便攜式軌道電路在線監測記錄儀的設計

唐健瓊，鄒 波

（中國鐵路南寧局集團有限公司 科學技術研究所，1.工程師，2.高級工程師，廣西 南寧 530029）

1 開發背景

軌道電路是用于自動、連續檢測線路是否被機車車輛占用，也用于控制信號裝置或轉轍裝置，以保證行車安全的設備。在我國鐵路列車控制系統中，主要采用軌道電路來實現地車信息傳輸，軌道電路是否正常，是保障車輛安全行駛的重要基礎。檢測人員需要使用萬用表定期檢測軌道電路的電壓、電流信息以判斷其工作狀態，現有的微機監測系統只能監測到軌道電路送回室內的電壓，反饋有價值的數據有限，且當區間存在分路不良或設備發生故障時，室內采集的信息無法作為故障診斷分析的依據。因此，需要研究一種在電壓、電流數據采集點可靈活安裝、可實時采集和記錄數據的裝置，以便連續測量電壓電流波動情況，記錄軌道電路設備各個關鍵點的數據變化，分析出故障點及故障原因。

在軌道電路測量方面，安義巖［1］采用了基于磁阻效應的軌道移頻電流檢測方法和基于帶通采樣的FFT 軌道移頻信號解調算法，設計了便攜式軌道移頻信號檢測儀，該檢測儀主要針對目前國內鐵路客運普遍采用的ZPW-2000A 型軌道移頻信號。魏麗麗等［2］采用基于數字信號處理（DSP）的離散短時傅立葉變換（DSTFT）、數字濾波等關鍵技術，實現了對AF904 軌道電路基本參數（電流、電壓、頻率）的測量、顯示、數據的解碼分析及參數異常報警等功能。王玉等［3］設計了25Hz 相敏軌道電路電子接收器。上述軌道電路測量儀是針對特定類型軌道電路或者特殊頻段軌道電路開發應用。

本監測記錄儀采用DSP 數字濾波技術，利用二階IIR 巴特沃斯帶通濾波器實現對25Hz、50Hz 及ZPW-2000 系列軌道的高頻信號電壓值、電流值同時檢測。測量儀可隨身攜帶進行手持式測量，測量過程不需要頻繁更換測量工具，也可以放置于軌道電路箱盒內連續測量，測量結果波形可復現，幫助軌道電路檢修人員快速判斷故障，提高工作效率。

2 系統整體設計方案

便攜式軌道電路在線監測記錄儀硬件部分包含如下模塊：鋰電池供電模塊，充滿電后可滿足儀器連續工作48 小時；傳感器模塊包括2 個電壓傳感器、4個電流傳感器，分別負責采集兩處電壓數據及電流數據；信號放大模塊，四路信號放大電路，可根據頻段選擇放大倍數；數據處理模塊，TMS320F28377DDSP數字信號處理芯片及外圍電路，主要作用是實現AD轉換和數字濾波以及外圍通信控制功能；藍牙模塊，實現儀器與手機數據傳輸。硬件模塊化處理，便于功能拓展和故障檢測維修。

便攜式軌道電路在線監測記錄儀軟件部分包括手機端APP 和PC 端波形查看程序。手機端APP 和記錄儀主機通過藍牙連接，將接收到的四路電壓電流數據經過轉換實時顯示真實值，同時也可以以動態曲線的方式實時顯示數據，另外數據參數校準功能也是在手機APP 上實現。PC 端波形查看程序主要是通過讀取SD 卡上的各路信號數據，在PC 端顯示電壓電流波形，方便檢測人員根據波形分析故障原因。

3 硬件方案設計

硬件電路是實現信號檢測的基礎，根據系統總體方案，設計的硬件電路示意圖如圖1 所示，DSP 控制模塊為核心單元，主要包括DSP 主控制模塊及外圍電路、電源電路、傳感器單元電路、信號放大電路、液晶顯示接口電路、藍牙通信電路、數據隔離緩沖電路、SD 卡及USB 數據讀取電路8 個部分。所設計的硬件電路滿足預定設計要求，各項元器件選擇以小型化、低功耗、高穩定性為選用原則，內部結構簡單、儀器體積小、重量輕，整體可在軌道電路箱盒內快速安裝。

圖1 硬件框架圖

3.1 硬件電路設計

儀器傳感器模塊包括2 個電壓傳感器（ZMPT101B）以及4 個電流傳感器（OPCT10AL 和ZH-KCT50A），信號進入放大器之前先經過一個簡單的RC 低通濾波電路，濾掉高頻干擾信號。信號放大模塊包括放大芯片AD620A 和模擬開關CD4053BM96，四路信號放大電路，可根據頻段選擇放大倍數，選擇功能利用模擬開關CD4053BM96 實現，數據處理模塊包括型號為TMS320F28377DDSP數字信號處理芯片及外圍電路，主要作用是實現AD轉換和數字濾波以及外圍通信控制功能，藍牙模塊用于實現儀器與手機數據傳輸。鋰電池供電模塊，充滿電后可滿足儀器連續工作48小時。

