軌道絕緣節阻抗在線測試儀的設計

樊依林

(中國煤炭科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安710077)

軌道絕緣節阻抗在線測試儀的設計

樊依林

(中國煤炭科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安710077)

文中論述了軌道絕緣節阻抗在線測試儀的設計原理,以STM32F103VC Cortex-M3為核心,產生100 kHz高頻方波信號,由恒流源電路輸出到被測軌道絕緣節兩端,并由處理器內部高速ADC對測量點兩端電壓值進行采集,通過FIR濾波器濾除牽引電流回流及軌道各種頻率信號,分離出能夠表征絕緣節阻抗變化的信號分量,最終計算出被測軌道絕緣節阻抗值。實驗表明文中所研究的軌道絕緣節阻抗在線測試儀有一定應用前景。

軌道絕緣；FIR濾波器；Cortex-M3；高頻激勵

軌道電路是列車運行安全控制的重要基礎設備。它是以鐵路線路上的兩根鋼軌作為導體,兩端為鋼軌絕緣（或電氣絕緣）分界,并用導線連接信號源和接收設備構成的電路,用以檢查有無列車、傳遞列車占用信息及實現地面與列車間傳遞信息的電路。它的工作可靠與否將直接影響列車運行狀態與效率,直接影響運輸生產的安全［1］。

列車電務系統發生的行車故障中大部份是由道岔和軌道電路故障引起,而軌道電路故障又大部份由絕緣節破損引起。由于軌道絕緣節破損的原因較復雜,這些絕緣包括鋼軌軌端絕緣、道岔安裝裝置絕緣、軌距桿絕緣等各種軌道絕緣,查找較困難。目前主要通過拆除軌道絕緣兩端的軌道電路設備和軌道絕緣本身,用萬用表或絕緣搖表測量絕緣節阻抗并估計絕緣破損情況,工作量大并且測試結果不準確［2］。因此,研究一種能夠快速、簡單、便捷地在線測量軌道絕緣節阻抗的儀表具有很重要的意義。文中研究的軌道絕緣節阻抗在線測試儀用于在線檢測軌道絕緣狀況,判斷軌道絕緣節電阻大小是否滿足列車運行安全標準。軌道絕緣節阻抗在線測試儀的研究能夠減輕鐵路信號養護人員的勞動強度,提高故障判斷效率,以保證鐵路運輸的安全,提高運輸效率。

1 測量原理

軌道在正常運轉時存在復雜的通訊信號,信號頻率主要為 10.3、11.4、12.5、13.6、14.7、15.8、16.9、18、19.1、20.2、21.3、22.4、23.5、24.6、25.7、27.9、29、50、1 700、2 000、2 300、2 600Hz等［3］,但通訊信號電流大小未知。要實現絕緣節阻抗的在線測量,首先得保證測試儀不會對軌道電路現有信號造成影響,其次能在復雜的干擾環境下提取有用的被測量。本文研究的軌道絕緣節阻抗在線測試儀通過在被測軌道絕緣節兩端加入恒流高頻脈動信號,由高速ADC采集該信號,通過測試儀內部的STM32F103VC Cortex-M3處理器進行變換分析,濾除牽引電流及軌道各種頻率信號,分離出能夠表征絕緣電阻變化的信號分量來,計算出被測軌道絕緣節兩端的阻抗,最終由LCD液晶顯示屏顯示阻抗值。系統結構框圖如圖1所示。

STM32F103VC處理器通過定時器1產生100 kHz,50﹪占空比的方波［4］,經由恒流源電路輸出有效值為1 mA的電流至被測軌道絕緣兩端。通過檢測電路對軌道激勵電流接入點之間的電壓信號進行放大處理,由處理器內部高速AD以1 Msps的采樣速度進行采樣,經過FIR濾波器濾除軌道電路中低頻通訊信號,提取出100 kHz激勵信號頻率分量的幅值,計算出在100 kHz/1 mA電流激勵下被測軌道絕緣兩端產生電壓真有效值的大小,由歐姆定理可以求出絕緣節阻抗值R。

圖1 系統結構框圖Fig.1 The system block diagram

2 系統硬件設計

硬件電路包括STM32F103VC處理器及其外圍電路、恒流源電路、差分放大電路、供電電路、顯示及按鍵等。

2.1 恒流源電路

STM32F103VC通過定時器1實現50﹪方波信號發生,由I/O口輸出,其峰峰值為3.3 V,為單極性信號。經過圖2所示電路,可以在T1和T2接觸點之間產生峰峰值為2 mA,真有效值為1 mA的恒定電流。

圖2 恒流源電路Fig.2 Constant current source circuit

該電路主要需要考慮運放器件的選擇。由于該電路需要對方波信號進行處理,因此運放的壓擺率和帶寬是影像輸出信號波形和幅值的主要因素。AD8532的壓擺率為5 V/μs,帶寬為3 MHz,在ADC采樣率為1 Msps,采樣范圍為0～2.5 V的硬件基礎下足以滿足測量精度要求。

2.2 差分放大電路

高頻激勵電流信號通過兩根表筆引到軌道測試點,由歐姆定理可知,在兩接觸點之間會產生與兩點間阻抗成正比的電壓。該電壓為浮動電壓,因為表筆輸出沒有與測試儀內部共地,且軌道內存在幅值未知的電流信號,同樣會再測試點之間產生電壓值,因此需要通過差分放大電路來對測試點之間的電壓進行提取和放大［5］。電路原理圖如圖3所示。

