高壓電子脈沖軌道采集器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉玲+陳波+董明玉

621000）

摘 要：隨著鐵路信號(hào)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)鐵路信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性及現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性提出了更高的要求。高壓電子脈沖軌道采集器能夠準(zhǔn)確快速地測(cè)量高壓不對(duì)稱脈沖信號(hào)峰值電壓、有效值電壓、并記錄下脈沖信號(hào)波形，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將采集信息上報(bào)到集中監(jiān)測(cè)站機(jī)，進(jìn)行存儲(chǔ)顯示等，并能通過(guò)人工命令方式對(duì)譯碼器輸入信號(hào)的波形進(jìn)行查看。該采集器具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 高壓電子脈沖軌道采集器； 現(xiàn)場(chǎng)總線； 存儲(chǔ)顯示； 鐵路信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）14?0107?02

Design and implementation of high?voltage electron pulse track collector

LIU Ling1， CHEN Bo2， DONG Ming?yu2

（1. Department of CNC， No. 58 Research Institute of China Ordance Industries， Mianyang 621000， China；

2. Mianyang Weibo Electronic Co.， Ltd， Mianyang 621000， China）

Abstract： With the rapid development of railway signal technology， higher requirements of the reliability and adaptability on spot have been proposed for the centralized detection system of railway signals. The high?voltage electron pulse track collector can accurately detect the peek voltage and effective value voltage of high?voltage asymmetry pulse signal， and then note down the pulse signal waveform. The collected information is uploaded to the centralized monitoring station through the field bus for storage and display. The waveform of encoder input signal is checked in artificial command mode. The collector has practical significance and application value.

Keywords： high?voltage electron pulse track Collector； field bus； storage display； railway signal detection system

隨著鐵路信號(hào)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)鐵路信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性及現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性提出了更高的要求。傳統(tǒng)高壓脈沖軌道電路對(duì)高壓不對(duì)稱電壓信號(hào)的測(cè)量采用示波表測(cè)量方案，不能有效濾除鐵路移頻干擾信號(hào)和50 Hz工頻信號(hào)的干擾，導(dǎo)致在測(cè)量高壓不對(duì)稱電壓信號(hào)的幅值大小和脈沖波發(fā)生頻率時(shí)，出現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問(wèn)題。此外，還存在成本高，安裝不便等缺陷。由此，開(kāi)發(fā)一種測(cè)量精度高、便攜式安裝、低成本的高壓脈沖軌道電路傳感器，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 采集器電路結(jié)構(gòu)

高壓脈沖軌道電路系統(tǒng)由高阻抗采樣單元、光電隔離單元、模/數(shù)采樣單元、移頻干擾濾除單元、數(shù)字補(bǔ)償濾波單元、脈沖檢測(cè)單元、MCU控制單元和DSP控制單元、CAN總線隔離輸出單元及系統(tǒng)供電電源9個(gè)模塊組成。系統(tǒng)采用高阻抗采樣及隔離方式，并配合數(shù)字補(bǔ)償濾波，有效濾除脈沖信號(hào)中的移頻信號(hào)干擾，方便后續(xù)脈沖測(cè)量和計(jì)算。該電路克服了現(xiàn)有技術(shù)中不能有效地濾除鐵路移頻干擾信號(hào)，導(dǎo)致在測(cè)量高壓脈沖信號(hào)的正負(fù)峰值和頻率時(shí)出現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，且該系統(tǒng)中的各個(gè)單元一體化成型，改善了現(xiàn)有多路示波表設(shè)備投入的高成本和安裝不便的問(wèn)題。

圖1 高壓不對(duì)稱電壓傳感器系統(tǒng)硬件原理框圖

2 采集器工作原理

高壓不對(duì)稱脈沖波形如圖2所示。系統(tǒng)對(duì)高壓脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖信號(hào)、波頭信號(hào)、波尾信號(hào)通過(guò)高阻抗采樣單元進(jìn)行采樣，有效降低了采樣模塊對(duì)高壓脈沖軌道電路系統(tǒng)造成的干擾。MCU控制單元和DSP控制單元按照實(shí)際應(yīng)用需要進(jìn)行程序嵌入，合理分配執(zhí)行過(guò)程從而加快處理速度。MCU控制器采用RMS有效值算法，根據(jù)脈沖頻率整周期積分，得到波頭信號(hào)及波尾信號(hào)的有效值，并通過(guò)脈沖檢測(cè)單元的輸出結(jié)果，計(jì)算出脈沖波發(fā)生頻率、幅值及脈沖波形曲線。輸出數(shù)據(jù)采用CAN 2.0總線網(wǎng)絡(luò)傳輸，使設(shè)備組網(wǎng)智能化、傳輸速度快、抗干擾性能高[3]。

