JTC軌道信號(hào)采集與傳輸系統(tǒng)

張景璐，吳勁松，丁 江

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100016；2.北京經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院，北京 102602）

1 JTC軌道電路工作原理

JTC軌道電路是一種無機(jī)械絕緣節(jié)的軌道電路，通過在兩軌間安裝短路棒對(duì)軌道進(jìn)行分區(qū)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)軌道的“占用”或“空閑”以及“斷軌”狀態(tài)，并向列車傳遞ATP信息。軌道電路是信號(hào)聯(lián)鎖的室外重要設(shè)備，起著保證行車和調(diào)車作業(yè)安全的作用。它能監(jiān)督檢查某一固定區(qū)段內(nèi)的線路是否有列車運(yùn)行、調(diào)車作業(yè)或車輛占用的情況，并隨時(shí)檢查該區(qū)段內(nèi)的鋼軌是否完整。

2 JTC軌道電路的組成

JTC軌道電路由室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備兩部分組成。

室內(nèi)設(shè)備對(duì)應(yīng)每個(gè)軌道區(qū)段配置軌道電路的發(fā)送(TX)、接收(RX)和電源(PUS)設(shè)備；室外設(shè)備對(duì)應(yīng)每個(gè)軌道區(qū)段分界點(diǎn)設(shè)有短路棒(TB)；調(diào)諧單元(TU)；分線盒(DS)構(gòu)成分割區(qū)段作用；鋼軌傳輸線。室內(nèi)設(shè)備與室外設(shè)備之間通過信號(hào)傳輸模塊進(jìn)行連接，并直接向軌道發(fā)送與接收信號(hào)。典型的無絕緣軌道電路示意如圖1所示。

在列車出清軌道區(qū)段后，出清端發(fā)送一個(gè)軌道信息。本區(qū)段另一端，也就是列車駛?cè)氲姆较?，由接收器接收軌道信息并?duì)信息進(jìn)行數(shù)字處理，及一系列的驗(yàn)證后，如果驗(yàn)證的結(jié)果滿足“空閑”條件，則向聯(lián)鎖子系統(tǒng)輸出軌道“空閑”信息。

圖1 JTC無絕緣軌道電路系統(tǒng)方框圖

如果列車進(jìn)入軌道區(qū)段（或軌道電路設(shè)備發(fā)生故障），接收器檢測(cè)不到正確的信號(hào)，則向聯(lián)鎖子系統(tǒng)輸出軌道“占用”信息。另外軌道電路發(fā)送器同時(shí)還將ATP信息疊加在軌道電路信息中形成移頻鍵控信號(hào)一同發(fā)出，發(fā)送至走行軌上再由車載天線接收。這樣，通過軌道電路可以將ATP信息傳遞給車載ATP設(shè)備。

圖2 調(diào)諧區(qū)構(gòu)成圖

3 JTC軌道信號(hào)的采集

在JTC軌道信號(hào)的采集過程中，對(duì)于相鄰的軌道電路，設(shè)置不同的載頻，通過軌道電路終端調(diào)諧單元與終端斷路棒在兩條短鋼軌之間跨接形成諧振，這樣，附近幾米的軌道因諧振電磁感應(yīng)產(chǎn)生相當(dāng)高的等效阻抗，完成軌道電路電氣分割。相互隔離的設(shè)備確定了每個(gè)頻率只用于本區(qū)段軌道電路。短鋼軌、終端斷路棒和調(diào)諧單元(TU)構(gòu)成一個(gè)諧振回路稱之為調(diào)諧終端。

在JTC軌道電路系統(tǒng)中，真正實(shí)現(xiàn)與“機(jī)械絕緣”相同作用的裝置正是“調(diào)諧終端”。這個(gè)調(diào)諧終端實(shí)際就是一個(gè)LC帶通濾波器。調(diào)諧終端實(shí)際就是一個(gè)帶通濾波器，濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在信號(hào)傳輸裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。

信號(hào)系統(tǒng)中的調(diào)諧終端主要用于保障標(biāo)準(zhǔn)的JTC軌道電路信息順暢地通過，同時(shí)濾除雜音及干擾頻率。它是信息傳送的唯一路徑，它的性能變化將直接影響信息傳輸效率和信息的頻譜特性。因此它在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。

調(diào)諧區(qū)是由兩個(gè)調(diào)諧終端組成的；調(diào)諧終端又由調(diào)諧單元（TU盒）內(nèi)的配諧電容C0和變壓器一個(gè)單邊電感L0；以及一對(duì)短鋼軌加終端短路棒構(gòu)成的盒外等效電感L外組成，如圖2所示。

在調(diào)諧區(qū)中，兩調(diào)諧終端內(nèi)的電容C0，電感L0與盒外等效電感L外分別構(gòu)成兩個(gè)LC諧振回路，且諧振頻率不同。當(dāng)回路諧振時(shí)，回路電導(dǎo)最大，在兩終端短路棒間形成等電位，電位差等于零，電流為零，這樣在調(diào)諧區(qū)內(nèi)兩調(diào)諧終端雖然靠得很近但不產(chǎn)生串?dāng)_，從而實(shí)現(xiàn)了電氣絕緣。

