張瑋

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710000)

0 引 言

鐵路的整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)中至關(guān)重要的電路就是軌道電路，它可以檢測到有沒有車占用軌道，工作人員可以準(zhǔn)確的控制列車行駛安全，所以說，軌道電路直接的影響著列車的行駛安全。鐵軌受到風(fēng)吹日曬，容易出現(xiàn)腐蝕，生銹，灰塵沉積等現(xiàn)象，使得列車和軌道接觸不穩(wěn)定，無法檢測到列車占用車道的情況，這種接觸問題嚴(yán)重影響了運(yùn)輸效率，甚至影響列車的安全[1]13。

國際上，對于軌道電路接觸不穩(wěn)定的問題進(jìn)行不斷地研究，針對每個(gè)國家不同的情況，做了很多的研究并在不斷尋找更好的解決辦法。在德國，他們使用的是“計(jì)軸方式”，在接觸不穩(wěn)定的問題上成功實(shí)現(xiàn)突破，解決了接觸不良的問題；在法國，他們使用的是軌道高壓脈沖電路，解決了接觸不良的問題，并且逐步發(fā)展成了高壓不對稱脈沖軌道電路；在日本，軌道脈沖電路使用的是100 V高壓工作，解決了接觸不穩(wěn)定的問題。在我們國家，對于生銹的路段區(qū)間，最多的是運(yùn)用高壓不對稱軌道脈沖電路的方法，并且效果很明顯，能夠解決接觸不穩(wěn)定的問題。大量材料表明，研究人員的探索方向大多是在怎么解決軌道接觸不穩(wěn)定的問題上，怎么穩(wěn)定高效的檢測其電路參數(shù)，進(jìn)而能夠快速判斷高壓脈沖電路的好壞，在這個(gè)方面的研究工作卻是不多的。本文則針對這個(gè)問題進(jìn)行了相應(yīng)的研究設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)方案

高壓脈沖測量儀能夠直接測量軌道上的電路電壓，有著很好的實(shí)用價(jià)值。所以對于高壓脈沖測量儀來說，其本身的良好穩(wěn)定性能對于軌道電路的安全有著重要的影響；如果軌道電路本身出現(xiàn)了問題，同時(shí)也會對鐵路上列車行駛造成安全隱患。

針對軌道電路安全檢測的問題，本文基于STM32設(shè)計(jì)了一款軌道電路高壓脈沖測量儀器，其主控芯片是STM32F103C8T6，控制著所有的測量芯片及外部設(shè)備。與之相連的有：液晶屏，將檢測到的信號利用波形的形式顯示在屏幕上，便于觀察；按鍵，可以通過按鍵選擇菜單，返回上一級，關(guān)機(jī)等操作；AD736有效值測量芯片，檢測到的信號通過處理電路后，進(jìn)入AD736芯片，再進(jìn)入控制芯片STM32，進(jìn)而測出實(shí)時(shí)有效值；AD8253程控放大器，輸入阻抗高、噪聲干擾弱、增益漂移小，非常適合用于信號放大作用，可以將檢測到的信號以波形的形式清晰地顯示在液晶屏上；LM311電壓比較器，它的正極和LF398保持器相連接，負(fù)極和原始未處理信號相連接，輸出信號連接到控制芯片STM32上，如此，經(jīng)過了前后兩個(gè)信號的對比便可以找出檢測信號出現(xiàn)峰值的時(shí)間點(diǎn)，再參照該時(shí)間點(diǎn)的有效值便能夠精確地檢測出信號峰值；本課題的重點(diǎn)是檢測信號，信號控制，信號波形顯示。整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示[2-3]。

圖1 整體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)平臺是在軟件AD8.0上進(jìn)行的，比傳統(tǒng)的Protel要先進(jìn)得多，為避免信號線之間的相互干擾，可以通過設(shè)計(jì)芯片間導(dǎo)線的寬帶來消除干擾[4]。而且在信號線布局時(shí)，可以將數(shù)字和模擬電路分隔開，進(jìn)行合理的布置信號線。

2.1 控制芯片的選擇

本設(shè)計(jì)采用的控制芯片是STM32F103C8，它是基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM微控制器芯片。它的工作電壓范圍是2 V～3.6 V，芯片內(nèi)部的功能非常豐富：72 MHz的CPU；20 K字節(jié)的RAM存儲器；64K字節(jié)的FLASH程序存儲器；8個(gè)中斷源、3個(gè)定時(shí)器、2個(gè)看門狗；51個(gè)I/O端口引腳，絕大多數(shù)的端口是通用的[1]22。此芯片比普通種類芯片有更快的CPU運(yùn)行速度，而且能夠使用USB接口，通過U-link即可連上電腦，能夠快速地了解控制芯片的工作情況，同時(shí)進(jìn)行程序的調(diào)試工作，屬于增強(qiáng)型芯片。

2.2 測量有效值的電路設(shè)計(jì)

