摘 要：计轴设备利用电磁感应的原理，使用感应线圈检测或检查轨道上有车和无车时的感应电动势的幅值和相位，就可以判定是否有车状态。城市轨道交通计轴仿真系统实现对轨道区段的列车的空闲或占用检测，并且将比较后的数据进行判断是否合格，具有重要意义。
关键词：计轴系统;城市轨道交通
1 概述
1.1 研究目的和现状
目前用于检查区间空闲的设备主要有两种，它们分别是有轨道电路和计轴设备。作为室外重要的设备的轨道电路，是最早的检测轨道占用的设备，[2]可以实现区段的列车的空闲或占用情况。[1]其中轨道电路由于性能稳定并可进行断轨检查得到广泛的使用，但由于轨道电路对道床要求相对较高，钢轨又容易受环境影响，轨床的电气参数往往会发生变化，导致轨道电路的可靠性会降低，存在安全隐患，影响效率。[2]除此之外，轨道电路还可以用于检测钢轨是否折断情况。[3]计轴设备是采用现代传感技术和计算机技术的另一个重要的轨道检查设备，利用电磁感应的原理，使用感应线圈检测或检查轨道上有车和无车时的感应电动势的幅值和相位，就可以判定是否有车状态 。[3，4]由于计轴设备的检测原理与轨道状况的无关，因此具有长区间检测能力、强抗干扰的能力、容易维修、适应性强，是检查轨道区段空闲的理想系统。计轴传感器凭借着其可靠性和优越性，成为检测区段的列车的空闲或占用情况最佳设备。[10]
1.2 研究目标
通过设计和开发城市轨道交通计轴仿真系统，实现检查城市轨道交通控制领域中区间空闲状态的功能。本仿真系统能实现多种计轴系统的仿真，并与PC机进行双向通信，能够自动保存数据结果到数据库中，能够统计进出计轴点脉冲信号的个数，然后进行比较，用于检查轨道区段空闲状态，从而实现与真实现场工作情况的模拟对接。
2 主要计轴设备
2.1 AzS（M）350M 型计轴设备
AzS（M）350M 型计轴设备是双侧计轴传感器的典型产品，主要有运算单元组合、计轴点设备、电缆、车站联锁系统、各接口电路和电源等组成;当有车轮靠近计轴点设备范围时，磁场会发生变化，使得计轴点设备输出发生变化，经过電缆传输到运算单元组合进行处理，根据计算结果判定运行方向和是否被占用。[6]
2.2 ACS2000型计轴设备
ACS2000型计轴设备是单侧计轴传感器的典型产品，通过电磁振荡方式把数据传输到处理单元，通过了欧洲权威部门安全认证，安全性高。[7]
2.3 JWJ-C 型计轴设备
JWJ-C 型计轴设备是双侧计轴传感器的典型产品，检测方式是鉴相。利用本身的感应子系统检测相位的变化是否满足条件，如果满足就记一个轴;工作性能相对稳定，但是结构非常复杂、价格昂贵、安装难度大、维护繁琐，因此应用推广难度大。[8，9]
3 硬件设计
城市轨道交通计轴仿真系统主要有由单片机电路、传感器电路、液晶显示电路、按键输入电路、串口通信电路、数据存储电路、报警电路和远程数据通信电路等电路组成。单片机模块主要起信息采集、处理、分析和传输等功能;传感器电路电路在单片机的信号控制下发送信号并接收发射返回的信号，两种电路相互配合进行计轴。按键输入电路主要用于系统参数的设置，串口通信电路实现多机通信以及与计算机的数据通信功能;数据存储用于存储系统检测的列车的位置数据;液晶显示电路用于显示采集到的计轴数值和其它信息;报警电路用于提示消息，主要有播报距离的数值。
3.1 单片机电路
（1）电源电路。本下位机的电源采用3个电容C9、C10、C8作为滤波电容，为单片机提供稳定的5V电源，D6为电源指示灯、R9为指示灯的限流电阻。如图3-2电源供电电路所示。220V交流电经过变压器降压后，经过整流和滤波后，输入到三端稳压芯片78L05，就得到稳定的5V电压，给单片机供电。（2）时钟电路。STC1C5A60S2单片机采用外部晶振作为振荡时钟。本下位机采用12MHz晶振为单片机稳定的振荡脉冲。（3）复位设计。本下位机的复位电路包括内置看门狗WDT和外置的复位电路。外置复位电路支持手动模式按下复位按键单片机即可复位。单片机在运行过程中，由于某种原因造成数据错误，内置看门狗WDT立即启动，保证系统的正常运行。
3.2 传感器模块
超声波传感器模块模块由超声波发射电路、超声波接收电路和控制电路组成，实现非接触式距离测量，范围是2cm～4m，测量精度达到3mm。Trig是控制超声波发送的指令，在此引脚上给一个10uS 以上脉冲触发信号（高电平），模块会向外发送40kHz 周期电平共计8个，并自动检测是否有回复信息，如果有回复信息，控制Echo引脚输出一个高电平信号，并且启动定时器，计算高电平持续的时间。最后根据时间计算距离值。
3.3 液晶显示电路
为了能够直观显示测得的结果，需要把测得的数据送到显示器上显示。本系统采用的是LCD12864液晶显示模块。LCD12864液晶显示模块采用的是全点阵的结构，可显示汉字、图形、字符，甚至还可以绘制曲线;集成字库，可显示32个字，每一行最大显示8个字，共4行;具有多种背光颜色选择;工作电压低，范围在3.3V～5V;接口灵活、设计简单、操作方便;功耗低，成本低，因此被广泛应用于仪器、便携设备的显示。
3.4 串口通信电路
单片机与PC之间的通信主要有RS232和RS485两种接口形式。RS232在使用过程中会存在些不足，主要有传输速度受限制、传输距离比较短、抗干扰性比较差、电平标准不兼容、不太适宜多机通信，因此我们选择的是RS485通信接口。相比RS232通信接口，RS485具有传输速度快（达到10Mb/s）、传输距离比较远（达到1.2km）、接口简单、抗干扰能力比较强、特别适用于多机通信（多达256个设备）。
3.5 数据存储电路
