具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例的轨道区段占用检测系统，如图1所示，包括车载设备和地面设备两部分；所述车载设备包括车载主机单元和车载天线单元；所述车载主机单元安装在车厢内，所述车载天线单元安装在车体下部；所述车载主机单元与车载计算机通信获取车号等信息发送到地面设备，同时把地面设备发送的车站名等信息发送到车载计算机。所述地面设备包括地面信号接收单元和地面信号处理单元；所述地面信号接收单元以冗余方式安装在轨道线路中间，所述地面信号处理单元安装在轨旁机柜内；所述地面信号接收单元接收车载设备发送的车号等信息，同时把车站名等信息发送到车载设备；地面信号接收单元检测到有轨电车经过时，地面信号处理单元输出24V开关量给道岔控制中心，该24V开关量输出低电平表示有车经过。

其中，地面信号接收单元采用双套冗余设置，当一路地面信号接收单元的信号接收电路、电缆、接插件等有故障时，另一路地面信号接收单元仍可以维持系统工作，从而提高系统可靠性。

另外，地面信号接收单元或者地面信号处理单元中的任一设备发生故障后，地面信号处理单元输出的24V开关量为低电平，表示当前区段有车占用。

具体的，如图2所示，车载主机单元与车载天线单元通过同轴线连接，车载主机单元通过RS422与车载计算机进行数据通讯，车载主机单元从机车电源获取DC24V电源。

如图3所示，车载主机单元包括车载信号处理电路和车载电源电路，车载电源电路为车载信号处理电路提供DC15V工作电源；车载信号处理电路通过连接的车载天线单元完成与地面信号接收单元的通信，将车载27MHz信号发送给地面信号接收单元，同时，接收地面信号接收单元发送的4.2MHz信号并解码，并将解码后的信号发送给车载计算机。

车载电源电路将从机车电源获取的DC24V电源转换为DC15V电源输出。来自车载的输入电源为DC24V，该电源通过电源接口送入车载电源电路，经过一个自恢复保险，之后滤波后送入24V转15V电源模块VRB2415LD-40WR3，该电源模块输出的DC15V通过电源输出接口送给车载信号处理电路使用。其中EMC滤波器使用金升阳的FC-D03D。

所述车载信号处理电路包括电源电路、天线接口及接收电路、检测电路、功放电路、FPGA电路、MCU电路和通信电路，这七个部分共同完成车载主机单元的功能，下面对这七个部分进行详细解释：

电源电路的主要功能是将DC15V输入电源电压转换为5.25V、5V、3.3V和1.2V电源电压，为车载信号处理电路提供所需的电源电压DC15V、DC5V、DC3.3V和DC1.2V。首先采用电源转换芯片LMR14020SDDA将输入的15V电压转为5.25V电压；其次，将5.25V转为3.3V，3.3V再转为1.2V；最后利用电源转换芯片TPS73250DBV将5.25V转为5V，给功放电路中的晶振、缓冲电路、偏置电路以及检波电路供电。

功放电路主要用于对车载27MHz信号进行两级功率放大。功放部分信号源采用小封装(7mm*5mm)的晶体振荡器，产生27MHz信号，该信号为CMOS电平信号，振荡器的驱动能力较弱，因此，通过与非门(SN74LVC2G00W-EP)进行缓冲，以提高驱动能力。与非门供电电压为5V，与非门的输出为方波信号，需要低通滤波器滤掉谐波，最终得到纯正的正弦波。为了与驱动放大器的输入阻抗进行匹配，与非门输出串接50欧电阻。经过滤波后，串接pi型衰减器，输送给驱动放大器的信号峰峰值在1.3V～2.5V之间。由于不同功放管静态偏置电流、增益的一致性较差，需要通过调整π型衰减器的衰减值来调整馈入驱动放大器的功率值，使最终的输出功率符合规定要求。驱动放大器采用MACOM公司的MRF158，其增益为20dB，最大可输出2W的射频功率；最后一级功放管采用MRF171A，该功放管小信号最大增益为20dB，最大输出功率为45W。其中两级放大电路采用DC15V供电，晶振及ASK调制部分采用DC5V供电。此外，通过在功放电路中的缓冲与非门处输入FPGA送来的车号信息，实现ASK方式调制27MHz载波发送给地面设备。为保证地面设备能可靠接收到车载天线单元发送的27MHz信号，ASK调制的车号信息采用曼彻斯特编码方式。

