線系統(tǒng)中，外界電磁場恒定，即∂E∂t=0.]]>在實(shí)際應(yīng)用中，通常外界電磁場對感應(yīng)系統(tǒng)影響遠(yuǎn)小于導(dǎo)線電流所產(chǎn)生的影響，此時(shí)有 因此可以得到B‾p=Iμ02πrpα→=Iμ02πh2+x2(-hh2+x2i→+-xh2+x2k→)---(3)]]>由直導(dǎo)線產(chǎn)生的線圈磁通ψ為ψ=L∫ab-Iμ0x2π(h2+x2)dx]]>=-ILμ04πln(h2+x2)|ab]]>=-ILμ04πlnh2+b2h2+a2---(4)]]>或者也可以寫成ψ=-ILμ04πlnh2+(a+W)2h2+a2---(5)]]>上式中負(fù)號表示磁通方向與z軸方向相反。下面討論不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線系統(tǒng)的信號傳輸特性，首先對單匝天線進(jìn)行分析。為簡化計(jì)算，忽略線圈和導(dǎo)線的邊界效應(yīng)。根據(jù)環(huán)線電纜的方向可以將它分為兩部分。首先分析環(huán)線電纜與軌道垂直部分對天線的作用。分兩種情況討論，如圖15所示在(a)中，電纜對天線線圈A、B兩部分產(chǎn)生的磁通為ψ1、ψ2。根據(jù)公式(5)，并令垂直紙面向上方向?yàn)檎瑒t有ψ1=ψ2=Ibμ04πlnh2+(a+L)2h2+a2---(6)]]>由兩個(gè)線圈磁通相等可知縱向電纜在他們中產(chǎn)生的電勢大小相等。因?yàn)閮蓚€(gè)線圈是交叉相連，所以天線輸出的總電勢為零。
在(b)中，導(dǎo)線兩部分相距很近，在實(shí)際應(yīng)用中，將它們纏繞成雙絞線，因此它們對天線幾乎沒有影響。由上面分析可知與軌道垂直部分環(huán)線電纜對整個(gè)通信過程不起作用。天線的感應(yīng)信號完全是與軌道平行部分環(huán)線電纜激勵(lì)產(chǎn)生。分三種情況分析與軌道平行部分環(huán)線電纜對天線的作用。
參見圖16所示，天線處于位置(a)時(shí)，天線線圈A內(nèi)的磁通為ψ1=ILμ4πlnh2+b2h2+-ILμ4πlnh2+(2b)2h2+b2---(7)]]>天線線圈B的磁通為ψ2=-ILμ4πlnh2+b2h2+-ILμ4πlnh2+b2h2=-ILμ2πlnh2+b2h2---(8)]]>所以天線感應(yīng)到的總電勢應(yīng)該為e(t)=e1(t)-e2(t)]]>=-dψ1dt+dψ2dt]]>=-(3Lμ4πlnh2+b2h2+-Lμ4πlnh2+(2b)2h2+b2)dIdt---(9)]]>天線處于上圖位置(b)時(shí)，分析過程同上。天線感應(yīng)到的總電勢為e(t)=e1(t)-e2(t)]]>=-(3Lμ4πlnh2+b2h2+-Lμ4πlnh2+(2b)2h2+b2)dIdt---(10)]]>
當(dāng)天線處于上圖位置(c)時(shí)，天線線圈A的磁通為ψ1=ILμ4πlnh2+b2h2+Il1μ4πlnh2+b2h2+-I(L-l1)μ4πlnh2+(2b)2h2+b2---(11)]]>天線線圈B的磁通為ψ2=-ILμ4πlnh2+b2h2+-I(L-l1)μ4πlnh2+b2h2+Il1μ4πlnh2+(2b)2h2+b2---(12)]]>所以天線內(nèi)的總電勢應(yīng)該為e(t)=e1(t)-e2(t)]]>=-dψ1dt+dψ2dt]]>=-(3Lμ4πlnh2+b2h2+-Lμ4πlnh2+(2b)2h2+b2)dIdt---(13)]]>對比三種情況的結(jié)果可知，當(dāng)列車沒有側(cè)向偏移時(shí)，天線中的感應(yīng)電勢不隨列車位置變化。令M=3Lμ4πlnh2+b2h2+-Lμ4πlnh2+(2b)2h2+b2---(14)]]>M即為天線和感應(yīng)電纜之間的互感，當(dāng)天線長寬確定時(shí)，M只與高度有關(guān)。令L＝0.15m，b＝0.15m，M與高度變化關(guān)系如圖17所示；設(shè)電纜中電流為I＝Asinωt，則單匝天線內(nèi)感應(yīng)電勢為e(t)＝-M·A·ω·cosωt (15)n匝天線的感應(yīng)電勢為e(t)＝-n·M·A·ω·cosωt(16)上面的分析說明，本發(fā)明中感應(yīng)環(huán)線系統(tǒng)消除了通信盲區(qū)和寄生頻率。