基于语音识别的机车防带电过分相系统的研制设计报告 学位论文.docx
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基于语音识别的机车防带电过分相系统的研制设计报告学位论文
毕业论文(设计)
题目基于语音识别的机车防带电过分相系统的研制
姓名张腾学号1017014115
所在院(系)电气工程学院
专业班级自控104班
指导教师马帅旗
完成地点陕西理工学院(北区)502楼
2014年5月
毕业论文﹙设计﹚任务书
院(系)电气工程学院专业班级自动化(自控104)学生姓名张腾
一、毕业设计题目:
基于语音识别的机车防带电过分相系统的研制
二、毕业设计工作自_2013年__11_月_27日起至_2014年6月20日止
三、毕业设计进行地点:
502实验室
四、毕业设计内容要求:
(1)设计目的
铁路牵引接触网使用单项工频交流电,为了提高电网利用率,促进电力系统三相负荷平衡,电气化铁路接触网采用分段分相供电,如果在没有断开受电弓情况下通过分相区,会在受电弓和接触网之间产生很大电弧,造成相间短路,给机车安全运行带来极大威胁,造成国家财产的损失。
本毕业设计希望通过对机车防带电过分相系统研究培养学生综合运用所学基础理论和专业知识,以提高分析和解决实际问题的能力,掌握系统设计、调试方法,为系统设计奠定初步的基础。
(2)设计要求
(a)综述机车过分相方法,设计并论证系统设计方案;
(b)对机车安全信息综合监测装置数据帧的解析;
(c)完成分相点位置计算;
(d)要求认真独立完成所规定内容,所设计的内容要求正确、合理;
(e)按照学校毕业论文要求撰写论文,按规定格式打印论文。
指导教师马帅旗系(教研室)自动化
系(教研室)主任签名批准日期2014-01-15
接受设计任务开始执行日期学生签名张腾
题目:
基于语音识别的机车防带电过分相系统的研制
张腾
(陕理工电气工程学院自控104班,陕西汉中723003)
指导教师:
马帅旗
[摘要]铁路运输是国家重要交通运输方式、也是目前最大众化交通方式。
加快铁路发展,对促进社会经济发展有非常重要的作用。
经过多年的努力,我国铁路事业已取得了非常大的进步,但是目前铁路运输能力与运输需求的矛盾依然十分突出,成为社会经济进一步发展的制约。
重载和提速是目前我国铁路发展的重要方向,对于扩大铁路运输能力,缓解铁路运输瓶颈制约都具有重要意义。
随着我国铁路运输形式的发展,特别是铁路干线机车时速的大规模提升,对机车的自动化运行提出了更高的要求。
因此,研究一种成本相对较低、可靠性高、维护方便的机车自动过分相装置对于目前铁路运输技术的发展具有重要意义。
[关键词]语音识别,非特定人声语音识别,机车过分相,串口通信
BasedOnspeechrecognitiontrainpassestheneutralsectionSystemDesign
ZhangTeng
(Grade10,Class4,MajorAutomation,ElectricalengineeringDept.,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003,Shaanxi)
Tutor:
MaShuaiQi
Abstract:
RailwaytransportationistheimportanttransportationwayoftheStateandthethemostpopularway.Tospeeduptherailwaydevelopmenttopromotesocialandeconomicdevelopmenthasaveryimportantrole.Afteryearsofefforts,Chinarailwayhastheverybigprogress,butthecontradictionbetweenthecurrentrailwaytransportcapacityandtransportdemandisstillveryprominent,thatbecomerestrictiontothefurtherdevelopmentofsocialeconomy.Overloadingandspeedistheimportantdirectionofrailwaydevelopmentinourcountry,thathasimportantsignificancetoexpandtherailwaytransportabilityandeasebottlenecksofrailwaytransportation.Astheformofdevelopmentofrailwaytransportationinourcountry,especiallyinrailwaylocomotivespeedofmassascensionputsforwardhigherrequirementsonautomaticoperationofthelocomotive.Tomakearelativelylowcost,highreliabilityandmaintenanceconvenientforlocomotiveautomaticexcessivephasedeviceforthecurrentrailwaytransportationhasgreatsignificancetodevelopmentoftechnology.