FPGA电路主要用于车载信号的编码输出和地面应答器报文信息的解码。硬件包括FPGA内核、存储器和24MHz有源晶振，FPGA内核外围接口、存储器和24MHz有源晶振采用DC3.3V供电，FPGA内核采用DC1.2V供电，24MHz晶振有源晶振对FPGA内核提供时钟。FPGA内核为功放电路提供车载信号，FPGA内核接收天线接口及接收电路送来的地面FSK解调信号。

检测电路主要用于功放控制、车载天线单元自检、天线检波检测、MCU温度检测、功放功率检测和功放电流检测。

(1)功放控制

功放控制通过控制两级功放管的偏置电源来实现，具体实现为：MCU送来一个高低电平(PA_DIS)去控制两个三极管的导通与否，当PA_DIS置低时，两个三极管处于截止区，5V电源经电阻分压给驱动管和末级功放的栅极提供偏置电压，最终的偏置电压使用电阻分压后提供给两个放大管；当PA_DIS置高时，三极管处于饱和导通区，驱动管和末级功放的栅极电压约为0V，功放管处于关断截止状态。

(2)车载天线单元自检

当车载主机上电后，MCU通过IO口输出一个固定时间长度的控制信号(ANT_CHECK_EN)，自检电路会提供最大14.2mA(天线内置应答器电路谐振状态会影响该供电电流的大小)的直流信号，通过同轴电缆输送给车载天线。其工作原理如下：ANT_CHECK_EN置高，U404A输出低电平，Q401随之导通，Q402导通且工作在放大状态，调整电阻R443，可以调整最大输出电流。自检直流连接至接收低通滤波器的输出端，这样不用担心该电路对发射通道有影响。

(3)天线检波检测

天线检波检测电路用于监测从天线单元发射出去的磁场能量。车载功放正常工作时，天线单元中内置印制小环天线用于收集部分下行磁场能量，并通过检波电路整流为直流电压，这个直流电压为负压。这个直流电压通过同轴线传输到功放板上，通过接收低通滤波器，送至信号调理电路进行反向，转为正压，最后送至MCU部分的ADC采集。信号调理电路采用反向放大的形式，将负极性的天线检波电压转为正极性的信号，放大倍数为-1倍。当采集到天线检波电压的绝对值非常小时，意味着磁场能量变弱或者下行链路出现问题，故障点可能在天线单元、天线馈线电缆、功率放大电路。当采集到天线检波电压的绝对值大于某一阈值时，意为着发出的磁场能量变强。

(4)MCU温度检测

车载信号处理电路上采用温度传感器来实时检测PCB板MCU周围的环境温度，当环境温度超出MCU所允许的工作温度上限时，MCU会发出报警信号给检测软件。温度检测使用MAXIM的MAX31723工业级温度传感器，可检测-20℃～125℃范围内的温度。

(5)功放功率检测

功率检测电路采用电容耦合出小部分功率，送到检波管进行检波，检波管端接100欧冗余负载，检波输出经滤波放大后送给MCU中的ADC进行采集。同时，放大后的检波电压信号与参考电平(初始设置为1.24V)进行比较，当超出该参考电平时，输出为高电平，从而控制功放逻辑控制电路，关断功放。

(6)功放电流检测

从功放15V电源线上串接30mΩ精密电阻，利用TI公司的具有增强型PWM抑制功能的INA240电流检测放大器，检测并放大精密电阻两端的电压差，根据欧姆定律，可计算出功放的供电电流。INA240的输出电压连接至MCU的ADC引脚，MCU采集得到电压值，经过换算得到功放的供电电流。

MCU电路作为车载主机单元的控制核心，完成与外界通信及内部电路的控制与监测。MCU通过RS422接口与车载计算机通讯，获取车号信息，同时将FPGA电路解码后的应答器报文信息进行译码后发送给车载计算机。MCU与FPGA采用串口通信，支持MCU对FPGA进行复位。MCU还实现了对车载信号处理电路的所有电源的AD采样，使用电阻分压，把系统电源送入控制芯片的ADC脚，实现电源电压检测。温度检测使用SPI接口的MAX31723工业级温度传感器。还通过控制芯片的ADC脚，接入检测电路送来的天线检波检测值、功放功率检测值、功放电流检测值，实现电路的参数检测。