對于給定系統(tǒng)，天線與感應(yīng)環(huán)線間互感為定值，天線接收到的感應(yīng)信號與環(huán)線電纜中激勵(lì)電流的頻率和相位相同，幅值為常數(shù)。也就是說基于感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)的通信信道是恒參信道；而各種傳統(tǒng)感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)的通信信道都是變參信道。這些新特性使得基于新型感應(yīng)環(huán)線的通信系統(tǒng)設(shè)備得以簡化，信號傳輸保真度和可靠性得到大幅度提升。
在列車運(yùn)行過程中，天線相對軌間電纜除了有沿電纜軸線方向的平行運(yùn)動(dòng)外，必然還存在其它方向上的振動(dòng)，而且這種振動(dòng)作為隨機(jī)誤差看來是不可避免的。對單匝天線進(jìn)行分析，加入振動(dòng)干擾后，等式(15)改寫為e(t)=-M·A·ω·cosωt-A·sinωt·dMdt]]>=-M·A·ω·cosωt-A·sinωt·(∂M∂hdhdt+∂M∂bdbdt+∂M∂LdLdt)---(17)]]>將式(14)分別對h，L，μ求導(dǎo)得∂M∂h=-6b4hLμπh2(h2+b2)(h2+4b2)---(18)]]>∂M∂b=6b3Lμπ(h2+b2)(h2+4b2)---(19)]]>∂M∂L=3μ4πlnh2+b2h2+-μ4πlnh2+(2b)2h2+b2---(20)]]>由式(18)、(19)、(20)可以看出 與M同一數(shù)量級，而取決與列車結(jié)構(gòu)及運(yùn)行狀態(tài)，一般不會(huì)很大。通信載波頻率ω通常選擇為幾十kHz到幾百kHz，則振動(dòng)產(chǎn)生的干擾遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于載波頻率ω。因此，式(17)中后一項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前一項(xiàng)，即振動(dòng)干擾相比有用信號可以忽略不計(jì)。
環(huán)線電纜的鋪設(shè)和列車天線的安裝位置可能存在誤差，下面分析天線與環(huán)線電纜偏離預(yù)定位置對系統(tǒng)的影響。當(dāng)列車天線高度h變化時(shí)，互感M隨之變化的曲線如上圖。以M0表示h＝0.1m時(shí)天線與環(huán)線電纜的互感。當(dāng)h變化±10％，即上下偏差1cm時(shí)，M變化范圍為
。對于采用調(diào)頻或者調(diào)相方式的感應(yīng)環(huán)線通訊系統(tǒng)，互感在上述范圍內(nèi)變化對通信產(chǎn)生影響很小。
參見圖18所示，當(dāng)列車天線在水平面內(nèi)垂直軌道方向發(fā)生偏移時(shí)，分別對天線處于不同位置進(jìn)行分析。
天線處于位置a時(shí)，互感為M=Lμ4π[2lnh2+(b+x)2h2+x2+lnh2+(b-2x)2h2+x2-lnh2+(2b+x)2h2+(b+x)2]---(21)]]>天線處于位置b時(shí)，互感為M=Lμ4π[2lnh2+(b-x)2h2+x2+lnh2+(b+x)2h2+x2-lnh2+(2b-x)2h2+(b-x)2]---(22)]]>
天線處于位置c時(shí)，互感為M=μ4π[(2L-l1)lnh2+(b+x)2h2+x2+(L+l1)lnh2+(b-x)2h2+x2]]>-(L-l1)lnh2+(2b+x)2h2+(b+x)2-l1lnh2+(2b-x)2h2+(b-x)2]---(23)]]>如圖19所示，用matlab畫出式(21)、式(22)、式(23)確定的天線處于不同空間位置時(shí)互感參數(shù)?？梢钥闯?，天線正對感應(yīng)環(huán)線時(shí)，互感為常數(shù)；天線偏離中心位置時(shí)，互感呈周期性變化。天線處于位置a時(shí)負(fù)向偏移和處于位置b時(shí)正向偏移，互感減小最快。