圖2 高壓不對(duì)稱脈沖波形示意圖

3 采樣過(guò)程分析

采樣過(guò)程可以看作是脈沖調(diào)制過(guò)程，采樣開(kāi)關(guān)可以看作是調(diào)制器。這種調(diào)制過(guò)程是將輸入的連續(xù)模擬信號(hào)x（t）的波形，轉(zhuǎn)換為寬度非常窄而幅度由輸入信號(hào)確定的脈沖序列[6]。輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的關(guān)系為：

[xsnTs=xtδTt=xtn=-∞+∞δt-nTs] （1）

式中[δTt]為采樣開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。

假設(shè)采樣脈沖為理想脈沖，[xt]在脈沖出現(xiàn)瞬間[nTs]取值為[xsnTs]故式（1）可以改寫(xiě)成：

[xsnTs=n=-∞+∞δnTsδTt-nTs] （2）

考慮到時(shí)間為負(fù)值，無(wú)物理意義，因而式（2）可以改寫(xiě)成：

[xsnTs=n=0+∞xnTsδt-nTs] （3）

式（3）表明，采樣開(kāi)關(guān)輸出的采樣信號(hào)[xsnTs]是由一系列脈沖組成的，其數(shù)學(xué)表達(dá)式是兩個(gè)乘積的和。

4 采集器軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件運(yùn)行在基于ARM的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，將Windows CE 6.0操作系統(tǒng)嵌入ARM芯片中，用C++語(yǔ)言編制控制程序[1]。

圖3為高壓電子脈沖軌道采集器軟件流程圖，系統(tǒng)軟件的工作流程為：采集器加電后首先進(jìn)行初始化，初始化完成后，則開(kāi)始裝配數(shù)據(jù)和模塊，即讀取存儲(chǔ)于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)和配置文件，通過(guò)接口將脈沖數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分解。等待數(shù)據(jù)分解結(jié)束后，根據(jù)工作模式對(duì)數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行測(cè)試，如有錯(cuò)誤，則顯示報(bào)警信息；如數(shù)據(jù)完整，則存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)畫(huà)出脈沖波形[4]。

圖3 主控制流程圖

軟件通過(guò)主控制模塊調(diào)度整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，要完成的主要任務(wù)是通過(guò)總線接口與輸出數(shù)據(jù)單元各個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)送協(xié)同控制指令進(jìn)行通信[2]。根據(jù)用戶的操作，讀取來(lái)自觸摸屏的信號(hào)，然后選擇相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作。以采集測(cè)試信號(hào)為例，操作者按下發(fā)送數(shù)據(jù)按鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入采集信號(hào)狀態(tài)，數(shù)據(jù)輸出單元向主控制模塊發(fā)送高壓電子脈沖波形數(shù)據(jù)。主控制模塊把接收到的200個(gè)脈沖波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到接收緩沖區(qū)中。當(dāng)操作者按下測(cè)試信號(hào)按鍵后，系統(tǒng)迅速根據(jù)控制命令做出響應(yīng)并畫(huà)出相應(yīng)的脈沖波形圖[5]。主控制界面及采集到的測(cè)試脈沖信號(hào)波形圖如圖4所示。

圖4 主控制界面及測(cè)試脈沖信號(hào)波形圖

（上接第108頁(yè)）

5 結(jié) 語(yǔ)

高壓電子脈沖軌道采集器能準(zhǔn)確快速的測(cè)量并顯示高壓不對(duì)稱脈沖信號(hào)峰值電壓、真有效值電壓、并記錄下脈沖信號(hào)波形，為軌道繼電器正常工作提供數(shù)據(jù)支撐，也為鐵路現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決軌道電路的異常情況提供了保障，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)推廣價(jià)值。

實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能滿足用戶的基本需要，收到了良好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊奕昕，張玉輝，趙毅忠.嵌入式技術(shù)在花樣縫紉機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].兵工自動(dòng)化，2010（12）：73?74.

