50 HZ 微電子相敏軌道電路接收器系統的設計

趙德生（南京鐵道職業技術學院，講師，江蘇　南京　210031）

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50 HZ 微電子相敏軌道電路接收器系統的設計

趙德生
（南京鐵道職業技術學院，講師，江蘇南京210031）

摘要：為克服目前廣泛使用的50 HZ單軌條相敏軌道電路所存在的缺點，設計了50 HZ微電子相敏軌道電路接收器系統，本文首先介紹了該系統的結構和工作原理；其次介紹了接收器系統硬件電路的設計，包括調相防雷器、接收器；最后介紹了接收器軟件的設計，包括軟件的設計思路、軟件的結構框架、軟件的主程序流程圖。

關鍵詞：相敏軌道電路；硬件電路；接收器；軟件

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.02.008

項目來源：南京鐵道職業技術學院青年基金項目

地鐵停車場和車輛段中使用的軌道電路設備，用來檢查軌道區段空閑與否，作為聯鎖排列進路需檢查的條件之一〔1〕，目前廣泛使用的50 HZ單軌條相敏軌道電路，其受電端采用交流二元繼電器，在應用過程中，有繼電器卡阻、返還系數低等缺點，本文旨在采用單片機技術，來實現相敏軌道電路受電端的接收功能，從而克服原有50 HZ相敏軌道電路中受電端存在的缺點，來確保整個信號系統的可靠運行。

1　系統結構和基本原理

本文主要介紹圖1中黑色方框部分，即接收器系統的設計。

圖1　軌道電路的系統結構框圖

該軌道電路采用雙接收器的冗余設計，其受電端的GJ吸起的條件：1）該區段鋼軌完整且空閑。2）加到接收器上兩路電源（GJZ110、GJF110和TFQ的輸出電壓GZ、GF）的相位差為00，同時滿足以上2個條件，接收器的輸出電壓（SCZ、SCF）才足以驅動JWXC-1700型繼電器吸起，證明該區段是空閑的。

2　接收器系統硬件電路的組合連接

調相防雷器、接收器、報警盒均采用鐵路信號AX型繼電器外殼和繼電器插座，各部件之間的連接如圖2所示。

圖2　接收器系統的組合連接圖

通常一層組合可放置4個區段的接收器設備，為了提高可靠性，每個區段采用2個接收器，每個調相防雷器盒內部有2套調相防雷器，可供兩個區段使用，而每個報警盒可供四個區段使用。

3　調相防雷器的電路設計

調相防雷器作為接收器輸入接口，其主要作用為匹配軌道輸出阻抗，雷電防護，輸出信號與輸入信號反相。調相防雷器電路見圖3所示。

圖3　調相防雷器電路圖

圖3中的71、81為輸入端子，氣體放電管和壓敏電阻起到雷電防護的作用，電容FC 1、FC 2分別與端子72、82相連，為現場應用調整電容；電容FC 3為調整電容，產品生產時，通過調整其大小與變壓器抽頭，使系統輸入阻抗符合指標；電容FC 4與變壓器FT1并聯，起到匹配阻抗作用；變壓器FT 1對信號進行放大，反相〔2〕。

4　接收器的硬件電路

接收器硬件電路主要分為電源模塊、軌道采集模塊、局部采集模塊、芯片處理模塊、輸出模塊共5個部分，見圖4所示。

圖4　接收器的硬件電路

1）接收器設計有電源電路，將DC 24 V電源轉化為DC 12 V 6 V VCC（5 V），為其他模塊提供工作電源，并帶有故障處理功能。

2）接收器設計軌道采集電路，將調相防雷器轉換過來的軌道信號，經過軌道采集電路傳輸至芯片處理模塊。

3）接收器設計有局部采集電路，用于將局部電源信號轉化為方波信號，然后輸入到芯片處理模塊進行處理。

4）接收器設計有芯片處理電路，根據軌道采集電路及局部采集電路所傳輸來的兩路信息，通過芯片內部程序判斷軌道狀態（不輸出），雙機通信進行比較后，來判斷軌道狀態（按此狀態輸出），從而輸出信號。在芯片中設計軟件，軟件實現A/D采樣，狀態判斷，雙機通信，控制信號輸出等功能。

