計軸軌道電路信號檢測采集模板的設計與實現

李永菲

【摘 要】隨著我國社會經濟的發展，鐵路交通事業也得到了較快的發展。由于列車具有較重的質量、較快的運行速度等，其制動距離也變得較長，為了保證列車的行駛安全，需要確保相應的區間內沒有其他列車運行，這就需要進行線路的檢測。而計軸是檢測鐵路軌道相關區間內通過的車輪個數的信號設備，計軸軌道電路信號檢測采集模塊能夠測量計軸頻率信號，其具有專業的測量能力和獨特的應用特點，表現出較強的現場適應性，在多種交通軌道計軸系統信號的監測中得到了廣泛的應用。文章主要探討了計軸軌道電路信號檢測采集模塊的設計和實現，為計軸系統的更好應用提供了一定的參考。

【關鍵詞】計軸軌道電路;信號檢測采集模板;設計與實現

【中圖分類號】U284.47 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）10-0028-02

0 引言

在目前情況下，計軸軌道電路信號檢測采集模塊是唯一能夠對計軸頻率信號進行測量的產品。隨著鐵路現代化的發展不斷加快，加強對鐵路線路是否被占用的檢測能夠保證列車的安全、穩定運行。使用計軸采集模塊能夠根據采集的信號及時發現系統中將要發生的故障，并且進行相應的預報警，確保系統的安全可靠運行。當計軸采集模塊檢測出系統中存在的故障后，它能夠根據相應的數據對故障的位置及性質進行快速、準確的判斷，幫助維修人員及時發現問題并減少相應的維修時間，從而有效保證鐵路的安全穩定運行。計軸設備的運行情況與鐵路軌道的狀態無關，使用計軸設備可以對長軌道區間空閑占用狀態進行檢測，也不會因為軌道的變化而影響到鐵路的正常運行。

1 計軸系統相關概述及信號檢測采集模塊主要原理

1.1 計軸系統相關概述

在鐵路交通領域中，計軸是一種廣泛用于檢測鐵路軌道相關區間內通過的車輪個數的信號設備，其工作原理是利用閉環傳感器對經過相應區間的車輪對數進行檢測，通過計軸設備處理后將車輪對數發送到對方站進行相應的對比，進而判斷列車行使過的空間處于空閑的狀態。計軸系統與傳統的軌道電路相比較具有較多優點，不會受到相關環境的影響，即使鐵道的鋼軌生銹或者發生其他狀況，計軸系統仍然可以正常對相應區間內軌道的狀態進行檢測，判斷該區間是否被占用，以防止發生交通安全事故。在容易受潮等環境因素影響的隧道軌道上，計軸系統仍然可以進行正常的檢測工作而不受到軌道條件的影響，而且也不會發生紅光帶的問題。

1.2 信號檢測采集模塊主要原理

對于計軸軌道電路信號檢測采集模塊而言，當采集到室外的通信信號時，它能夠進行模擬隔離電路并對相應的信號進行AD采集，得到混合頻率信號，使用該信號處理不同頻帶的帶通濾波算法，能夠分離出相應的交流電壓伏值。采用隔離總線的方式及相關協議輸出，能夠有效提高采集模塊的現場適應能力。信號檢測采集模塊功能原理圖如圖1所示。

2 計軸軌道電路信號檢測采集模塊硬件設計

2.1 輸入采集電路設計

在計軸軌道電路信號檢測采集模塊中，輸入端口信號是通過交流電壓信號進行采集的，計軸系統通過檢測室內外的通信信號狀態而得到該信號，同時在輸入采集端口使用了高阻輸入，并增加了過流過熱保護裝置，從而避免影響到相關信號線路的其他設備的正常運行。輸入采集電路結構圖如圖2所示。

