移頻電碼化接口裝置的智能化研究

0、前言 　　

電碼化裝置主要應(yīng)用于鐵路車站內(nèi)，保證站內(nèi)正線電碼化軌道電路連續(xù)不斷地向機(jī)車 發(fā)送所需的電碼化信息，是行車指揮控制系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備之一。電碼化設(shè)備的任務(wù)就是利用 區(qū)段內(nèi)所采用的自動(dòng)閉塞設(shè)備的發(fā)送設(shè)備，通過(guò)站內(nèi)進(jìn)路上的軌道電路向機(jī)車傳遞前方信號(hào) 機(jī)的信號(hào)顯示所確定的信息內(nèi)容，使機(jī)車信號(hào)不間斷的復(fù)示前方地面信號(hào)機(jī)的顯示。目前的 移頻發(fā)送設(shè)備仍采用的是分離元件，原有的這種設(shè)備隨著鐵路運(yùn)量的增加和列車運(yùn)行速度的 提高，在安全、效率及其日常的維護(hù)上逐漸暴露出一些問(wèn)題。例如，分離元件老化后參數(shù)會(huì) 發(fā)生變化，導(dǎo)致移頻信號(hào)的頻率發(fā)生較大的偏移，直接影響行車的安全和效率。尤其是近年 來(lái)微處理器及相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，為鐵路信號(hào)設(shè)備的智能化提供了技術(shù)支持。

1、方案研究 　　

本方案是以微處理器為核心的電路板來(lái)替代原繼電器所構(gòu)成的接口電路，保留了原有設(shè) 備的所有接口。其設(shè)計(jì)思想是：移頻電碼化接口裝置接收到聯(lián)鎖機(jī)下發(fā)的有效命令后，控制 相應(yīng)的發(fā)碼開(kāi)關(guān)和編碼開(kāi)關(guān)動(dòng)作。假如有一個(gè)區(qū)段的載頻為650Hz，聯(lián)鎖機(jī)下發(fā)綠碼（L） 命令， CPU 通過(guò)控制開(kāi)關(guān)模塊程序處理后，閉合相應(yīng)的編碼開(kāi)關(guān)（LK），此時(shí)移頻發(fā)送盒 發(fā)出移頻信號(hào)，同時(shí)移頻信號(hào)經(jīng)過(guò)移頻電碼化接口裝置的模擬量調(diào)理電路和移頻信號(hào)調(diào)理電 路后送入 CPU 。經(jīng)過(guò)移頻信號(hào)檢測(cè)模塊程序處理，檢測(cè)出移頻信號(hào)的幅度、低頻信號(hào)的頻 率，然后將聯(lián)鎖機(jī)下發(fā)的命令與處理后的移頻信號(hào)進(jìn)行校核，若二者一致，繼續(xù)發(fā)送命令; 若 不一致則上傳報(bào)警信息，并斷開(kāi)所有的發(fā)碼開(kāi)關(guān)和編碼開(kāi)關(guān)。

２、 硬件構(gòu)成原理 　　

該方案的硬件構(gòu)成原理如圖 1 所示。它主要由輸入采集電路、信號(hào)調(diào)理電路、主機(jī)電路、控制電路、過(guò)流檢測(cè)電路等組成。

2.1 輸入采集電路 　　

輸入采集電路的功能是將移頻發(fā)送盒發(fā)出的移頻信號(hào)采集到模塊中，本設(shè)計(jì)中采用電壓 型輸入采集電路。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路 　　

調(diào)理電路將輸入電路采集上來(lái)的信號(hào)分別調(diào)理成適合 CPU 處理的模擬信號(hào)和脈沖信號(hào) 送入CPU。一路采集到的移頻信號(hào)經(jīng)半波整流、運(yùn)放電路調(diào)理成0～3.5V 的信號(hào)送入CPU ， 即模擬量調(diào)理電路,主要完成對(duì)移頻信號(hào)電壓幅度的測(cè)量功能；另一路采集到的信號(hào)經(jīng)兩級(jí) 比較器電路調(diào)理成5V 的方波信號(hào)送入CPU ，即頻率信號(hào)調(diào)理電路,主要是將移頻信號(hào)從正 弦信號(hào)調(diào)理成為適合CPU 處理的脈沖信號(hào)。

2.3 主機(jī)電路 　　

電碼化接口模塊的主機(jī)電路由 CPU 及其外圍電路、地址碼輸入電路和通信電路組成。 其中地址碼輸入電路由兩個(gè)上拉電阻和母板配合以確定本模塊的地址。通信電路采用CAN 通信，CPU 采用ATMEl 公司的ATmaga128 芯片，如圖2 所示。

2.4 控制電路 　　

控制電路包括編碼開(kāi)關(guān)控制電路和發(fā)碼開(kāi)關(guān)控制電路兩部分。這兩部分電路均采用了雙 CPU“與”邏輯控制電路，輸出的移頻信號(hào)分別送至兩個(gè)CPU 進(jìn)行頻率檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)符合要 求即產(chǎn)生控制輸出信號(hào)，經(jīng)“與門”使移頻信號(hào)送至濾波放大電路，放大輸出的移頻信號(hào)再 進(jìn)行電壓檢測(cè)。只有當(dāng)兩個(gè)CPU 對(duì)移頻信號(hào)的參數(shù)檢測(cè)符合規(guī)定后同時(shí)給出有效信號(hào)時(shí)， FBJ 勵(lì)磁吸起，相應(yīng)的編碼開(kāi)關(guān)才能動(dòng)作。兩個(gè)CPU 獨(dú)立工作，這樣保證了在有一個(gè)CPU 錯(cuò)誤動(dòng)作時(shí)及時(shí)關(guān)閉安全與門，F(xiàn)BJ 失磁落下，切斷發(fā)送通道，不至于輸出非安全側(cè)的移頻信號(hào)。為了防止對(duì)主機(jī)和輸出電路的干擾，主機(jī)和輸出電路間采用光電耦合進(jìn)行隔離。而且 兩部分電路均采用雙斷控制，如果一個(gè)開(kāi)關(guān)由于過(guò)流擊穿后，另一個(gè)開(kāi)關(guān)仍可斷開(kāi)回路，從 而保護(hù)了整個(gè)模塊。

