車載機(jī)車信號(hào)測(cè)試發(fā)生器的研究與開(kāi)發(fā)

李家國(guó) 王海瑛 趙 國(guó)

隨著列車不斷提高速度，機(jī)車信號(hào)的重要性也越顯突出，機(jī)車信號(hào)設(shè)備故障直接影響行車安全和運(yùn)輸，因此，對(duì)機(jī)車信號(hào)車載設(shè)備的要求也越來(lái)越高。為了保證機(jī)車信號(hào)車載設(shè)備的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)車信號(hào)車載設(shè)備的日常檢修測(cè)試是一項(xiàng)必不可少的工作。

1 機(jī)車信號(hào)車載設(shè)備檢修測(cè)試中的問(wèn)題

目前機(jī)車信號(hào)車載設(shè)備的日常檢修測(cè)試有2種方式，一是在機(jī)務(wù)段內(nèi)各車載檢測(cè)點(diǎn)機(jī)車信號(hào)環(huán)線上進(jìn)行，二是在不具備環(huán)線測(cè)試條件的情況下，使用人工便攜式發(fā)碼器，進(jìn)行機(jī)車信號(hào)設(shè)備性能檢修測(cè)試。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作中，不論是信號(hào)環(huán)線測(cè)試環(huán)境還是便攜式發(fā)碼器，人工檢測(cè)都存在一些問(wèn)題。

1.如果機(jī)車信號(hào)環(huán)線股道較短，在機(jī)車數(shù)量多的情況下，部分機(jī)車就沒(méi)法測(cè)試，而如果環(huán)線股道較長(zhǎng)，由于發(fā)碼器功放等原因，機(jī)車信號(hào)車載設(shè)備接收不上來(lái)。

2.即使在環(huán)線股道機(jī)車數(shù)量不多，但是在2個(gè)機(jī)車聯(lián)掛的情況下，機(jī)車測(cè)試信號(hào)在發(fā)送ZP-2000載頻的情況下，機(jī)車也會(huì)接收不到地面發(fā)送的信號(hào)。

3.機(jī)車不在機(jī)車信號(hào)環(huán)線上時(shí)，用手持式發(fā)碼器測(cè)試機(jī)車信號(hào)，會(huì)因?yàn)槭殖质桨l(fā)碼器電池電量不足影響測(cè)試，同時(shí)手持式發(fā)碼器由于攜帶不方便，也會(huì)給測(cè)試工作帶來(lái)一些困難，增加了部分工作量。

4.無(wú)論用大發(fā)碼器在環(huán)線上測(cè)試，還是用便攜式發(fā)碼器測(cè)試，都存在一個(gè)問(wèn)題，即都不能對(duì)車載機(jī)車信號(hào)靈敏度進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于鐵路運(yùn)輸來(lái)說(shuō)，這點(diǎn)就是安全隱患。在實(shí)際工作中就出現(xiàn)過(guò)由于工作失誤，同時(shí)測(cè)試條件不標(biāo)準(zhǔn)，造成車載設(shè)備故障，從而影響運(yùn)輸。

5.對(duì)于自輪運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)車來(lái)說(shuō)，機(jī)車信號(hào)測(cè)試都只能在線路上用手持式發(fā)碼器測(cè)試，在發(fā)碼器電池電量不足的情況下，就不能順利完成測(cè)試任務(wù)。雖然有的自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備有自檢功能，但是采取的是主機(jī)直接發(fā)碼方式，不能對(duì)整套設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，特別是對(duì)接收線圈不能檢測(cè)，所以自檢方式也是不完善的。

因此，有必要研發(fā)一臺(tái)車載機(jī)車信號(hào)測(cè)試發(fā)生器，安裝在機(jī)車上，用以解決上述車載機(jī)車信號(hào)檢修測(cè)試的問(wèn)題，保證機(jī)車無(wú)論在什么位置，都能按照測(cè)試要求完成機(jī)車信號(hào)測(cè)試任務(wù)。

