电路与系统范文

关键词：高速公路；机电系统；防雷工程；设计；施工

中图分类号：U412.36+6文献标识码：A文章编号：

引言

高速公路涉及地域广、路线长，多位于野外和空旷地带，地形复杂，收费站区、服务区和道路设施、设备均为道路上孤立建筑物，且供电、通信、监控、收费等公路机电系统融合了先进的传感技术、通信技术和计算机技术，为一个功能强大的电器、电子系统，极易遭受直接雷击和雷电电磁脉冲危害，一旦遭受雷电灾害，即可造成公路设备损坏和系统瘫痪。河南省3-10月多有雷电发生，境内高速公路每年都有不同程度的雷击事故，不仅使高速公路设施设备遭受巨大损失，而且直接影响高速公路系统的安全运营和人员生命、财产损失，2009年8月17日凌晨，宁洛高速公路平顶山南收费站发生雷击事故，收费站设备遭雷击瘫痪，经过近14小时的现场设备维修调试后，收费站才逐渐恢复正常运行，而在同一天的雷电天气中，许平南高速公路多处收费站遭遇了不同程度的雷击。因此，加强高速公路机电系统的综合防雷设计和施工建设十分重要。

1高速公路机电系统易遭雷击原因分析

高速公路机电系统点多、面广、线长，系统设备主要分布在收费站（收费棚、监控室、变配电房）、隧道（包含隧道广场）和公路沿线外场监控设备，兼有强电设备和大量的通信、监控及传感等弱电设备，但一直以来公路管理部门及工程建设部门都未重视高速公路机电系统设计和施工中的强电和弱电设备的防雷问题，接地要求不高，接地处理更是简单，使公路机电系统易遭受雷击的薄弱环节较多，尤其受感应雷和反击雷危害最大。高速公路所经之地通常地势平缓，因而收费站建筑物就成为旷野区域的最高突出点，再加上收费站周围安装的高杆灯，更易引雷；而且收费站供电线路多采用架空电缆，在一定程度上加剧了雷电波经供电线路入侵用电系统的机率。在一些复杂的地质层面，敷设的传输和控制线路也是遭雷击和雷电感应的薄弱点，受公路路基、路面施工影响，沿路一线的土壤电阻率发生了改变，这也成为高速公路沿线区域易遭雷击的原因之一。

2高速公路防雷工程设计

高速公路收费、通信、监控三大机电系统防雷工程建设较为复杂，不是仅依靠几种先进的防雷装置和设备就可完全消除雷电影响、保障机电系统免受雷击，必须采取科学的综合防雷设计与施工，尽可能一一排除产生雷击的各种可能因素，才能将高速公路机电系统的雷击灾害程度降至最低。据防雷技术工作人员通过大量的实践经验和研究分析，要实现高速公路机电系统的防雷应做好外部防雷、电源系统、数据监控系统、视频监控系统以及网络系统的防雷保护工作。

2.1直击雷防护

首先要做好高速公路建筑物直击雷防护，通常采用避雷针、避雷带相结合防雷模式。办公楼顶部应采用Φ8镀锌圆钢的避雷带，顶部四角加设短避雷针，中间安装8~10m避雷针用于楼顶天线防护并增加避雷效果；收费棚安装1~2支装饰性避雷针，运用立柱钢筋作引下线；配电房、发电机室、监控室及通信房安装避雷带，其中在监控室和通信房等玻璃窗外应另加金属屏蔽网，网格应小于15cm×15cm，同时做好接地处理。

