基于單片機(jī)的不對(duì)稱(chēng)脈沖軌道電路接收器設(shè)計(jì)

司開(kāi)波，張立材

（西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

1 引 言

不對(duì)稱(chēng)脈沖軌道電路是綜合國(guó)內(nèi)幾種軌道電路的特點(diǎn)，而又獨(dú)具特色的軌道電路，其采用的高壓不對(duì)稱(chēng)脈沖（如圖1所示）由于在軌面能形成峰值電壓100V、短路電流20A以上的能量，可擊穿鋼軌表面的銹蝕、粉塵或油污，對(duì)于軌面存有污垢以及道渣電阻較低的區(qū)段都具有較好的適應(yīng)性，而且安裝簡(jiǎn)便，維護(hù)量少[1]。因此，被廣泛應(yīng)用于廠礦企業(yè)等運(yùn)輸線(xiàn)路中。

但是，以往上述不對(duì)稱(chēng)脈沖的軌道電路接收器通常采用由譯碼器和直流二元二位差動(dòng)繼電器進(jìn)行接收處理。而從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，二元二位繼電器存在如下幾個(gè)問(wèn)題：①返還系數(shù)低；②牽引不平衡電流干擾易引起誤動(dòng)；③難于實(shí)現(xiàn)集中檢測(cè)，不方便維修，可用性差[2]。而且，不對(duì)稱(chēng)脈沖軌道電路接收器的缺點(diǎn)易造成電氣化區(qū)段的“紅光帶”現(xiàn)象，不能較好的分路，設(shè)備可靠性差，影響列車(chē)正常運(yùn)行。對(duì)于信號(hào)設(shè)備來(lái)說(shuō)，隱含這樣的故障模式是極其危險(xiǎn)的[3]。

圖1 不對(duì)稱(chēng)脈沖信號(hào)波形圖

因此，為了解決以上問(wèn)題，需要對(duì)原有的不對(duì)稱(chēng)脈沖軌道電路接收器進(jìn)行改進(jìn)。改造后系統(tǒng)以微處理器為核心單元，采用了動(dòng)態(tài)檢測(cè)、光電、隔離等可靠性電路技術(shù)[4]，可以提高運(yùn)算速度和準(zhǔn)確性，排除干擾，易于檢測(cè)，便攜性更好，擺脫了原有二元二位差動(dòng)繼電器帶來(lái)的不利影響。

2 接收器硬件原理

不對(duì)稱(chēng)脈沖信號(hào)接收器是軌道電路的關(guān)鍵組成部分，接收器安全可靠與否直接或間接影響鐵路行車(chē)安全，而接收器可靠的硬件電路是整個(gè)系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)[5]。

2.1 系統(tǒng)原理框圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用微芯公司生產(chǎn)的PIC16F887單片機(jī)，該單片機(jī)是PIC系列中檔型號(hào)，內(nèi)部集成了10位的A/D轉(zhuǎn)換器，可以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集的要求，并帶有后續(xù)設(shè)計(jì)需要的CCP捕捉、比較和PWM模塊，使硬件電路相對(duì)簡(jiǎn)單。系統(tǒng)采用光電隔離與單片機(jī)控制，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)和串行通信完成對(duì)外界干擾的防護(hù)和故障的解決。其主要功能表現(xiàn)為：①不對(duì)稱(chēng)脈沖信號(hào)的采集；②過(guò)零同步信號(hào)的產(chǎn)生；③單片機(jī)對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的處理和與從電路板的通信。該系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)各功能模塊如下：

（1）光電隔離的線(xiàn)性光耦選用HCNR201，它可以幾乎線(xiàn)性不失真的傳輸信號(hào)，并隔離高壓，因此使得該系統(tǒng)具有防雷防電性能，提高了抗干擾能力。光電隔離電路原理如圖3所示。

不對(duì)稱(chēng)脈沖信號(hào)通過(guò)LM833低噪聲運(yùn)算放大器經(jīng)過(guò)放大后輸入到光耦HCNR201的1，2管腳，點(diǎn)亮內(nèi)部的發(fā)光二極管，光耦的3，4和5，6管腳內(nèi)部連接光敏二極管，它們同時(shí)亦被導(dǎo)通，不對(duì)稱(chēng)脈沖信號(hào)便被線(xiàn)性的傳輸?shù)絋LC2262雙輸入雙輸出運(yùn)算放大器的負(fù)正輸入管腳2，3，TLC2262的管腳1輸出不對(duì)稱(chēng)脈沖，管腳7輸出同步信號(hào)。

（2）A/D是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將由軌道變壓器傳來(lái)的不對(duì)稱(chēng)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)。

（3）過(guò)零檢測(cè)可以使信號(hào)通過(guò)TLC2262后檢測(cè)出過(guò)零點(diǎn)，確定頭壓和尾壓并輸出相對(duì)應(yīng)的方波。