如果調(diào)諧終端的參數(shù)選擇不正確，便會(huì)導(dǎo)致諧振頻率不匹配，產(chǎn)生嚴(yán)重的串頻現(xiàn)象，采集波形如圖3所示。

避免串頻的關(guān)鍵是調(diào)諧終端的參數(shù)選擇。在北京地鐵使用的JTC軌道電路中，根據(jù)安裝位置的不同共有3種“調(diào)諧終端”，也可稱之為“帶通濾波器”。一是安裝在調(diào)諧區(qū)內(nèi)本側(cè)發(fā)送調(diào)諧終端(TX/TU-BW)；二是安裝在調(diào)諧區(qū)內(nèi)本側(cè)接收端調(diào)諧終端(RX/TU-BW)；三是安裝在設(shè)備間接收模塊內(nèi)的輸入級(jí)帶通濾波器(RX/BW)。這3個(gè)帶通濾波器的性能直接影響著JTC軌道電路的系統(tǒng)參數(shù)。因此，保證上述3個(gè)帶通濾波器性能良好，是保證JTC軌道電路系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的關(guān)鍵。

圖3 嚴(yán)重串頻波形及頻譜示意圖

帶通濾波器的主要參數(shù)有3個(gè)：諧振頻率(f0)、通頻帶寬度(BW)和品質(zhì)因數(shù)(Q)。在這3個(gè)參數(shù)中f0根據(jù)標(biāo)稱是固定不變的，通帶寬度BW是由品質(zhì)因數(shù)Q決定的。

根據(jù)Q值計(jì)算公式：Q ＝ 1/ωCR。ω 是 常 數(shù)；C根據(jù)標(biāo)稱取值；而R通過大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及實(shí)物數(shù)據(jù)勘測(cè)得出，調(diào)諧單元(TU)盒內(nèi)電感內(nèi)阻Ri＝0.013Ω；盒外電阻（短鋼軌加短路棒）RO＝0.017Ω；總電阻R＝0.03Ω。將R＝0.03代入Q值公式得出：Q＝1/0.03ωC。對(duì)應(yīng)不同的標(biāo)稱，頻率Q值從10.2～14.2不等，見表1。

表1中的參數(shù)，F(xiàn)1～F9是標(biāo)稱量；品質(zhì)因數(shù)Q是通過電容值C和總電阻R值由上述公式計(jì)算而得；帶寬BW通過公式BW＝2π f0/Q計(jì)算而得。根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果可得出平均帶寬為414Hz。

圖4 正常波形及頻譜示意圖

表1 頻率Q值及帶寬對(duì)照表

通過以上分析，重新設(shè)置諧振參數(shù)所得到的正常波形及頻譜如圖4所示。

4 JTC軌道信號(hào)的傳輸

JTC軌道信號(hào)處理系統(tǒng)由室內(nèi)設(shè)備與室外設(shè)備組成，它們之間通過信號(hào)傳輸模塊進(jìn)行連接。傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸采用USB電纜進(jìn)行傳輸，但是電纜傳輸?shù)耐ㄐ啪嚯x十分有限，一般不超過30米，而且信號(hào)傳輸?shù)目煽啃砸矡o法得到保障，極易受到干擾，從而導(dǎo)致波形傳輸不準(zhǔn)確。如果使用光纖傳輸U(kuò)SB信號(hào)，則可以克服現(xiàn)有電纜傳輸距離短的缺點(diǎn)，使USB的通信距離增加到幾十千米。所以本系統(tǒng)采用了一種USB接口與光纖相結(jié)合的傳輸方式，通過光纖傳輸U(kuò)SB信號(hào)，實(shí)現(xiàn)USB信號(hào)光纖傳輸?shù)奶幚怼鬏敽瓦€原。

本模塊建立在光纖通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的光纖發(fā)射接收機(jī)上，對(duì)其他發(fā)射接收機(jī)有很強(qiáng)的可移植性。USB信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

由于USB信號(hào)是雙路數(shù)字信號(hào)，如果分路傳輸，在長(zhǎng)距離光纖的傳輸中會(huì)導(dǎo)致兩路信號(hào)的不同步。為了保證兩路信號(hào)的同步性，可以將兩路信號(hào)轉(zhuǎn)換成單路的電平信號(hào)，信號(hào)D+、D-的3種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為5V、2.5V、0V這3個(gè)電平，通過模擬通道傳輸。

電平轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，只需要用電阻分壓即可實(shí)現(xiàn)。但由于光纖發(fā)射機(jī)模擬通道的隔直作用，直流電平信號(hào)不能直接接到模擬通道，所以需要在電阻分壓之前進(jìn)行歸零編碼。出于復(fù)雜度的考慮，本系統(tǒng)采用AMI編碼方式。AMI電路編碼原理圖如圖6所示。

