一种沙盘轨道参数采集装置的制作方法

1.本实用新型实施例涉及数据采集技术，尤其涉及一种沙盘轨道参数采集装置。


背景技术：

2.沙盘轨道是一种针对轨道交通培训教学而搭建模拟培训系统，其用途是提供一个与实际操作环境相同且可以模拟与轨道交通设备进行联动的平台。
3.沙盘轨道系统可以包括控制装置、通信装置、轨道、道岔、转辙机等组成部分。其中，控制装置主要用于实现对通信装置、道岔的控制，转辙机作为道岔控制的执行单元，用于实现道岔的定位和反位。
4.目前，沙盘轨道系统缺乏轨道电压检测功能，不能够实现对控制装置、转辙机等设备的电源进行电压、相位的实时检测，难以实现沙盘轨道系统电源故障的实时反馈。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种沙盘轨道参数采集装置，以达到使沙盘轨道系统可以实时检测其轨道电压的目的。
6.本实用新型实施例提供了一种沙盘轨道参数采集装置，包括轨道电压采样单元、轨道电压相位差采样单元、控制单元以及显示单元；
7.所述轨道电压采样单元的输入端用于与轨道电压采样点相连接，所述轨道电压采样单元的输出端与所述控制单元相连接；
8.所述轨道电压相位差采样单元的输入端分别与所述轨道电压采样点、参考电压端相连接，所述轨道电压相位差采样单元的输出端与所述控制单元相连接；
9.所述显示单元与所述控制单元相连接，所述显示单元用于显示所述控制单元输出的轨道电压、轨道电压相位差。
10.可选的，所述轨道电压相位差采样单元包括轨道电压采样电路、参考电压采样电路以及比较器；
11.所述轨道电压采样电路的输入端、输出端分别与所述轨道电压采样点、所述比较器的第一输入端相连接；
12.所述参考电压采样电路的输入端、输出端分别与所述参考电压端、所述比较器的第二输入端相连接；
13.所述比较器的输出端与所述控制单元相连接，所述比较器用于输出所述轨道电压相位差。
14.可选的，还包括串口收发器，所述串口收发器与所述控制单元相连接。
15.可选的，所述显示单元包括相位差显示单元，所述相位差显示单元用于显示所述轨道电压相位差。
16.可选的，所述轨道电压采样电路包括第一电压互感器、第一运算放大器；
17.所述轨道电压采样点与所述第一电压互感器相连接，所述第一电压互感器通过所
述第一运算放大器与所述第一输入端相连接；
18.所述参考电压采样电路包括第二电压互感器、第二电压放大器；
19.所述参考电压端与所述第二电压互感器相连接，所述第二电压互感器通过所述第二电压放大器与所述第二输入端相连接。
20.可选的，还包括供电单元；
21.所述供电单元用于交-直流电转换，所述供电单元输出的直流电用于为所述轨道电压采样单元、轨道电压相位差采样单元、控制单元以及显示单元供电。
22.可选的，所述供电单元包括ac/dc、开关单元模块；
23.所述ac/dc的输入端用于接入交流电，所述ac/dc的输出端与所述开关单元模块相连接，所述开关单元模块用于输出所述直流电。
24.可选的，还包括稳压模块；
25.所述ac/dc通过所述开关单元模块与所述稳压模块相连接，所述ac/dc以及所述稳压模块用于输出所述直流电。
26.可选的，所述显示单元还包括轨道电压显示单元；
27.所述轨道电压显示单元用于显示轨道电压。
28.可选的，所述控制单元还配置为计算轨道电压的频率，所述显示单元还包括轨道电压频率显示单元；
29.所述轨道电压频率显示单元用于显示轨道电压频率。
30.与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出的沙盘轨道参数采集装置配置有轨道电压采样单元、轨道电压相位差采样单元，通过沙盘轨道参数采集装置可以实现轨道电压，例如沙盘轨道供电电源的电压、相位检测，通过对轨道电压的实时检测，可以及时获知沙盘轨道是否出现电源故障，进而保证沙盘轨道可以稳定运行。
附图说明
31.图1是实施例中的沙盘轨道参数采集装置结构示意图；
32.图2是实施例中的轨道电压相位差采样单元结构示意图；
