軌道電路故障多功能數字診斷儀

陜西長嶺特種設備股份有限公司 丁倩 賈鵬 郗飛 喬曉濤

本文介紹了軌道電路故障多功能數字診斷儀的設計方案，分別對系統的設計原理和系統的組成進行了詳細描述，文中對主要的硬件原理和軟件功能進行了具體的描述，通過主要技術的介紹，為軌道電路故障數字診斷技術提供了方法和思路。

目前，國內的電務系統查找軌道電路故障的主要手段是通過萬用表在鋼軌上測量軌道電路電壓和電流參數，該方法需要斷開軌道電路的扼流變壓器或者斷路軌道電路。隨著機車速度的提高和載重的增加，這種查找故障的方法已經不合時宜。并且這種查找軌道電路故障的方法工作量較大，給電務部門查找分析故障造成不便[1]。

1 總體方案

軌道電路故障多功能數字診斷儀主要利用電流傳感器、嵌入式芯片以及數字信號處理技術等實現對軌道電路的參數完成采集，并通過算法對參數進行分析，進而得到軌道電路的工作狀態信息。

多功能數字診斷儀通過嵌入式處理器控制和數字信號處理相結合的方式測量軌道電路電壓、電流、頻率及波形，同時還具有25Hz和50Hz正弦信號真有效值的測量功能。測試儀嵌入式處理器以10K/s采樣速率采樣，數據保存在環形緩沖區內，處理器在緩沖區數據中找到最大值位置，在該組數據±2000個采樣點外各找兩個最大值，并根據三個最大值的位置差可測量出軌道電路頻率；上述三個最大值的平均值即為脈沖頭部幅值；在該組數據三個最大值的位置后500個采樣點內找到三個最小值，求平均后得到脈沖尾部值；在LCD液晶畫出坐標，取最大值的前50個采樣點和后200個采樣點顯示在坐標上。軌道電路故障多功能數字診斷儀的整體方案如圖1所示：

系統結構框圖如圖2所示：

圖2中展示了多功能數字診斷儀硬件和軟件的主要組成部分及實現的功能。硬件系統中使用單片機控制，通過軟件使用線性修正技術從而達到較寬的頻率測量范圍。這個范圍可以覆蓋信號設備使用的全部頻率，并且測量誤差完全可用軟件技術予以修正，因此診斷儀的測量精度基本不受硬件條件的限制。

處理器的濾波器采用程控濾波器，目前，這種濾波器在國內處于領先水平。程控濾波器可以通過程序制定任意濾波帶寬，也可根據測試項目和檔位不同由單片機進行控制，高速改變濾波帶寬形成帶阻或帶通式濾波器。較傳統的LC、RC濾波器，程控濾波性能穩定、整機結構小，一個濾波器即可完成多個傳統LC、RC濾波器的功能。

充電電路應能滿足對電源要求低，適應無電源場所。設計中選用了較先進的超寬適配器，可滿足90～230V的交、直流電源均可對其充電，且對于直流電源無正負要求，在無電源場所可使用手搖發電機維持工作。

通過CPU控制，開機時可實現自動清零復位、溫度補償修正和整機狀態校驗功能。因此，開機后只需要等待1～2s時間系統即可自動進入測試界面。

而在氧化石墨烯樣品的制備當中，則可以通過進行PH值的區分且使用超聲分散法進行石墨烯樣品的制備。以此為基礎的氧化石墨烯濕敏原件制備的過程當中，需要選擇氧化鋁作為基片進行制備，在氧化鋁基片兩端進行溫銀漿的涂抹，將其置于150攝氏度的環境下進行干燥，在600攝氏度的環境下進行熱處理，以此方式重復進行兩次，最后將石墨烯分散液滴至去基片當中，滴至的過程中保證其電極接通，同樣重復上述步驟五次，其得到的氧化石墨烯濕敏原件數量為五份[3]。

2 系統設計

診斷儀系統硬件組成包括了嵌入式外圍電路、信號采樣處理電路、電源電路、顯示和按鍵電路、存儲電路、EMI防護電路以及嵌入式芯片與外設的接口電路，基于以上硬件系統的設計，完成了相應的軟件程序設計。

2.1 硬件電路設計

軌道電路故障多功能數字診斷儀硬件電路原理框圖如圖3所示：

硬件電路設計中，為了增強電路的過載能力，在診斷儀的輸入端口設計了完善的保護電路，可防止在規定的極限值內因誤操作損壞儀器內元器件。電路中過壓保護采用雙向限幅電路，當電壓超限時啟動保護功能；過流保護采用高速電子開關電路，實現電流超極限時在安全時間內切斷輸入電路。

雙積分式高速A/D作為A/D轉換器，這種轉換器是對輸入電壓平均值進行轉換，具有很強的抗工頻干擾能力。A/D轉換的過程可分為4個階段：零積分輸出為第1階段；自動調零為第2階段；正向積分為第3階段；反向積分為第4階段。通過幾重積分在保證轉換精度的前提下大大提高了A/D轉換器的轉換速度。