Keywords:
speechrecognition,speaker-independentspeechrecognition,trainpassestheneutralsection,
serialportcommunication.
引言
为使电力系统三相负荷尽可能平衡,电气化铁道的接触网采用分段换相供电。
为防止相间短路,各相间用空气或绝缘物分割,称为电分相。
国内接触网上每隔20千米至25千米就有一长约30米的供电死区。
在此无电区外一定距离处设有“断”、“合”提示牌,电力机车通过时须退级、关闭辅助机组、断开主断路器,隋行通过无电区后再逐项恢复,这样受电弓是在无电流情况下进出分相区的,从而保证了受电弓和接触网的寿命。
但这样操作,一方面影响了行车速度,另一方面增加了司机的劳动强度,操作稍有疏忽就会拉电弧烧分相绝缘器。
对准高速、高速线路,每小时就要过多个分相区,靠司机操作实属困难。
对高坡重载区段,手动过分相会引起列车大幅降速,延长咽喉区段的运行时间,降低线路运能。
因此很多列车自动过分相的方案被提出,来取代司机的手动过分相操作。
该课题研究的目的是为了加快铁路发展,扩大铁路运输能力,增加机车重载能力和时速的提升,缓解铁路运输的技术瓶颈制约。
该课题主要依据语音识别模块识别相邻两次提示语音,再根据TAX2通信模块获取的年月日、时分秒、公里标、运行速度等信息,计算机车距离断电标的距离,然后实时获取公里标数据,到达分相标时断开机车弓网,从而使得机车断电过分相。
因而系统主要由防带电过分相控制模块、语音识别模块、串行通信模块、人机接口模块几部分组成。
系统工作的基本原理是:
语音识别模块通过音频信号线从LKJ2000中获取语音信息,当识别到语音信息后,通信模块通过串口接口从机车综合信息监控装置中获取串行数据帧,并传输给主处理单元mcu,主处理模块进行数据帧解析和容错性处理,判断是500m处识别的语音消息还是300m处的语音信息。
当判断目前位置距离断电标500m时,继续检测语音识别模块是否识别到300m处语音然后通过串口发送提示信息给列车员;当判断目前位置距离断电标300m时,通过人机接口进行声光报警,司机可以通过人机接口取消自动操作,当系统进入距离某车站断电标30m时,而司机仍未采取断开受电弓操作时,自动过分相装置通过执行机构断开主断器,断开受电弓,并对这一事件进行记录。
1.系统的总体设计
1.1机车自动过分相研究
国内研究机车过分相方式主要包含四类:
地面开关自动切换方案、柱上开关自动断电方案、车上自动控制断电方案和基于TAX2型机车安全信息综合监测装置的防带电过分相方案。
(1)地面开关自动切换方案
地面开关自动切换方案的工作原理如图1所示,在接触网分相处嵌入一个中性段,其两端分别由绝缘器与二相接触网绝缘。
在线路边设置四台无绝缘轨道电路CG1一CG4作为机车位置传感器。
无车通过时,两台真空负荷开关均断开,中性段无电。
当机车从A相驶来达到CG1处时,真空负荷开关QF1闭合,中性段接触网由A相供电。
待机车进入中性段,到CG3处时,QF1分断,QF2随即迅速闭合,完成中性段的换向过程。
由于此时中性段己由B相供电,机车可以在不用任何附加操纵、负荷基本不变的条件下通过相分段。
待机车驶离CG4处后,QF2分断,装置回零。
反向来车时,由控制系统自动识别,控制两台真空负荷开关以相反顺序轮流闭合,采用这种方法过分相,断电时间约为0.1秒一0.15秒。
这种方案的优点是:
接触网无供电死区,无须司机操作,机车上主断路器须动作,自动换相时接触网中性段瞬间断电时间很短,且此时间与行车速度无关,可适用于O一350千米每小时的速度范围,对行车中可能出现的限速,一度停车情况均能正常工作。
这种方案的缺点是:
装置必须要在线备份并在线检查,需要设计冗余电路中性段长度难于确定合闸时电流冲击较大,列车容易产生冲动投资巨大,要建分区所,需要有一批管理和维护人员。
图1
(2)柱上开关自动断电方案
柱上开关自动断电方案的工作原理如图2所示,A、B两组真空开关在正常状态下均处于分断位置。
当电力机车运行至ab之间时,A组开关装置线圈有电流通过,磁铁吸合,真空开关在巧毫秒时间内闭合使ed段有电。