INA111是具有優越性能的高速FET輸入儀表放大器。內部用一個電流反饋布局提供了極寬的帶寬（G=10時2 MHz）和快速的穩定時間（G=100時,4 μs,0.01﹪）。用一個外部電阻,可設定從1～1 000的任意增益值。FET輸入減小了輸人偏流,使之低于20pA,有簡單的濾波和限制電路,而且它具有極高的輸入阻抗,因此INA111在本設計中可以大大簡化測量電路的復雜程度。

圖3 差分放大電路Fig.3 Difference amplifier circuit

3 FIR數字濾波器

模擬濾波器有其自身的缺點,即容易受外界干擾,穩定性不夠好。數字濾波器在計算機技術的推動下應用的越來越普遍,實現也越來越簡單。數字濾波器和模擬濾波器相比,有精度高、靈活性強、不要求阻抗匹配和實現模擬濾波器無法實現的特殊濾波功能等優點［6］。文中結合系統在線測試的原理,設計數字濾波器來濾除鐵路通信信號等干擾信號。數字濾波器是一種用來過濾時間離散信號的數字系統,通過對抽樣數據進行數學處理來達到頻域濾波的目的。根據其單位沖激響應函數的時域特性可分為兩類:無限脈沖響應（IIR）濾波器和有限脈沖響應（FIR）濾波器。IIR數字濾波器的缺點就是只保證了幅頻特性的一致,不具有線性相位。而有限沖激響應（FIR）數字濾波器容易設計成線性相位,由于FIR濾波器的傳輸函數的極點固定在原點,只能用較高的階數達到高的選擇性。但是,穩定和嚴格的線性相位特征是FIR數字濾波器最大的優點［7-9］。

文中FIR濾波器的實現是利用STM32的庫函數這一工具,STM32庫函數十分豐富,用庫函數實現濾波簡單,方便,而且效果十分明顯,從而減小了綜合應用中的開銷。這里需要注意的是STM32的DSP庫要求濾波器系數的個數必須是4的倍數,而濾波器的階數應該為系數個數減一。Fir的函數輸入是16位的向量x,輸出32位的向量a。stm32f10x_it.c中宏定義了濾波器長度M,濾波器輸出數據長度為N,響應的濾波器輸入長度為M+N-1。本文在這里M取32,N為采集到的數據點數,取1 024個點,濾波器參數輸入到結構體中,設定好輸入長度,然后用FIR濾波處理函數來實現濾波功能。

4 測量系統的軟件實現

文中采用的開發工具是Keil MDK。軟件系統的設計根據硬件電路各個模塊完成的不同功能,采用模塊化的設計方式,把測試儀要完成的功能模塊化,再編寫各個模塊的軟件。對各個模塊的功能完成軟件調試后,再對各個模塊完成協調整合,最后完成測試儀系統軟件設計。測量系統軟件設計主要包含A/D采樣、FIR濾波算法、真有效值計算、阻值計算和誤差補償等。程序設計主要是基于STM32固件庫進行的,具有開發簡單,可讀性強,代碼維護難度低等優點。系統軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

5 測量數據

首先,用本系統測試了標稱值從10～70 Ω的電阻,對誤差進行評定。每隔10 Ω測一個數據點,測量3次,用Wayne Kerr Electronics公司的6500系列高精度阻抗測試儀 （精度可達 ±0.05﹪）的測量數據為基準,對本系統測量電阻做誤差評定并跟阻抗儀測試的數據進行比較,表1給出了測得的數值。

表1 測量數據Tab.1 Measurement data

6 結論

文中設計的軌道絕緣節阻抗在線測試儀以STM32F103VC Cortex-M3為核心,產生100KHz50﹪占空比高頻方波信號,由恒流源電路輸出到被測軌道絕緣兩端,并由處理器內部高速ADC對測量點兩端電壓值進行采集,通過FIR濾波器濾除牽引電流回流及軌道各種頻率信號,分離出能夠表征絕緣電阻變化的信號分量,最終計算出被測軌道絕緣節阻抗值。該測試儀具有操作簡單、攜帶便捷、抗干擾能力強、測量精度高等優點,極大降低維修人員的勞動強度,提高了故障判斷效率。

［1］李偉，周建平.軌道絕緣測試儀的研究［J］.中國鐵路，2004，（9）:47-49.LI Wei，ZHOU Jian-ping.Research of the track insulation testing instruments［J］.Chinese Railways，2004，（9）:47-49.

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Design of the track insulation joint impedance testing instruments on-line

FAN Yi-lin
（Xiˊan Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp,Xiˊan 710077,China）

This paper analysis the track insulation joint impedance on-line testing instrument of the measuring principle，based on STM32F103VC Cortex-M3.Using microcontroller generate 100 kHz high frequency square wave signal as excitation.Then use the current source circuit output current loaded into the insulation at both ends of the measured track.by the internal high-speed ADC processor data sampling，Through the FIR filter to filter out the traction current return and all kinds of low frequency signals in track，the separation can characterize the insulation impedance change signal components.Ultimately calculate the insulation impedance of the measured track.Experimental results show that，the system has good a good application prospect.

the track insulation；FIR filter；Cortex-M3；high frequence drove

TN709

：A

：1674-6236（2015）18-0127-03

2014-12-23稿件編號：201412221

樊依林（1986—）,男,陜西西安人,碩士研究生。研究方向:儀器科學與技術。