为了能保存系统的重要信息或程序，需要額外增加存储电路，用于存储重要的数据或程序，以防掉电后丢失信息。存储电路采用的是AT25F512芯片。AT25F512是ATMEL公司研发的具有SPI功能的8位串行通信的存储芯片，512kb存储空间，具有高达20MHz的时钟频率、支持多种SPI模式、支持擦除和可编程、工作电压低、功能低和写保护等功能，广泛地应用于工业或商业场合。
4 软件设计
4.1 传感器采集数据程序
（1）设置定时器的工作模式，把定时器T0设置为方式1，受外部引脚电平的影响，GATE=1;（2）启动信号触发程序;（3）等待回复信息;（4）开启计时;（5）计算时间和距离。
4.2 液晶显示控制程序
首先LCD12864液晶显示模块设置成串行模式，即PSB 脚接低电位。开始先把CS置于低电平，在CS变为高电平时，在SCLK脉冲的作用下开始进行数据的读写。在SCLK前五个脉冲时，STD首先接收同步字符串后重置传输计数，并同步串行传输，之后启动传输方向位（R/W）和RS信号，第倣个字节则为0;接收传输方向位（R/W）和RS信号后，开始进行数据传输，每一个字节将分成两次传输，每次只能传输4位，高四位在前，低四位在后，相关的另四位则全都为0。
4.3 串口通信控制程序
在485通信过程中，控制RE和DE两个引脚的输出电平来控制数据的流向，当RE被置于低电平时，数据输入，DE被置于高电平时，数据输出。本系统中系统是以半双工方式进行通信，因此，把RE和DE两个引脚连接在一起，由单片机输出高低电平来控制485通信数据的流向。在单片机多机通信中，数据命令都是由主机发起的，从机一般只能被动接收命令或数据，一个系统中一般只有一台主机，从机间独立通信，相互不影响，数据的通信都只能由主机进行转发。
4.4 远程数据通信程序
GPRS通信具体的程序流程如下：（1）正确连接电路。把单片机与GPRS模块正确连接。一般情况下，GPRS模块的RXD端与单片机的TXD引脚连接，而GPRS模块的TXD端与单片机的RXD引脚连接，然后单片机的地与GPRS的地必须共地。（2）初始化GPRS模块。主要是设置GPRS模块的通信波特率、接入网关、移动终端类别、设置数据传输模式等，这些都通过AT指令完成。（3）检测GPRS网络是否注册成功，成功后即可进行数据传输和短消息处理。具体过程如上：把GPRS模块设置成GPRS连接模式，接入点为“CMNET”;设置设置本地端口号为TCP协议，端口2022;设置SERVER端域名;激活移动场景;然后获取本地IP地址;配置cdnscfg为220.170.79.210;与远程服务器连接建立TCP连接;连接成功后就发送数据，发送成功后服务器返回。
5 系统测试
把系统的各个传感器和电路模块安装到指定位置，然后对电路及其模块的功能进行调试，调试一般有两种方法，具体如下：
5.1 安装调试同步进行法
将电路的总体功能细分成多个模块功能进行安装调试，可以按照信号的流向逐个完成安装调试。在完成前一个电路调试的基础上，再增加与之相连接的电路进行调试，逐渐将范围扩大，直到把所有模块电路全部安装和调试完成。此种方法方便调试，能比较快速的发现问题并解决问题。
5.2 电路一次性调试法
首先把所有的电路模块按照设计任务搭建完成，然后将系统的总体功能进行统一调试。调试需要按步骤进行，具体如下：（1）调试通电前检查。（2）调试通电中检查。（3）单一电路功能调试。（4）整体产品功能统一调试。
参考文献：
[1]孟磊.单侧计轴传感器电磁系统的分析与研究[D].哈尔滨工业大学，2014.
[2]曹宇澄.采用计轴技术提高单线双向通过能力.铁路通信信号，2004，40（10）：2-4.
[3]Simeon Cox.A Review of Axle Counter Application;Reset Restore Methods，Their History，Their Current Application and the Future.IRSE Australasia Technical Meeting，2011：1-8.
[4]李夏阳.计轴自动闭塞系统应用及计轴设备发展前景探讨[J].铁道建筑技术，2010，（07）：12-21.
[5]刘迎展.轨道电路的分析比较[J].山西建筑，2009，（16）：259-260.
[6]钟小伟.西门子 AzS（M）350 M 型微机计轴设备系统.都市快轨交通理事会论文集[C].2004：62-66.
[7]杨贤武.轮缘式 ACS2000 计轴系统的应用探讨.铁道通信信号，2011，47（10）：22-25.
[8]Ali Zamani，Ahmad Mirabadi，Felix Schmid.Applying metamodeling techniques in the design and optimization of train wheel detector.Proceedings of Sensot Review，2007，Vol.32（4）：327-336.
[9]Ali Zamani，Ahmad Mirabadi.Annlysis of sensor orientation in Railway axle counters，using Response Surface Methodology.Proceedings of 5th Symosium on Advances in S cience & Technology，Iran，2011：12-17.
[10]王更生.一种新型智能型计轴传感器的研制[J].微计算机信息，2009，（01）：17-28.