33.图3是实施例中的轨道电压采样电路原理示意图；
34.图4是实施例中的参考电压采样电路原理示意图；
35.图5是实施例中的比较器电路原理示意图；
36.图6是实施例中的轨道电压采样单元结构示意图；
37.图7是实施例中的stm32f103rct6引脚图；
38.图8是实施例中的轨道电压显示单元电路原理图；
39.图9是实施例中的轨道电压频率显示单元电路原理图；
40.图10是实施例中的相位差显示单元电路原理图；
41.图11是实施例中的另一种沙盘轨道参数采集装置结构示意图；
42.图12是实施例中的供电单元电路原理图；
43.图13是实施例中的另一种沙盘轨道参数采集装置结构示意图；
44.图14是实施例中的串口收发器电路原理图。
具体实施方式
45.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
46.图1是实施例中的沙盘轨道参数采集装置结构示意图，参考图1，沙盘轨道参数采集装置包括：轨道电压采样单元100、轨道电压相位差采样单元200、控制单元300以及显示单元400。
47.轨道电压采样单元100的输入端用于与轨道电压采样点相连接，轨道电压采样单元100的输出端与控制单元300相连接；
48.轨道电压相位差采样单元200的输入端分别与轨道电压采样点、参考电压端相连接，轨道电压相位差采样单元200的输出端与控制单元300相连接；
49.显示单元400与控制单元300相连接。
50.示例性的，本实施例中，轨道电压采样单元100用于轨道电压的测量，以及将轨道电压的测量值输出至控制单元300中。
51.示例性的，本实施例中，轨道电压相位差采样单元200用于获取参考电压的相位、轨道电压的相位，计算轨道电压与参考电压之间的相位差，以及将计算的相位差输出至控制单元300中。
52.示例性的，本实施例中，控制单元300配置为接收轨道电压测量值、相位差，将轨道电压测量值转化为轨道电压显示指令，将相位差转化为相位差显示指令；
53.显示单元用于根据轨道电压显示指令显示轨道电压、根据相位差显示指令显示轨道电压相位差。
54.本实施例提出的沙盘轨道参数采集装置配置有轨道电压采样单元、轨道电压相位差采样单元，通过沙盘轨道参数采集装置可以实现轨道电压，例如沙盘轨道供电电源的电压、相位检测，通过对轨道电压的实时检测，可以及时获知沙盘轨道是否出现电源故障，进而保证沙盘轨道可以稳定运行。
55.图2是实施例中的轨道电压相位差采样单元结构示意图，参考图2，作为一种可实施方案，轨道电压相位差采样单元包括轨道电压采样电路201、参考电压采样电路202以及比较器203。
56.轨道电压采样电路201的输入端、输出端分别与轨道电压采样点、比较器203的第一输入端相连接；
57.参考电压采样电路202的输入端、输出端分别与参考电压端、比较器203的第二输入端相连接；
58.比较器203的输出端与控制单元300相连接。
59.示例性的，图2所示的方案中，轨道电压采样电路201用于轨道电压的采样，将交流形式的轨道电压转换为第一正弦信号，其中，转换过程可包括降压、运算放大等；
60.轨道电压采样电路202用于参考电压的采样，将交流形式的参考电压转换为第二正弦信号，其中，转换过程可以包括降压、运算放大等。
61.比较器203用于接收第一正弦信号，根据比较器203接入的第一参考信号将第一正弦信号转换为第一方波信号；
62.接收第二正弦信号，根据比较器203接入的第二参考信号将第二正弦信号转换为第二方波信号。
63.示例性的，图2所示的方案中，控制单元300配置为接收第一方波信号、第二方波信号，根据第一方波信号以及第二方波信号计算轨道电压的相位差。
64.图3是实施例中的轨道电压采样电路原理示意图，参考图3，作为一种可实施方案，轨道电压采样电路可以包括第一电压互感器u4、第一运算放大器u3。
65.示例性的，第一电压互感器u4采用的型号可以为dl-pt202eb，第一运算放大器u3采用的型号可以为op1177arz。
