磁场效应的火车道报警信息采集系统设计

　　1 引言

　　随着社会经济生活对铁路运输的需求和科学技术的不断发展，铁路运输的能力日益提高，对铁路运输安全的要求也就更高。然而，伴随全路五次提速的实施，道口的安全隐患也越来越突出，已经成为铁路运输安全和铁路运输能力的瓶颈。道口监测报警装置在降低道口事故率，防护道口安全方面有着非常积极的意义。但从目前的研究成果和实际应用来看，大多采用轨道电路式、机械式，少部分采用多普勒雷达式和声接收式。性能上各有优缺点，在成本和体积上也不尽相同。

　　本文采用磁阻传感器，根据磁场效应，设计了一种火车道报警信息采集装置，并给出其软硬件的设计方法。

　　2 系统工作原理

　　通电导体在磁场中电阻值发生变化的现象称为磁致电阻效应。对于铁、钴、镍及其合金，如果把这类金属做成薄膜带状导线，当有电流通过时，其阻值发生变化，变化值的大小因内外两磁场合成磁化方向与电流流向的相对关系而异，趋于同向则增大;反之减小[1]。如图1中所示，将四个坡莫合金(permalloy)组成一个惠斯通电桥(wheatstone bridge)，则电阻阻值的变化将外加磁感应强度转换成差分电压输出[2]。

　　大型铁磁物体，如火车，可看成多个南北极磁铁组成的模型。当火车经过时，则会引起地磁场的扰动，其综合影响是对地磁场磁力线造成扭曲和畸变。传感器处于该变化的磁场中时，由磁阻效应可知，传感器的差分输出端将会有变化的电压产生，而这即是本系统用来检测火车的理论依据。

　　图1 磁阻传感器原理图

　　3 系统硬件设计

　　火车道报警信息采集系统硬件部分主要由数据采集模块和数据处理模块组成。其中数据采集模块负责磁场信号的采集工作，其主要的核心为磁阻传感器。当列车接近磁阻传感器时，传感器将采集到的磁场变化信号，经过信号放大和a/d转换环节，转换成离散的数字信号，传送至微控制器(单片机)。数据处理模块主要部件是单片机。单片机负责对各个芯片的时序控制，同时为了提高系统的抗干扰能力，还需对采集到的数据进行滤波处理，然后才能发送至串口端，由通信设备进行读取。本系统的硬件设计框图如图2所示。

　　图2 系统硬件设计框图

　　3.1 数据采集模块

　　本系统中，磁阻传感器选用的是honeywell公司生产的hmc1051z单轴磁阻传感器。hmc1051z具有很宽的角度范围，在±45°内具有<0.07°的分辨率，灵敏度为1.0mv/v/高斯，在5伏电源供电时有120mv的满量程输出。内部无移动部件，固有阻抗小，抗电磁噪声和干扰能力强，且内置置位/复位带，可减小温度漂移、非线性误差以及在高磁场环境中对输出信号造成的影响。而片内偏置电路则可消除磁场失真的影响[3]。