3.2 DSP濾波處理

數字信號處理器（DSP）程序開發工具是Code Composer Studio 9.3.0，開發語言為C 語言。DSP 程序流程圖如圖2 所示，板卡上電后，DSP 首先進行各項寄存器的初始化工作，然后接收從AD 端口送入的模擬信號數據，進行模數轉換，轉換好的原始數據保存一份在SD 卡內，DSP 程序繼續處理25Hz、50Hz和高頻信號的濾波計算，計算出電壓和電流的有效值存入SD卡，同時在液晶顯示屏上以不同顏色顯示各項結果，程序另外可以通過液晶顯示屏打開藍牙通信通道和手機APP 進行藍牙通信，手機APP 通過藍牙連接上也可以實時顯示DSP程序處理好的數據信息，數據系數修正的操作也是在手機APP 上進行的。液晶顯示屏除了實時查看測量數據外還可以對系統時鐘進行校正。

圖2 DSP程序流程圖

鑒于IIR 數字濾波器幅頻特性精度較高的特性，這里選用IIR 數字濾波器。利用MATLAB 信號處理工具箱中的濾波器設計和分析工具(FDATool)設計出符合應用要求的未經量化的IIR 數字濾波器。將MATLAB 設計出的IIR 數字濾波器進一步分解和量化，從而獲得可用DSP 實現的濾波器系數。25Hz 二階IIR 巴特沃斯帶通濾波器，采集頻率為20kHz，截止頻率為FC1=20Hz，FC2=30Hz。50Hz 二階IIR 巴特沃斯帶通濾波器:采集頻率為20kHz，截止頻率為FC1=45Hz，FC2=55Hz,2000Hz 二階IIR 巴特沃斯帶通濾波器:采集頻率為20kHz，截止頻率為FC1=1700Hz，FC2=2200Hz。模擬一個25Hz,50Hz 和2000Hz 的疊加波形，它們之間的比例為1:0.2:0.1。濾波效果如圖3。

圖3 DSP濾波效果圖

4 手機端及PC端應用程序設計

4.1 手機端應用軟件

手機端應用軟件界面如圖4 所示。手機端連接上儀器藍牙設備后，可以實時顯示4路測量結果，兩路電壓值和兩路電流值，每路通道包含7種情況：混合、25Hz、50Hz、1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz。同時手機APP 也可以以動態曲線的方式實時顯示數據。

圖4 測量儀手機端APP顯示界面

4.2 PC端波形查看程序

軟件用到的圖形繪制控件是Arction 公司開發的LightningChart，LightningChart 是一款用C#語言編寫的.NET 圖表庫，適應于PC 平臺。原始波形文件是二進制文件，用到4 個ADC 采樣通道，每個ADC結果的數據類型是16bit 的unsigned int 型，兩路電壓兩路電流，每個通道按照總值、25Hz、50Hz、1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz 依次排列。Winform 程序讀取二進制文件并將二進制數據轉換為浮點數保留小數后3 位，以圖表的形式顯示出來(如圖5所示)。

圖5 PC端電壓電流波形查看軟件界面

5 便攜式軌道電路在線監測記錄儀成品

5.1 便攜式軌道電路在線監測記錄儀組成

便攜式軌道電路在線監測記錄儀由機身、采集工具（電流鉗、電流互感器和電壓探頭）、智能終端APP 組成(如圖6 所示)，測量儀整體尺寸為長170.6mm，寬142.6mm，高46.3mm，它可同時實時檢測25Hz、50Hz、及ZPW-2000 系列軌道的高頻信號電壓值、電流值，可測的交流電壓量程：0V～450V，測量精度：0.7%，交流電流量程：0A～1000A，測量精度：1%。

圖6 測量儀組成圖

5.2 便攜式軌道電路在線監測記錄儀應用測試

對百色普速場137-143DG 等設備進行電壓電流值測試，測試結果如表1 所示。通過對比標準CD96表的測試值，表明便攜式軌道電路在線監測記錄儀的測量精度達到了設計要求。

表1 便攜式軌道電路在線監測記錄儀測試精確度試驗記錄表

6 結論

便攜式軌道電路在線監測記錄儀體積小、重量輕、測量精度高、操作簡單、易于維護，能夠滿足軌道電路檢測人員日常檢測工作的需求，使用時不影響軌道電路正常運行，使用一個儀器即可完成軌道電路檢測工作，提高了檢測人員的工作效率。記錄儀自帶鋰電池供電，可放置于軌道電路XB、扼流箱盒內對軌道電路實現48小時自動連續測量，可不受天窗時間限制，能夠及時獲取軌道電路室外各項設備的電壓、電流數據，減少行車干擾。配套的手機APP在線監測軟件和PC端波形查看軟件，有利于檢測人員根據波形分析判斷軌道電路故障原因，縮短故障處理時間。目前已在中國鐵路南寧局集團有限公司南寧電務段、柳州電務段、桂林高鐵基礎設施段6個車間推廣12套設備，極大提高了維修檢測人員的工作效率。