Đề tài Nghiên cứu thiết kế mạch xử lý tín hiệu bộ đếm trục sử dụng trong hệ thống cảnh báo đường ngang tự động

xác. Hiện nay thiết bị đếm trục nhập khẩu được dùng phổ biến trong hệ thống tín hiệu đường sắt, nghiên cứu này đưa ra giải pháp chế tạo thiết bị đếm trục sử dụng cho đường sắt Việt nam. Nguyên lý của cảm biến dựa vào sự thay đổi từ thông qua cuộn thu khi bánh tàu đi qua cảm biến, mạch xử lý tín hiệu căn cứ vào biên độ và pha điện áp từ cuộn thu nhận dạng trạng thái của bánh tàu chiếm dụng vùng không gian đặt cảm biến. Cảm biến và mạch xử lý được chế tạo và thử nghiệm trên đường sắt Việt nam, kết quả cho thấy ngưỡng giữa trạng thái có tàu và không có tàu được phân biệt rõ ràng. Giá trị đếm trục được truyền về trung tâm điều khiển qua mạng truyền thông CAN độ tin cậy cao. Ứng dụng của thiết bị chế tạo có thể được dùng cho ga điện khí tập trung, hệ thống tự động cảnh báo đường ngang, hệ thống đóng đường tự động. Từ khóa: Đếm trục, Xử lý tín hiệu, Tách pha, Ga điện khí tập trung. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Thiết bị đếm trục dùng để kiểm tra sự hiện diện của bánh tàu trên một khu đoạn đường sắt, nó có vai trò quan trọng trong việc đánh giá sự thanh thoát (không chiếm dụng) của một phân khu điều khiển. Nguyên tắc hoạt động dựa trên sự cảm nhận thay đổi từ thông của cuộn dây thu tín hiệu đặt ở một bên ray khi có một bánh tàu chạy qua. Hiện nay thiết bị đếm trục được dùng rộng rãi trong hệ thống tín hiệu đường sắt, nó dần được thay thế cho mạch điện đường ray truyền thống. Ở Việt nam thiết bị đếm trục được sử dụng trong các dự án trang bị thiết bị điện khí tập trung liên khóa rơ le 6502 trên TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 74 các tuyến Hà Nội - Lào Cai, Hà Nội - Đồng Đăng của ZTE, dự án trang bị thiết bị liên khóa SSI của Alstoms cho tuyến Hà Nội - Vinh. Cũng như các thiết bị đặc thù cho đường sắt khác, thiết bị đếm trục của các hãng sản xuất nước ngoài được trang bị đồng bộ với hệ thống điều khiển tín hiệu với giá thành rất cao. Việc tiếp cận công nghệ để thay thế sửa chữa, vận hành gặp nhiều khó khăn, hơn nữa trong ngành đường sắt thiết bị đếm trục còn có thể sử dụng ngoài khu gian như hệ thống tự động cảnh báo đường ngang, đóng đường tự động, ... Nhiều hệ thống cần được thiết kế và chế tạo theo đặc thù vận hành của đường sắt Việt Nam, do đó việc sản xuất được thiết bị đếm trục đảm bảo các tính năng an toàn với giá thành thấp có nhu cầu cấp thiết. 2. THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐẾM TRỤC 2.1. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện nội dung đề tài nghiên cứu, nhóm tiến hành phương pháp nghiên cứu sau : + Học hỏi các kết quả nghiên cứu trước đó từ các bài báo, bài nghiên cứu về lĩnh vực. + Kế thừa công trình nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của vật liệu và ứng dụng. + Khảo sát mô hình thực tế các đặc điểm bộ đếm trục khác. + Tìm hiểu tìm tòi các trang báo về bộ đếm trục. 2.2. Phương tiện nghiên cứu Sử dụng các bài báo, internet, quá trình tiếp xúc và làm việc thực tế... 2.3. Nội dung nghiên cứu a. Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đếm trục Bộ cảm biến gồm cảm biến phát(đen) và cảm biến thu(trắng) như ảnh dưới. Cuộn phát sẽ được cập một nguồn dao động điều hòa, cuộn thu sẽ cảm ứng và đưa tín hiệu về mạch xử lý để xử lý, pha của tín hiệu thu khi không có tàu và có tàu chắn sẽ ngược pha với nhau, do đó ta có thể dựa trên hiệu ứng này để phát hiện bánh tàu đi qua. Một bộ được trang bị 2 cảm biến phát và 2 cảm biến thu để mục đích xác định hướng của tàu và xác định chính xác số trục tàu hỏa và tính toán tốc độ tàu. Dưới đây là hình ảnh cảm biến mà nhóm đã chế tạo. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 75 Hình 1. Bộ cảm biến phát và thu b. Nghiên cứu mạch xử lý tín hiệu Hình 2. Mạch xử lý tín hiệu cảm biến Mạch xử lý tín hiệu đóng vai trò nhận tín hiệu từ bộ cảm biến (2 đôi cảm biến) sau đó xử lý để đưa ra trạng thái có bánh tàu hoặc không có bánh tàu. Vi xử lý lúc này sẽ đảm bảo nhiệm vụ đếm chính xác số bánh tàu đi qua và truyền thông CAN trao đổi dữ liệu với Node trung tâm. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 76 c. Mô hình truyền thông mạng CAN Lợi thế của CAN so với các kênh truyền thông khác ở chỗ: tốc độ truyền thông cao đến 1Mbps, giao thức hỗ trợ truyền từ 8 byte dữ liệu, tự động truyền lại khung lỗi, khả năng kháng nhiễu đường truyền tốt, giao thức truyền thông hỗ trợ nhiều phương pháp phát hiện lỗi (lỗi bit, lỗi hỏi đáp, lỗi định dạng, lỗi CRC, lỗi nhồi bit). Hình 3. Mô hình bố trí 12 Node trên ray trong việc truyền thông CAN bus 2.4. Kết quả - Đã thiết kế được cảm biến có thể sử dụng, áp dụng được trong công việc đếm trục của tàu - Đã thiết kế được mạch xử lý tín hiệu đếm trục - Đã truyền thông thành công các điểm đưa tín hiệu vào trung tâm thông qua giao tiếp CAN. 3. KẾT LUẬN Với việc thiết kế chế tạo cảm biến và mạch xử lý tín lieu dựa theo nguyên lý tách pha và thuật toán phân biệt ngưỡng, thiết bị đếm trục hoạt động ổn định tại phòng thí nghiệm và hiện trường. Nhờ làm chủ công nghệ, tất cả các thành phần của thiết bị như cảm biến, mạch xử lý tín hiệu, truyền thông, nhận tín hiệu, ghép nối với thiết bị liên khóa đều được nội địa hóa. Điều này cho phép giảm giá thành cho các thiết bị quan trọng của ngành đường sắt, đồng thời mở ra cơ hội áp dụng cho các hệ thống điều khiển tín hiệu như cảnh báo tự động đường ngang, ga điện khí tập trung, hệ thống tự động phòng vệ đoàn tàu, TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 77 Tài liệu tham khảo [1]. CAMTECH Gwalior, Maintenance of Digital Axle Counters. Feb, 2013. [2]. CAMTECH Gwalior, Handbook on Troubleshooting of Digital Axle Counters. Sep. 2013. [3]. W. Lawrenz (Editor). CAN System Engineering from Theory to Practical Applications. [4]. NXP Semiconductor. CAN Controller interface PCA82C250 Rev. 06. Aug. 2011 [5] ST Microelectronics. RM0008 Reference manual STM32F103C8. [6] The development and principles of UK Signalling. technical.com/sigtxt1.shtml [8] M. Rosenberger, Future challenges to axle counting