UM71軌道電路補償電容在線測試系統(tǒng)的實現(xiàn)

摘要：針對UM71軌道電路的特點，提出了一種在線測試其補償電容的方法。并基于單片機設(shè)計了一個補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，有一定的實用價值。 關(guān)鍵詞：軌道電路 在線測試 補償電路 單片機 鐵路應(yīng)用 隨著鐵路運量的增加，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行阻力以及列車振動和噪聲，減少了鋼軌和機車輪緣之間的磨損。故世界各先進工業(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，很快被多個國家相繼采用。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行參數(shù)。其中非常重要的一項參數(shù)便是兩軌間的并接補償電容，而對該補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，費時費力，增加了工作人員的勞動復(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?；诖?，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、匹配變壓器和補償電容等組成。如圖1所示。1．2 UM71系統(tǒng)的電路特點 列車行車過程中，為了傳送信號需要，UM71系統(tǒng)選用了四個較高的載頻信號：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16.9次。 1．3 UM71系統(tǒng)中補償電容的作用 由圖1可知，這種軌道電路每間隔100m在兩軌間并接一個電容器，一般為33μF,稱為補償電容。補償電容是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償電容進行正確的測試檢查便顯得非常重要。 2 補償電容在線測試系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)UM71系統(tǒng)的特點，可以采用如下方法，即施加一個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，從而確定補償電容的值。系統(tǒng)框圖如圖2所示。3 硬件設(shè)計 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)過計算和試驗，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 本電路采用LM386對測試信號進行功率放大，以增強其驅(qū)動能力。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，可在其1、8腳間接一個2kΩ左右的可變電阻和一個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，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電容，能夠防止LM386自激；要求不高時可略去。具體電路如圖4所示。3．3 濾波電路的設(shè)計 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，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)和集成運放兩個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，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 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。本電路采用了兩個運放構(gòu)成一個全波精密整流電路，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、價格低廉、抗干擾能力強等優(yōu)點。通常設(shè)計者都是用單片機并行采集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/計數(shù)器T1設(shè)置為計數(shù)器方式，對ICL7135輸入時鐘計數(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/時鐘發(fā)生器和兩種頻率的蜂鳴驅(qū)動電路，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 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行。 主體設(shè)備對測試系統(tǒng)的影響表現(xiàn)在兩個方面：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，通過試驗可知，其本身的信號基本被完全濾掉。對于后者，通過試驗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)于在線測試補償電容，目前尚沒有很好的方法，本文提出的方法作為一個初步探討，在實測過程中