UM71軌道電路補(bǔ)償電容在線測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

摘要：針對UM71軌道電路的特點(diǎn)，提出了一種在線測試其補(bǔ)償電容的方法。并基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)補(bǔ)償電路在線測試系統(tǒng)，在現(xiàn)場測試中取得了較好的效果，有一定的實(shí)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：軌道電路 在線測試 補(bǔ)償電路 單片機(jī) 鐵路應(yīng)用 隨著鐵路運(yùn)量的增加，列車重量、行車速度和行車密度也將不斷提高，在這種情況下出現(xiàn)了高速列車和長鋼軌線路。原有的絕緣軌道電路已不能適應(yīng)鐵路運(yùn)輸發(fā)展的需要，于是產(chǎn)生了無絕緣軌道電路。無絕緣軌道電路的長鋼軌線路減小了列車運(yùn)行阻力以及列車振動(dòng)和噪聲，減少了鋼軌和機(jī)車輪緣之間的磨損。故世界各先進(jìn)工業(yè)國家均相繼研究和發(fā)展無絕緣軌道電路。UM71無絕緣軌道電路作為一種先進(jìn)的車列控制系統(tǒng)，于20世紀(jì)60年代在法國研制成功。由于其具有突出的優(yōu)點(diǎn)，很快被多個(gè)國家相繼采用。目前，該技術(shù)已相當(dāng)成熟。該系統(tǒng)自二十世紀(jì)80年代末引進(jìn)我國以來，已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用與發(fā)展。UM71軌道電路是一種移頻軌道電路，它的正常工作狀態(tài)關(guān)系到列車運(yùn)行的安全。為了保證該電路系統(tǒng)工作正常，列車電務(wù)段工作人員必須經(jīng)常沿鐵軌檢測軌道電路運(yùn)行參數(shù)。其中非常重要的一項(xiàng)參數(shù)便是兩軌間的并接補(bǔ)償電容，而對該補(bǔ)償電容的測量到目前為止還沒有一種有效的手段。原始的測量方法是靜態(tài)測試，即必須從鐵軌中打下電容，使之脫離該軌道電路，再用普遍電容表來測試。該方法笨拙，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，增加了工作人員的勞動(dòng)復(fù)雜度。而且由于打下電容，減少了軌道電路信號的傳輸距離，對列車行車安全造成威脅。基于此，本文提出一種在線測試方法，十分方便快捷，對電務(wù)段工作人員也是一種解放。1 UM71系統(tǒng)概述 1．1 UM71系統(tǒng)構(gòu)成 UM71系統(tǒng)由設(shè)于室內(nèi)的發(fā)送器、接收器和軌道繼電器以及通過ZCO3電纜連接的置于鋼軌旁的空心線圈、調(diào)諧單元、匹配變壓器和補(bǔ)償電容等組成。如圖1所示。1．2 UM71系統(tǒng)的電路特點(diǎn) 列車行車過程中，為了傳送信號需要，UM71系統(tǒng)選用了四個(gè)較高的載頻信號：1700Hz、2000Hz、2300Hz和2600Hz信號。其中，下行線采用1700Hz、2300Hz信號交替配置；上行線采用2000Hz、2600Hz信號交替配置。為滿足列車速度控制等多信息需要，UM71軌道電路共有從10.3Hz開始按1.1Hz等差遞增至29Hz的18種低頻信息。其頻偏Af為11Hz，故UM71軌道電路軌面上傳送的移頻信號由載頻fo、頻偏Af和低頻調(diào)制信號Fc三者構(gòu)成。如某區(qū)段載頻fo為2000Hz、低頻調(diào)制信號Fc為16.9Hz，則軌面移頻信號在（fo-Af）即1989Hz和（fo+Af）即2011Hz之間，每秒周期移動(dòng)16.9次。 1．3 UM71系統(tǒng)中補(bǔ)償電容的作用 由圖1可知，這種軌道電路每間隔100m在兩軌間并接一個(gè)電容器，一般為33μF,稱為補(bǔ)償電容。補(bǔ)償電容是UM71軌道電路的重要組成部分，它的作用是改善軌道電路在調(diào)整狀態(tài)和分流狀態(tài)的傳輸特性，延長軌道電路的傳輸距離，確保鋼軌中有足夠穩(wěn)定的信號電流經(jīng)鋼軌向機(jī)車發(fā)送信息。然而由于易受溫度、濕度以及人為因素的影響，會(huì)產(chǎn)生電容電特性參數(shù)漂移或接觸不良現(xiàn)象，導(dǎo)致補(bǔ)償電容的老化、失效或丟失，最終影響鐵路信號的正確傳輸。因此，如何方便有效地對補(bǔ)償電容進(jìn)行正確的測試檢查便顯得非常重要。 