2.2电源线路防雷

高速公路供电线路一般为10KV高压供电线路，在线路末端应采用外敷金属等绝缘护套的电缆穿钢管后埋地经电源变压器后再引入配电房，线路末端在接入电源变压器处要安装氧化锌避雷器进行防护，电源变压器机壳、电源低压侧零线以及线路的金属护套和钢管两端要分别就近作可靠接地；电源变压器进入配电房的低压输电线长度应大于15m，线路要作埋地敷设；配电房低压配电屏上需安装ZS150E-400：100KA电源防雷箱，可吸收雷击时电源线产生的巨大浪涌电流。配电房进入监控楼内的供电电缆屏蔽并埋地引入，电缆两端屏蔽层要就近进行接地处理，楼内配电箱应安装自带远程告警干节点的PRAC-380B：40KA电源防雷箱。配电房进入收费棚内的供电线缆应埋地布线并屏蔽，在监控机房UPS输出配电箱及收费车道内配电箱两处分别安装ZSPDTT20KC单相电源防雷器。所有户外摄像机电源输入端都要串联安装ZSPDTT20KC电源防雷器。

2.3监控系统防雷

高速公路收费站处监控系统通常有6~8路摄像机，每台摄像机视频输出端口都要安装COAXB-CCTV防雷器并就近进行接地，视频线应穿金属管后埋地敷设；摄像机控制线处应安装RS485/422防雷器并接地；进入监控机房的视频线和控制线输入端口分别安装COAXB-CCTV和RS485/422防雷器并就近接地。

2.4计算机网络防雷

高速公路收费计算机网络系统防雷设计中要在连接监控机房和收费车道HUB间同轴电缆两端分别安装RJ45接口和RJ45-E100防雷器，在HUB通向收费计算机双绞线上以及计算机网卡端口处应分别安装上述两种防雷器，各防雷器均应就近进行接地处理。

2.5等电位连接和共用接地体

作好等电位连接是高速公路防雷技术措施之一，公路建筑设施、系统设备各类管线、设备安装防雷装置后均应作等电位连接并接地，最后利用钢筋混凝土结构将建筑物内所有金属构件的多重连接建立成三维连接网络，从而减少建筑物金属构件与设备、设备与设备之间因雷击产生电位差，造成雷电电磁脉入侵并干扰、损坏微电子设备。高速公路共用接地系统大多采用建筑物基础钢筋地网，接地体接地电阻应≤4Ω。

3高速公路防雷工程施工安装

防雷工程应由具有相当资质的工程队进行施工建设，保证工程建设的科学合理和安全可靠。在施工过程中应注意以下几个问题：一是防雷器等接线端子应牢固安装，否则易造成雷电接地泄放达不到要求、电位抬高击坏设备等；二是要确保防雷接地线的正确链接，电源保护地与现场地连接好；三是如果遇防雷器与接地极距离＜1m时可采用4mm²以上铜线，距离＞1m时应依照距离的远近选用6mm²以上铜线；四是确保与接地极相连的所有导线连接牢固可靠，并在导线上涂导电膏，以使线路安全连接、线缆面积足够和雷电泄流的通畅。

4结语

高速公路防雷工程是较为负责的系统工程，因此，在工程设计和施工过程中，因地制宜、周密细致的进行防雷方案设计，加强防雷结构方案优化、技术参数确定、防雷产品选型和施工材料选取、施工工艺考究、防雷装置安装技巧等方面的深入研究探讨，确保高速公路机电系统防雷工程配置合理、性能优良，起到全面防护作用，并实现系统运行的稳定可靠，且投资小、维护方便。

参考文献

[1]王昆.高速公路系统防雷现状分析[J].科技与企业，2011（11）

[2]付宏博，姚腾飞.浅谈高速公路机电系统防雷设计[J].黑龙江交通科技，2003（2）：90-91

[3]梅兵.高速公路机电系统防雷设计探析[J].机电信息，2011（12）

电路与系统范文篇2

【关键词】高速公路；机电系统；结构；功能

1.引言

高速公路机电系统是发挥道路设施交通功能的主要辅助管理系统，是对高速公路实施现代化管理的主要工具。高速公路机电系统主要由高速公路监控、收费、通信、照明、供配电和隧道安全运行保障等子系统构成。各子系统之间与系统内部由通信网联系。