天线接口及接收电路包括收发接口电路和接收电路两部分；所述收发接口电路采用射频接口与车载天线单元连接，收发通道之间的隔离使用滤波器。不同的滤波电路将下行的发射信号(车到地27MHz信号)和上行信号(地到车的4.2MHz信号)分开，有效抑制了发射通道和接收通道之间相互干扰。滤波电路包括发射带通滤波器、接收低通滤波电路及接收带通滤波器。其中接收低通滤波电路采用9阶LC切比雪夫低通滤波器，阻带27.095MHz处衰减50dB以上。接收带通滤波器由一个高通滤波器和一个低通滤波器串接实现，高通滤波器采用巴特沃斯高通滤波器进行滤波，低通滤波器采用巴特沃斯和切比雪夫组合方式进行滤波。发射带通滤波器包括两个LC串联谐振和两个LC并联谐振。接收电路对接收到的地面信号进行处理，包括信号解调电路、解调后信号的放大整形电路及阈值信号判定电路；信号解调电路采用NXP(恩智普)的芯片SA636完成FSK信号解调。放大整形电路主要是对信号解调电路输出的信号进行放大整形，将微弱的FSK报文信号放大为FPGA可以识别的FSK报文信号。SK636芯片输出的信号分别经过低通滤波器、信号放大电路、信号电压跟随电路、峰值检测和电压比较电路，最终输出数字电平信号送往FPGA芯片。阈值信号判定电路对信号解调电路输出的RSSI模拟信号，经过阈值信号整形电路整形为数字高低电平也送往FPGA芯片，该阈值信号反应了接收到的地面信号的强度，方便系统程序对上报数据进行筛选，防止误报或错报。

通信电路包括一路隔离RS422和一路隔离CAN，实现MCU电路与车载计算机之间的通信。RS422通信接口隔离和转换电路选用ADI公司的ADM2587，该芯片为UART转RS-485芯片。CAN通信接口隔离和转换电路选用ADI公司的ADM3053BRWZ，该接口为预留接口。RS-422和CAN两个通信接口接插件并用DB9孔型连接器，方便固定，通过该接口和车载计算机通讯。

具体的，如图2所示，所述地面信号接收单元通过无线射频方式与车载天线单元进行数据通讯，所述地面信号接收单元通过RS422与地面信号处理单元进行数据通讯，所述地面信号接收单元从地面信号处理单元获取DC5V电源。

如图4所示，所述地面信号接收单元包括模拟电路、数字电路、报文接收电路、无线写入电路和RS422接口电路。模拟电路包括调制放大电路和无线取电电路；调制放大电路对要发送出的应答器报文信息进行FSK调制和放大，FSK(Frequency-shift keying)频移键控，它是利用基带数字信号离散值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术，它的主要优点是：实现起来容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。这里用的是最常见的用两个频率承载二进制1和0的双频FSK调制。无线取电电路：地面信号接收单元无线写入报文时的电源是由感应电压获取，实现方式是桥式整流，所谓桥式整流电路，就是用二极管组成一个整流电桥。数字电路包括电源电路、MCU电路、报文存储电路和电压采集电路，如图5所示，所述电源电路将从地面信号处理单元获取的DC5V电源转换为电源电压3.3V和1.5V；由于无线写入报文功能，经27M谐振天线获取的能量桥式整流，转化后的直流电平先经过一个6.2V的稳压管，然后直接供给电源芯片，产生5V、3.3V、1.5V。MCU电路由主控芯片FPGA(A3PN250-VQG100I)及外围电路实现，主要功能是：一是与地面信号处理单元进行通信，二是处理接收到的车载信息，三是控制发送4.2MHz报文信息，四是与无线写入电路一起完成报文写入。报文存储电路用于存储写入内部的固定报文，使用的是MICROCHIP的4K位的串行EEPROM存储器器件93AA66CT-E/SN。如图6所示，电压采集电路用于采集电源电路提供的电压，具体采用两个SPI接口的ADC芯片ADC082S021，分别采集地面信号处理单元提供的DC5V，经LDO芯片转换后的VCC3V3_1、VCC3V3_2、VCC1V5。无线写入电路向地面信号接收单元写入固定报文，采用无线通讯方式，将无线接收到的信号处理后直接送给FPGA，由FPGA处理后将报文写入报文存储芯片中。报文接收电路接收车载主机单元发射的下行车载27MHz的ASK信号，采用无线通讯方式，将无线接收到的信号处理后直接送给FPGA，由FPGA处理后传输到地面信号处理单元，当检测到下行的27MHz信号后，FPGA开启发送上行的4.2MHz。RS422接口电路采用RS422芯片，与地面信号处理单元进行通讯，RS422采用ADM2587E，磁隔离型全双工RS-422收发器，ADM2587E是ADI公司推出的基于其iCoupler磁隔离技术的隔离型RS-422收发芯片。

