高鐵通信電路中補(bǔ)償電容的非接觸測(cè)量方法

伍沐原，袁文澹，李仁發(fā)

（1.海南科技職業(yè)大學(xué)，海南 海口 507200；2.湖南大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

0 引 言

隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，我國(guó)自主研發(fā)的ZPW-2000A型軌道通信系統(tǒng)得到了大規(guī)模的應(yīng)用。但是，ZPW-2000A軌道信號(hào)通信系統(tǒng)的故障往往會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的高鐵運(yùn)營(yíng)事故。實(shí)踐證明，鐵路中段補(bǔ)償電容的電容值參數(shù)下降甚至失效是ZPW-2000A通信系統(tǒng)的最大隱患[1]。發(fā)生重大事故時(shí)，主要依靠大量人力沿線檢修并更換故障電容，日常維護(hù)時(shí)，專業(yè)人員要在夜間天窗期進(jìn)行沿線檢修[2,3]。對(duì)于診斷補(bǔ)償電容故障的研究，大多采用的是不架設(shè)新設(shè)備的“軟件”辦法，如采用一些傳統(tǒng)的電路算法定位故障，或是采用新興的智能算法進(jìn)行分析[4,5]。而即使是最新采取的架設(shè)新設(shè)備的硬件辦法—中國(guó)通號(hào)自主研發(fā)區(qū)間軌道電路診斷系統(tǒng)，依然沒(méi)有提到補(bǔ)償電容故障的診斷[6]。

本文針對(duì)ZPW-2000A通信系統(tǒng)提出結(jié)合非接觸測(cè)量技術(shù)和數(shù)字化傳感層技術(shù)的補(bǔ)償電容檢測(cè)工程方案，并開展實(shí)驗(yàn)以實(shí)時(shí)檢測(cè)補(bǔ)償電容容值。

1 硬件檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)原理

1.1 ZPW-2000A補(bǔ)償電容電路分析

如圖1所示，兩根平行的水平電路代表了平行于鋼軌的電纜，V源代表信號(hào)源，兩條鋼軌中間會(huì)以一定規(guī)則配置補(bǔ)償電容C補(bǔ)等與軌道電路連接[7]。軌道電纜僅存在微量感性電容，并且電感值為1.3 mH/km（在某些區(qū)段為0.7 mH/km），用L軌表示。軌道電路的傳輸電阻總是小于等于23.5 Ω（一般為15.1 Ω），用R軌表示。

ZPW-2000A通信電路的中段是一個(gè)多級(jí)RLC串聯(lián)諧振電路。為了將其簡(jiǎn)化，搭建了一個(gè)方便研究的二級(jí)RLC串聯(lián)諧振電路，如圖1所示。

使用傳感器測(cè)量電容兩端的電壓和流經(jīng)電容的電流，并根據(jù)電壓和電流比計(jì)算電容的阻抗，電容容抗的計(jì)算公式為：

由于軌道電路的信號(hào)頻率恒定，因此電容的阻抗也是恒定的。設(shè)計(jì)傳感器測(cè)量該模擬電路流經(jīng)補(bǔ)償電容的電流和補(bǔ)償電容兩端的電壓，根據(jù)式（1）計(jì)算補(bǔ)償電容的容值。

1.2 霍爾非接觸測(cè)量傳感器

1.2.1 霍爾效應(yīng)原理

霍爾效應(yīng)是1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾研究金屬的導(dǎo)電機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)的。設(shè)有一塊長(zhǎng)方體導(dǎo)體，電流I平行于導(dǎo)體的長(zhǎng)，當(dāng)I流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)，若添加一個(gè)垂直于長(zhǎng)方體導(dǎo)體底面的磁場(chǎng)B，就會(huì)產(chǎn)生霍爾效應(yīng)。此時(shí)導(dǎo)體中的電子會(huì)因?yàn)樗砑拥拇艌?chǎng)而受到洛倫茲力的作用，在長(zhǎng)方體表面的一側(cè)匯聚。電子的匯聚會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，該電場(chǎng)方向平行于長(zhǎng)方體的寬，并對(duì)流經(jīng)的電子施加電場(chǎng)力，與洛倫茲力方向相反。因此，當(dāng)電場(chǎng)施加給電子的電場(chǎng)力和磁場(chǎng)施加給電子的磁場(chǎng)力相等時(shí)，電子不再被磁場(chǎng)力影響，電場(chǎng)也不再變強(qiáng)，導(dǎo)體中的電子又能正常流動(dòng)，在長(zhǎng)方體導(dǎo)體兩側(cè)獲得一個(gè)固定強(qiáng)度的電勢(shì)差UH。

1.2.2 閉環(huán)霍爾電流傳感器

閉環(huán)霍爾電流傳感器又稱磁平衡霍爾電流傳感器或檢零式霍爾電流傳感器，利用霍爾器件為核心敏感元件來(lái)隔離檢測(cè)電流，工作原理是霍爾磁平衡式。閉環(huán)霍爾電流傳感器形成了一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，只要測(cè)量被測(cè)電阻RL兩端的電壓值，就能計(jì)算出IM的大小，再通過(guò)IM×M=IN×N就能計(jì)算出原邊電流IN的大小。

