樊依林

(中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安710077)

軌道絕緣節(jié)阻抗在線測試儀的設(shè)計

樊依林

(中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安710077)

文中論述了軌道絕緣節(jié)阻抗在線測試儀的設(shè)計原理,以STM32F103VC Cortex-M3為核心,產(chǎn)生100 kHz高頻方波信號,由恒流源電路輸出到被測軌道絕緣節(jié)兩端,并由處理器內(nèi)部高速ADC對測量點(diǎn)兩端電壓值進(jìn)行采集,通過FIR濾波器濾除牽引電流回流及軌道各種頻率信號,分離出能夠表征絕緣節(jié)阻抗變化的信號分量,最終計算出被測軌道絕緣節(jié)阻抗值。實(shí)驗(yàn)表明文中所研究的軌道絕緣節(jié)阻抗在線測試儀有一定應(yīng)用前景。

軌道絕緣；FIR濾波器；Cortex-M3；高頻激勵

軌道電路是列車運(yùn)行安全控制的重要基礎(chǔ)設(shè)備。它是以鐵路線路上的兩根鋼軌作為導(dǎo)體,兩端為鋼軌絕緣（或電氣絕緣）分界,并用導(dǎo)線連接信號源和接收設(shè)備構(gòu)成的電路,用以檢查有無列車、傳遞列車占用信息及實(shí)現(xiàn)地面與列車間傳遞信息的電路。它的工作可靠與否將直接影響列車運(yùn)行狀態(tài)與效率,直接影響運(yùn)輸生產(chǎn)的安全［1］。

列車電務(wù)系統(tǒng)發(fā)生的行車故障中大部份是由道岔和軌道電路故障引起,而軌道電路故障又大部份由絕緣節(jié)破損引起。由于軌道絕緣節(jié)破損的原因較復(fù)雜,這些絕緣包括鋼軌軌端絕緣、道岔安裝裝置絕緣、軌距桿絕緣等各種軌道絕緣,查找較困難。目前主要通過拆除軌道絕緣兩端的軌道電路設(shè)備和軌道絕緣本身,用萬用表或絕緣搖表測量絕緣節(jié)阻抗并估計絕緣破損情況,工作量大并且測試結(jié)果不準(zhǔn)確［2］。因此,研究一種能夠快速、簡單、便捷地在線測量軌道絕緣節(jié)阻抗的儀表具有很重要的意義。文中研究的軌道絕緣節(jié)阻抗在線測試儀用于在線檢測軌道絕緣狀況,判斷軌道絕緣節(jié)電阻大小是否滿足列車運(yùn)行安全標(biāo)準(zhǔn)。軌道絕緣節(jié)阻抗在線測試儀的研究能夠減輕鐵路信號養(yǎng)護(hù)人員的勞動強(qiáng)度,提高故障判斷效率,以保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?提高運(yùn)輸效率。

1 測量原理

軌道在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時存在復(fù)雜的通訊信號,信號頻率主要為 10.3、11.4、12.5、13.6、14.7、15.8、16.9、18、19.1、20.2、21.3、22.4、23.5、24.6、25.7、27.9、29、50、1 700、2 000、2 300、2 600Hz等［3］,但通訊信號電流大小未知。要實(shí)現(xiàn)絕緣節(jié)阻抗的在線測量,首先得保證測試儀不會對軌道電路現(xiàn)有信號造成影響,其次能在復(fù)雜的干擾環(huán)境下提取有用的被測量。本文研究的軌道絕緣節(jié)阻抗在線測試儀通過在被測軌道絕緣節(jié)兩端加入恒流高頻脈動信號,由高速ADC采集該信號,通過測試儀內(nèi)部的STM32F103VC Cortex-M3處理器進(jìn)行變換分析,濾除牽引電流及軌道各種頻率信號,分離出能夠表征絕緣電阻變化的信號分量來,計算出被測軌道絕緣節(jié)兩端的阻抗,最終由LCD液晶顯示屏顯示阻抗值。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

