鐵路安全繼電器檢修中模擬量采集的設(shè)計(jì)

侯青祥

（西安全路通號(hào)器材研究有限公司，西安 710043）

鐵路安全繼電器檢修中模擬量采集的設(shè)計(jì)

侯青祥

（西安全路通號(hào)器材研究有限公司，西安 710043）

鐵路安全繼電器是列車安全穩(wěn)定運(yùn)行中的關(guān)鍵信號(hào)產(chǎn)品，每到一定時(shí)間就需要進(jìn)行檢修更換測試，本文根據(jù)繼電器的型號(hào)、電氣特性和接點(diǎn)、線圈電阻的測量范圍，開發(fā)了鐵路安全繼電器電氣特性和接點(diǎn)線圈電阻的測試系統(tǒng)，使用INA118、OPA340運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)前端的信號(hào)處理電路，使用LTC1966處理交流信號(hào)，使用STM32單片機(jī)的自身12位AD轉(zhuǎn)換器采集模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了安全繼電器的精確穩(wěn)定測量。

鐵路安全繼電器；交流信號(hào)測試；STM32；信號(hào)處理

鐵路信號(hào)繼電器廣泛應(yīng)用于鐵路信號(hào)控制中，是鐵路信號(hào)系統(tǒng)中的關(guān)鍵器材。隨著我國鐵路總里程數(shù)的增加，每年會(huì)有大量的繼電器需要替換和生產(chǎn)。由于繼電器的種類繁多，電氣特性各有差別，傳統(tǒng)的檢修測試系統(tǒng)測試對(duì)象單一、功能有限。本文以鐵路《信號(hào)維護(hù)規(guī)則技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)說明》為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了準(zhǔn)確度高、測試范圍寬的檢修模擬量采集系統(tǒng)，不但降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，消除人為誤差，提高測試精度，實(shí)現(xiàn)繼電器數(shù)據(jù)的合理管理，提高電務(wù)部門的繼電器檢修效率。

1 方案概述

安全型（AX）繼電器種類繁多，其中大部分是直流磁路，也有部分交流型繼電器。主要分類如下：無極繼電器、整流型繼電器、有極繼電器、偏極繼電器和單閉磁繼電器。鐵路用繼電器的電氣特性的測試順序如圖1所示。

圖1 繼電器電氣特性測試流程圖

繼電器的電磁特性值包括充磁值、釋放值、工作值和反向工作值。模擬采集的參數(shù)包括交直流電流和電壓，因此模擬量采集需要包括信號(hào)的放大選擇電路、交直流的切換電路、濾波電路、電壓跟隨電路，模擬量的采樣使用STM32控制器自帶的12位AD采集通道。可以根據(jù)上位機(jī)指令，自動(dòng)完成電氣特性的測量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

繼電器的種類不同，工作值、釋放值和方向工作值，以及接點(diǎn)電阻、線圈電阻不同，所以必須給繼電器提供其工作所需要的電源。系統(tǒng)包括：分流電路、分壓電路、信號(hào)處理電路，模擬采集部分。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 電路工作順序

（1）采樣信號(hào)的處理。電壓的處理，選用分壓電阻設(shè)計(jì)250 V、80 V、25 V；電流部分分流電阻設(shè)計(jì)10 A、5 A、1 A、0.5 A、0.1 A；電阻的測量采用信號(hào)的放大處理。

（2）電流、電壓、電阻測量回路的搭建。使用各類繼電器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行切換。

（3）差分處理電路。使用INA118差分運(yùn)算放大器對(duì)電流、電壓和電阻信號(hào)進(jìn)行處理，去除差分干擾信號(hào)。

（4）若是直流信號(hào)，則對(duì)差分后的信號(hào)進(jìn)行濾波、隨后直接進(jìn)行AD采集；若是交流信號(hào)，則通過切換電路，使用有效值芯片LTC1966對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換，變成直流信號(hào)后再進(jìn)行相應(yīng)的處理。