2 補(bǔ)償電容在線測試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)UM71系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以采用如下方法，即施加一個(gè)頻率高于其本身所傳言信號頻率的下弦測試信號（以下簡稱測試信號）于補(bǔ)償電容兩端，然后使電容兩端頻率信號經(jīng)過濾波電路，濾除其本身的低頻信號，這樣濾波電路出來的就是人為施加的測試信號；再經(jīng)過整流電路，得到該測試信號的直流量；最后用A/D轉(zhuǎn)換器采樣，不同的電容值所反應(yīng)出來的變化了測試信號不同，從而確定補(bǔ)償電容的值。系統(tǒng)框圖如圖2所示。3 硬件設(shè)計(jì) 3．1 測試信號的產(chǎn)生 UM71系統(tǒng)本身傳送的信號有載頻信號（1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz）和低頻調(diào)制信號（從10.3Hz到29Hz）。本方案中測試信號頻率采用10khz。關(guān)于測試信號，可以利用集成運(yùn)放構(gòu)成正弦波振蕩電路來產(chǎn)生。不過，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一些集成器件，功能強(qiáng)且使用方便，函數(shù)發(fā)生器ICL8038就是其中之一。ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，只需調(diào)整個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生0.001～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電容或電阻控制。另外，由于該芯片具有調(diào)頻信號輸入端，可以用來對低頻信號進(jìn)行頻率調(diào)制。ICL8038測試電路如圖3所示。 輸出頻率由下式確定： 如設(shè)RA=RB=R，則f=(0.33/RC)，于是，經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)，最后取R=3.3kΩ,C=0.01μF,可以得到較好的正弦波形。 3．2 功率放大電路的設(shè)計(jì) 本電路采用LM386對測試信號進(jìn)行功率放大，以增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力。LM386是一種低電壓小功率音頻功放集成電路，使用外圍元件少，調(diào)整方便。需要調(diào)整放大倍數(shù)時(shí)，可在其1、8腳間接一個(gè)2kΩ左右的可變電阻和一個(gè)10μF電容，則改變可變電阻，可使放大倍數(shù)在20～200間可調(diào)，懸空時(shí)，放大倍數(shù)為20；在6腳和地之間以及7腳和地之間分別接一個(gè)電容，能夠防止LM386自激；要求不高時(shí)可略去。具體電路如圖4所示。3．3 濾波電路的設(shè)計(jì) UM71系統(tǒng)本身所傳送的載頻信號信號和調(diào)制信號頻率低于測試信號頻率，要想將其濾掉，可以采用高通濾波器（HPF）。為了濾除高頻信號的干擾，高通之后，再經(jīng)過低通濾波器（LPF），便可以得到較好的測試信號波形。本電路中采用三級二階HPF、兩級二階LPF串連的五級濾波電路，特征頻率均設(shè)為10khz。濾波器按巴特沃斯（Butterworth）濾波器設(shè)計(jì)，它的幅頻特性是單調(diào)的，且在通 帶內(nèi)比較平坦。 巴特沃斯二階HPF的形式如圖5所示。 由于特性頻率fo=10kHz，Q值取0.7,若取C=0.01μF, 則由fo=1/(2πRC) 即R=1592Ω，可取R=1.6kΩ。 又由于濾波器的通帶放大倍數(shù)Aup和Q有關(guān)系式Q=1/（3-Aup）成立，將Q=0.7代入可得Aup=1.57，根據(jù)Aup與R1、Rf的關(guān)系式Aup=1+(Rf/R1)和集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端外接電阻的對稱條件，可得下面的方程組： 解之可得R1=5.51R,Rf=3.14R.代入R=1.6kΩ可得，R1取9.1kΩ，Rf取5.1kΩ。 對于低通濾波器的設(shè)計(jì)，只是在電路形式上將R和C互換位置，別的都一樣，不再多述。 3．