当电力机车运行至ed之间时,A组开关的线圈中无电流通过,磁铁释放,巧毫秒时间内A组真空开关断开,使d一e一g为无电区,机车惰行。
当电力机车运行至gh之间时,B组开关装置线圈有电流通过,同理B组真空开关闭合;当机车驶离i点后,B组开关线圈失电使B组开关断开,但此时该开关不起分断电流作用。
这样A、B两组开关回到初始状态。
这种方案的优点是:
比上一种方案来得简单,无须设立分区所,相应投资要少些;供电死区(d一e一f-g段或c一d一e一锻)比现有的分相区来得短,无需司机操作,机车上的主断路器不需分断。
这种方案的缺点是:
真空开关带负荷分断,需要经常维护,由于是柱式安装,难于实现100%备份,该方案的运行可靠性与机车通过分相区时的速度有关,即通过速度必须在一定范围内。
如果机车速度太低,机车尚未到达d点就过早地断电,靠惯性闯过供电死区时的速度损失很大,严重时甚至接近停车;如果机车速度太高,机车通过a一c段的时间太短,A组开关线圈得电时间太短,导致A组开关不能正常闭合。
所以这种方案难于适应临时限速、一度停车等特殊情况。
随着列车速度的不断提升和微机网络控制系统在车辆中的广泛使用,现代自动过分相装置更多的开始向车载定位的方向发展。
其中比较典型的方案包括车上自动控制断电方案和车载信息监测方案。
图2
(3)车上自动控制断电方案
车上自动控制断电方案的工作原理是当机车得到过分相预告信号后,首先进行确认,然后封锁触发脉冲,延时断开主断路器,使机车惰行通过无电区。
在通过无电区后,由机车自动检测网压从无到有的跳变并确认,再合主断路器,顺序启动辅机,然后限制电流上升率,一启动机车。
该方案中,除分相预告信号与地面设施有关外,其余一切操作都由机车自动完成,无需人工干预。
在离分相区两端约60米处的线路上,左、右各埋一块磁铁,一个分相区只需要四块磁铁。
机车头部靠近铁轨处左右各设一个感应器,当机车通过磁铁时,感应器就接收到信号,再由感应器向机车微机控制系统发送预告信号。
机车微机控制系统在收到该预告信号后延迟一定时间,向感应器发出一个20毫秒宽、110伏电平的复位信号,使感应器复位,预告信号随之消失。
所延迟的时间用于完成对预告信号的确认,封锁触发脉冲,等待电机电流衰减和断开主断路器,车上一般都装有高压互感器,用于提供一次侧电压信号和检测无功功率。
所以为了实现过分相的自动控制,一般不需另行增加设备。
该方案的优点是投资最低,仅需解决过分相的预告信号问题。
主断路器只分断辅机的小电流,而不需分段牵引电机电流,因而对主断路器电寿命影响不大。
过分相区后能自动控制电流上升率,不会有冲击电流,对列车造成的冲动也比较小,提高了乘客的舒适度。
过分相的自动控制与列车速度无关,可适应低速常速,准高速和高速的要求。
该方案的缺点在于:
地面磁铁的安装需要在路基上施工,牵涉部门多,施工难度大。
另外磁铁有可能人为的失效,造成漏检发生拉弧等行车事故。
为此,很多基于无线通信系统的地面定位方案的提出,其中比较典型的如基于RFID和GPS组合定位的替代方案。
1.2语音识别的研究
音识别以语音为研究对象,它是语音信号处理的一个重要研究方向,是模式识别的一个分支,涉及到生理学、心理学、语言学、计算机科学,以及信号处理等诸多领域,其最终目的是实现人与机器进行自然语言通信,用语言操纵计算机。
语音识别系统的分类方式及依据是根据对说话人说话方式的要求,可以分为孤立字(词)语音识别系统,连接字语音识别系统,以及连续语音识别系统。
进一步分为两个方向:
一是根据对说话人的依赖程度可以分为特定人和非特定人语音识别系统;二是根据词汇量大小,可以分为小词汇量、中等词汇量、大词汇量,以及无限词汇量语音识别系统。
不同的语音识别系统,虽然具体实现细节有所不同,但所采用的基本技术相似,一个典型语音识别系统的实现过程如图3所示。
2硬件系统部分
2.1硬件系统设计
2.1.1主控制器模块
2.1.1.1主控制器(ArmCortex-M4——Kinetis系列K60)最小系统电路图:
图4k60最小系统电路图
2.1.1.2所使用资源简介