（5）AD采集使用STM32自帶的12位AD轉(zhuǎn)換接口，其采集精度可以達(dá)到1 mV，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)采集結(jié)果判定信號(hào)的大小，進(jìn)而確定放大倍數(shù)并將對(duì)應(yīng)的放大電路接入到INA118的增益端，最后獲得準(zhǔn)確的信號(hào)值。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 差分信號(hào)處理電路

模擬信號(hào)采集前端有很多共模干擾信號(hào)，使用INA118差分運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，濾除共模干擾。INA118具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，適合對(duì)各種微小信號(hào)進(jìn)行放大。它內(nèi)置輸入過壓保護(hù)，且可通過外置不同大小的電阻實(shí)現(xiàn)不同的增益，是一款抗干擾能力強(qiáng)、使用方便的儀表放大器。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的共模信號(hào)處理電路如圖3所示：電路前端使用RC濾波器不僅可以形成對(duì)模擬采集系統(tǒng)的差分信號(hào)，而且還可以濾除一定頻率的差模干擾；對(duì)于微小的信號(hào)則使用運(yùn)放的增益功能對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行放大處理。后端的RC濾波器可以消除頻率約為3 kHz的噪聲，使得信號(hào)更加平穩(wěn)，有利于后期電路的采集。

圖3 INA118差分運(yùn)放電路

2.2 交流信號(hào)采集

交流信號(hào)的采集是整個(gè)模擬量采集中的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的交流信號(hào)采集軟件計(jì)算過程繁瑣且精度低。本系統(tǒng)使用的處理器件是ΔΣ RMS-to-DC轉(zhuǎn)換器，即真有效值轉(zhuǎn)DC芯片LTC1966，可以在0～1.3 V范圍內(nèi)對(duì)交流信號(hào)按照1:1比例轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的直流有效值信號(hào)，這樣就可以方便AD采集，降低電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的工作量。圖4是交流信號(hào)的處理電路。

圖4 電路設(shè)計(jì)

為了在測試過程中LTC1966交流轉(zhuǎn)換電路不會(huì)對(duì)別其他電路產(chǎn)生干擾，這里使用開關(guān)繼電器將這部分電路完全切開。使用時(shí)串接到差分運(yùn)放和RC濾波之間。這樣避免了部分電路對(duì)直流信號(hào)的采集帶來影響。

2.3 電壓跟隨器

RC濾波信號(hào)輸出后需要加一個(gè)電壓跟隨器，電壓跟隨器有著高輸入阻抗和低輸出阻抗的特性，以實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)AD采集器件的阻抗匹配，使得前端的信號(hào)平穩(wěn)地到達(dá)AD采集的輸入端。另外由于RC電路輸出的信號(hào)是正電壓信號(hào)，所以使用OPA340運(yùn)算放大器作為單電源的跟隨器，設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 電壓跟隨器

2.4 AD信號(hào)采集

使用STM32F103ZET6自帶的12位AD采集模塊，外部參考基準(zhǔn)電源使用2.5 V的REF3025基準(zhǔn)電源芯片。其采集精度可以達(dá)到1 mV，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6所示是AD采集端的標(biāo)準(zhǔn)電源設(shè)計(jì)。將模擬量直接輸入到控制器的模擬采集端口，這里的基準(zhǔn)電源供給控制器的Vref+端口，在電路板設(shè)計(jì)時(shí)，控制器的模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的電源應(yīng)該隔離開，這樣可以減少數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)電源電路

2.5 EEPROM存儲(chǔ)電路

由于模擬采集板要采集的安全型繼電器的種類很多，并且電流、電壓以及電阻等特性的變化范圍也很大，所以在采集過程和校準(zhǔn)過程中需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行很多的參數(shù)設(shè)置。