[2] 趙君，劉衛(wèi)國(guó)，譚博.基于CAN總線的分布式多電機(jī)控制研究[J].測(cè)控技術(shù)，2008（8）：70?73.

[3] 王帥宇，張宇河，郭萱.基于CAN總線伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制方法[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（5）：421?422.

[4] 汪兵，李存斌，陳鵬，等.EVC高級(jí)編程及其應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)[M] . 北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

[5] 李現(xiàn)勇.Visual CE串口通信技術(shù)與工程實(shí)現(xiàn)[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[6] 栗蘋(píng)，趙國(guó)慶，楊小牛.信息對(duì)抗技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

式中[δTt]為采樣開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。

假設(shè)采樣脈沖為理想脈沖，[xt]在脈沖出現(xiàn)瞬間[nTs]取值為[xsnTs]故式（1）可以改寫(xiě)成：

[xsnTs=n=-∞+∞δnTsδTt-nTs] （2）

考慮到時(shí)間為負(fù)值，無(wú)物理意義，因而式（2）可以改寫(xiě)成：

[xsnTs=n=0+∞xnTsδt-nTs] （3）

式（3）表明，采樣開(kāi)關(guān)輸出的采樣信號(hào)[xsnTs]是由一系列脈沖組成的，其數(shù)學(xué)表達(dá)式是兩個(gè)乘積的和。

4 采集器軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件運(yùn)行在基于ARM的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，將Windows CE 6.0操作系統(tǒng)嵌入ARM芯片中，用C++語(yǔ)言編制控制程序[1]。

圖3為高壓電子脈沖軌道采集器軟件流程圖，系統(tǒng)軟件的工作流程為：采集器加電后首先進(jìn)行初始化，初始化完成后，則開(kāi)始裝配數(shù)據(jù)和模塊，即讀取存儲(chǔ)于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)和配置文件，通過(guò)接口將脈沖數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分解。等待數(shù)據(jù)分解結(jié)束后，根據(jù)工作模式對(duì)數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行測(cè)試，如有錯(cuò)誤，則顯示報(bào)警信息；如數(shù)據(jù)完整，則存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)畫(huà)出脈沖波形[4]。

圖3 主控制流程圖

軟件通過(guò)主控制模塊調(diào)度整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，要完成的主要任務(wù)是通過(guò)總線接口與輸出數(shù)據(jù)單元各個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)送協(xié)同控制指令進(jìn)行通信[2]。根據(jù)用戶的操作，讀取來(lái)自觸摸屏的信號(hào)，然后選擇相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作。以采集測(cè)試信號(hào)為例，操作者按下發(fā)送數(shù)據(jù)按鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入采集信號(hào)狀態(tài)，數(shù)據(jù)輸出單元向主控制模塊發(fā)送高壓電子脈沖波形數(shù)據(jù)。主控制模塊把接收到的200個(gè)脈沖波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到接收緩沖區(qū)中。當(dāng)操作者按下測(cè)試信號(hào)按鍵后，系統(tǒng)迅速根據(jù)控制命令做出響應(yīng)并畫(huà)出相應(yīng)的脈沖波形圖[5]。主控制界面及采集到的測(cè)試脈沖信號(hào)波形圖如圖4所示。

圖4 主控制界面及測(cè)試脈沖信號(hào)波形圖

（上接第108頁(yè)）

5 結(jié) 語(yǔ)

高壓電子脈沖軌道采集器能準(zhǔn)確快速的測(cè)量并顯示高壓不對(duì)稱脈沖信號(hào)峰值電壓、真有效值電壓、并記錄下脈沖信號(hào)波形，為軌道繼電器正常工作提供數(shù)據(jù)支撐，也為鐵路現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決軌道電路的異常情況提供了保障，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)推廣價(jià)值。

實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能滿足用戶的基本需要，收到了良好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊奕昕，張玉輝，趙毅忠.嵌入式技術(shù)在花樣縫紉機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].兵工自動(dòng)化，2010（12）：73?74.

[2] 趙君，劉衛(wèi)國(guó)，譚博.基于CAN總線的分布式多電機(jī)控制研究[J].測(cè)控技術(shù)，2008（8）：70?73.

[3] 王帥宇，張宇河，郭萱.基于CAN總線伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制方法[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（5）：421?422.