ArmCortex-M4——Kinetis系列K60是飞思卡尔公司的一款32位微控制器,本设计中主要用到的资源有通用IO口,SCI模块,内部锁相环,中断,PWM模块等。
IO口:
采用通用IO口PORTD的8个通道作为ld3320数据口和PORTB的5个通道作为ld3320控制通道。
SCI模块:
SCI是一种采用NRZ格式的异步串行通信接口,它内置独立的波特率产生电路和SCI收发器,可以选择发送8或9个数据位(其中一位可以指定为奇或偶校验位)。
SCI是全双工异步串行通信接口,主要用于MCU与其他计算机或设备之间的通信,几个独立的MCU也能通过SCI实现串行通信,形成网络。
K60里有6个SCI(SCI0和SCI1)。
设计SCI串口通信程序,主要是掌握八个寄存器,设置好初始化。
锁相环:
主要产生更高的总线频率,本设计采用100M内核频率,100M总线频率,30MFlash频率。
PWM模块:
设计中由于ld3320芯片需要外部晶振来提供晶振源并且为了保证ld3320内部dsp工作稳定需采用有源晶振,出于简化电路的考虑我们采用频率12MHZ占空比50%的PWM来替代ld3320的外部晶振,由于pwm波的每个通道都有一个精确的计数器波形也是完美的矩形波,完全满足替代ld3320的晶振条件而且由于ld3320支持的频率位4Mhz到48MHz,pwm波频率可控制为后期软件调试带来很大帮助。
2.1.2电源模块
电源是一个系统正常工作的基础,电源模块为系统其他各个模块提供所需要的能源保证,因此电源模块的设计至关重要。
系统中接受供电的部分包括:
ld3320芯片、单片机模块、串口模块等。
设计中,除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外,还要在电源转换效率、噪声、干扰和电路简单等方面进行优化。
可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。
全部硬件电路的电源由7.2V,2A/h的可充电镍镉电池提供。
由于电路中的不同电路模块所需要的工作电流容量各不相同,因此电源模块应该包含多个稳压电路,将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。
由于系统使用7.2V镍镉电池供电,由于整个系统部分工作在5v电路中部分工作在3.3v电路中。
考虑到3.3v部分是整个系统的核心两个核心处理器均工作在3.3v电压下,所以3.3v电源采用二级串联稳压,先由lm7805将电源7.2v电压稳到5v电压,经短路测试lm7805可提供最大5v1.5A的驱动能力,整个系统均采用的是低功耗电子器件,经测试峰值电流在500ma左右所以用一片lm7805足以满足整个系统电路功率的需求。
3.3v支路则采用由lm7805芯片输出的5V电压再经过lm1117-3.3芯片进行稳压产生3.3v电源来保证控制回路电源的质量。
电源部分设计图5:
图5电源设计图
2.1.3语音识别部分
(1)语音识别芯片采用ICRouteld3320如图6:
图6
(2)语音识别芯片ICRouteld3320系统电路如图7:
(3)语音识别芯片ICRouteld3320管脚定义:
管脚编号
名称
IO方向
AD分类
说明
1,32
VDDIO
-
-
数字I/O电路用电源输入
2
(Reaserved)
-
-
(根据电路原理图连接上拉电阻)
3
(Reaserved)
-
-
(根据电路原理图连接上拉电阻)
4
(Reaserved)
-
-
(根据电路原理图连接上拉电阻)
5
(Reaserved)
-
-
(根据电路原理图连接上拉电阻)
6
(Reaserved)
-
-
(可以悬空)
7
VDD
-
D
数字逻辑电路用电源
8,33
GNDD
-
D
IO和数字电路用接地
9,10
MIC[P,N]
I
A
麦克风输入(正负端)
11
MONO
I
A
单声道LineIn输入
12
MBS
-
A
麦克风偏置
13,14
LIN[L,R]
I
A
立体声LineIn(左右端)
15,16