systems. Computer Science 2012 [9]. CAN bus - Wikipedia TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 78 ĐỀ XUẤT ANTEN MẢNG PHÂN CỰC TRÒN CHO ỨNG DỤNG GPS Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Lớp: TS. Trần Thị Lan Khuất Đình Chính Trần Ngọc Khanh Kỹ thuật điện tử và tin học công nghiệp 2 - K59 Tóm tắt: Bài báo đề xuất anten mảng 2×2 cho ứng dụng GPS (Global Positioning System) dải tần L1. Trong đó anten phần tử là một anten vi dải vuông với một khe chéo ở giữa để tạo ra phân cực tròn. Các anten phần tử được cấp nguồn bằng bộ chia công suất nối tiếp di pha tuần tự để giảm kích thước anten mảng. Để mở rộng băng thông tỷ số trục 3dB, các tấm ký sinh được thêm vào bên cạnh tấm bức xạ chính. Anten được thiết kế trên chất nền FR-4 với kích thước nhỏ gọn 182×182×1.6 mm3, có băng thông trở kháng 62.2 MHz (3.95%), băng thông tỷ số trục là 30.3 MHz (1.92%) và độ tăng ích cao 10 dBi. Sự cách ly phân cực giữa phân cực tròn phải RHCP (Right Hand Circular Polarization) và phân cực tròn trái LHCP (Left Hand Circular Polarization) lớn hơn 24 dB. Các kết quả thể hiện rằng anten đề xuất thật sự hiệu quả cho các ứng dụng GPS. Từ khóa: Phân cực tròn, anten mảng, GPS, độ tăng ích cao, cấp nguồn tuần tự. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống GPS được áp dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Trong giao thông, bộ thu GPS được gắn lên xe hơi, máy bay, tàu thuyền hoặc smart phone để định vị và tìm đường đi tối ưu. Trong nông nghiệp, máy thu GPS được gắn trên các loại phương tiện như xe gieo hạt, xe phun thuốc sâu, Giúp cho người điều khiển biết được vị trí mà mình đang làm việc. Trong việc lập địa đồ, thiết bị thu GPS có độ chính xác cao được tích hợp vào các máy đo đạc nhằm khảo sát bề mặt trái đất. Trong khoa học GPS được tích hợp vào vòng đeo cổ cho các loài động vật nhằm để tìm hiểu về đặc tính sinh học của các loài động vật hoang dã. Trong quân sự, GPS được gắn trên các thiết bị quân sự như: máy bay không người lái, tên lửa hành trình, để điều hướng đến mục tiêu. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 79 Hệ thống GPS có ba phần gồm: phần không gian (vệ tinh), phần kiểm soát (trạm mặt đất), phần người dùng (bộ thu trên biết bị người dùng). Để xác định vị trí, máy thu cần nhìn thấy ít nhất bốn vệ tinh trong đó ba vệ tinh để xác định vị trí máy thu trên hệ tọa độ Oxyz và vệ tinh còn lại để xác định thời gian định vị. Hệ thống GPS làm việc trên ba dải tần L1, L2, L5 với tần số trung tâm lần lượt là 1.575 GHz, 1.227 GHz, 1.176 GHz. Anten là thành phần rất quan trọng, có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của hệ thống GPS. Vì vậy, nhóm tác giả tập trung nghiên cứu đề xuất mẫu anten cho thiết bị người dùng GPS ở dải tần L1, có đặc tính tốt để đáp ứng yêu cầu các ứng dụng GPS hiện nay như có phân cực tròn phải RHCP, độ tăng ích cao, kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo với chi phí thấp. 2. ANTEN ĐỀ XUẤT Có bốn loại anten phổ biến được sử dụng trong hệ thống GPS gồm: anten nơ, anten vi dải, anten