便攜式AF904數字軌道電路測試儀設計與實現

魏麗麗，施 聰，陸鑫源，王振明

（1.上海工程技術大學，上海 201620；2.上海地鐵維護保障有限公司，上海 200235；3.通號通信信息集團上海有限公司，上海 200070）

AF904型軌道電路是數字軌道電路的一種，能夠實現對軌道線路占用情況的監督及傳遞行車信息，已應用到多條地鐵線路中。其工作狀態直接關系列車是否正常運營。目前，對AF904型軌道電路的維護方式是利用示波器和萬用表定期測試軌道電路的電流、頻率，以判斷其工作狀態。這種傳統的維護手段存在效率低、可測試參數少，無法判斷軌道電路數據傳輸是否正常等缺點。因此，有必要提供一個可測多種參數、能分析、解碼軌道電路數據、具備故障報警功能的測試設備。

在軌道電路測量方面，文獻[1]提出了基于相關算法的軌道電路測量方法；文獻[2]提出了一種基于故障預測與健康管理開放式分層體系的軌道電路特征參數采集及信息處理設備；文獻[3]提出了基于51單片機測試25 Hz相敏軌道電路的設計方案。在軌道電路故障診斷方面，文獻[4]提出了基于粒子群支持向量機的軌道電路故障診斷方法；文獻[5]提出了基于遺傳算法的無絕緣軌道電路故障綜合診斷方法；文獻[6]建立了基于ANFIS的音頻軌道電路故障診斷和預測模型；文獻[7]提出了一種便攜式可檢測多種軌道電路故障的測試儀的設計方案。

本文針對AF904數字軌道電路，提出一種基于數字信號處理（DSP）的離散短時傅立葉變換（DSTFT）、數字濾波等關鍵技術的便攜式測試儀的設計和實現方案，以解決日常維護保養中傳統維護手段效率低，無法實現數據解碼等問題。該測試儀結合專門研制的軌道拖行小車，可實現在鋼軌上連續測試，并實時解碼、顯示軌道電路信息，為軌道電路的日常維護保養、故障診斷提供了非常重要的支撐數據。

1 測試儀功能設計

綜合AF904數字軌道電路現場應用情況及維護需求，測試儀具有電流、頻率等基本參數測量功能、測試數據分析功能、檢測結果可視化功能、輔助排查干擾源及報警等功能。

1.1 基本參數測量

具備對AF904軌道電路的基本參數電流、電壓和頻率進行測量的功能。測量范圍：

電壓：5 mV～200 V

電流：5 mA～20 A

頻率：20 Hz～20 kHz

測量精度：±5%

1.2 測試數據分析

測試儀采集軌道電路的電壓、電流和頻率等參數，對采集參數進行計算分析，根據所設閾值自動判斷軌道電路的工作狀態，實現對軌道電路性能指標的定量化分析。

1.3 數據解碼

傳統的測試手段不能對數字軌道電路傳輸的數據進行解碼，無法獲知速度碼等軌道電路的內部編碼信息，導致無法及時發現誤操作等造成的數據篡改。本測試儀可采集AF904數字軌道電路傳輸的數據，并對數據進行解碼，解析出軌道電路號、目標速度、目標距離等關鍵信息，便于維護人員核對及維護。

（1）微藻微觀水平的認識。從分子水平上認知微藻，了解其代謝途徑和機理，如微藻油脂積累途徑和太陽能轉化途徑。微觀水平的認識有利于使用現代化基因技術構建生長速度快、生物量高的優良藻種，提高微藻的太陽能轉化效率，解決油脂積累與生物量積累的矛盾。

1.4 測試結果可視化

測試儀可以在顯示屏上顯示信號電壓值、頻率、軌道電路號等信息，還可以在智能終端APP的界面中顯示解碼后的目標速度、目標距離等值，實現檢測結果的可視化。

1.5 輔助排查干擾源

目前,軌道電路的故障中除硬件故障外，發生最多的是干擾造成的故障，但由于現場設備較多，干擾信號很難排查，單靠市面上現有的儀器儀表，很難發現干擾源。該測試儀可以同時顯示軌道電路上接收到的3個信號最強的信號，便于預先查到干擾源。

1.6 報警

測試儀可事先設定各參數的閥值，并在超出閾值范圍時發出報警，輔助維護人員判斷軌道電路的工作狀態。

1.7 測試數據存儲和下載

測試儀預留數據對外輸出接口，可實現測試數據下載功能。另外，測試內置存儲芯片，可實現測試數據保存的功能，數據存儲容量為500 M。

1.8 手持式測試

測試儀體積小（長184 mm，寬110 mm，高75 mm），重量輕，可實現手持式測試。如需查看詳細測試數據，可以通過手機、平板電腦等智能終端APP實時查看測試參數及解碼后的數據，操作簡單便捷。

2 測試儀工作原理

測試儀采用電壓探頭、電流鉗、天線等多種方式作為信號采集工具，實現對軌道電路信號的采集，采集的信號經濾波后傳輸給DSP進行分析、解碼、顯示，并在參數超限時報警。原理如圖1所示，測試儀主要包含信號采集單元、信號濾波單元、信號處理單元和手持式終端等部分。