2.高速公路监控系统

2.1高速公路监控系统，是采用现代化的手段对全线交通流量、交通状况、环境气象、设施运行状态进行检测，按照一系列智能控制规则和策略产生控制方案及控制手段，调整道路交通流的状态，进而实现控制交通流量、改善交通环境、减少交通事故，达到安全、舒适、快捷的运输目的。

为实现这一目的，监控系统必须具备最基本的三个功能：（1）采集交通流数据，判断交通状态：（2）根据交通状态，实施控制策略，决定控制参数；（3）执行控制策略，将控制参数作用于交通流。

2.2根据高速公路监控系统的功能要求和设备特点，监控系统可分为如下功能子系统：

（1）信息采集子系统：该系统的功能是获取交通信息原始数据，通过视频车辆检测器、超声波检测器、红外检测器、检测线圈、通信设备等形成的交通量采集子系统，获得各段道路的交通量数据。

（2）交通控制子系统。

交通控制子系统包括：交通控制目标、交通控制方法、交通控制参数。控制参数以一定的控制形式作用于交通流。根据控制形式的不同，控制方法可以分为匝道控制和主线控制两大类，而匝道控制又可以分为：入口匝道定时调节控制、入口匝道整体定时控制、入口匝道交通感应控制、入口匝道汇合控制。

（3）交通诱导信息显示子系统。

交通诱导子系统包括可变限速诱导系统，依靠埋设在道路两侧或中间的可变限速标志，进行整条道路的车速优化处理，使车辆以均匀的密度分布在高速公路上；可变情报板系统则提供更为具体的诱导信息，向车辆提供准确的交通状态和警告、指挥信息。显示子系统包括控制中心通过电视墙或者大屏幕投影再现重要地段的摄像机和视频传输设备获取的视频实时数据，和能见度、温度、湿度、风向、风速、雨雪等视频数据，并根据需要可对视频数据进行抓拍记录；通过设在路边的紧急电话获取紧急救援信号。

（4）中央控制设施子系统。

中央控制设施子系统的主要组成设备有：计算机及其外部设备、大屏幕图形显示板、控制台、电话总机台、不停电电源UPS设备等。

（5）计算机网络子系统。

计算机网络子系统将其他子系统通过计算机网络连接为一个整体，使之真正成为一个功能强大的有机系统。计算机网络系统包括：计算机设备、网络连接设备、计算机操作系统、数据库系统、计算机网络管理、监控系统应用程序。

3.高速公路通信系统

高速公路通信系统主要由以下几部分组成：主干线传输、业务电话、指令电话、紧急电话、数据传输、图像传输、广播、通信电源和通信管道。

高速公路通信系统作为高速公路机电系统的支撑系统，在整个高速公路管理中处于非常重要的位置，它主要承担以下三方面的任务：

3.1承担监控系统和收费系统的数据、语音、图像等各类信息的传输任务，使监控系统和收费系统真正成为系统而正常运转。

3.2承担高速公路内部各业务部门和管理部门的业务联系，如事故增援、道路设备设施的维修等。

3.3承担高速公路内部的监控中心、收费中心、业务部门和管理部门与外界的联系。

4.高速公路收费系统

收费系统的主要功能包括：收费通量统计和车辆分型，按标准收取通行费并发放收据，汇总、整理与收费有关的数据和交通量数据，传送到收费广场、收费管理中心、监控中心等各级管理部门的上一级计算机进行处理，编制各类管理报表和进行数据分析，保存重要数据，并根据监控中心的命令，对出入高速公路的车辆进行控制和调节。

5.高速公路配电照明系统

高速公路照明系统一般包括主车道照明、广场照明和隧道照明三部分。在运输繁忙、事故多发、重要路段以及隧道中设置主线照明，可以改善夜间与隧道中的行车环境，降低交通事故的发生率；在收费广场采用高杆照明，可以保证收费车辆的安全交汇和排队；并且照明系统的设置可以使道路监控摄像机充分发挥夜间监视的作用。

6.结语

高速公路机电系统是以电子、电气、控制、通信、机械和交通工程等技术为基础的综合性大系统，它主要由监控、通信、收费、配电照明等系统组成。本文重点研究了监控系统的原理、监控过程、各子系统功能与系统间的关系等，并分析了通信、收费、配电照明等系统的结构与功能要求。

参考文献

［1］吴伟国，张平乐，王帆.浅谈机电系统建设与高速公路智能化［J］.湖南交通科技，2007，33（4）：142～144.

