基于微機(jī)監(jiān)測的故障信號研究與應(yīng)用

石杰

摘? 要：與傳統(tǒng)工作模式相比，現(xiàn)代鐵路故障監(jiān)測、處理更加智能，微機(jī)監(jiān)測等先進(jìn)技術(shù)的運(yùn)用，使故障監(jiān)測與處理效率、質(zhì)量得到了顯著提升，為國內(nèi)鐵路線路運(yùn)輸營造出了更加有利的環(huán)境。為達(dá)到最佳故障信號監(jiān)測效果，及時(shí)做好故障防范與處理，該文將以某故障信號研究、應(yīng)用平臺設(shè)計(jì)為例，對基于微機(jī)監(jiān)測的故障信號研究與應(yīng)用展開深度分析，期望能夠?yàn)槲覈F路事業(yè)發(fā)展提供一些理論方面支持。

關(guān)鍵詞：軟件設(shè)計(jì);硬件設(shè)計(jì);故障信號;微機(jī)監(jiān)測;平臺設(shè)計(jì)方案

中圖分類號：U284? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

信號微機(jī)系統(tǒng)屬于我國自主研發(fā)項(xiàng)目，是專門面向鐵路信號監(jiān)測的實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。經(jīng)過不斷發(fā)展與完善，目前該系統(tǒng)已經(jīng)升級成為信號集中監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用效果更加理想。在對該系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，會對區(qū)域內(nèi)所有鐵路信號設(shè)備展開實(shí)時(shí)監(jiān)測與管控，監(jiān)測范圍更廣且信號監(jiān)測結(jié)果更加準(zhǔn)確，可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與分析、保存，能夠?yàn)榫S修人員維護(hù)工作開展提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 平臺設(shè)計(jì)方案

該平臺是以微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)為依據(jù)展開設(shè)計(jì)的，平臺核心功能以為微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)提供信號，特別是故障信號為主。按照平臺設(shè)計(jì)原理，在實(shí)施微機(jī)監(jiān)測時(shí)，監(jiān)測所用所有數(shù)據(jù)都是運(yùn)用采集機(jī)經(jīng)過CAN總線傳輸?shù)秸緳C(jī)之中的。平臺主要分為硬件以及軟件2個(gè)部分，故障信號發(fā)生器是其核心。監(jiān)測故障信號發(fā)生系統(tǒng)屬于上位機(jī)軟件，會在運(yùn)用CAN總線向相應(yīng)端口發(fā)送數(shù)據(jù)信號的同時(shí)，對發(fā)生器發(fā)送信號實(shí)施全面管控。在計(jì)算機(jī)技術(shù)以及人機(jī)交互等技術(shù)的支持下，平臺可將各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息以可視化形式呈現(xiàn)出來，能夠?qū)④壍离娐?、道岔動作電流等信號真?shí)反映出來。

2 平臺設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分設(shè)計(jì)主要以放大電路設(shè)計(jì)以及故障信號發(fā)生器設(shè)計(jì)為主。

2.1.1 故障信號發(fā)生器

在此平臺中，故障信號發(fā)生器模塊主要由LED顯示模塊、最小系統(tǒng)模塊以及復(fù)位電路等部分組成。設(shè)計(jì)人員會按照相應(yīng)用戶手冊內(nèi)容，進(jìn)行元器件選擇以及發(fā)生器電路設(shè)計(jì)。其中在進(jìn)行最小系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)置外部時(shí)鐘，以及對系統(tǒng)工作速度進(jìn)行設(shè)置，保證處理器工作質(zhì)量;而在進(jìn)行復(fù)位電路設(shè)計(jì)時(shí)，需設(shè)置備份區(qū)域復(fù)位、系統(tǒng)復(fù)位以及上電復(fù)位3種復(fù)位形式，確保復(fù)位引腳處于低電平時(shí)，系統(tǒng)便會自動進(jìn)行復(fù)位操作。

2.1.2 電路板制作

實(shí)施電路板制作時(shí)，需要做好PCB制作。在對故障信號發(fā)生器模塊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要運(yùn)用相應(yīng)軟件展開故障信號發(fā)生器PCB圖繪制。整體電路板分為2層，其中頂層為主要層，包括走線以及芯片等內(nèi)容，而底層多會放置頂層放置不下的走線與元器件。同時(shí)需要進(jìn)行發(fā)生器電路板焊接與調(diào)試，應(yīng)按照繪制圖，按照電源模塊、USB串口模塊、最小系統(tǒng)模塊、LCD插座、輸出模塊的順序進(jìn)行電路板焊接、調(diào)試處理。

2.1.3 放大電路設(shè)計(jì)

因?yàn)楣收闲盘柊l(fā)生器所形成信號和真實(shí)信號并不相同，還存在一定差異，所以為了能順利開展后續(xù)采集工作，可通過放大電路對信號進(jìn)行放大處理，以便采集機(jī)對其展開捕捉與采集。放大電路設(shè)計(jì)主要分為2個(gè)部分：第一，整流濾波電路設(shè)計(jì)。在電路中輸入220 V工頻交流電壓，并利用變壓器輸出兩路24 V電壓，在電路中主變壓器是電路的主要電源，整流電路主要分為負(fù)方向以及正方向兩路，會在經(jīng)過整流轉(zhuǎn)換后形成直流電，再由電解電容濾波輸出，獲得相應(yīng)電壓源;第二，功率放大電路設(shè)計(jì)。該平臺功率放大電路設(shè)計(jì)所用芯片為高性能放大芯片，在負(fù)載為4 Ω、電壓為±28 V的環(huán)境中，其平均功率可以達(dá)到68 W左右。在開關(guān)機(jī)時(shí)會產(chǎn)生電流沖擊，由于該芯片過熱、過壓、過流保護(hù)功能較為理想，對設(shè)備運(yùn)行形成保護(hù)，該芯片的使用為功率放大電路設(shè)計(jì)與使用提供了支持。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分設(shè)計(jì)是整體平臺設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，該部分設(shè)計(jì)質(zhì)量，會直接影響平臺的應(yīng)用。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員不僅要營造嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，做好故障發(fā)生器初始化程序設(shè)計(jì)以及道岔動作電流故障信號模擬設(shè)計(jì)，同時(shí)還要進(jìn)行CAN通信程序設(shè)計(jì)、微機(jī)監(jiān)測故障信號發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及軌道電路故障信號模擬等一系列設(shè)計(jì)，由于時(shí)間限制，筆者無法一一對其展開詳細(xì)介紹，所以在此將重點(diǎn)對幾部分內(nèi)容設(shè)計(jì)展開分析。