[4] 汪兵，李存斌，陳鵬，等.EVC高級(jí)編程及其應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)[M] . 北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

[5] 李現(xiàn)勇.Visual CE串口通信技術(shù)與工程實(shí)現(xiàn)[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[6] 栗蘋(píng)，趙國(guó)慶，楊小牛.信息對(duì)抗技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

式中[δTt]為采樣開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。

假設(shè)采樣脈沖為理想脈沖，[xt]在脈沖出現(xiàn)瞬間[nTs]取值為[xsnTs]故式（1）可以改寫(xiě)成：

[xsnTs=n=-∞+∞δnTsδTt-nTs] （2）

考慮到時(shí)間為負(fù)值，無(wú)物理意義，因而式（2）可以改寫(xiě)成：

[xsnTs=n=0+∞xnTsδt-nTs] （3）

式（3）表明，采樣開(kāi)關(guān)輸出的采樣信號(hào)[xsnTs]是由一系列脈沖組成的，其數(shù)學(xué)表達(dá)式是兩個(gè)乘積的和。

4 采集器軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件運(yùn)行在基于ARM的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，將Windows CE 6.0操作系統(tǒng)嵌入ARM芯片中，用C++語(yǔ)言編制控制程序[1]。

圖3為高壓電子脈沖軌道采集器軟件流程圖，系統(tǒng)軟件的工作流程為：采集器加電后首先進(jìn)行初始化，初始化完成后，則開(kāi)始裝配數(shù)據(jù)和模塊，即讀取存儲(chǔ)于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)和配置文件，通過(guò)接口將脈沖數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分解。等待數(shù)據(jù)分解結(jié)束后，根據(jù)工作模式對(duì)數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行測(cè)試，如有錯(cuò)誤，則顯示報(bào)警信息；如數(shù)據(jù)完整，則存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)畫(huà)出脈沖波形[4]。

圖3 主控制流程圖

軟件通過(guò)主控制模塊調(diào)度整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，要完成的主要任務(wù)是通過(guò)總線接口與輸出數(shù)據(jù)單元各個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)送協(xié)同控制指令進(jìn)行通信[2]。根據(jù)用戶的操作，讀取來(lái)自觸摸屏的信號(hào)，然后選擇相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作。以采集測(cè)試信號(hào)為例，操作者按下發(fā)送數(shù)據(jù)按鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入采集信號(hào)狀態(tài)，數(shù)據(jù)輸出單元向主控制模塊發(fā)送高壓電子脈沖波形數(shù)據(jù)。主控制模塊把接收到的200個(gè)脈沖波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到接收緩沖區(qū)中。當(dāng)操作者按下測(cè)試信號(hào)按鍵后，系統(tǒng)迅速根據(jù)控制命令做出響應(yīng)并畫(huà)出相應(yīng)的脈沖波形圖[5]。主控制界面及采集到的測(cè)試脈沖信號(hào)波形圖如圖4所示。

圖4 主控制界面及測(cè)試脈沖信號(hào)波形圖

（上接第108頁(yè)）

5 結(jié) 語(yǔ)

高壓電子脈沖軌道采集器能準(zhǔn)確快速的測(cè)量并顯示高壓不對(duì)稱脈沖信號(hào)峰值電壓、真有效值電壓、并記錄下脈沖信號(hào)波形，為軌道繼電器正常工作提供數(shù)據(jù)支撐，也為鐵路現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決軌道電路的異常情況提供了保障，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)推廣價(jià)值。

實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能滿足用戶的基本需要，收到了良好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊奕昕，張玉輝，趙毅忠.嵌入式技術(shù)在花樣縫紉機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].兵工自動(dòng)化，2010（12）：73?74.

[2] 趙君，劉衛(wèi)國(guó)，譚博.基于CAN總線的分布式多電機(jī)控制研究[J].測(cè)控技術(shù)，2008（8）：70?73.

[3] 王帥宇，張宇河，郭萱.基于CAN總線伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制方法[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（5）：421?422.

[4] 汪兵，李存斌，陳鵬，等.EVC高級(jí)編程及其應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)[M] . 北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

[5] 李現(xiàn)勇.Visual CE串口通信技術(shù)與工程實(shí)現(xiàn)[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[6] 栗蘋(píng)，趙國(guó)慶，楊小牛.信息對(duì)抗技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.