电路与系统范文

高精度位置姿态测量系统（PositionandOrientationSystem，POS）由惯性测量单元（IMU）、全球定位系统（GlobalPositionSystem，gps）和POS计算机（POSComputerSystem，PCS）以及后处理软件组成[1]。POS既是航空对地观测系统完成军事侦察、军事测绘等任务必不可少的关键装备，也是解决人类面临的资源紧缺、环境恶化、灾害频发等一系列重大问题的现代战略高技术手段[2]。利用IMU原始数据和GPS原始数据进行POS系统后处理是提升整个系统输出精度的关键手段，也是各类载荷高精度位置姿态的可靠基准[3]，而数据存储单元是POS系统后处理的数据来源；此外，利用存储单元记录的POS实时导航数据，可以对POS系统的故障进行分析，便于及时发现并处理系统运行过程中的种种问题，有利于提高整个系统的可测试性。

存储技术历经多年发展，已经从原始的磁带记录逐步过渡到光盘记录和目前的半导体存储器[4]。POS系统属于机载设备，一般工作于高低温变化大，电磁干扰严重，振动冲击大的复杂环境下，这就要求存储电路必须能承受宽温度范围，工作于复杂电磁环境且有良好的抗冲击性能。POS系统经常和各类载荷安装在一起工作，为减小安装平台的负担，POS系统的体积、重量和功耗都有严格的限制。为了达到与各类载荷进行通信的目的，POS系统应具有多种通信接口，如CAN，RS422和RS232等，POS存储电路要接收POS系统的各项数据就必须融合上述多种通信接口。此外，POS系统工作的实时性很高且工作时间较长，因此POS存储电路必须速度快，容量大。半导体存储器相对于其他存储器，体积更小，功耗更低，速度快，存储容量大且能工作于恶劣环境，而嵌入式微处理器的飞速发展也大大提高了半导体存储器的存储速度。因此，本文设计了一种基于STM32硬件平台的高速POS存储电路[5]，实现对POS系统各项工作数据的实时存储。

1POS系统结构概述

POS系统的组成框图如图1所示。

惯性测量单元IMU通过三支陀螺仪和三支加速度计实时采集观测载荷的角运动和线运动信息，利用内置的温度传感器采集陀螺仪和加速度计的温度信息，并经过预处理后发送给PCS进行捷联解算；GNSS预处理模块接收GNSS基站和流动站的卫星导航信号，进行差分处理后发送给PCS；INS/GNSS实时融合处理模块将捷联解算后的数据和GNSS差分后的数据进行分析，一部分实时输出给载荷作为位置和姿态基准，另一部分发送给数据存储单元作为后处理的数据源[6]。POS实时定位定姿信息的精度往往达不到各类载荷高清成像的要求，因此实时任务完成后，必须采用后处理软件对采集存储的IMU，GNSS信息进行后处理，以获取高精度位置、速度和姿态信息，确保各类载荷成像质量。

由此可见，POS系统的后处理能有效提升整个系统的输出精度，为各类载荷提供更高精度的位置姿态基准，而数据存储单元能存储POS后处理所需的所有原始信息，此外，存储单元能透明地记录POS系统飞行过程中的所有数据，其作用相当于飞机当中的黑匣子，便于用户进行事后故障分析，为此给出了POS存储系统的设计。