66.示例性的，第一电压互感器u4的两个输入端分别用于接入轨道电压火线端acl_in、轨道电压零线端acn_in，第一电压互感器u4的输出端与运算放大器u3的第一输入端 in相连接。
67.示例性的，第一运算放大器u3的外围电路包括电阻r7、电阻r8、电阻r12、电阻r10、二极管d4；
68.其中，电阻r12作为u3第一输入端 in的输入电阻、电阻r7作为u3第二输入端-in的输入电阻，电阻r8作为u3的反馈电阻，电阻r10作为u3输出端out的输出电阻，二极管d4用于u3第一输入端 in的过压保护。
69.示例性的，第一电压互感器u4用于实现轨道电压的降压及隔离，将轨道电压降低至第一运算放大器u3指定的输入电压范围内，第一运算放大器u3用于调整输出至比较器的电压的数值。
70.图4是实施例中的参考电压采样电路原理示意图，参考图4，作为一种可实施方案，参考电压采样电路可以包括第二电压互感器u2、第二运算放大器u1。
71.图4中，第二电压互感器u2的两个输入端分别用于接入参考电压火线端acl_ref、参考电压零线端acn_ref，第二电压互感器u2的输出端与运算放大器u1的第一输入端 in相连接。
72.示例性的，图4中第二电压互感器u2以及第二运算放大器u1选用的型号以及电路结构与图3所示的方案中记载的内容相同，参考电压采样电路的具体结构不再赘述。
73.图5是实施例中的比较器电路原理示意图，参考图5，作为一种可实施方案，比较器采用的型号可以为lm393(u6)。
74.参考图3～图5，比较器u6的第一同相输入端1in 用于接入第二运算放大器u1输出的第二正弦信号rtl_1，比较器u6的第一反向输入端1in-接地，比较器u6的第一输出端1out与3.3v电源以及控制单元的一个信号输入端(a2)相连接；
75.比较器u6的第二同相输入端2in 用于接入第一运算放大器u3输出的第一正弦信号rtl_2，比较器u6的第二反向输入端2in-接地，比较器u6的第二输出端2out与3.3v电源以及控制单元的一个信号输入端(a1)相连接。
76.示例性的，通过比较器u6第一输出端1out输出的信号说明比较器u6的工作过程：
77.当第一同相输入端1in 的输入电压大于第一反向输入端1in-的电压时，第一输出端1out输出高电平信号，此时，控制单元的信号输入端a2置高电位(3.3v)；
78.当第一同相输入端1in 的输入电压小于第一反向输入端1in-的电压时，第一输出端1out输出低电平信号，此时，控制单元的信号输入端a2的电位被拉低。
79.示例性的，控制单元将信号输入端a2的接收到的信号作为第二方波信号，相应的，控制单元将信号输入端a1的接收到的信号作为第一方波信号。
80.图6是实施例中的轨道电压采样单元结构示意图，作为一种可实施方案，轨道电压采样单元可以包括电压互感器u13以及adc u12。
81.示例性的，电压互感器u13采用的型号可以为dl-pt202eb，adc u12采用的型号可以为cs5460a。
82.示例性的，电压互感器u13的两个输入端分别用于接入轨道电压火线端acl_in、轨道电压零线端acn_in，电压互感器u13的输出端用于与adc u12的电压信号采样端vin 、vin-相连接。
83.示例性的，图6所示的方案中，adc u12与控制单元之间进行串行通信，adc u12通过spi引脚(sclk、sdo、sdi、)与控制单元相连接，通过spi引脚向控制单元发送电压采样数据；
84.adc u12的中断引脚与控制单元相连接，中断引脚用于向控制单元输出中断信号，复位引脚与控制单元相连接，复位引脚用于接收控制单元发送的复位信号。
85.示例性的，配置adc u12通过spi引脚向控制单元发送电压采样数据时，配置控制单元用于根据电压采样数据进行轨道电压的计算，其中，轨道电压的计算可以包括轨道电压的数值以及轨道电压的频率。
86.示例性的，控制单元中配置的轨道电压计算方法为现有技术，本实施例中，不对计算轨道电压的数值、计算轨道电压的频率的方式进行限定。