5）接收器設計有輸出電路，接收器通過輸出電路輸出軌道繼電器控制信號，并將最終輸出信號反饋至芯片。

5　接收器的軟件設計

本軟件為嵌入式軟件，采用分模塊的設計思想，不使用操作系統，程序周期性的采集信號，處理數據，控制輸出信號。

軟件采用模塊化設計，劃分初始化模塊、采集模塊、計算模塊、判斷一模塊、通信模塊、判斷二模塊、中斷模塊共7個模塊，共同完成軟件整體功能。

5.1軟件的時序調度由于不采用操作系統，因此軟件調度設計為順序執行，即在主程序里無限循環，周期性地進行采集、計算、通信、判斷等任務，在中斷中完成輸出功能。

初始化結束后，進入前臺調度。前臺調度是一個無限循環，內部順序執行各個功能，后臺調度主要處理中斷向量（見圖5所示）。中斷由延時觸發，指的是每間隔一定時間觸發中斷。中斷發生后，即執行中斷處理程序，然后返回前臺調度程序，中斷判斷不同狀態返回前臺調度不同位置〔3〕。

圖5　軟件調度流程圖

5.2軟件行為接收器的軟件可以看作是一個處理器控制器——不停地從外部采集軌道、局部信號，將信息加工處理后進行判斷軌道狀態，控制輸出信號，如圖6所示。

圖6　軟件行為模型

5.3軟件構架軌道信號，局部信號為軟件輸入，判斷模塊一根據軌道電壓、相位差等數據判斷軌道狀態二，通信模塊進行雙機的數據交換；判斷模塊二根據數據交換信息及軌道狀態二來判斷軌道狀態三，中斷模塊根據軌道狀態三控制輸出端口。軟件構架見圖7所示。

圖7　軟件架構

該軟件使用15個采樣周期進行判斷，當大于等于7個周期的占用狀態輸出占用信息，進行軌道狀態判斷時，同時判斷相位信息（軌道信號與局部電源相位差）和軌道電壓信息。

5.4軟件模塊的劃分初始化模塊：完成初始化功能，包含MCU啟動的初始化寄存器配置，I/O口配置等，輸出控制端口、A/D采集通道和采集時間及轉換時間的配置，SPI通信口工作模式的初始化配置、采集時鐘、中斷模式的配置等等〔3〕。

采集模塊：完成軌道信號80次模數轉換，將采樣值填充到采樣數據緩沖區，同時采集局部電源信號，判斷局部信號是否有脈沖邊沿變換，并記錄到局部信號存儲緩沖區。

計算模塊：根據A/D采樣結果和局部采樣結果來計算軌道信號電壓，計算軌道信號同局部信號之間相位差。

判斷一模塊：根據計算模塊的計算結果判斷單周期軌道狀態（狀態1）及多周期統計軌道狀態（狀態2），填充到數據緩沖區。

通信模塊：根據判斷一模塊的計算結果，通知對方機，本機計算完畢并進入雙機通信就序狀態，MCUA作為主機發起雙機通信，通信信息包含起始握手、軌道狀態（狀態2）、軌道信號電壓、相位差等信息，并同步接收MCUB回傳信息。MCUB根據MCUA同步時鐘接收MCUA通信信息并同步發送本機的信息。

判斷二模塊：通信結束后，單個MCU根據對方MCU軌道狀態2，本機軌道狀態2，判斷本機最終軌道狀態（狀態3），填充控制狀態緩沖區。

中斷模塊：中斷被觸發后，根據軌道狀態3，控制輸出端口輸出，MCUA根據結果輸出高低電平，MCUA根據計算結果啟動或停止輸出控制脈沖，最終硬件輸出結果由硬件電路將MCUA和MCUB的輸出結果合成最終控制狀態。軟件的主程序流程見圖8所示。

圖8　主程序流程圖

6　結論

本文采用單片機技術所設計的50 HZ微電子相敏軌道電路，采用雙CPU實現二取二安全冗余，當CPU多次通信結果一致時，動態驅動軌道繼電器，提高了可靠性和安全性，克服了原有50 HZ相敏軌道電路受電端二元二位繼電器接點容易卡阻、返還系數低、抗電氣化干擾性能差等缺點。

參考文獻：

〔1〕林瑜筠.城市軌道交通信號〔M〕.中國鐵道出版社，2008.

〔2〕付茂金.高速鐵路通信信號綜合防雷技術.科學出版社，2014.

〔3〕江和.PIC16系列單片機C程序設計與PROTEUS仿真〔M〕.北京航空航天大學出版社，2010.

中圖分類號：U284.2

文獻標識碼：A

文章編號：1006-8686（2016）-02-0022-03