通過AMI編碼后的雙路歸零碼經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路后，變成單路的有-5V、-2.5V、0V、2.5V、5V共5個(gè)電平的電平信號(hào)，此信號(hào)可以直接使用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)光纖發(fā)射機(jī)發(fā)射。

圖5 USB信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)框圖

圖6 AMI電路編碼原理圖

信號(hào)被光纖接收機(jī)接收后，需要對(duì)電平信號(hào)進(jìn)行還原。與轉(zhuǎn)換電平電路相反，判決電路采用比較器，將信號(hào)與參考電壓相比較，再經(jīng)過組合邏輯，還原為兩路數(shù)字信號(hào)。為了避免誤判，判決時(shí)的參考電壓應(yīng)留有余量，將0～1V電壓視為0V，1～4V電壓視為2.5V，將4V以上電壓視為5V。再通過簡(jiǎn)單的組合邏輯得到兩路差分信號(hào)。

USB光纖傳輸模塊的調(diào)試結(jié)果良好，運(yùn)行穩(wěn)定，大大提高了信號(hào)的傳輸距離與可靠性。

5 JTC軌道信號(hào)的采集結(jié)果分析

JTC軌道電路數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信息技術(shù)、程序控制技術(shù)、電子技術(shù)于一體的信號(hào)處理系統(tǒng)。JTC軌道電路數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)是由硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。

圖7 JTC軌道信號(hào)采集與分析軟件界面

1） 硬件：數(shù)據(jù)采集卡、USB與光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、光纖傳輸模塊、計(jì)算機(jī)等組成。

2） 軟件：JTC軌道電路數(shù)據(jù)采集分析軟件（LABVIEW，組態(tài)軟件等編譯構(gòu)成的）。

將使用本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)采集系統(tǒng)所采集到的信號(hào)傳輸至上位機(jī)軟件，得到如圖7所示信號(hào)。JTC軌道電路數(shù)據(jù)采集分析軟件包含了站點(diǎn)選擇、歷史數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)參數(shù)查看等一系列方便簡(jiǎn)潔的操作按鈕，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控軌道電路的運(yùn)行安全狀態(tài)。

6 結(jié)論

本文著重研究了影響JTC軌道信號(hào)采集與傳輸系統(tǒng)的兩個(gè)關(guān)鍵因素——調(diào)諧終端的參數(shù)選擇和USB信號(hào)的光纖傳輸。

由圖3和圖4的信號(hào)采集結(jié)果來看，調(diào)諧終端的參數(shù)選擇對(duì)信號(hào)質(zhì)量有著巨大的影響。如果參數(shù)選擇不正確，采集結(jié)果將直接影響到后續(xù)對(duì)軌道占用情況的判斷，導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，可以通過調(diào)整電感參數(shù)糾正其諧振頻率，使帶通濾波器工作在適當(dāng)狀態(tài)來提高信號(hào)質(zhì)量。另外，由于調(diào)諧區(qū)內(nèi)各元件之間是靠緊固螺絲或焊接工藝連接起來的，接觸電阻不可避免。電阻值的增加會(huì)使帶通濾波器品質(zhì)因數(shù)下降，信息傳輸效率銳減，選擇性變差。因此加強(qiáng)接點(diǎn)清潔，保證焊點(diǎn)牢固，芯線斷股率低，使接觸電阻保持最小才能提高帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)，從而保證軌道信號(hào)的精確性和抗干擾性。

由圖7幾個(gè)站點(diǎn)的軌道信號(hào)采集與傳輸效果來看，采用光纖傳輸U(kuò)SB軌道信號(hào)，具有很好的傳輸特性，傳輸信道的抗干擾性能好，傳輸距離遠(yuǎn)，信號(hào)衰減小，為在上位機(jī)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控和故障分析提供了時(shí)間和準(zhǔn)確度上的保證。

通過本文的研究，改進(jìn)的JTC軌道信號(hào)采集與傳輸系統(tǒng)大大提高了信號(hào)采集與傳輸?shù)馁|(zhì)量與可靠性，為地鐵的安全運(yùn)營提供了保障。

[1]劉丁,毛德柱,王云飛.USB 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2000(4): 38-40.

[2]武漢波仕電子有限公司.世界上第一個(gè)USB光端機(jī)[P].中國實(shí)用新型專利: ZL02284434,2004-09-24.

[3]陳美鑾,狄紅衛(wèi),丘錦宏.基于USB 接口和光纖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2006(1): 32-34.

[4]童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京: 高等教育出版社,1998.

[5]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,1999.

[6]黃松嶺,吳靜.虛擬儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程[M].北京: 清華大學(xué)出版社,2008.

[7]陳樹學(xué),劉萱.LabVIEW寶典[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2011.