FTGS音頻軌道電路測試儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西 柳州 547007）

隨著軌道交通的不斷發(fā)展，對專門培養(yǎng)軌道交通人才的院校來說，要使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的同時(shí)，又能夠如現(xiàn)場般對正線設(shè)備進(jìn)行測量調(diào)試，就必須有相應(yīng)的測量設(shè)備支撐。如果大量購買測試設(shè)備，那么其它鐵路相關(guān)設(shè)備將不能得到充足的資金。如果利用學(xué)院現(xiàn)有人力與物力，自主設(shè)計(jì)一套FTGS音頻軌道電路測試儀，就可以填補(bǔ)目前學(xué)院對軌道電路測量儀表的空缺。

城市軌道交通中，最常用的 FTGS音頻軌道電路為 917型，F(xiàn)TGS-917型軌道電路把軌道線路分割為多個(gè)區(qū)段，檢查和監(jiān)督這些軌道區(qū)段是否空閑，并將空閑/占用信息傳給聯(lián)鎖系統(tǒng)。為了防止相鄰區(qū)段之間串頻，使用了不同中心頻率和不同位模式進(jìn)行區(qū)分。FTGS-917型軌道電路共使用8種頻率（9.5KHz, 10.5KHz, 11.5KHz, 12.5KHz, 13.5KHz, 14.5KHz,15.5KHz, 16.5KHz），使用 15 種不同的位模式(2.2、2.3、2.4、2.5、2.6；3.2、3.3、3.4、3.5；4.2、4.3、4.4；5.2、5.3；6.2)，相鄰區(qū)段用不同的位模式。

由位模式脈沖把區(qū)段的中心頻率調(diào)制成移頻鍵控信號（FSK），上邊頻頻率為載頻+64HZ；下邊頻頻率為載頻-64HZ。調(diào)制后的信號可以抵抗鋼軌牽引回流中諧波電流的干擾。

本文正是為了解決學(xué)院缺乏測試設(shè)備而進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出一套FTGS音頻軌道電路測試儀，可以測量軌道電路的電壓、載頻及位模式等參數(shù)，本文主要對載頻及位模式的測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。

這樣，可以利用此設(shè)備進(jìn)行測量、演示、操作等，讓學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣和操作動手能力，從而打破城軌專業(yè)無實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)，融入新的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)等內(nèi)容，具有一定的推廣價(jià)值。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 限幅電路

限幅電路的作用是把輸出信號幅度限定在一定的范圍內(nèi)，亦即當(dāng)輸入電壓超過或低于某一參考值后，輸出電壓將被限制在某一電平（稱作限幅電平），且再不隨輸入電壓變化。

本設(shè)計(jì)中，限幅器主要是限制大信號進(jìn)入測試儀損壞內(nèi)部芯片，采用二極管限幅，電路如圖1所示。

圖1 限幅電路

信號經(jīng)過限幅器后，超過±1.2V的信號全部被限制，其中R2是限流電阻。

1.2 濾波及波形轉(zhuǎn)換

限幅后的信號首先通過濾波器，留下純凈的音頻信號，再通過波形轉(zhuǎn)換器，將信號轉(zhuǎn)換成良好的方波信號，送給CPU，由CPU對信號進(jìn)行檢測，計(jì)算出載頻。本文使用LM347運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 濾波及波形轉(zhuǎn)換

由CPU計(jì)算出載頻結(jié)果后，一方面送顯示單元，另一方面驅(qū)動繼電器接通對應(yīng)解調(diào)模塊。

1.3 移頻信息解調(diào)電路

解調(diào)電路主要完成對FSK信號的解調(diào)，即把位模式所對應(yīng)的低頻信號檢測出來。本設(shè)計(jì)采用LC濾波與運(yùn)算放大器構(gòu)成的選頻網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。只要電感、電容參數(shù)選取正確，就可以很好的解出位模式信息。

圖3 LC選頻網(wǎng)絡(luò)

解出后的信號先經(jīng)過放大，再進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，把低頻信號轉(zhuǎn)成方波信號，送CPU，完成位模式的檢測。