參見圖20所示，給出天線處于位置a時(shí)，垂直軌道方向偏移距離與互感的關(guān)系。參見圖21所示，給出天線正向偏移1cm沿軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，天線與環(huán)線電纜互感變化情況?；ジ凶兓怀^最大值的10％，對調(diào)頻通信影響不大。綜合上面的分析可知，天線在空間小范圍變化時(shí)，其與環(huán)線電纜間互感變化不大，且感生信號只是幅值發(fā)生變化，而相位和頻率保持不變，這對于頻移鍵控通信方式的影響很小。因此不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線系統(tǒng)理論上具有很好的抗干擾性能。
參見圖8和圖9所示，定位測速天線4水平放置在軌道電纜1的上方，位于軌道中心線一側(cè)，定位測速天線4的定位測速天線線圈41呈長方形，本實(shí)施例中，其寬度為a。為了使接收信號盡量大，要求定位測速天線4中的電壓盡量大，因此采用并聯(lián)諧振方式輸入，定位測速天線4并聯(lián)電容和電阻，使天線諧振于接收信號頻率。本實(shí)施例中，定位測速天線線圈41與一并聯(lián)諧振單元42相連，該并聯(lián)諧振單元42包括并聯(lián)連接的電容Ci1和電阻Ri1。
對軌間電纜和天線建立電磁模型，分析可知軌間電纜與天線之間的互感不隨列車運(yùn)行而改變。因此當(dāng)?shù)孛姘l(fā)射信號時(shí)，天線接收到的感應(yīng)信號與軌間電纜中激勵(lì)電流的頻率和相位相同，幅值為常數(shù)。當(dāng)天線發(fā)射信號時(shí)，地面軌間電纜接收到的感應(yīng)信號與天線中激勵(lì)電流頻率、相位相同。也就是說基于新型感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)的通信信道是恒參信道。這使得基于新型感應(yīng)環(huán)線的通信系統(tǒng)設(shè)備得以簡化，信號傳輸保真度和可靠性得到大幅度提升。
軌間電纜中通過穩(wěn)定正弦波，列車每前進(jìn)距離b(軌間電纜交叉間距)，定位測速天線4接收的信號相位改變180°。車載地址譯碼器通過檢測天線中信號的相位變化可以獲得列車相對位置信息，再對位置信號做差分運(yùn)算，就得到列車速度信息。
參見圖10和圖12所示，本實(shí)施例中，地面通信和定位測速單元5包括第一主控制器51、第一通信發(fā)射單元52、第一通信接收單元53、第一信號隔離單元57、定位測速信號發(fā)射單元54、第一功放單元55和第二功放單元56，第一通信發(fā)射單元52和定位測速信號發(fā)射單元54分別與第一功放單元55和第二功放單元56的信號輸入接口相連，第一功放單元55和第二功放單元56的輸出接口與軌間電纜1相連，第一通信接收單元53與信號隔離電路57的輸出接口相連，信號隔離單元57的輸入接口與軌間電纜1相連，第一通信發(fā)射單元52的輸入接口、第一通信接收單元53的輸出接口以及定位測速信號發(fā)射單元54的輸入接口分別與第一主控制器51的對應(yīng)接口相連。本實(shí)施例中，第一主控制器51采用C8051F040單片機(jī)，第一通信發(fā)射單元52和第一通信接收單元53分別由FSK調(diào)制解調(diào)芯片ST7538實(shí)現(xiàn)，第一功放單元55和第二功放單元56采用非線性D類放大器，定位測速信號發(fā)射單元54由MAX038及相關(guān)電路構(gòu)成，信號隔離單元57由隔離變壓器，濾波電路組成。
參見圖11、圖12和圖13所示，本實(shí)施例中，車載通信和定位測速單元6包括第二主控制器61、第二通信發(fā)射單元62、第三功放單元65、第二通信接收單元63以及定位測速信號接收單元64，第二通信發(fā)射單元62通過第三功放單元65與通信發(fā)射天線2相連，第二通信接收單元63的輸入接口與接收天線3相連，定位測速信號接收單元64的輸入接口與定位測速天線4相連，第二通信發(fā)射單元62的輸入接口、第二通信接收單元63的輸出接口和定位測速信號接收單元64的輸入接口分別與第二主控制器61的對應(yīng)接口相連。本實(shí)施例中，第二主控制器61采用C8051F040單片機(jī)，第二通信發(fā)射單元62和第二通信接收電路63由FSK調(diào)制解調(diào)芯片ST7538實(shí)現(xiàn)，第三功放單元65采用非線性D類放大器，定位測速信號接收單元64由濾波、放大電路，乘法器，磁滯比較電路組成。