2.5 反饋監(jiān)測(cè)電路 　　

反饋監(jiān)測(cè)電路包括電壓、電流、頻率反饋監(jiān)測(cè)電路和開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路。主要完成的功 能是：

（1） 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出移頻信號(hào)的電壓幅度； 　　

（2） 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出移頻信號(hào)的電流幅度； 　　

（3） 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出移頻信號(hào)的載波和調(diào)制信號(hào)； 　　

（4） 實(shí)現(xiàn)對(duì)移頻信號(hào)的過(guò)流進(jìn)行檢測(cè)； 　　

（5） 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電子開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。

３、軟件構(gòu)成原理 　　

該方案的軟件主要由主過(guò)程模塊程序、主控模塊程序、控制開(kāi)關(guān)模塊程序、移頻信號(hào)檢 測(cè)模塊程序等幾部分組成。軟件采用模塊式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。下面給出主控模塊 程序和移頻信號(hào)檢測(cè)模塊程序的流程圖。

　　圖3、 主控模塊程序流程圖 　　

3.1 主控模塊程序設(shè)計(jì) 　　

主控模塊的作用是根據(jù)聯(lián)鎖機(jī)下發(fā)的命令控制相應(yīng)的編碼開(kāi)關(guān)和發(fā)碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行動(dòng)作。

3.2 移頻信號(hào)檢測(cè)模塊程序設(shè)計(jì) 　　

移頻信號(hào)檢測(cè)模塊的作用是對(duì)移頻發(fā)送盒發(fā)出的移頻信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，判斷該信號(hào)所代表 信息的含義，然后和聯(lián)鎖機(jī)的命令相互校核，確定向軌面上發(fā)送的移頻信息是否正確。移頻信號(hào)檢測(cè)軟件模塊的核心程序?yàn)椋阂祁l信號(hào)檢測(cè)存儲(chǔ)程序和與聯(lián)鎖命令相校核程序。檢測(cè) 移頻信號(hào)采用的方法是頻譜分析法，即先將模擬移頻信號(hào)通過(guò)微處理器內(nèi)置的A/D 通道變 換成時(shí)域的數(shù)字信號(hào)存于RAM 中。然后采用FFT 快速傅立葉變換將存于RAM 中的時(shí)域數(shù) 字信號(hào)變換成為離散的頻域信號(hào)。

　　圖4、移頻信號(hào)檢測(cè)模塊程序流程圖 　　

4、系統(tǒng)抗干擾措施 　　

系統(tǒng)在硬件方面采取的措施有： 　　

（1）采取一些常用的抗干擾措施，如：在系統(tǒng)電源入口處并聯(lián)小電容和大電容濾除高 頻、低頻干擾；合理設(shè)計(jì)印刷電路板；在電路板的弱電部分空余出鋪上網(wǎng)格線作為接地線。

（2）采用隔離技術(shù)。如電流環(huán)隔離、光電耦合器等使干擾源和易干擾部分隔離開(kāi)來(lái)。

（3）在頻率調(diào)理電路中抬高了比較器的閥值，用來(lái)抑制高頻噪聲干擾。

（4）通信電路中三條通信總線用獨(dú)立的三個(gè)電源，避免了三者之間的相互干擾。

系統(tǒng)在軟件方面采取的措施有： 　　

（1）采用常用的一些軟件抗干擾措施，如軟件陷阱技術(shù)、指令冗余技術(shù)、CPU自帶看門 狗等。

（2）采用軟件重復(fù)檢測(cè)的方法達(dá)到去偽存真的目的。

（3）輸出端口采用動(dòng)態(tài)刷新的方法，防止CPU受干擾后狀態(tài)發(fā)生變化。

5、總結(jié)與展望 　　

隨著鐵路運(yùn)量的增加和列車運(yùn)行速度的不斷提高，原來(lái)有分立元件構(gòu)成的設(shè)備在安 全、效率及維護(hù)方面的問(wèn)題日益突出，采用微處理器技術(shù)的移頻電碼化接口設(shè)備采用了閉環(huán) 檢測(cè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，提高了移頻發(fā)送設(shè)備的可靠性。它還具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和通用性，對(duì) 鐵路信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備的升級(jí)換代具有重要的參考價(jià)值，對(duì)進(jìn)一步保證鐵路行車安全具有重要意 義，該設(shè)備已研制成功，并通過(guò)鐵道部技術(shù)鑒定。

創(chuàng)新點(diǎn)：采用以ATmaga128 芯片為核心的微處理器技術(shù)來(lái)代替分立元件，提高了移頻發(fā)送設(shè)備的可靠性和安全性，該設(shè)備具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和通用性，對(duì)鐵路信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備的升級(jí)換代具有重要的參考價(jià)值。