1.4 CPU模塊

該模塊主要完成載頻、位模式檢測及信息顯示功能。它由STC系列1T單片機(jī)完成。

STC12C5A60S2/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分，主要利用單片機(jī)C語言完成。包括功能按鍵、頻率檢測及信息顯示三部分。

2.1 功能按鍵消抖

按鍵單元主要完成以下內(nèi)容：通過按鍵可進(jìn)行載頻測量的切換和多路載頻測量切換。按鍵模塊采用4*3陣列按鍵，分別為0～9，一個(gè)取消鍵和一個(gè)確認(rèn)鍵。使用按鍵那么按鍵消抖就必不可少，本文按傳統(tǒng)方法，判斷按鍵按下，先等一段時(shí)間，再次判斷，如果是則執(zhí)行按鍵程序，否則繼續(xù)順序執(zhí)行程序，下面為關(guān)鍵語句。

2.2 載頻及位模式檢測

載頻檢測一般有測周法和測頻法。使用何種方法要考慮頻率的大小。

載頻檢測的目的是：顯示載頻大??；由載頻確定信號解調(diào)模塊。因載頻頻率較高，故本文使用測頻法，如在 500ms內(nèi)計(jì)算信號的周期數(shù)，進(jìn)而求出頻率，如果載頻為9.5KHz，則500ms內(nèi)將有4750個(gè)周期，如果載頻為10.5KHz，則500ms內(nèi)將有5250個(gè)周期。

位模式頻率較低，可使用測周法，只用計(jì)算位模式在一個(gè)周期內(nèi)定時(shí)器的時(shí)間是多少即可。由于位模式要計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)低電平與高電平，因此先整個(gè)周期，再計(jì)算低電平持續(xù)時(shí)間，兩者相減即得高電平持續(xù)時(shí)間，那么可以輕易確定位模式大小。下為整個(gè)周期的測量程序。

2.3 信息顯示

信號顯示單元是把測量出的結(jié)果（包括載頻與位模式）在液晶屏上顯示出來。顯示器使用12864LCD液晶顯示屏。 帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，其顯示分辨率為 128×64, 內(nèi)置 8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。它由12個(gè)引腳，名稱如下：

1./WR∶輸入引腳，數(shù)據(jù)寫引腳，低電平有效。

2./RD∶輸入引腳，數(shù)據(jù)讀引腳，低電平有效。

3./CE∶片選引腳，低電平有效。

4.C/D∶指令數(shù)據(jù)通道。1為指令通道，0為數(shù)據(jù)通道。

5./RST：復(fù)位信號，低電平有效。

6.DB0～DB7∶數(shù)據(jù)線。

7.FS∶字體選擇，F(xiàn)S=1選8*6點(diǎn)陣，F(xiàn)S=0選8*8點(diǎn)陣。

8.FG∶邊框地，用于防靜電。

9.Vss∶數(shù)字地。

10.Vdd∶邏輯電源5V。

11.V0∶對比度調(diào)節(jié)。

12.Vee∶液晶驅(qū)動電源。

部分程序如下：

3 測量與實(shí)驗(yàn)

在本實(shí)驗(yàn)中，對9.5和10.5兩種載頻及2.2、2.3、2.4三種位模式進(jìn)行組合的6種信息進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)音頻信號參數(shù)與測量結(jié)果對比

分析表中數(shù)據(jù)可以看出，該系統(tǒng)對載頻的判定完全正確，誤差率極小。位模式的檢測也完全正確。

4 小結(jié)

文中利用STC1T單片機(jī)設(shè)計(jì)了FTGS音頻軌道電路測試系統(tǒng)。并對兩種其中兩種載頻及5種位模式的組合進(jìn)行了測量實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能很好的測量FTGS音頻軌道電路的信息參數(shù)，完全滿足學(xué)生學(xué)習(xí)、測量使用。

[1]林瑜筠.城市軌道交通信號[M].中國鐵道出版社,2010.

[2]林瑜筠.區(qū)間信號自動控制[M].中國鐵道出版社,2009.

[3]單片機(jī)技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社,2011.