2 車載機(jī)車信號(hào)測(cè)試發(fā)生器原理及功能

車載機(jī)車信號(hào)測(cè)試發(fā)生器輸出測(cè)試原理圖如圖1所示。

圖1 車載機(jī)車信號(hào)測(cè)試發(fā)生器測(cè)試原理圖

車載機(jī)車信號(hào)測(cè)試發(fā)生器有Ⅰ、Ⅱ端轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，機(jī)車兩端都有測(cè)試線圈，分別為測(cè)試Ⅰ端線圈和測(cè)試Ⅱ端線圈，每2個(gè)測(cè)試線圈之間通過(guò)屏蔽電纜進(jìn)行同名端串接，然后連接到車載機(jī)車信號(hào)測(cè)試發(fā)生器輸出接口上;車載機(jī)車信號(hào)測(cè)試發(fā)生器所發(fā)出的載頻、低頻信息，通過(guò)車載機(jī)車信號(hào)測(cè)試發(fā)生器輸出接口輸出到測(cè)試線圈，產(chǎn)生磁感應(yīng)磁場(chǎng)，機(jī)車信號(hào)接收線圈接收到磁感應(yīng)信號(hào)，傳送到機(jī)車信號(hào)主機(jī)進(jìn)行譯碼，完成點(diǎn)燈測(cè)試。

為滿足車載機(jī)車信號(hào)設(shè)備測(cè)試需要，實(shí)現(xiàn)正常測(cè)試，車載機(jī)車信號(hào)測(cè)試發(fā)生器結(jié)合機(jī)車信號(hào)接收線圈，增加了4臺(tái)測(cè)試線圈，使其具備地面環(huán)線發(fā)碼設(shè)備和便攜式發(fā)碼設(shè)備的測(cè)試功能，實(shí)現(xiàn)輸出電流可調(diào);增加Ⅰ、Ⅱ端轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，具備語(yǔ)音輸出、各載頻、低頻輸出有顯示、自動(dòng)斷電等功能。輸出電流調(diào)整，可為每臺(tái)機(jī)車測(cè)試靈敏度設(shè)定條件;增加Ⅰ、Ⅱ端轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，可以提高機(jī)車測(cè)試效率;語(yǔ)音輸出和各載頻、低頻輸出有顯示，可以提高測(cè)試效率，核對(duì)信號(hào)輸出和點(diǎn)燈信號(hào)的一致性;增加自動(dòng)斷電功能，是防止測(cè)試人員測(cè)試完畢忘記關(guān)閉電源的保護(hù)措施。

3 車載機(jī)車信號(hào)測(cè)試發(fā)生器組成及設(shè)計(jì)

車載機(jī)車信號(hào)測(cè)試發(fā)生器由主控制板、TFT液晶顯示屏、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器板、程控輸出板、無(wú)線通信板、系統(tǒng)電源組成。

1.主控制板及顯示部分功能設(shè)計(jì)。主控制板采用工業(yè)級(jí)數(shù)?；旌闲透咚賳纹?jì)算機(jī)C8051F023、高速存儲(chǔ)器、串行通信總線、并行通信總線、無(wú)線收/發(fā)模塊、輸入/輸出器件及相關(guān)接口電路等組成，采用單片機(jī)作為核心處理模塊搭建主控制板，可以大大縮小儀器的體積且功能豐富。其中，單片機(jī)主要功能是實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)功能、網(wǎng)絡(luò)功能、無(wú)線通信功能等操作，并對(duì)信息處理、信息顯示、外圍USB和無(wú)線等接口設(shè)備進(jìn)行管理;而且TFT液晶顯示屏顯示、發(fā)碼器的波形生成、語(yǔ)音播放及電流電壓測(cè)量等，均由單片機(jī)程序及片內(nèi)電路完成。主控制板設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 設(shè)備主控制板設(shè)計(jì)框圖

硬件控制電路考慮到系統(tǒng)的運(yùn)算速度要求，采用2片C8051F023單片機(jī)進(jìn)行工作，其中一個(gè)單片機(jī)負(fù)責(zé)邏輯管理運(yùn)算，另一個(gè)單片機(jī)負(fù)責(zé)信息的顯示刷新管理，2片單片機(jī)之間由SPI串行總線及PLD內(nèi)的并行總線聯(lián)絡(luò)。輸入/輸出裝置主要包括鍵盤、顯示屏、蜂鳴器。鍵盤有8個(gè)輸入按鍵(包括電源開(kāi)關(guān)按鍵);顯示屏選用10.4吋TFT高清顯示屏。