2POS数据存储电路总体设计

2.1总体结构设计

数据存储系统主要完成数据的采集、数据的存储和数据发送。为了给各类载荷提供实时的位置姿态基准，POS系统的数据更新率必须很高，目前已达到200Hz，PCS向载荷发送数据的波特率高达460800b/s，这就要求存储电路具有高速的通信接口和中央控制器。CAN总线和RS422总线的最高波特率能高达1Mb/s和10Mb/s，完全能接收PCS高速输出的数据，此外CAN和RS422均采用差分信号进行传输，能保证数据传输的可靠性，在电路的设计中增加RS232接口，能提高整个存储电路的通用性。以高速ARM控制器作为存储系统的核心控制芯片是最好的选择，其运行速度快，核心频率可超过100MHz；具有CAN，USART和SPI等丰富的外设，只需对它们进行简单的编程即可完成数据的收发，利用高速SD卡作为ARM控制器的外部存储器，可轻松实现数据的快速存储，整个存储系统的结构图如图2所示。

图2中IMU原始数、GPS原始数和POS导航数据分别通过RS422接口、RS232接口和CAN总线接口传送至STM32最小系统，STM32芯片以DMA中断的方式将接收的数据缓存至内部RAM区，利用其自身的SPI接口驱动SD卡，将接收的数据按照FAT32文件系统的格式以文本文件的形式存入SD卡。为方便用户读取SD卡存储的原始数据信息，本文设计了通用的USB读卡器模块，USB读卡器芯片内部集成了文件系统功能，只需要简单的外部电路连接即可实现与计算机的USB通信，不仅降低了电路成本，而且提高了整个系统的可靠性。

3系统软硬件实现

3.1系统电源模块

POS系统是航空遥感领域一个必不可少的部分，在实际应用中对POS系统的体积和功耗有非常严格的要求。存储电路作为POS系统的重要组成部分，其功耗和体积应尽可能的降低。因此本文所选用的器件工作电压均为3.3V，器件封装均采用贴片式。POS存储电路系统电源模块设计图如图3所示，飞机输出的航空标准电源电压28V经过二次电源模块的转换后变为5V，二次电源模块选用西安伟京电子生产的28to5DC?DC模块。为了满足POS存储电路的工作电压要求，必须设计电源转换模块将系统的5V电压转换为存储电路所需的3.3V工作电压。根据POS的特殊工作环境，POS存储电路的电源应该具有较高的可靠性，能输出3.3V的稳定电压，电源的稳定性要好，纹波电压小且输出功率足够大[7]。本文选用TI公司的TPS75201，这款芯片的工作温度范围宽（-55～125℃），输入电压承受范围宽（-0.3～13.5V），输出功率大（输出电流高至2A），芯片体积小且散热性能好。

3.2数据采集模块

数据采集电路是整个存储电路的最前端，它接收来自导航计算机的IMU原始数、GPS原始数和实时导航数据。本文设计了CAN接口、RS422接口和RS232接口，它们与STM32单片机的物理层电路设计图如图4所示。其中CAN和RS422均采用差分信号进行传输[8]，能保证数据传输的可靠性，RS232接口能和PC机进行实时通信，将存储电路的工作状态实时报告给上位机。

5结语

研制高精度位置姿态测量系统，提高各类航空遥感载荷的成像精度，对增强我国国防实力具有重要意义。而POS数据存储系统是高精度位置姿态测量系统中必不可少的部分。本文从系统结构和软、硬件实现两方面给予了分析设计，最终实现了稳定的POS数据存储系统，保证POS后处理工作正常进行，促进了我国航空遥感事业的快速发展。

参考文献

[1]高钟毓.惯性导航系统技术[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2]安培浚，高峰，曲建升.对地观测系统未来发展趋势及其技术需求[J].遥感技术与应用，2007，22（6）：28?29.

[3]李德仁，王树根，周月琴.摄影测量与遥感概论[M].2版.北京：测绘出版社，2008.

[4]刘凯.存储技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.

[5]刘波文，孙岩.嵌入式实时操作系统μC/OS?Ⅱ经典实例：基于STM32处理器[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.

[6]秦永元.卡尔曼滤波与组合导航原理[M].西安：西北工业大学出版社，2012.