2.2 信號隔離及通信接口隔離電路設計

信號隔離電路的主要作用是把前端采集的信號，通過隔離芯片傳遞到后端，確保前后端的信號不在同一個參考地，保證后端信號的獨立性，并使其不受到其他信號的影響，提高其抗干擾能力。在計軸軌道電路信號檢測采集模塊中，信號隔離電路能夠保證采集模塊的相關功能，具有十分重要的作用。信號隔離電路簡圖如圖3所示。

在信號隔離電路簡圖中可以發現，N2是其中關鍵隔離器件，通過運算放大器的作用，能夠利用發光管中發出的光把接收的電流傳遞到右邊接收管中。其中，濾波電容能夠有效消除電路中相關器件產生的噪聲和毛刺。隔離器件N2還可以傳遞交流信號和直流信號，并且表現出精度高、較低的非線性度及較寬的頻帶等特點。

通信接口隔離電路的設計采用的是高速光電耦合器，它能夠對相應的信號進行隔離輸出，而且光電耦合器的帶寬能夠滿足數據傳輸的要求。采用這種設計方式能夠很好地提高通信接口上的抗干擾能力，其通信接口利用高速光電耦合結合外圍電路的方式，既可以很好地滿足電路高速通信速率的需求，又控制了成本。

2.3 PCB布局布線設計

在衡量產品的性能時，PCB布局設計思路是其中一個重要的指標，而在計軸軌道電路信號檢測采集模塊設計中，除了要合理設計相應的原理電路圖，對于PCB的設計也是其中比較重要的環節。在設計PCB布局布線時，要確保結構的合理、有準確的接口定位。在布局關鍵芯片時，要充分考慮芯片在結構上的限定，對于卡板上的高熱器件等主芯片而言，在進行設計的時候要考慮其散熱效果，進行合理的放置使得其具有相對均勻的散熱效果。

在PCB布局布線設計中，還要考慮高速信號和敏感信號的抗阻匹配、空間距離，濾波電容要盡量靠近芯片額電源引腳，這樣能夠更好地發揮濾波的作用，儲能電容要盡量設置在有源芯片的四周。通過對高壓和耐壓方面進行考慮來設計安全距離，并對兩者進行相應的設計，不同強度的信號的走線要分開設計，充分考慮到相應的爬電距離。在計軸軌道電路信號檢測采集模塊的硬件的PCB布局布線設計中，需要遵循上述原則及要求，這樣能夠更好地保證計軸軌道電路信號檢測采集模塊的性能。

3 計軸軌道電路信號檢測采集模塊的測試和實現

針對計軸軌道電路信號檢測采集模塊的測試，主要是從精度誤差、幅頻特性、響應時間及電磁兼容等方面進行相應的測試工作。對于采集模塊精度誤差的測試，從相應的測試數據可以觀察出不同頻率的最大電壓有效值誤差，而且進行測試得到的精度能夠滿足采集模塊設計的相關要求。對于幅頻特性的測試，測試的頻率覆蓋到全頻率范圍內，根據相應的數據可以得知不同頻率的中心頻點在一定頻率范圍內具有良好的頻率特性，而且其最大誤差精度也能夠滿足設計的相關要求。

對于響應時間測試，在測試時采用的是雙通道示波器，對信號的測試是從有到無，再從無到有的過程，而在整個頻段內，信號的變化時間要控制在15 ms之內。2 500 Hz頻段下進行的響應時間測試如圖4所示。

4 總結

綜上所述，隨著鐵路交通事業的快速發展，計軸軌道電路信號檢測采集模塊的成功設計，能夠滿足計軸系統的使用要求，使得鐵路軌道計軸系統應用的性能更加完善。通過對計軸軌道電路信號檢測采集模塊進行相應的研究設計，能夠促進我國鐵路交通事業的進一步發展。

參 考 文 獻

[1]倪偉，景小軍，袁霞.計軸軌道電路信號檢測采集模塊的設計與實現[J].工業控制計算機，2016，29（11）：31-32，119.

[2]倪偉.計軸軌道電路信號檢測采集模塊的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2016.

[3]成巍坤.基于光纖傳感計軸技術的軌道電路監測系統設計[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2016.