STM32F103VC處理器通過定時器1產(chǎn)生100 kHz,50﹪占空比的方波［4］,經(jīng)由恒流源電路輸出有效值為1 mA的電流至被測軌道絕緣兩端。通過檢測電路對軌道激勵電流接入點(diǎn)之間的電壓信號進(jìn)行放大處理,由處理器內(nèi)部高速AD以1 Msps的采樣速度進(jìn)行采樣,經(jīng)過FIR濾波器濾除軌道電路中低頻通訊信號,提取出100 kHz激勵信號頻率分量的幅值,計算出在100 kHz/1 mA電流激勵下被測軌道絕緣兩端產(chǎn)生電壓真有效值的大小,由歐姆定理可以求出絕緣節(jié)阻抗值R。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The system block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路包括STM32F103VC處理器及其外圍電路、恒流源電路、差分放大電路、供電電路、顯示及按鍵等。

2.1 恒流源電路

STM32F103VC通過定時器1實(shí)現(xiàn)50﹪方波信號發(fā)生,由I/O口輸出,其峰峰值為3.3 V,為單極性信號。經(jīng)過圖2所示電路,可以在T1和T2接觸點(diǎn)之間產(chǎn)生峰峰值為2 mA,真有效值為1 mA的恒定電流。

圖2 恒流源電路Fig.2 Constant current source circuit

該電路主要需要考慮運(yùn)放器件的選擇。由于該電路需要對方波信號進(jìn)行處理,因此運(yùn)放的壓擺率和帶寬是影像輸出信號波形和幅值的主要因素。AD8532的壓擺率為5 V/μs,帶寬為3 MHz,在ADC采樣率為1 Msps,采樣范圍為0～2.5 V的硬件基礎(chǔ)下足以滿足測量精度要求。

2.2 差分放大電路

高頻激勵電流信號通過兩根表筆引到軌道測試點(diǎn),由歐姆定理可知,在兩接觸點(diǎn)之間會產(chǎn)生與兩點(diǎn)間阻抗成正比的電壓。該電壓為浮動電壓,因?yàn)楸砉P輸出沒有與測試儀內(nèi)部共地,且軌道內(nèi)存在幅值未知的電流信號,同樣會再測試點(diǎn)之間產(chǎn)生電壓值,因此需要通過差分放大電路來對測試點(diǎn)之間的電壓進(jìn)行提取和放大［5］。電路原理圖如圖3所示。

INA111是具有優(yōu)越性能的高速FET輸入儀表放大器。內(nèi)部用一個電流反饋布局提供了極寬的帶寬（G=10時2 MHz）和快速的穩(wěn)定時間（G=100時,4 μs,0.01﹪）。用一個外部電阻,可設(shè)定從1～1 000的任意增益值。FET輸入減小了輸人偏流,使之低于20pA,有簡單的濾波和限制電路,而且它具有極高的輸入阻抗,因此INA111在本設(shè)計中可以大大簡化測量電路的復(fù)雜程度。

圖3 差分放大電路Fig.3 Difference amplifier circuit

3 FIR數(shù)字濾波器

模擬濾波器有其自身的缺點(diǎn),即容易受外界干擾,穩(wěn)定性不夠好。數(shù)字濾波器在計算機(jī)技術(shù)的推動下應(yīng)用的越來越普遍,實(shí)現(xiàn)也越來越簡單。數(shù)字濾波器和模擬濾波器相比,有精度高、靈活性強(qiáng)、不要求阻抗匹配和實(shí)現(xiàn)模擬濾波器無法實(shí)現(xiàn)的特殊濾波功能等優(yōu)點(diǎn)［6］。文中結(jié)合系統(tǒng)在線測試的原理,設(shè)計數(shù)字濾波器來濾除鐵路通信信號等干擾信號。數(shù)字濾波器是一種用來過濾時間離散信號的數(shù)字系統(tǒng),通過對抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理來達(dá)到頻域?yàn)V波的目的。根據(jù)其單位沖激響應(yīng)函數(shù)的時域特性可分為兩類:無限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器和有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器。IIR數(shù)字濾波器的缺點(diǎn)就是只保證了幅頻特性的一致,不具有線性相位。而有限沖激響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器容易設(shè)計成線性相位,由于FIR濾波器的傳輸函數(shù)的極點(diǎn)固定在原點(diǎn),只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性。但是,穩(wěn)定和嚴(yán)格的線性相位特征是FIR數(shù)字濾波器最大的優(yōu)點(diǎn)［7-9］。

