高壓不對稱脈沖軌道電路分線采集設(shè)備設(shè)計

丁 歡 劉琰瓊

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

1 概述

隨著近年來ZPW-2000A無絕緣移頻自動閉塞系統(tǒng)在全路的大面積推廣應(yīng)用，ZPW-2000A作為鐵路運輸基礎(chǔ)安全設(shè)備，已經(jīng)被確立為今后鐵路發(fā)展的統(tǒng)一制式[1]。為了讓電務(wù)部門通過信號微機監(jiān)測系統(tǒng)提高對ZPW-2000A無絕緣軌道電路的維護水平，進一步提高ZPW-2000A無絕緣軌道電路工作的穩(wěn)定性和可靠性，在鐵路信號微機監(jiān)測系統(tǒng)中加入了對ZPW-2000系列集中式無絕緣移頻自動閉塞設(shè)備的監(jiān)測子系統(tǒng)，能夠監(jiān)測信號設(shè)備狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)信號設(shè)備隱患、分析信號設(shè)備故障原因、輔助故障處理、指導(dǎo)現(xiàn)場維修和反映設(shè)備運用質(zhì)量。

據(jù)不完全統(tǒng)計，全國鐵路存在數(shù)以萬計的分路不良區(qū)段。既有ZPW-2000A系統(tǒng)在這種區(qū)段無法完成列車占用檢查，從而造成列車沖撞、擠占、脫軌等嚴(yán)重的行車事故，給鐵路運營帶來重大安全隱患，嚴(yán)重影響鐵路運輸效率，成為全路亟待解決的重大安全技術(shù)問題[2]。近年來我國吸收法國高壓脈沖軌道電路技術(shù)，設(shè)計出一種高壓不對稱脈沖軌道電路。該軌道電路充分利用輸出瞬間功率極高(近萬瓦、100 V、100 A)的特點，完成對站內(nèi)腐蝕較嚴(yán)重軌道區(qū)段銹層、污染物的擊穿作用，從而實現(xiàn)列車的良好分路，主要應(yīng)用于中度和重度污染的軌道區(qū)段[3]。

既有線ZPW-2000A監(jiān)測子系統(tǒng)的采集設(shè)備主要包括采集衰耗器、采集發(fā)送檢測器和分線采集器3種[4]。其中分線采集器利用原來的模擬網(wǎng)絡(luò)組匣空余位置來安裝，就近采集軌道電路分線盤處每個區(qū)段的發(fā)送端、接收端軌道信號的電壓、載頻和低頻。隨著高壓不對稱脈沖軌道電路的推廣，分線采集器在原有功能外，還需要能夠準(zhǔn)確捕獲脈沖信號的峰頭、峰尾等信息。因此本文著重關(guān)注在高壓不對稱脈沖軌道電路環(huán)境下的分線采集器設(shè)計。

2 脈沖分線采集器硬件解決方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)2010年鐵道部《鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件》[5]規(guī)定，ZPW-2000A監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容包括：區(qū)間移頻發(fā)送器發(fā)送電壓、電流、載頻、低頻；送端電纜模擬網(wǎng)絡(luò)電纜側(cè)電壓、電流、載頻、低頻；受端電纜模擬網(wǎng)絡(luò)側(cè)主軌道/小軌道電壓、載頻、低頻；受端電纜模擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備側(cè)（軌入）主軌道/小軌道電壓、載頻、低頻；接收入口（軌出）主軌道/小軌道電壓、載頻、低頻。針對高壓不對稱脈沖軌道電路，分線采集器應(yīng)能同時完成對移頻信號與脈沖信號的采集分析?？紤]到監(jiān)測系統(tǒng)不得影響被采集設(shè)備的正常工作，脈沖分線采集器參考文獻[6]中設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

脈沖軌道電路分線采集器的信號輸入中包含移頻信號以及脈沖信號。其中送端移頻信號最大幅度為100 V，送端脈沖最大幅度為900 V；受端移頻信號最大幅度為50 V，受端脈沖最大幅度為800 V。信號輸入后，在高阻隔離模塊中經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)分壓、隔離變壓器隔離后輸入端處理電路。由于受端移頻信號幅度相對較小，因此需要經(jīng)過運算放大器放大至適當(dāng)范圍，再進入AD采樣模塊。CPU從AD采樣模塊中讀取各區(qū)段信號數(shù)據(jù)后，通過數(shù)字信號處理算法解調(diào)出移頻信號電壓、載頻、低頻以及脈沖電壓峰頭、峰尾等信息。最終，CPU通過CPLD控制通信模塊，將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測維護機。下文將著重介紹系統(tǒng)中幾個重點模塊。

2.2 信號隔離與采樣模塊

信號隔離與采樣模塊包括高阻隔離、信號放大、AD采樣3個子模塊。

1) 高阻隔離子模塊：按照監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計原則，脈沖分線采集器不能影響軌道電路系統(tǒng)正常工作，因此需要在輸入部分進行隔離。本系統(tǒng)首先采用電阻分壓對輸入信號進行降幅，使送、受端脈沖信號幅度降至低于10 V。然后降幅信號經(jīng)隔離變壓器，傳入后端采集電路進行處理，從而實現(xiàn)了監(jiān)測采集設(shè)備與原有軌道電路設(shè)備的隔離。

2) 信號放大子模塊：受端移頻信號由于本身幅度較低，經(jīng)高阻隔離子模塊降幅后，幅度降低為毫伏級。為了更準(zhǔn)確采集受端移頻信息，需要對該信號進行放大。本設(shè)計中采用INA 2143運算放大器實現(xiàn)。

