(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,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,具有一定的推廣價值。
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。
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。
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。
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。
軟件設(shè)計部分,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。
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0~9,一個取消鍵和一個確認(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。
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個周期,如果載頻為10.5KHz,則500ms內(nèi)將有5250個周期。
位模式頻率較低,可使用測周法,只用計算位模式在一個周期內(nèi)定時器的時間是多少即可。由于位模式要計算一個周期內(nèi)低電平與高電平,因此先整個周期,再計算低電平持續(xù)時間,兩者相減即得高電平持續(xù)時間,那么可以輕易確定位模式大小。下為整個周期的測量程序。
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16*16點(diǎn)漢字,和128個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,且該模塊的價格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。它由12個引腳,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:
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。
文中利用STC1T單片機(jī)設(shè)計了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.
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