一種基于FPGA二取二架構的25 Hz軌道信號抗干擾采集電路設計

林偉欣， 秦潔心， 楊春， 劉曉男， 張輝

(卡斯柯信號有限公司， 上海 200071)

0 引言

軌道電路是鐵路信號自動控制的基礎，可以用于檢測列車的位置，也可以通過軌道將地面信號傳遞給機車，控制列車的運行。相敏軌道電路的信號電源為25 Hz交流電，傳統的接收器是交流二元二位繼電器。

智能全電子25 Hz相敏軌道接收器用于取代傳統的二元二位繼電器，通過對25 Hz相敏軌道電路上的信號進行采集和處理，作為判斷軌道占用狀態的依據，并將得到的軌道占用狀態信息發送給聯鎖系統進行聯鎖邏輯處理。

1 25 Hz相敏軌道電路工作原理

25 Hz相敏軌道電路采用25 Hz電源供電電源。電源模塊生成兩路25 Hz交流電源，1路為軌道電源，1路為局部電源，局部電源的相位超前軌道電源90°。軌道電源通過送電端送到軌道上，如果軌道上為空閑狀態(沒有車)，那么軌道電源信號將會通過軌道傳送到受電端。通過受電端，這個交流信號進入到二元二位相敏軌道繼電器的輸入端線圈，形成一個交流磁場。同時局部電源信號也進入二元二位相敏軌道繼電器的另外一個輸入端線圈，形成了另外一個交流磁場。兩個磁場中間有塊金屬翼板，在兩個磁場的共同作用下進行轉動，帶動接點支架向上動作，從而中接點和上接點接通,如圖1所示。

圖1 相敏軌道電路工作原理

如果軌道上為占用狀態(有輪對跨壓在軌道上)，則軌道處于短路狀態，軌道電源無法到達受電端，則二元二位相敏軌道繼電器中軌道電源形成的交流磁場消失，金屬翼板在回位彈簧的作用下回位，中接點和上接點斷開。

因此，繼電器有沒有吸起，取決于翼板是不是有足夠的轉矩。根據，翼板的轉矩為

M=KΦJΦGsinθ

其中，ΦJ為局部電源產生的磁通有效值，正比于局部電源電流有效值，ΦG為軌道電源產生的磁通有效值，正比于軌道電源電流有效值，θ為局部電源超前軌道電源的相位。從公式可以看出，當θ為90°的時候，力矩最大。因此，這個繼電器具有相位選擇性。但不是說相位差必須是90°，只要在一定的相位差范圍內，就有足夠的轉矩讓繼電器吸起。

軌道電路中，主要存在的干擾來自于電氣化鐵路牽引系統中不平衡電流的干擾。

當軌道電源中存在工頻50 Hz干擾時，則50 Hz信號對翼板的轉矩為

M=M2-M1=CΦJΦG[cos(-ωt-90°+θ)-cos(3ωt-90°-θ)]-CΦJΦG[cos(ωt-90°-θ)-cos(3ωt-90°-θ)]

這個轉矩在一個25 Hz周期內，式中各項求平均值都為0，則翼板的轉矩M為0。因此可以看出，這個繼電器具有頻率選擇性。它對50 Hz的干擾，具有極強的抗干擾能力。

因此開發智能全電子25 Hz相敏軌道繼電器，必須具備以下的特性：

具有通過局部電源進行鑒頻鑒相的功能

具有抵抗50 Hz牽引電流干擾的能力

2 FFT變換的基本原理及采樣定理

離散傅里葉變換是X(n)的頻譜X(ejw)在[0,2π]上的N點等間隔采樣，也就是對序列頻譜的離散化。

根據采樣定理，若連續信號x(t)是有限帶寬的，其頻譜的最高頻率為fc，對x(t)抽樣時，若保證抽樣頻率

fs≥2fc

則可以通過離散采樣值x(nTs)無損地恢復出原始信號x(t)。

但是離散傅里葉變換計算量巨大，工程應用上要實現實時處理有難度，因此采用快速傅里葉變換(fast Fourier transform，簡稱FFT)。FFT是一種利用計算機計算離散傅里葉變換(DFT)的高校快速的計算方法。FFT利用離散傅里葉變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅里葉變換的算法進行改進，采用FFT可以有效減少計算離散傅里葉變換所需要的乘法次數，隨著被變換的抽樣點數N的增多，FFT算法能減少的計算量就越顯著[3,4]。

3 系統設計

本文設計了一種基于FPGA二取二架構的25 Hz軌道信號抗干擾采集電路,如圖2所示。

系統由采集模塊(A和B)，模數轉換模塊(A和B)，采樣模塊(由FPGA_A和FPGA_B組成)，運算處理和判斷模塊(由CPU_A和CPU_B組成)。

圖2 基于FPGA二取二架構的25 Hz軌道信號采集電路

軌道電路采集模塊對軌道信號進行采集后，初步濾波，消除高頻干擾信號。然后通過ADC，將模擬信號轉換為數字信號。通過FPGA_A和FPGA_B對軌道信號進行采樣，并將結果分別發送給CPU_A和CPU_B。CPU_A/B中采用FFT算法對采集得到的數字信號進行處理，并參考局部信號作為相位基準，得到軌道信號的電壓、頻率和相位。并與設定的閾值進行比較后，得到軌道占用或空閑狀態的結果。CPU_A和CPU_B將各自判斷的結果進行交互，若CPU_A和CPU_B判斷得到的軌道占用狀態不一致，則系統導向安全側。若CPU_A和CPU_B判斷得到的軌道占用狀態一直，則將該結果送給外部聯鎖設備。

4 仿真實驗

不平衡牽引電流干擾的幅度不大于100A，頻率為50 Hz±0.5 Hz(考慮一定的冗余量，仿真時頻率偏差設定為1 Hz，即49 Hz-51 Hz)。25 Hz的軌道信號，在有車占用區段的情況下，其有效值最大為7.4 V的正弦信號，頻率為25±0.5 Hz(由50 Hz工頻電源變頻來的，同樣考慮冗余量)。上述兩種信號疊加后得到的信號，即為25 Hz軌道信號采集電路的輸入信號。該信號經過FFT變換后得到的信號，在25 Hz頻點上的有效幅值是作為判斷軌道占用情況的依據。若其大于判斷為無車的閾值，則可能將軌道占用誤判為軌道空閑，這是危險的。

仿真時，設定FFT采樣頻率位6 400 Hz，采樣點為256。對軌道信號，不平衡電流信號按照0.1 Hz的步進進行掃頻，經過比較得到當25 Hz信號的中心頻率為24.5 Hz，有效幅度7.4 V，50 Hz牽引電流干擾的中心頻率49 Hz，有效幅度78 V(100 A對應輸入阻抗得到的幅值)時，得到的25 Hz頻點的幅值最大。其結果隨初始相位的變化規律如圖3所示：

圖3 初始相位對25 Hz正弦波疊加50 Hz工頻信號在

由圖可知，24.5 Hz信號，疊加49 Hz牽引電流干擾，經過FFT計算后，在25 Hz處的幅值，隨著初始相位的不同，呈現周期性的變化規律。最大值出現在24.5 Hz初始相位為，49 Hz初始相位為時，幅值為：16.423 9 V。

5 總結

通過上述分析可知，50 Hz牽引電流干擾疊加上25 Hz信號得到的新的信號，經過FFT后。25 Hz頻點上的最大幅值為16.423 9 V。因此，CPU在選取閾值的時候，判斷為空閑的閾值只要大于這一數值，就不會有危險發生。