2.1 信號采集單元

信號采集模塊主要完成對軌道電路數據進行采集的功能。測試儀對信號的采集可采用電流鉗、電壓探頭和感應天線3種方式。電流鉗用來夾在棒線上采集軌道電路的信號。用電壓探頭采集信號時，可將電壓探頭與軌面直接接觸。感應天線用來在軌面上方以感應的方式采集軌道電路信號，可固定在軌道拖行小車上，實現對軌道電路信號的連續采集。

圖1 原理框圖

2.2 信號濾波單元

采集的信號經濾波器進行濾波。濾波器包含硬件濾波器和軟件濾波器兩種。硬件濾波器采用MAXIX帶通濾波器，軟件濾波采用FIR帶通濾波器，采樣率（Fs）為68 kHz。

2.3 信號處理單元

信號處理單元采用基于DSP的數據處理模塊，主要完成AD采樣、移頻鍵控（FSK）信號解調、數據解碼、參數定量化分析和數據傳輸等功能。AF904軌道電路的信號采用二進制移頻鍵控（BFSK）方式對載頻進行調制，構成不歸零反轉編碼數據（NRZI）。傳統的FSK信號解調主要采用相干解調算法，但其對噪聲比較敏感。由于軌道電路現場存在較多干擾信號，因此在解調時選擇采用了短時傅里葉變換（STFT）的算法實現對數字軌道電路FSK信號的解調。解調后的信號根據編碼協議進行解碼，解碼出軌道電路號、目標速度、目標距離等信息，傳送給信號顯示單元進行顯示。同時，對電壓、電流、頻率參數進行分析，在參數異常時發出報警信息。

2.4 智能終端APP

智能終端APP是基于安卓系統開發的可實現智能終端用戶與測試儀之間交互工作的軟件。把APP軟件預裝在任一安卓系統的智能終端上（如手機、平板電腦），在測試時可通過運行APP軟件對測試儀進行操控，并可實時在APP上查看解析的軌道電路的電壓、電流、頻率及編碼信息。同時，通過事先設定的門限值，APP軟件可根據采集到的電流大小判斷該軌道電路工作狀態是否正常，并在參數超標時在顯示屏上提示報警。

3 測試儀組成

測試儀由測試盒、采集工具（電流鉗、天線或電壓探頭）、智能終端APP和軌道拖行車（需要連續測試軌道電路信號時使用）組成，如圖2所示。測試盒是測試儀的核心，主要完成測試信號的處理、分析和報警功能。采集工具可采用電流鉗、電壓探頭或天線，采集工具與測試盒之間用基本網絡卡（BNC）接頭相連接。根據不同的測試需求，選擇不同的采集工具。如需要在軌面上單點測量，可選擇使用電壓探頭；如需要在棒線上測量，可以采用電流鉗夾在棒線上；如需要在軌面上連續測量則選擇天線作為信號采集工具，將天線固定在軌道拖行車上，實現連續測量的功能。

圖2 測試儀組成

4 關鍵技術

4.1 基于DSP的FIR數字濾波器

根據移頻信號相位連續的特性，測試儀采用了基于DSP的FIR數字濾波技術。根據實際的AD采樣頻率及信號的頻譜特征確定濾波器參數，利用Matlab計算濾波器系數，在Matlab中的計算如圖3所示。FIR濾波器主要的特點是沒有反饋回路，因此，它是無條件穩定系統。它的單位脈沖響應h(n)是一個有限長序列。FIR濾波算法實際上是一種乘法累加運算，它不斷地輸入樣本x(n)，經延時做乘法累加，再輸出濾波結果y(n)。濾波器參數設計如下：

（1）采樣頻率（Fs）：68 kHz

（2）帶通濾波器的下過渡帶的參數：Fstop1=8 kHz；Fpass1=9 kHz

（3）帶通濾波器的上過渡帶的參數：Fstop2=18 kHz；Fpass2=17 kHz

（4）通帶波紋不超過0.2 dB，阻帶衰減不小于60 dB。

圖3 Matlab計算濾波器參數

4.2 基于 DSTFT的 FSK 信號解調技術

AF904軌道電路數據信息以二進制移頻鍵控（BFSK）方式對載頻進行調制，構成不歸零反轉編碼數據（NRZI），其數據波形如圖4所示[8]。

圖4 NRZI數據編碼波形

測試儀采用了DSTFT解調BFSK信號。DSTFT定義為：

其中： x(n)為輸入信號序列，w(n)為移動窗函數，N為窗寬度。式（1）可以看作是信號 x(n)在“分析時間”n附近的“局部頻譜”,當n變化時,得到信號頻率隨時間n變化的規律[9]。根據 DSTFT的原理，實現對AF904軌道電路BFSK信號的解調，實現框圖如圖5所示。

圖5 利用DSTFT解調BFSK信號流程

5 應用及應用效果

便攜式AF904數字軌道電路測試儀已經在現場測試中得到了應用，經過與示波器測試結果對比，該測試儀能夠準確測量AF904數字軌道電路的基本參數，測試精度在±5%之內，滿足日常維護要求，且能夠實時查看解碼后的數據，為維護人員判斷軌道電路的狀態提供了有力的數據支撐。另外，與傳統的維護工具示波器和萬用表相比，測試儀體積小，重量輕，操作簡便，很大程度上減少了維護人員的工作量，在軌道電路的日常維護保養中發揮了重要作用。

6 結束語

本文針對AF904數字軌道電路，結合現場維護需求，研制了便攜式的數字軌道電路綜合測試儀，代替傳統工具對軌道電路進行日常維護保養，提高了維護效率及維護質量，具有一定的推廣意義。