xoắn ốc và anten phản xạ. Ưu điểm của anten nơ và anten xoắn ốc có búp sóng rộng, tuy nhiên độ tăng ích thấp. Anten phản xạ có độ tăng ích cao giúp tín hiệu thu về có chất lượng tốt hơn so với các loại anten khác. Do đó, loại anten này chỉ được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt như kiểm tra, theo dõi và khắc phục lỗi tín hiệu từ các vệ tinh mới phóng do giá thành cao. Trong khi đó, anten vi dải có một số ưu điểm như dễ chế tạo, chi phí thấp, dễ tạo phân cực tròn, độ tăng ích cao. Anten này rất phù hợp cho các thiết bị thu GPS, đặc biệt trên các phương tiện giao thông. Vì vậy, anten đề xuất trong nghiên cứu này được thiết kế dựa trên loại anten này. Để thiết kế anten GPS cho thiết bị người dùng, đầu tiên các tiêu chí thiết kế cần được xác định. Dựa trên các tài liệu [1] và [2], các tiêu chí này được xác định như sau: Phân cực tròn phải RHCP; Băng thông lớn hơn 20 MHz; Cách ly phân cực giữa RHCP và LHCP lớn hơn 15 dB; Độ tăng ích tối thiểu 5 dBi. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 80 Hình 4. Cấu hình của anten đề xuất Anten đề xuất gồm hai phiên bản như Hình 1. Trong đó, phiên bản 1 là một anten mảng 2×2 được thiết kế dựa trên các anten phần tử là các anten patch hình vuông có khe chéo ở giữa để tạo phân cực tròn. Để cấp nguồn cho anten phần tử, bộ chia công suất nối tiếp di pha tuần tự được sử dụng nhằm cải thiện phân cực tròn, đồng thời giúp anten nhỏ gọn hơn. Tuy nhiên, phiên bản 1 có băng thông tỷ số trục nhỏ hơn 20 MHz, không thõa mãn tiêu chí đề ra. Do đó, các tấm ký sinh được thêm vào cạnh tấm bức xạ chính để cải thiện băng thông tỷ số trục của anten như phiên bản 2 (Hình 1). Anten được thiết kế trên chất nền FR-4 có độ dày là 1.6 mm. Ảnh hưởng của kích thước tấm ký sinh l, g, w lên hệ số phản xạ S11và tỷ số trục AR được thể hiện qua kết quả mô phỏng lần lượt trong Hình 2, Hình 3 và Hình 4. Kết quả mô phỏng trong Hình 2 cho thấy, hệ số phản xạ tăng khi l tăng, trong khi tỷ số trục giảm. Hình 3 cho thấy khi g tăng thì hệ số phản xạ tăng, tỷ số trục giảm. Tham số w không ảnh hưởng nhiều đến hệ số phản xạ và tỷ số trục như thể hiện trong Hình 4. Cuối cùng, các giá trị tối ưu của l, g, w được chọn lần lượt là 45, 1, 5 mm. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 81 (a) (b) Hình 2. Sự ảnh hưởng của l lên S11(a) và AR (b) (a) (b) Hình 3. Sự ảnh hưởng của g lên S11(a) và AR (b) (a) (b) Hình 4. Sự ảnh hưởng của w lên S11(a) và AR (b) TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 82 (a) (b) Hình 5. So sánh phiên bản 1 (PB1) và phiên bản 2 (PB2): S11 (a) và AR (b) Hình 5 chỉ ra kết quả so sánh phiên bản 1 và phiên bản 2 theo hệ số phản xạ và tỷ số trục. Dễ dàng thấy, băng thông tỷ số trục 3 dB tăng đáng kể từ 13.9 đến 30.3 MHz. Mặc dù, băng thông trở kháng giảm nhẹ. Mô hình bức xạ 2D và 3D của anten đề xuất (phiên bản 2) được chỉ ra trong Hình 6. Sự cách ly phân cực giữa RHCP và LHCP tại hướng búp sóng chính lớn 24 dB. Đây là một đặc tính quan trọng mà các anten thu tín hiệu GPS cần có. Độ tăng ích đạt được là 