87.示例性的，图6所示的方案中，电阻r43、电阻r47、电阻r50、电阻r42、电阻r45、电阻r46、电阻r49，电容c26、电容c28、电容c25、电容c23、电容c24、电容c30、电容c31，晶振y2构成cs5460a的典型应用电路，上述器件的功能及具体连接关系不再详细阐述。
88.图7是实施例中的stm32f103rct6引脚图，参考图7，作为一种可实施方案，控制单元采用芯片的型号可以为stm32f103rct6。
89.结合图5、图6以及图7，以控制单元stm32f103rct6(u7)、比较器lm393(u6)、adc cs5460a(u12)为例，可按如下方式实现控制单元与比较器以及adc之间的连接；
90.配置u6的第一输出端1out、第二输出端1out分别与u7的两个串口引脚相连接，配置u7接收比较器u6输出的方波信号(a1、a2)；
91.配置u12的spi引脚与u7的spi引脚相连接，以实现u12与u7之间的spi通信(spi1_nss、spi1_sck、spi1_miso、spi1_mosi)；
92.配置u7响应u12输出的中断信号(cs5460_int)，配置u7向u12输出复位信号(cs5460_rst)。
93.参考图7，以控制单元stm32f103rct6(u7)为例，在一种可实施方案中，配置控制单元u7用于轨道电压的数值、频率以及相位差的计算；
94.配置用于独立显示轨道电压数值的轨道电压显示单元，配置用于独立显示轨道电压频率的轨道电压频率显示单元，配置用于独立显示相位差的相位差显示单元。
95.图8是实施例中的轨道电压显示单元电路原理图，参考图8，作为一种可实施方案，
轨道电压显示单元包括串行输入并行输出模块u15以及四位数码管u14。
96.示例性的，串行输入并行输出模块u15选用的型号为74hc595，四位数码管u14选用的型号为sr440402n。
97.参考图7和图8，以控制单元选用stm32f103rct6(u7)为例，配置u15的串行输入端ds与u7的一个串口端相连接，配置u15的时钟端sh_cp、时钟端st_cp分别与u7的两个串口端相连接；
98.配置u15的并行输出端q0～q7与u14的段选端a～h相连接；
99.配置mos管q1～q4的第一端分别与u14的位选端dig1～dig4相连接，配置mos管q1～q4的控制端分别与u7的四个模拟信号端相连接。
100.示例性的，以u7、u15以及u14为例，轨道电压显示单元的工作过程包括：
101.u7向u15输出时钟信号，同时u7向u15输出表示轨道电压数值的串行数据；
102.每当时钟端sh_cp的时钟信号为上升沿时，u15将一位数据读取到移位寄存器中；
103.当u15读取到表示轨道电压数值的第一位数字的八位数据时，时钟端st_cp的时钟信号为上升沿，u15将数据读取到存储寄存器中；
104.根据时钟信号，u15读取上述八位数据后，u15停止更新存储寄存器中的数据，随后，u15向u14输出段选指令；
105.u7向对应的mos管(例如mos管q1)输出位选指令，使u14的第一位数码管响应上述段选指令，进而显示轨道电压数值的第一位数字；
106.循环执行上述过程，使u14的第二位数码管显示显示轨道电压数值的第二位数字
…
直至u14显示轨道电压数值的全部数字。
107.图9是实施例中的轨道电压频率显示单元电路原理图，参考图9，作为一种可实施方案，轨道电压显示单元包括串行输入并行输出模块u17以及四位数码管u16。
108.示例性的，串行输入并行输出模块u17选用的型号为74hc595，四位数码管u16选用的型号为sr440402n。
109.图10是实施例中的相位差显示单元电路原理图，作为一种可实施方案，轨道电压显示单元包括串行输入并行输出模块u19以及四位数码管u18。
110.示例性的，串行输入并行输出模块u19选用的型号为74hc595，四位数码管u18选用的型号为sr440402n。
111.参考图9和图10，轨道电压频率显示单元以及相位差显示单元的电路结构与图8所示的方案相同，对应的工作过程也相同，其具体内容不再阐述。