如圖12所示，通信信號調(diào)制和解調(diào)由單片F(xiàn)SK調(diào)制解調(diào)芯片ST7538實(shí)現(xiàn)。ST7538的模擬信號接口主要包括RAI、ATOP1、ATOP2引腳，其中RAI是模擬信號接收引腳，它能接收-5.3V～+5.3V范圍內(nèi)的有效模擬信號。ATOP1和ATOP2是模擬信號輸出引腳，輸出電壓范圍為-0.3V～12.3V，兩引腳輸出信號相位相差180°，可以實(shí)現(xiàn)橋式輸出。
如圖13所示，定位測速信號接收單元硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)上節(jié)中介紹的方法設(shè)計(jì)，除了包括乘法器，低通濾波，滯回比較外，由于天線接收到的是微弱信號，還必須在進(jìn)入乘法器之前進(jìn)行濾波和放大，這里分為變壓器隔離，選頻放大兩個(gè)環(huán)節(jié)。乘法器采用AD734芯片實(shí)現(xiàn)。由運(yùn)算放大器構(gòu)成RC低通濾波器，后面接比例放大器放大電壓并提高電路輸出性能。滯回比較電路是由555定時(shí)器及相關(guān)外圍電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)。輸出信號是標(biāo)準(zhǔn)方波，可以直接輸出到上位機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)，其特征在于它包括地面通信和定位測速單元(5)、車載通信和定位測速單元(6)、鋪設(shè)于軌道中央的軌間電纜(1)以及分別安裝于車體下方正對軌間電纜(1)處的發(fā)射天線(2)、接收天線(3)和定位測速天線(4)，所述地面通信和定位測速單元(5)與軌間電纜(1)相連，車載通信和定位測速單元(6)分別與發(fā)射天線(2)、接收天線(3)和定位測速天線(4)相連，所述軌間電纜(1)包括第一電纜(11)和第二電纜(12)，第一電纜(11)沿著軌道中心縱向鋪設(shè)，第二電纜(12)與第一電纜(11)每隔一定距離交叉一次，于每個(gè)交叉處第一電纜(11)上設(shè)有彎折段(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)射天線(2)的發(fā)射天線線圈(21)和接收天線(3)的接收天線線圈(31)呈“8”字形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)射天線線圈(21)與一串聯(lián)諧振單元(22)相連，該串聯(lián)諧振單元(22)包括串聯(lián)連接的電容(Co1)和電阻(R01)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)，其特征在于所述接收天線線圈(31)與一并聯(lián)諧振單元(32)相連，該并聯(lián)諧振單元(32)包括并聯(lián)連接的電容(Ci1)和電阻(Ri1)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)，其特征在于所述定位測速天線(4)水平放置在軌道電纜(1)的上方，位于軌道中心線一側(cè)，定位測速天線(4)的定位測速天線線圈(41)呈長方形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)，其特征在于所述定位測速天線線圈(41)與一并聯(lián)諧振單元(42)相連，該并聯(lián)諧振單元(42)包括并聯(lián)連接的電容(Ci2)和電阻(Ri2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)，其特征在于所述地面通信和定位測速單元(5)包括第一主控制器(51)、第一通信發(fā)射單元(52)、第一通信接收單元(53)、信號隔離單元(57)、定位測速信號發(fā)射單元(54)、第一功放單元(55)和第二功放單元(56)，第一通信發(fā)射單元(52)和定位測速信號發(fā)射單元(54)分別與第一功放單元(55)和第二功放單元(56)的信號輸入接口相連，第一功放單元(55)和第二功放單元(56)的輸出接口與軌間電纜(1)相連，第一通信接收單元(53)與信號隔離單元(57)的輸出接口相連，信號隔離單元(57)的輸入接口與