可編程門陣列電路MACH12864用于實(shí)現(xiàn)高速單片計(jì)算機(jī)所特有的高速數(shù)據(jù)總線及地址總線的功能，并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)高清晰真彩液晶顯示器所需的時(shí)序，且可在線編程。單時(shí)鐘指令周期的單片計(jì)算機(jī)，用于完成顯示數(shù)據(jù)的編碼、譯碼及分色處理，可編程門陣列作為顯示控制器，控制10.4吋TFT高清顯示屏顯示。

高速單片計(jì)算機(jī)C8051F023的串口，接收控制中心通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)程控制模塊或本機(jī)鍵盤發(fā)來(lái)的控制數(shù)據(jù)，相應(yīng)地控制語(yǔ)音模塊和數(shù)據(jù)模塊執(zhí)行各自的操作。

2.函數(shù)信號(hào)發(fā)生器板主要功能設(shè)計(jì)。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器板由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、功率輸出、測(cè)量電路組成，其部分框圖及組成設(shè)計(jì)如圖3所示。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生各種制式的移頻及交流計(jì)數(shù)信號(hào)。程序生成 (FSK)移頻所需的波形文件，并由片內(nèi)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，模擬信號(hào)由功率放大器提供大電流驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)感應(yīng)器或環(huán)線輸出。對(duì)于車載設(shè)備，需要有盡量小的體積與功耗，同時(shí)也需要有盡量大的信號(hào)處理能力，所以在數(shù)據(jù)采集方面，采用峰值取樣，它與欠采樣及其他采樣方式比較，能以最小的資源，獲取更多的信號(hào)信息，減小功耗的同時(shí)，不降低性能。

圖3 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器板設(shè)計(jì)框圖

4 車載機(jī)車信號(hào)測(cè)試發(fā)生器的主要特點(diǎn)

1.可選擇發(fā)送與測(cè)量國(guó)產(chǎn)移頻，UM71，ZPW2000A等多種制式，易于操作，測(cè)試簡(jiǎn)便。

2.可以選擇手動(dòng)、自動(dòng)選擇制式、載頻、信息及手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電流的操作，設(shè)置電流條件可以測(cè)試機(jī)車信號(hào)靈敏度。

3.儀器執(zhí)行的工作狀態(tài)及各種設(shè)置參數(shù)，被實(shí)時(shí)保存在非易失電子器件中，開(kāi)機(jī)時(shí)被自動(dòng)調(diào)出進(jìn)行運(yùn)行。

4.采用高亮液晶顯示，制式模式、載頻、低頻、輸出電流以及電池電量等信息，直觀地顯示在液晶屏上。液晶屏的亮度高，對(duì)比度大，適合室外陽(yáng)光下使用。

5.具有升級(jí)接口，可與計(jì)算機(jī)通信，方便修改發(fā)碼碼序，發(fā)送與測(cè)試記錄也可以上傳到計(jì)算機(jī)管理。

6.內(nèi)部裝設(shè)有源音響，能語(yǔ)音播報(bào)發(fā)碼時(shí)的信號(hào)燈的顏色和狀態(tài)，音量可調(diào)節(jié)。

7.具有輸出短路保護(hù)，可在液晶上顯示和語(yǔ)音提示，并具備自動(dòng)斷電功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

車載機(jī)車信號(hào)測(cè)試發(fā)生器所采用的測(cè)試方式，彌補(bǔ)了機(jī)車信號(hào)測(cè)試環(huán)線和便攜式發(fā)碼器的不足，同時(shí)對(duì)于外地作業(yè)的自輪運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)車來(lái)說(shuō)尤其適用，對(duì)于保證機(jī)車正常運(yùn)用和鐵路運(yùn)輸安全，具有重要意義。

［1］ 邱寬民.JT1CZ2000型機(jī)車信號(hào)車載系統(tǒng)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

［2］ 陳偉人.單片微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［3］ 肖運(yùn)勇.利用光纜傳輸繼電器半自動(dòng)信號(hào)［J］.鐵道通信信號(hào)，2003(7)：14-16.