112.参考图7至图10，以stm32f103rct6(u7)以及74hc595(u15、u17、u19)为例，配置多个显示单元时，各显示单元中的串行输入并行输出模块级联；
113.具体的，配置u15、u17、u19的时钟端sh_cp与u7的一个串口端相连接，配置u15、u17、u19的时钟端st_cp与u7的一个串口端相连接；
114.配置u15的串行输入端ds与u7的一个串口端相连接，u15的串行输出端(ds2)与u17的串行输入端ds相连接，u17的串行输出端(ds3)与u19的串行输入端ds相连接。
115.示例性的，u15、u17、u19级联时，各模块的串行输出端用于向下一级模块传递u7输出的串行数据，u15、u17、u19其余的工作过程与图8所示方案中记载的工作过程基本相同。
116.示例性的，当进行第一次循环后，使u14的第一位数码管显示轨道电压数值的第一位数字、u16的第一位数码管显示轨道电压频率的第一位数字、u18的第一位数码管显示相位差的第一位数字；
117.u7、u14～u19循环执行上述过程，使u14显示完整的轨道电压数值、u16显示完整的轨道电压频率、u18显示完整的相位差。
118.图11是实施例中的另一种沙盘轨道参数采集装置结构示意图，参考图11，在图1所示方案的基础上，沙盘轨道参数采集装置还包括供电单元500。
119.示例性的，供电单元500用于交-直流电转换，供电单元500输出的直流电用于为轨道电压采样单元100、轨道电压相位差采样单元200、控制单元300以及显示单元400供电。
120.图12是实施例中的供电单元电路原理图，参考图12，作为一种可实施方案，供电单元包括ac/dc u8、开关单元模块u9、稳压模块u10。
121.示例性的，ac/dc u8用于将交流电转换为直流电，开关单元模块u9用于将ac/dc u8输出的直流电转换为5v电，稳压模块u10用于将开关单元模块u9输出的5v电转换为3.3v电。
122.示例性的，ac/dc u8输出的5v电以及稳压模块u10输出的3.3v电作为轨道电压采样单元100、轨道电压相位差采样单元200、控制单元300以及显示单元400所需的工作电源。
123.示例性的，ac/dc u8采用的型号为lde05-20b05，开关单元模块u9采用的型号为wrb_s-3wr2，稳压模块u10采用的型号为spx1117m3-3.3。
124.示例性的，图12所示的方案中，电容ec1、c15、c17、c35、c16、ec2、ec3、c18、c19，电阻rv1、r36，电感l1、l2、l3，二极管d5、d6，保险丝f1为u8、u9、u10对应配置的常规外围电路器件，各器件的功能及连接方式不再详细阐述。
125.图13是实施例中的另一种沙盘轨道参数采集装置结构示意图，参考图13，作为一种可实施方案，在图1所示方案的基础上，沙盘轨道参数采集装置还包括串口收发器600。
126.串口收发器600与控制单元300相连接，串口收发器600用于实现控制单元300与其上一级的上位机之间的串行通信。
127.图14是实施例中的串口收发器电路原理图，参考图14，串口收发器u11采用的型号为isl83075e。
128.参考图7和图14，以控制单元采用stm32f103rct6(u7)为例，配置串口收发器u11时，u11的接收输出端ro、接收输出使能端驱动输出使能端de、驱动输入端di分别与控制单元u7指定的串口端相连接(usart2rx、usart2dir、usart2tx)；
129.配置串口收发器u11的输入端a、b与485接口相连接。
130.示例性的，图14所示的方案中，电容c20、c21、c22，电阻r37、r39，电感l4，二极管d7、d8构成isl83075e的典型应用电路，上述器件的功能和连接方式不再详细阐述。
131.注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。