軌間電纜(1)相連，第一通信發(fā)射單元(52)的輸入接口、第一通信接收單元(53)的輸出接口以及定位測速信號發(fā)射單元(54)的輸入接口分別與第一控制器(51)的對應(yīng)接口相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)，其特征在于所述地面通信和定位測速單元(5)包括第一主控制器(51)、第一通信發(fā)射單元(52)、第一通信接收單元(53)、信號隔離單元(57)、定位測速信號發(fā)射單元(54)、第一功放單元(55)和第二功放單元(56)，第一通信發(fā)射單元(52)和定位測速信號發(fā)射單元(54)分別與第一功放單元(55)和第二功放單元(56)的信號輸入接口相連，第一功放單元(55)和第二功放單元(56)的輸出接口與軌間電纜(1)相連，第一通信接收單元(53)與信號隔離單元(57)的輸出接口相連，信號隔離單元(57)的輸入接口與軌間電纜(1)相連，第一通信發(fā)射單元(52)的輸入接口、第一通信接收單元(53)的輸出接口以及定位測速信號發(fā)射單元(54)的輸入接口分別與第一控制器(51)的對應(yīng)接口相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)，其特征在于所述車載通信和定位測速單元(6)包括第二主控制器(61)、第二通信發(fā)射單元(62)、第三功放單元(65)、第二通信接收單元(63)以及定位測速信號接收單元(64)，第二通信發(fā)射單元(62)通過第三功放單元(65)與通信發(fā)射天線(2)相連，第二通信接收單元(63)的輸入接口與接收天線(3)相連，定位測速信號接收單元(64)的輸入接口與定位測速天線(4)相連，第二通信發(fā)射單元(62)的輸入接口、第二通信接收單元(63)的輸出接口和定位測速信號接收單元(64)的輸出接口分別與第二主控制器(61)的對應(yīng)接口相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)，其特征在于所述車載通信和定位測速單元(6)包括第二主控制器(61)、第二通信發(fā)射單元(62)、第三功放單元(65)、第二通信接收單元(63)以及定位測速信號接收單元(64)，第二通信發(fā)射單元(62)通過第三功放單元(65)與通信發(fā)射天線(2)相連，第二通信接收單元(63)的輸入接口與接收天線(3)相連，定位測速信號接收單元(64)的輸入接口與定位測速天線(4)相連，第二通信發(fā)射單元(62)的輸入接口、第二通信接收單元(63)的輸出接口和定位測速信號接收單元(64)的輸入接口分別與第二主控制器(61)的對應(yīng)接口相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于不對稱結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信和定位測速復(fù)合系統(tǒng)，它包括地面通信和定位測速單元、車載通信和定位測速單元、鋪設(shè)于軌道中央的軌間電纜以及分別安裝于車體下方正對軌間電纜處的發(fā)射天線、接收天線和定位測速天線，所述地面通信和定位測速單元與軌間電纜相連，車載通信和定位測速單元分別與發(fā)射天線、接收天線和定位測速天線相連，所述軌間電纜包括第一電纜和第二電纜，第一電纜沿著軌道中心縱向鋪設(shè)，第二電纜與第一電纜每隔一定距離交叉一次，于每個(gè)交叉處第一電纜上設(shè)有彎折段。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、能使列車通信和定位測速同時(shí)進(jìn)行、互不影響，同時(shí)減少外界電磁輻射對系統(tǒng)的影響、提高通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
文檔編號G01S13/00GK101025849SQ200710034509
公開日2007年8月29日 申請日期2007年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月8日
發(fā)明者龍志強(qiáng), 李壯, 王旭, 竇峰山, 劉恒坤 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)