文中FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)是利用STM32的庫函數(shù)這一工具,STM32庫函數(shù)十分豐富,用庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)濾波簡單,方便,而且效果十分明顯,從而減小了綜合應(yīng)用中的開銷。這里需要注意的是STM32的DSP庫要求濾波器系數(shù)的個數(shù)必須是4的倍數(shù),而濾波器的階數(shù)應(yīng)該為系數(shù)個數(shù)減一。Fir的函數(shù)輸入是16位的向量x,輸出32位的向量a。stm32f10x_it.c中宏定義了濾波器長度M,濾波器輸出數(shù)據(jù)長度為N,響應(yīng)的濾波器輸入長度為M+N-1。本文在這里M取32,N為采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù),取1 024個點(diǎn),濾波器參數(shù)輸入到結(jié)構(gòu)體中,設(shè)定好輸入長度,然后用FIR濾波處理函數(shù)來實(shí)現(xiàn)濾波功能。

4 測量系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

文中采用的開發(fā)工具是Keil MDK。軟件系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)硬件電路各個模塊完成的不同功能,采用模塊化的設(shè)計方式,把測試儀要完成的功能模塊化,再編寫各個模塊的軟件。對各個模塊的功能完成軟件調(diào)試后,再對各個模塊完成協(xié)調(diào)整合,最后完成測試儀系統(tǒng)軟件設(shè)計。測量系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包含A/D采樣、FIR濾波算法、真有效值計算、阻值計算和誤差補(bǔ)償?shù)?。程序設(shè)計主要是基于STM32固件庫進(jìn)行的,具有開發(fā)簡單,可讀性強(qiáng),代碼維護(hù)難度低等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

5 測量數(shù)據(jù)

首先,用本系統(tǒng)測試了標(biāo)稱值從10～70 Ω的電阻,對誤差進(jìn)行評定。每隔10 Ω測一個數(shù)據(jù)點(diǎn),測量3次,用Wayne Kerr Electronics公司的6500系列高精度阻抗測試儀 （精度可達(dá) ±0.05﹪）的測量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),對本系統(tǒng)測量電阻做誤差評定并跟阻抗儀測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,表1給出了測得的數(shù)值。

表1 測量數(shù)據(jù)Tab.1 Measurement data

6 結(jié)論

文中設(shè)計的軌道絕緣節(jié)阻抗在線測試儀以STM32F103VC Cortex-M3為核心,產(chǎn)生100KHz50﹪占空比高頻方波信號,由恒流源電路輸出到被測軌道絕緣兩端,并由處理器內(nèi)部高速ADC對測量點(diǎn)兩端電壓值進(jìn)行采集,通過FIR濾波器濾除牽引電流回流及軌道各種頻率信號,分離出能夠表征絕緣電阻變化的信號分量,最終計算出被測軌道絕緣節(jié)阻抗值。該測試儀具有操作簡單、攜帶便捷、抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高等優(yōu)點(diǎn),極大降低維修人員的勞動強(qiáng)度,提高了故障判斷效率。

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Design of the track insulation joint impedance testing instruments on-line

FAN Yi-lin
（Xiˊan Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp,Xiˊan 710077,China）

This paper analysis the track insulation joint impedance on-line testing instrument of the measuring principle，based on STM32F103VC Cortex-M3.Using microcontroller generate 100 kHz high frequency square wave signal as excitation.Then use the current source circuit output current loaded into the insulation at both ends of the measured track.by the internal high-speed ADC processor data sampling，Through the FIR filter to filter out the traction current return and all kinds of low frequency signals in track，the separation can characterize the insulation impedance change signal components.Ultimately calculate the insulation impedance of the measured track.Experimental results show that，the system has good a good application prospect.

the track insulation；FIR filter；Cortex-M3；high frequence drove

TN709

：A

：1674-6236（2015）18-0127-03

2014-12-23稿件編號：201412221

樊依林（1986—）,男,陜西西安人,碩士研究生。研究方向:儀器科學(xué)與技術(shù)。