具体的，如图2所示，所述地面信号处理单元通过网络通讯接口与道岔控制中心通讯连接，所述地面信号处理单元从地面电源获取220V交流电，所述地面处理单元通过RS422与两路地面信号接收单元进行数据通讯，并为两路地面信号接收单元提供DC5V电源。

如图7所示，地面信号处理单元包括电源电路、控制电路、地面信号接收单元接口电路和道岔控制中心接口电路；所述电源电路将220V交流电压转换成12V和3.3V直流电压，提供电源电压DC12V和DC3.3V，220V转12V选用金升阳公司电源模块LD10-23B12R2，12V转3.3V选用TI公司DC/DC芯片TPS54202DDCR。控制电路将地面信号接收单元发送的信号转换成网络信号和电平信号发送到道岔控制中心，选用GD32F107VT芯片为控制芯片，使用两路串口分别和两个地面信号接收单元通讯，获取区间占用的信息，使用脉冲信号对通讯输出进行控制，使用控制芯片的MII接口，通过PHY芯片DP83848I，转换为网络信号，把区间占用信息发送给道岔控制中心，使用脉冲控制信号控制输出+24V电平，通过电平信号把区间占用信息发送给道岔控制中心；地面信号接收单元接口电路用于连接地面信号接收单元和控制电路，接口隔离和转换电路选用ADI公司的ADM2587，该芯片为UART转RS-485芯片，接口防护部分选用TVS管和并串接自恢复保险丝，连接器选用笼式弹簧连接器，电源输出转换部分选用金升阳公司的WRB1205SD-3WR2电源模块，采用一个电源模块为两路地面信号接收单元供电。道岔控制中心接口电路用于连接道岔控制中心和控制电路，网络部分使用CPU的MII接口，选用TI公司的DP83848I作为PHY芯片，接口防护使用网络变压器和ESD防护，网络连接器选用带屏蔽的RJ45插座，24V电平输出选用金升阳B1224XT-1WR2电源模块，输出电压为24V，为控制输出电平的状态，使用光耦继电器AQY211R2S作为输出控制，控制信号为脉冲信号，当有脉冲信号时，+24V电平输出，表示无车状态，当无脉冲信号或设备故障时，+24V输出接口输出低电平，表示有车状态。

基于上述的一种轨道区段占用检测系统的检测方法，包括：

当车载主机单元工作时，会通过车载天线单元连续向地面发送射频信号；

当射频信号辐射范围内有地面信号接收单元时，会激活地面信号接收单元启动内部发射4.2MHz信号，同时地面信号接收单元接收车载天线单元发送的车载27MHz信号；

地面信号处理单元获取地面信号接收单元输出的区间占用信息，转换成电平信号和网络信号输出到道岔控制中心，由道岔控制中心根据区段占用状态进行控制。

其中区间占用信息包括地面应答器报文信息、车号信息和过车信号，地面应答器报文信息包括公里标、坡度、方向等，道岔控制中心可以根据地面应答器报文信息定位有轨电车的位置信息，根据车号信息确定到具体车辆；所述电平信号为24V开关量，该24V开关量输出低电平表示有车经过。

轨道区段占用检测系统在每一个站的单套地面设备都是独立的，有轨电车经过该系统后，该系统的地面信号处理单元输出24V开关量(低电平)给道岔控制中心，例如：有轨电车依次经过车站1的出站轨道占用检测设备和车站2的进站轨道占用检测设备，表示该区段有车经过，占用状态解除。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。