在實(shí)際運(yùn)用中，有效值的測量會包含很多的非正弦波。針對此種情況，傳統(tǒng)的測量工具是通過使用平均值的轉(zhuǎn)換法來解決非正弦波干擾的，但是此種方案有著很大的理論誤差。避免干擾可以利用真有效值轉(zhuǎn)換技術(shù)，對交流信號中的有效電壓值進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，不會受到非正弦波的干擾。這種技術(shù)最大的方便之處就是可以準(zhǔn)確測量不同波形的有效電壓值，不用考慮所測信號的失真情況。有效值的測量電路如圖2所示，電路中包括兩個(gè)主要芯片：AD736和Op07。AD736屬于精密型AD/DC轉(zhuǎn)換器，是通過激光矯正的，具有測量速度快、精確度高、頻率范圍廣、功耗低、電源范圍寬等特點(diǎn)，可以達(dá)到精確測量電路的要求；Op07同樣屬于精密型芯片，高精度地運(yùn)算放大器，具有較低的輸入失調(diào)電壓和漂移[1]26，非常適合做前級的放大器，用于微小信號放大作用，具有失調(diào)低、開環(huán)增益高、噪聲低、輸入偏置電流低等特點(diǎn)，非常適合用于微小信號的放大處理電路。

圖2 有效值的電路設(shè)計(jì)

2.3 檢測峰值的電路設(shè)計(jì)

測量峰值電路的實(shí)際包括有兩種主要芯片：LF398采樣/保持器和LM311電壓比較器。LF398芯片能夠經(jīng)合理的外接電容使本身的性能到最佳狀態(tài)，驅(qū)動電壓可接±5 V～±18 V，電源電壓范圍廣，不會影響芯片運(yùn)行效果。其邏輯控制可以通過和電平TLL相連。其實(shí)際應(yīng)用范圍很廣，包括數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)、高速A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等；LM311芯片比較常見，同樣其驅(qū)動電壓范圍寬。另外，能夠驅(qū)動繼電器，電流可至50 mA。兩種芯片均符合設(shè)計(jì)要求，其電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 峰值的電路設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件方面的設(shè)計(jì)使用的是模塊化的方式，這樣設(shè)計(jì)有利于系統(tǒng)編寫和后期調(diào)試。系統(tǒng)編程方面主要使用STM32控制器自身帶的函數(shù)庫，如表1所示，這樣就降低了程序編寫的難度，提高了編程效率，而且調(diào)試檢查起來很容易。

表1 常用的函數(shù)文件

軟件的開發(fā)平臺是LEIL4+ULink V4.081，程序開發(fā)是在uVision環(huán)境下進(jìn)行的，其開發(fā)環(huán)境穩(wěn)定，適合各種用戶開發(fā)使用。在此環(huán)境下設(shè)計(jì)的總的程序流程包括：初始化系統(tǒng)、按鍵操作、信號分析、界面顯示功能，大致的流程如圖4所示[5]。

圖4 程序流程圖

4 系統(tǒng)功能測試

該測量儀包括功能：不同頻率的測量，峰值及波形的檢測，有效值的測量。功能測試效果圖如下所示。

軌道電路高壓脈沖測量儀關(guān)于頻率測量的選擇界面如圖5所示。

圖5 頻率選擇測量界面

圖6 測量值得選擇界面

圖7 檢測結(jié)果顯示界面

軌道電路高壓脈沖測量儀關(guān)于峰值和有效值測量的選擇界面如圖6所示。

軌道電路高壓脈沖測量儀的檢測結(jié)果顯示界面如圖7所示。

如圖7所示，高壓脈沖測量儀可以輸出高壓脈沖，產(chǎn)生高壓脈沖信號，提高了軌面的瞬間擊穿電壓，有利于解決鐵軌面生銹帶來的分路不良的問題。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過采用高壓脈沖電路來增強(qiáng)軌道上的不對稱脈沖電壓的方法，得到高壓來擊穿鐵路軌道上的銹層，解決長時(shí)間灰塵沉淀所造成的軌道分路不良的現(xiàn)象。此設(shè)計(jì)可以使用在鐵軌上的區(qū)間電路，也可以用在各個(gè)車站之間的連接電路；可以用在電氣化軌道上，也可以用在非電氣化軌道上?？梢詮V泛使用，減少開支。

[1] 李磊.軌道電路高壓脈沖測量儀表的研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[2] 黃贊武，魏學(xué)業(yè)，李紹斌.軌道電路故障預(yù)測與健康管理體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程,2012,24(20):232-235.

[3] 楊新華，胡大斌.采用高壓脈沖軌道電路解決長鋼專用線鋼軌銹蝕故障的探討[J].特鋼技術(shù),2004,4(3):26-28.

[4] 劉紅梅.淺談高壓脈沖軌道電路故障處理[J].科技展望,2016,35(13):92.

[5] 張永光. 高壓脈沖軌道電路的調(diào)整與維護(hù)方法探討[J].海峽科學(xué),2013,12(11):74-77.