2.2.1 道岔動作電流故障信號模擬

道岔是鐵路線路的重要組成部分，如果其在使用過程中出現(xiàn)故障，會給列車行車安全帶來嚴(yán)重影響，是鐵路故障信號監(jiān)控主要內(nèi)容之一。道岔動作電流是轉(zhuǎn)轍機(jī)在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的電流，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要通過設(shè)計(jì)道岔動作電流故障信號模擬模塊的方式，對該部分動作電流信號進(jìn)行捕捉與整理，以達(dá)到對轉(zhuǎn)轍機(jī)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控的目標(biāo)，確保在道岔出現(xiàn)問題或異樣時(shí)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。

2.2.2 軌道電路故障信號模擬設(shè)計(jì)

由于鐵路軌道處于較為開放的狀態(tài)，整體應(yīng)用環(huán)境相對較差，很容易會受到外界各項(xiàng)因素的影響，發(fā)生事故概率相對較高，是微機(jī)監(jiān)測重點(diǎn)內(nèi)容之一。該平臺該模塊設(shè)計(jì)以25 Hz相敏軌道電路設(shè)計(jì)為主，電路主要分為分路以及調(diào)整2種狀態(tài)。該軌道電路是由50 Hz工頻交流電經(jīng)過分頻所產(chǎn)生的，一共分為兩路，其中一路為25 V向軌道進(jìn)行供電，一路屬于110 V局部電壓，電路相位差為90°。如果接收端軌道電路狀態(tài)二元二位繼電器兩端相位差在90°，就會自動吸起，如果沒有達(dá)到相應(yīng)相位差，便會下落。

（3）故障信號發(fā)生器初始化程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)主要分為主函數(shù)程序初始化以及故障信號模擬等2個(gè)部分，整體程序建設(shè)包括7項(xiàng)任務(wù)。其中信號選擇菜單任務(wù)是整體程序任務(wù)的核心，主要用于選擇發(fā)生器的信號，在用戶完成信號選擇后，程序會自動下發(fā)相應(yīng)指示并由示波器任務(wù)進(jìn)行信息傳輸，進(jìn)而完成相應(yīng)操作。而示波器任務(wù)主要用于信號樣本數(shù)據(jù)獲取，且會在LCD上進(jìn)行波形顯示。

2.3 平臺驗(yàn)證測試

實(shí)時(shí)平臺驗(yàn)證測試時(shí)，主要以故障信號發(fā)生系統(tǒng)、發(fā)生器實(shí)際應(yīng)用情況檢測為主，以便確定平臺是否符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求，能否滿足信號監(jiān)測應(yīng)用需要。其中，在對故障信號發(fā)生器進(jìn)行測試時(shí)，需要運(yùn)用示波器，對發(fā)生器輸出信號波形展開觀察與分析，進(jìn)而得到相應(yīng)結(jié)論;而在對故障信號發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行測試時(shí)，需要做好2個(gè)部分測試。第一，對CAN通信進(jìn)行測試，確定信號發(fā)生器是否能夠?qū)AN數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收與轉(zhuǎn)發(fā);第二，對發(fā)生器進(jìn)行測試，確定其是否能滿足系統(tǒng)要求。在進(jìn)行實(shí)際測試時(shí)，因?yàn)槎鄶?shù)電腦都沒有設(shè)置CAN通信接口，因此該次測試采用USB-CAN轉(zhuǎn)換器，為電腦提供了相應(yīng)的通信接口，確保在電腦端便可使用串口調(diào)試手段對CAN總線數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。

通過故障信號發(fā)生系統(tǒng)、發(fā)生器聯(lián)調(diào)聯(lián)試發(fā)現(xiàn)，該平臺可以準(zhǔn)確接收各項(xiàng)故障信號發(fā)出的CAN數(shù)據(jù)包，與預(yù)期設(shè)計(jì)要求相符，所以可以投入使用。

3 結(jié)語

由于鐵路運(yùn)輸較為特殊，對運(yùn)輸安全要求極為嚴(yán)格，所以鐵路部門需要做好信號監(jiān)測與管理，要通過對微機(jī)監(jiān)測手段的合理運(yùn)用，對信號設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行全面監(jiān)控，確保設(shè)備所存在的各項(xiàng)隱患可以得到及時(shí)排除，真正做好早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防，為鐵路列車安全運(yùn)行提供可靠保障。因?yàn)樵撐乃榻B的平臺設(shè)計(jì)方案未必適合所有工務(wù)段，具體平臺設(shè)計(jì)也存在一定不足，因此各工務(wù)段需要根據(jù)自身實(shí)際情況，合理進(jìn)行平臺設(shè)計(jì)與調(diào)整，以達(dá)到最佳微機(jī)監(jiān)測應(yīng)用效果。

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