HPO[L,R]
O
A
耳机输出(左右端)
17
GNDA
-
A
模拟电路用接地
18
VREF
-
A
声音信号参考电压
19,23
VDDA
-
A
模拟信号用电源
20
EQ1
O
A
喇叭音量外部控制1
21
EQ2
I
A
喇叭音量外部控制2
22
EQ3
O
A
喇叭音量外部控制3
24
GNDA
-
A
模拟电路用接地
25,26
SPO[N,P]
O
A
喇叭输出
27,28
LOUT[L,R]
O
A
LineOut输出
29
(Reaserved)
-
-
(参考附录B.4的说明)
30
(Reaserved)
-
-
(参考附录B.4的说明)
31
CLK
I
D
时钟输入4—48(MHz)
34
P7
I/O
D
并行口(第7位)连接上拉电阻
35
P6
I/O
D
并行口(第6位)连接上拉电阻
36
P5
I/O
D
并行口(第5位)连接上拉电阻
37
P4
I/O
D
并行口(第4位)连接上拉电阻
38
P3
I/O
D
并行口(第3位)连接上拉电阻
39
P2/SDCK
I/O
D
并行口(第2位),共用SPI时钟连接上拉电阻
40
P1/SDO
I/O
D
并行口(第1位),共用SPI输出
41
P0/SDI
I/O
D
并行口(第0位),共用SPI输入连接上拉电阻
42
WRB*/SPIS*
I
D
写允许(低电平有效),共用SPI允许(低电平有效)连接上拉电阻
43
CSB*/SCS*
I
D
并行方式片选信号,共用SPI片选信号连接上拉电阻
44
A0
I
D
地址或数据选择。
在WRB*有效时,高电平表示P0~P7是地址,而低电平表示P0~P7是数据。
连接上拉电阻
45
RDB*
I
D
读允许(低电平有效)连接上拉电阻
46
MD
I
D
0:
并行工作方式1:
串行工作方式(SPI协议)连接上拉电阻
47
RSTB*
I
D
复位信号(低电平有效)连接上拉电阻
48
INTB*
O
D
中断输出信号(低电平有效)连接上拉电阻
(4)语音识别芯片ICRouteld3320内部寄存器:
编号(16进制)
说明
01
FIFO_DATA数据口
02
FIFO中断允许第0位:
允许FIFO_DATA中断;第2位:
允许FIFO_EXT中断;
05
FIFO_EXT数据口
06
(只读)FIFO状态第3位:
1表示FIFO_DATA已满,不能写。
第5位:
1表示FIFO_EXT已满,不能写。
其余位Bit:
Reserved。
08
清除FIFO内容(清除指定FIFO后再写入一次00H)第0位:
写入1→清除FIFO_DATA第2位:
写入1→清除FIFO_EXT
11
时钟频率设置1
17
写35H对LD3320进行软复位(SoftReset)写48H可以激活DSP;写4CH可以使DSP休眠,比较省电。
19
时钟频率设置2
1B
时钟频率设置3
1C
ADC开关控制写00HADC不可用写09HReserve保留命令字,具体使用按照给出的参考程序代码使用。
写0BH麦克风输入ADC通道可用(芯片管脚MIC_P,MIC_N,MBS,管脚9,10,12)写07H立体声Line-in输入ADC通道可用(芯片管脚LIN_L,LIN_R,管脚13,14)写23HMonoLine-in输入ADC通道可用(芯片管脚MONO,管脚11)
1D
时钟频率设置4
1E
ADC专用控制,应初始化为00H
20
FIFO_DATA上限低8位(UpperBoundaryL)
21
FIFO_DATA上限高8位(UpperBoundaryH)
22
FIFO_DATA下限低8位(LowerBoundaryL)
23
FIFO_DATA下限高8位(LowerBoundaryH)
24
FIFO_DATAMCU水线低8位(MCUwatermarkL)
25
FIFO_DATAMCU水线高8位(MCUwatermarkH)
26
FIFO_DATADSP水线低8位(DSPwatermarkL)
27
- 配套讲稿:
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