1.2.3 霍爾電壓傳感器

霍爾電壓傳感器由閉環(huán)式霍爾電流傳感器改造而成，在被測(cè)電路中增設(shè)了一個(gè)負(fù)載電阻Rf。為了平衡負(fù)載，采用的是分開配置的兩個(gè)Rf/2負(fù)載電阻，這樣霍爾電壓傳感器的剩余部分依然是一個(gè)閉環(huán)式霍爾電流傳感器。測(cè)得原邊電流IN的大小后，由U=INRf可以計(jì)算出待測(cè)電壓U。因此，僅通過(guò)測(cè)量電流，再加上正常工作狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，就能正確判斷補(bǔ)償電容是否正常工作。

2 硬件檢測(cè)的設(shè)計(jì)方案

2.1 霍爾電壓傳感器

為了證實(shí)霍爾傳感器的有效性，選取一款高品質(zhì)的閉環(huán)式霍爾電流傳感器對(duì)ZPW-2000A通信電路進(jìn)行分析。傳感器型號(hào)為ETCR022KU，能夠測(cè)量電路頻率、量程以及分辨率等要素，并很好的覆蓋模擬的簡(jiǎn)化電路。ETCR022KU工作原理如圖2所示。

圖2 ETCR022KU工作原理

2.2 PSOC

片上可編程系統(tǒng)（Programmable System-On-Chip，PSOC）的設(shè)計(jì)與傳感器的設(shè)計(jì)相綁定。在該部分，PSOC負(fù)責(zé)完成模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.1 SAR ADC

SAR ADC的轉(zhuǎn)換原理為逐位比較，其過(guò)程類似于用砝碼在天平上稱物體重量，屬于二進(jìn)制搜索算法[8]。SAR ADC相較于流水型ADC，功耗較低，相較于閃速ADC，精度較高，占用PCB面積小，在商業(yè)中應(yīng)用廣泛，在解決本地模-數(shù)轉(zhuǎn)換問(wèn)題時(shí)具有不容忽視的地位。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元應(yīng)該是PSOC最重要的成分。在集成模式高度發(fā)達(dá)的今天，PSOC可以將運(yùn)算芯片、各類寄存器及其他模塊集成到一塊板子上。而如今，最成熟的板子主要是ARM核。

2.2.3 UART串口傳輸數(shù)據(jù)

通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）是一種串行異步收發(fā)協(xié)議，其原理是將傳輸信息的每個(gè)字符一位接一位的傳輸，幾乎存在于所有的PSOC信息傳輸端，是片上結(jié)構(gòu)向外傳輸信息的必要環(huán)節(jié)。

2.2.4 PSOC的實(shí)現(xiàn)

以Cypress公司的CY8CKIT-042套件作為硬件基礎(chǔ)，該套件包含了SAR ADC模塊、Cortex M0計(jì)算內(nèi)核及UART模塊[9]。特定的套件上進(jìn)行開發(fā)時(shí)，連接套件與電腦，在套件相應(yīng)的網(wǎng)站上下載與Creator開發(fā)相對(duì)應(yīng)的套件文檔。工程創(chuàng)建完畢后進(jìn)入模塊設(shè)計(jì)界面，完成一系列硬件設(shè)置后，在所示的項(xiàng)目編程界面進(jìn)行編程。完成硬件配置和項(xiàng)目編程后進(jìn)行串行通信，將數(shù)字量傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)端，此時(shí)套件上集成的UART模塊將提供便利[10]。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

相關(guān)元件及設(shè)備信息如表1所示。

表1 相關(guān)元件及設(shè)備信息表

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)整體電路如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)電路整體

實(shí)驗(yàn)電路主要包括信號(hào)源、模擬電路、霍爾傳感器、PSOC以及個(gè)人電腦5部分。信號(hào)源負(fù)責(zé)提供目標(biāo)信號(hào)。將目標(biāo)信號(hào)的頻率固定為2 300 Hz。將片上結(jié)構(gòu)與電腦連接以直接讀取采集數(shù)據(jù)。調(diào)整信號(hào)源的幅頻，然后在電腦上閱讀PSOC采集的數(shù)據(jù)信息。結(jié)果如表2所示。

由表2可知，采用SAR ADC采集的數(shù)據(jù)誤差與理論值相去無(wú)幾，加權(quán)誤差為0.946 25%，滿足誤差在5%之內(nèi)的要求。

表2 PSOC實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

本文簡(jiǎn)化并模擬出實(shí)驗(yàn)電路，對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償電容電路的非接觸測(cè)量，為高鐵補(bǔ)償電容測(cè)量問(wèn)題提供“硬件”思路，也為工程研究提出了可探討的方向，希望對(duì)相關(guān)人員有所幫助。