這里設(shè)計(jì)了EEPROM存儲(chǔ)電路，用來存儲(chǔ)這些固定的參數(shù)，圖7所示是EEPROM電路。

圖7 EEPROM存儲(chǔ)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

模擬板的軟件流程如圖8所示，模擬板從EEPROM中讀取電流和電阻的檔位系數(shù)以及偏置系數(shù)，執(zhí)行主循環(huán)程序，并開啟串口中斷。當(dāng)上位機(jī)發(fā)來的指令經(jīng)CRC校驗(yàn)正確后，解析所收到的指令，并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。

圖8 系統(tǒng)整體流程圖

模擬量的采集程序如下所示，其中變量channel是采集量的通道參數(shù)，程序內(nèi)部包括讀取模擬量信息的轉(zhuǎn)換值和處理放大倍數(shù)的實(shí)現(xiàn)過程。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)鐵路用繼電器，設(shè)計(jì)了一套量程寬、精度高的模擬量采集系統(tǒng)，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鐵路用繼電器的線圈、電阻等的測試要求。系統(tǒng)測試精度是10 mV和1 mA，測量誤差小于2%，可以測量交直流電流和電壓，電壓范圍在0～300 V，電流范圍在0～10 A。降低了檢測成本，提高了檢修效率。本系統(tǒng)已經(jīng)在2014年年底完成組裝和調(diào)試，設(shè)備運(yùn)行良好，精度及自動(dòng)化程度可以滿足檢驗(yàn)檢修的測試要求，極大地降低檢修人員的工作量。該系統(tǒng)將在相關(guān)檢修單位投入使用。

[1] 中華人民共和國鐵道部.信號(hào)維護(hù)規(guī)則技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)說明[S].北京：中國鐵道出版社，2002.

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[3] 劉曉玉.鐵路信號(hào)在鐵路運(yùn)輸中的地位與作用[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2003（4）：79-80.

[4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T7417-2010鐵路信號(hào)AX系列繼電器[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2010.

[5] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T6902-2010鐵路信號(hào)繼電器試驗(yàn)方法[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2010.

責(zé)任編輯 陳 蓉

圖4 算法對(duì)比

4 結(jié)束語

本文針對(duì)當(dāng)前客運(yùn)發(fā)展的不可直達(dá)性或直達(dá)票源緊張現(xiàn)象，研究鐵路換乘方案的路徑選擇算法，比較分析了啟發(fā)式A *算法及Dijkstra算法的效率性能，對(duì)A*算法啟發(fā)函數(shù)進(jìn)行了適用于鐵路換乘的改進(jìn)，提高了算法在鐵路換乘尋址中的執(zhí)行效率，使路徑的選擇更加準(zhǔn)確快捷，初步滿足了乘客一次換乘的需求。但仍存在一定的不足，如在執(zhí)行效率的提高上，是以犧牲存儲(chǔ)空間為代價(jià)的。另外，換乘算法需要更人性化的換乘機(jī)制，還需進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，滿足乘客更多的需求。

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[6]曼哈頓距離[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/741153.htm.

[7]歐式距離[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/1615257.htm#ref_[1]_1615257.

責(zé)任編輯 楊琍明

Design of analog collection in railway safety relays repair

HOU Qingxiang
( Xi’an Railway Signal Research Co.Ltd.,Xi’an 710043,China)

Railway safety relays are the key signal products for safe and stable operation of the train.At a certain time,they need to be repaired,replaced,and tested.According to the type of relay,electrical characteristics and contacts,measurement range of coil resistance,etc.,it was developed a test system for the railway safety relays.Precise and stable measurement of safety relays was implemented by using INA118 and OPA340 to design the front-end signal processing circuit,using LTC1966 to process the AC signal,using 12 AD converter of STM32 microcontroller to collect analog signal.

railway safety relays;AC signal test;STM32;signal processing

U284.7∶TP39

A

1005-8451（2016）01-0037-04

2015-04-29

侯青祥，助理工程師。