3) AD采樣子模塊：由于對監(jiān)測采集系統(tǒng)的測量精度要求很高，因此，在本設(shè)計中采用具有同時采樣保持功能的16位并行輸出AD轉(zhuǎn)換器AD7656-1。針對送端信號、受端脈沖信號及放大后的受端移頻信號，共設(shè)置3片AD7656-1完成6個區(qū)段的信息采集。利用DSP定時器產(chǎn)生AD采樣啟動信號，由DSP進行周期采樣，CPLD對DSP的讀寫信號和地址信號進行邏輯組合，生成ADC片選信號與讀寫信號，實現(xiàn)A/D數(shù)據(jù)讀取。

2.3 數(shù)字信號處理模塊

數(shù)字信號處理模塊包括DSP處理器及外擴晶振、RAM、Flash、看門狗、CPLD等外圍相關(guān)電路，負責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)完成信號的數(shù)字濾波、DH T變換等運算，最終實現(xiàn)對軌道電路移頻信號的解調(diào)。

本設(shè)計采用TM S320VC33-120 DSP作為核心處理芯片，該芯片采用內(nèi)部1.8 V、外部3.3 V供電，且能支持高達150 M FLOPS的運行速率，具有高速、低功耗、低成本、易于開發(fā)的顯著特點。DSP處理器負責(zé)完成FIR濾波、信號解調(diào)等數(shù)字信號處理算法，并整體控制系統(tǒng)各個模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

DSP以位擴展方式外擴兩片CY 7C1021RAM（64 k×16 bit），構(gòu)成64 k×32 bit的外部RAM空間；外擴一片SST39VF040（512 k×8 bit）Flash，作為程序加載的存儲空間。DSP通過M CBL M P的設(shè)置來選擇程序的加載方式，當(dāng)該引腳為高電平時，DSP工作于自引導(dǎo)方式，從Flash中加載程序。

本設(shè)計采用X IL INX公司的XC9572X L-10TQ100C來實現(xiàn)整個電路系統(tǒng)的時序管理及邏輯控制功能。CPLD根據(jù)DSP存儲器地址空間譯碼產(chǎn)生片選信號以及讀寫時序，主要包括ADC讀寫時序控制、存儲器讀寫時序控制、通信接口時序控制等。

2.4 通信模塊

分線采集器通過一路CAN總線與監(jiān)測維護機通信，接收監(jiān)測維護機下發(fā)的命令幀，并定時通過CAN總線上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)。

本設(shè)計選用PH IL IPS公司的SJA 1000T控制器，并采用全世界使用最廣泛的CAN收發(fā)器PCA 82C250作為CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，能夠?qū)偩€提供差動發(fā)送能力并對CAN控制器提供差動接收能力。

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，并降低干擾對系統(tǒng)的影響，設(shè)計中采用光耦對CAN控制器與CAN收發(fā)器之間進行隔離設(shè)計。此外，設(shè)計采用氣體放電管與TVS管進行雷電防護，采用共模電感防止回路中存在的共模信號干擾對系統(tǒng)正常信號的干擾，同時也防止系統(tǒng)向外輻射干擾。

3 脈沖分線采集器軟件設(shè)計

分線采集器軟件主要由外部循環(huán)函數(shù)及定時中斷處理函數(shù)兩部分組成，下面將對這兩部分進行詳細說明。

3.1 外部循環(huán)函數(shù)

外部循環(huán)函數(shù)流程如圖2所示。

系統(tǒng)上電后，加載外部F lash的程序文件到內(nèi)部SRAM程序區(qū)，DSP初始化各個部分后運行。A/D采集到的數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部SRAM數(shù)據(jù)區(qū)，程序循環(huán)對信號進行數(shù)字信號處理，完成對送、受端移頻信號電壓、載頻、低頻的解調(diào)，以及脈沖信號的解調(diào)，并將解調(diào)結(jié)果進行分析，形成向監(jiān)測維護機上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.2 定時中斷處理函數(shù)

定時中斷處理函數(shù)由DSP定時器觸發(fā)，用于完成信號采樣、濾波并進行能量計算和存儲，同時完成各種計時及通信函數(shù)調(diào)用，具體流程如圖3所示。

通過在定時中斷，可以準(zhǔn)確控制分線采集器的采樣頻率，便于設(shè)計數(shù)字濾波器參數(shù)。同時將CAN通信在定時中斷時實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)對CAN通信周期的有效控制。

4 結(jié)束語

本文針對高壓不對稱脈沖軌道電路監(jiān)測系統(tǒng)對脈沖信號峰頭、峰尾、頻率等信息的監(jiān)測需求，基于TM S320VC33-120處理器，設(shè)計了一種新的分線采集器。該設(shè)備已經(jīng)調(diào)試完成，并進行了大量測試。測試結(jié)果表明，該設(shè)備能夠同時實現(xiàn)對高壓不對稱軌道電路送端、受端移頻信號電壓、載頻、低頻以及脈沖信號信息的采集，采集精度等各項指標(biāo)基本符合要求。

[1]尹路,于曉泉. ZPW-2000A監(jiān)測采集數(shù)據(jù)在微機監(jiān)測系統(tǒng)處理應(yīng)用的探討[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2007，4（6）:17-19.

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[4]劉海東.既有線ZPW-2000A無絕緣軌道電路監(jiān)測子系統(tǒng)構(gòu)建[J].鐵路通信信號工程技術(shù),2010,7(3):78-79.

[5]運基信號[2010]709號 鐵路信號微機監(jiān)測技術(shù)條件[S].

[6]劉銳冬.基于TMS320VC33-120的音頻信號采集系統(tǒng)[J].鐵路通信信號工程技術(shù), 2007, 4(6): 15-17.