（4）MCU是單片機(jī)微機(jī)系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)中單片機(jī)根據(jù)外部設(shè)定的條件信息，同步完成信號(hào)采樣、數(shù)據(jù)處理判決等功能。同時(shí)完成系統(tǒng)自檢，在檢測(cè)到設(shè)備故障時(shí)，通過(guò)串行通信訪問(wèn)從電路板[6]。

（5）串行通信模塊是主電路板與從電路板的通信接口，完成與從電路板的自動(dòng)切換。

2.2 接收器工作流程

不對(duì)稱(chēng)脈沖信號(hào)通過(guò)接收器電路，經(jīng)過(guò)硬件濾波濾除掉部分干擾后，再經(jīng)過(guò)光電隔離電路，變?yōu)閮陕份敵?，一路不?duì)稱(chēng)脈沖經(jīng)過(guò)單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，另一路同步信號(hào)送往單片機(jī)計(jì)算出頭尾壓的周期值，CPU對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，若CPU接收到并判斷出該脈沖信號(hào)的周期和采樣頭尾壓面積比例正常符合規(guī)范值（若周期不合適便舍棄該數(shù)據(jù)，繼續(xù)接收），則需要再連續(xù)檢測(cè)3個(gè)合格的不對(duì)稱(chēng)脈沖信號(hào)，最后做出判決將軌道電路繼電器吸起，判決軌道空閑；當(dāng)輪對(duì)占用時(shí)，信號(hào)頭尾壓幅度比和頭尾壓面積比例將偏離規(guī)定值，從而使軌道電路繼電器落下，表示區(qū)段占用。另外，CPU隨時(shí)對(duì)其外圍電路進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)單片機(jī)串行通信切換到從電路板，保證設(shè)備安全運(yùn)行，降低工人無(wú)法及時(shí)維修造成的危險(xiǎn)，保證列車(chē)運(yùn)行安全。

3 接收器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖4所示。

圖3 光電隔離電路原理圖

圖4 主程序流程圖

由于不對(duì)稱(chēng)脈沖信號(hào)周期的不確定性，合格的不對(duì)稱(chēng)脈沖信號(hào)周期值如圖1小注所示，于是，為了能夠在一個(gè)周期內(nèi)采集足夠點(diǎn)數(shù)，利用PIC單片機(jī)中捕捉/比較/PWM模塊CCP2（允許用戶(hù)定時(shí)和控制不同事件的外設(shè)）的CCP2CON寄存器比較工作方式的設(shè)置可以滿(mǎn)足定時(shí)要求，該設(shè)計(jì)設(shè)定每間隔200μs啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)CCP2工作在比較工作方式時(shí)，不斷的用16bit的CCP2寄存器的值與TMR1寄存器的值做比較，如果兩者相等，CCP2的特殊事件觸發(fā)輸出將對(duì)TMR1定時(shí)器寄存器對(duì)復(fù)位，并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，省去了操作定時(shí)器的麻煩[7]。主程序流程圖中初始化包括系統(tǒng)初始化、A/D初始化、CCP2初始化等。系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采樣和采樣數(shù)據(jù)后的平均濾波均在中斷內(nèi)完成。

3.2 中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)

中斷服務(wù)子程序流程圖如圖5所示。

過(guò)零檢測(cè)產(chǎn)生的方波輸入到單片機(jī)的外部中斷引腳RB0/INT，當(dāng)上升沿或下降沿事件在該引腳發(fā)生時(shí)便產(chǎn)生中斷。具體工作流程是：當(dāng)上升沿來(lái)臨時(shí)，觸發(fā)外部事件中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，此時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換和使能CCP2并改變觸發(fā)外部事件中斷方式，A/D一次采樣完，清A/D中斷標(biāo)志，讀取采樣數(shù)據(jù)存入數(shù)組（采樣計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1），準(zhǔn)備第二次采樣（將由CCP2的特殊事件觸發(fā)A/D），當(dāng)下降沿來(lái)時(shí)，半個(gè)采樣周期結(jié)束，置A/D轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志，計(jì)算采樣周期和頭壓面積，下降沿觸發(fā)中斷后，開(kāi)始尾壓采樣與檢測(cè)，并做上述同樣處理，然后轉(zhuǎn)入主程序做頭尾壓的比較做出控制動(dòng)作。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)改進(jìn)的不對(duì)稱(chēng)脈沖軌道電路接收器既解決了接收電路存在的缺陷，也提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，并解決分路不良問(wèn)題，尤其對(duì)電氣化區(qū)段易產(chǎn)生“紅光帶”現(xiàn)象有明顯的改善[8]。此外，系統(tǒng)以PIC16F887單片機(jī)為核心，對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的處理和判斷更加快速和準(zhǔn)確，系統(tǒng)更加小型化和便攜，同時(shí)還具有改造簡(jiǎn)單、投資少等特點(diǎn)，應(yīng)該具有很好的應(yīng)用前景。

圖5 中斷服務(wù)程序流程圖

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