采用高速單片機程序實現量程自動轉換功能，優點在于可以提高儀器測量的準確度和分辨率，使儀表處于最佳量程，有效地避免過載，簡化儀器操作。其電路原理是：（1）單片機通過對超量程信號的計算比較，指示移位寄存器移位至適當量程位置，即利用超量程信號來控制一個雙向移位寄存器升量程或降量程；（2）將移位寄存器的輸出信號經過異或門譯碼，擴展成量程控制信號；（3）由達林頓驅動器驅動微型繼電器，變換量程擋位并切換小數點位置，實現儀器測量量程自動轉換的要求。

2.1.1 處理器選用

微處理器是整個設計的核心部分，其性能直接決定了系統對信號的處理速度以及開發成本和難度。因此嵌入式處理器的選擇對于多功能數字診斷儀的開發非常重要，如果選擇恰當的嵌入式處理器將會使應用系統更加實用可靠。在選擇處理器時，需要考慮一下四方面需求：（1）需要考慮芯片的功能和設計的需求，單片機的片上功能需要略高于系統實際的需求，系統功能的實現盡可能用軟件來代替硬件完成；（2）應考慮到單片機的技術指標和產品將來的工作環境，處理器必須能在一定的技術指標下可靠的工作并適應產品所處的工作環境；（3）考慮處理器芯片生產廠商和供貨廠商的實力，避免進貨和售后渠道出現問題；（4）還要考慮芯片的可開發性，例如開發工具和調試手段等方面。本系統所采用的CPU芯片需要具備較快的運算速度能力，以滿足對采樣信號計算的要求。需要具備多個可配置I/O口以及片內12位ADC功能，同時需要具備較大的存儲空間和具有直接存儲器訪問功能。根據產品技術要求以及以往使用經驗，選擇ST公司生產的基于Cortex-M3內核STM32F103RBT6型ARM處理器完全滿足性能要求，并且滿足產品可靠性要求。

2.1.2 功能模塊設計

（1）信號采集模塊設計。利用單片機的IO口直接進行信號采樣，通過數字信號處理的方法，對采樣的信號進行濾波和頻譜分析，從而得到需要采集的信號。這種數字信號處理方法主要靠軟件實現，因此，信號采集功能使用的硬件成本較低且不受硬件參數的影響。目前，關于數字信號處理方面的算法已經非常成熟，在軟件設計中采用合理的算法，則可以得到符合技術條件的信號采集結果。

由于使用單片機的IO口采樣信號，而被采樣的信號范圍不一定在單片機工作電壓范圍內，因此需要將被采樣的信號范圍限制在單片機的工作電壓范圍之內，為了滿足單片機采樣電壓的范圍必須將軌道電壓先經過硬件電路處理后才能送給單片機。

（2）AD轉換模塊設計。出于降低硬件成本的目的，AD轉換部分可采用ARM處理器自帶的AD轉換器。STM32F103RBT6型ARM處理器自帶的AD轉換器是一種逐次逼近的轉換器，其具有12位分辨率、單次和連續轉換模式、轉換速度快、能夠自動校準、輸入信號范圍寬和可以產生DMA請求以上特點。

AD采樣可以利用STM32自帶的AD轉換器，該轉換器具有掃描轉換和DMA觸發的功能，可實現采樣通道自動依次采樣并存儲。STM32具有多組AD轉換器，這里我們使用了第一組AD轉換器，即ADC1對信號進行采樣。

STM32單片機的模數轉換器ADC具有產生DMA請求的功能。DMA的全稱是直接存儲器訪問。數據傳輸方式是通過DMA控制器將數據從一個地址空間直接復制到另一個地址空間。整個過程無需CPU介入，也沒有保留和恢復現場的操作，從而提高CPU的工作效率。

本系統中使用的AD轉換器ADC1是APB2的外設器件。若把ADC1中的數據存儲器ADC1->DR作為DMA存儲數據源，在STM32內存中劃出一塊固定區域作為DMA存儲的目標地址，DMA存儲器將會自動將ADC1->DR中的AD轉換結果復制到指定的內存區域中。

2.2 軟件設計

數據采樣處理程序主要用來采集流過鋼軌的軌道電路信號，使用FFT算法計算信號的幅頻特性。計算流程圖如圖4所示。

由于FFT的對稱性，一組序列中順序與倒序后處于對稱位置的碼位之和相同均為N，且偶數部分在上，奇數部分在下。若已知某個倒序碼為J，求下一個倒序碼時可先判斷J的最高位：若最高位為0，則把該位變成1就得到下一個倒序碼；若為1，則需判斷次高位：若次高位為0，則把最高位變0后，再把次高位變1；若次高位為1，將次高位變0后再判斷下一位，以此類推。最后將倒序后的存儲單元交換。碼位倒序程序設計流程圖如圖5所示。

在碼位倒序中為了避免重復交換，只有當順序碼的碼位小于其倒序碼的碼位時才將兩個碼位交換位置。

3 結論

軌道電路故障多功能數字診斷儀作為一種全集成、高可靠性的軌道電路故障監測裝備，可通過檢測軌面電流大小來判斷此處是否短路或斷開，同時兼顧非電氣化區段，并可用于電氣化區段25Hz相敏軌道電路、50Hz軌道電路、軌道電路、各型移頻軌道電路的電流測試。經過長時間的現場使用，該設備的實用性和可靠性已經得到了驗證，研制工作取得成功。