10 dBi. (a) (b) TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 83 (c) Hình 6. Mô hình bức xạ của anten đề xuất (phiên bản 2): Mô hình 2D trong mặt phẳng zOx (a), mô hình 2D trong mặt phẳng zOy và mô hình 3D (c) Bảng 1. So sánh phiên bản 2 với các anten được công bố gần đây Tài liệu Băng thông S11 (%) Băng thông AR (%) Hệ số tăng ích (dBi) Kích thước (mm3) Năm [3] 2.3 1.07 5.77 67×67×1.67 2018 [4] 40.6 7.44 8.11 80.8×80.8×30 2020 [5] 1.7 Rất hẹp 5.77 180×180×4.7 2018 [6] 5.11 1.46 10.8 350×157×3.2 2019 [7] 2.3 Không đề cập 6.1 114×114×13 2019 Anten đề xuất 3.94 1.95 10 182×182×1.6 2021 3. KẾT LUẬN Bảng 1 chỉ ra so sánh của anten đề xuất với một số anten mới công bố. Anten đề xuất có độ lợi cao hơn các anten trong [3][4][5][7]. Mặc dù, anten trong [3] có kích thước nhỏ gọn (anten đơn), nhưng băng thông hẹp và độ lợi thấp. Anten trong [4] có băng thông rộng, nhưng bề dày lớn và cấu trúc phức tạp do phải sử dụng cuộn cảm. Thiết kế xếp chồng lên nhau cũng là nhược điểm của anten trong [7], làm cho anten khó chế tạo cũng như có độ dày lớn. Trong khi đó, anten trong [5] có băng thông rất hẹp, không đáp ứng băng thông tối thiểu 20 MHz cho các ứng dụng GPS. Anten trong [6] có độ lợi cao hơn anten đề xuất, tuy nhiên kích thước lớn của nó rất khó tích hợp trên các phương tiện và băng thông tỷ số trục hẹp hơn anten được đề xuất. Như vậy có thể thấy, anten đề xuất có độ lợi cao, băng thông lớn hơn 20 MHz, kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, chi phí thấp, phù hợp với máy thu TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 84 GPS, đặc biệt là ứng dụng trên các phương tiện giao thông. Trong tương lai, việc chế tạo và thử nghiệm anten này sẽ được thực hiện. Tài liệu tham khảo [1]. B. Rama Rao, W. Kunysz, R. Fante, K. McDonald: GPS/GNSS Antennas. 2013. [2]. B. Barker, J. Betz, J. Clark, J. Correia, J. Gillis, S. Lazar, K. Rehborn, and J. Stration: Overview of the GPS M code signal, in Proc. ION Nat. Tech. Meeting, pp. 542–549, 2000. [3]. Dian Rusdiyanto, Fitri Yuli Zulkifli, Eko Tjipto Rahardjo: A Circularly Polarized Microstrip Antenna for GPS Application as Small Boat Guidance. IEEE Region 10 Humanitarian Technology Conference (R10-HTC), 2018. [4]. Sungwoo Lee, Youngoo Yang, Kang-Yoon Lee, and Keum Cheol Hwang: Dual-band Circularly Polarized Annular Slot Antenna With a Lumped Inductor for GPS Applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume: 68, Issue: 12, Dec. 2020. [5]. Yuan Yao, Xuan Shao, Ying Li, Junsheng Yu, Xiaodong Chen: Design of Multiband Circularly Polarized Antenna Arrays for GNSS Applications. European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2018. [6]. Tamer Elshikh, Ahmed Sayed, Alla M.Eid, Ahmed Alieldin: A Low Cost Circular Polarized Antenna Array for GPS Receivers. EuCAP, 2019. [7]. Satya Bhushan Shukla, Vidya.K.A, Thomas Chacko, Mukundan.K.K: Single Feed Stacked Circularly Polarized Patch Antenna For Dual Band NavIC Receiver of Launch Vehicles. IEEE Indian Conference on Antennas and Propogation (InCAP), 2019.