4 整流電路的設(shè)計(jì) 為了把從濾波電路出來的交流測試信號較為為直流信號，以便A/D轉(zhuǎn)換器采集，需要整流。整流可以用二極管來完成，但由于其非線性將產(chǎn)生較大誤差。為了提高精度，可利用集成運(yùn)放的放大作用和深度負(fù)反饋克服二極管非線性造成的誤差。本電路采用了兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)全波精密整流電路，如圖6所示，其性能良好。圖63．5 數(shù)據(jù)采集與顯示 數(shù)據(jù)采集與顯示電路如圖7所示。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用常見的四位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7136，它具有精度高、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通常設(shè)計(jì)者都是用單片機(jī)并行采集ICL7135的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，占用了較多的I/O口資源。本文利用ICL7135的UBSY信號線來獲取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，即將BUSY信號接到AT89C52的INT1端，定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式，對ICL7135輸入時(shí)鐘計(jì)數(shù)；T1的啟停由INT1和RT1共同控制，這樣便能夠測試INT1引腳的正脈沖寬度，即BUSY信號的高電平寬度。另外用P1.7控制轉(zhuǎn)換的啟停。 顯示部分采用北京青云創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司的液晶顯示模塊LCM046。它是四位多功能能通用型八段式液晶顯示模塊，內(nèi)含看門狗/時(shí)鐘發(fā)生器和兩種頻率的蜂鳴驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)置顯示RAM，可顯示任意字段筆劃，3-4線接口，功耗低、顯示清晰、穩(wěn)定可靠、使用編程簡單，非常適合電池供電的儀器儀表。4 軟件設(shè)計(jì) 軟件包括液晶顯示模塊的初始化、A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序及數(shù)據(jù)處理與顯示等部分，采用C語言編程，靈活方便。軟件流程圖如圖8所示。 考慮到實(shí)際工作環(huán)境中干擾因素很多，數(shù)據(jù)采集處理部分采用了適當(dāng)?shù)能浖V波。具體方法是：連續(xù)采集10次，分析其中數(shù)據(jù)，舍去偏離較大的數(shù)據(jù)，留下比較集中的幾個(gè)數(shù)據(jù)，再取平均，這樣調(diào)試效果較好。5 互容性問題 在線測試必須解決的一個(gè)問題是：測試系統(tǒng)和主體設(shè)備的相互影響。即測試系統(tǒng)不能影響主體設(shè)備的正常工作，主體設(shè)備的工作不應(yīng)對測試系統(tǒng)和測試結(jié)果產(chǎn)生影響。 測試系統(tǒng)通過兩支表筆和鐵軌連接，即測試信號加在電容兩端，其峰峰值不到2V。經(jīng)過實(shí)際現(xiàn)場測試，鐵軌本身傳送的信號只有微弱的變化（一般變化幾十毫伏），并不影響列車正常運(yùn)行。 主體設(shè)備對測試系統(tǒng)的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：UM71系統(tǒng)本身所傳送的載頻信號和調(diào)制信號對采樣數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響；軌道每米長度的等效感抗和阻抗對采樣數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響；軌道每米長度的等效感抗和阻抗對采樣電路的影響。對于前者，采用了五級濾波器，通過試驗(yàn)可知，其本身的信號基本被完全濾掉。對于后者，通過試驗(yàn)中加入感抗和阻抗的模擬電路可知并無太大影響，在現(xiàn)場實(shí)測中也未見有太大變化。由此可知，主體設(shè)備對測試并無太大影響。 關(guān)于在線測試補(bǔ)償電容，目前尚沒有很好的方法，本文提出的方法作為一個(gè)初步探討，在實(shí)測過程中