李永菲

【摘 要】隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路交通事業(yè)也得到了較快的發(fā)展。由于列車具有較重的質(zhì)量、較快的運(yùn)行速度等，其制動距離也變得較長，為了保證列車的行駛安全，需要確保相應(yīng)的區(qū)間內(nèi)沒有其他列車運(yùn)行，這就需要進(jìn)行線路的檢測。而計(jì)軸是檢測鐵路軌道相關(guān)區(qū)間內(nèi)通過的車輪個數(shù)的信號設(shè)備，計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊能夠測量計(jì)軸頻率信號，其具有專業(yè)的測量能力和獨(dú)特的應(yīng)用特點(diǎn)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的現(xiàn)場適應(yīng)性，在多種交通軌道計(jì)軸系統(tǒng)信號的監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用。文章主要探討了計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，為計(jì)軸系統(tǒng)的更好應(yīng)用提供了一定的參考。

【關(guān)鍵詞】計(jì)軸軌道電路;信號檢測采集模板;設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【中圖分類號】U284.47 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）10-0028-02

0 引言

在目前情況下，計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊是唯一能夠?qū)τ?jì)軸頻率信號進(jìn)行測量的產(chǎn)品。隨著鐵路現(xiàn)代化的發(fā)展不斷加快，加強(qiáng)對鐵路線路是否被占用的檢測能夠保證列車的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。使用計(jì)軸采集模塊能夠根據(jù)采集的信號及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中將要發(fā)生的故障，并且進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)報(bào)警，確保系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。當(dāng)計(jì)軸采集模塊檢測出系統(tǒng)中存在的故障后，它能夠根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)對故障的位置及性質(zhì)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的判斷，幫助維修人員及時發(fā)現(xiàn)問題并減少相應(yīng)的維修時間，從而有效保證鐵路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。計(jì)軸設(shè)備的運(yùn)行情況與鐵路軌道的狀態(tài)無關(guān)，使用計(jì)軸設(shè)備可以對長軌道區(qū)間空閑占用狀態(tài)進(jìn)行檢測，也不會因?yàn)檐壍赖淖兓绊懙借F路的正常運(yùn)行。

1 計(jì)軸系統(tǒng)相關(guān)概述及信號檢測采集模塊主要原理

1.1 計(jì)軸系統(tǒng)相關(guān)概述

在鐵路交通領(lǐng)域中，計(jì)軸是一種廣泛用于檢測鐵路軌道相關(guān)區(qū)間內(nèi)通過的車輪個數(shù)的信號設(shè)備，其工作原理是利用閉環(huán)傳感器對經(jīng)過相應(yīng)區(qū)間的車輪對數(shù)進(jìn)行檢測，通過計(jì)軸設(shè)備處理后將車輪對數(shù)發(fā)送到對方站進(jìn)行相應(yīng)的對比，進(jìn)而判斷列車行使過的空間處于空閑的狀態(tài)。計(jì)軸系統(tǒng)與傳統(tǒng)的軌道電路相比較具有較多優(yōu)點(diǎn)，不會受到相關(guān)環(huán)境的影響，即使鐵道的鋼軌生銹或者發(fā)生其他狀況，計(jì)軸系統(tǒng)仍然可以正常對相應(yīng)區(qū)間內(nèi)軌道的狀態(tài)進(jìn)行檢測，判斷該區(qū)間是否被占用，以防止發(fā)生交通安全事故。在容易受潮等環(huán)境因素影響的隧道軌道上，計(jì)軸系統(tǒng)仍然可以進(jìn)行正常的檢測工作而不受到軌道條件的影響，而且也不會發(fā)生紅光帶的問題。

1.2 信號檢測采集模塊主要原理

對于計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊而言，當(dāng)采集到室外的通信信號時，它能夠進(jìn)行模擬隔離電路并對相應(yīng)的信號進(jìn)行AD采集，得到混合頻率信號，使用該信號處理不同頻帶的帶通濾波算法，能夠分離出相應(yīng)的交流電壓伏值。采用隔離總線的方式及相關(guān)協(xié)議輸出，能夠有效提高采集模塊的現(xiàn)場適應(yīng)能力。信號檢測采集模塊功能原理圖如圖1所示。

2 計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊硬件設(shè)計(jì)

2.1 輸入采集電路設(shè)計(jì)

在計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊中，輸入端口信號是通過交流電壓信號進(jìn)行采集的，計(jì)軸系統(tǒng)通過檢測室內(nèi)外的通信信號狀態(tài)而得到該信號，同時在輸入采集端口使用了高阻輸入，并增加了過流過熱保護(hù)裝置，從而避免影響到相關(guān)信號線路的其他設(shè)備的正常運(yùn)行。輸入采集電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 信號隔離及通信接口隔離電路設(shè)計(jì)

信號隔離電路的主要作用是把前端采集的信號，通過隔離芯片傳遞到后端，確保前后端的信號不在同一個參考地，保證后端信號的獨(dú)立性，并使其不受到其他信號的影響，提高其抗干擾能力。在計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊中，信號隔離電路能夠保證采集模塊的相關(guān)功能，具有十分重要的作用。信號隔離電路簡圖如圖3所示。

在信號隔離電路簡圖中可以發(fā)現(xiàn)，N2是其中關(guān)鍵隔離器件，通過運(yùn)算放大器的作用，能夠利用發(fā)光管中發(fā)出的光把接收的電流傳遞到右邊接收管中。其中，濾波電容能夠有效消除電路中相關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲和毛刺。隔離器件N2還可以傳遞交流信號和直流信號，并且表現(xiàn)出精度高、較低的非線性度及較寬的頻帶等特點(diǎn)。

通信接口隔離電路的設(shè)計(jì)采用的是高速光電耦合器，它能夠?qū)ο鄳?yīng)的信號進(jìn)行隔離輸出，而且光電耦合器的帶寬能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。采用這種設(shè)計(jì)方式能夠很好地提高通信接口上的抗干擾能力，其通信接口利用高速光電耦合結(jié)合外圍電路的方式，既可以很好地滿足電路高速通信速率的需求，又控制了成本。

2.3 PCB布局布線設(shè)計(jì)

在衡量產(chǎn)品的性能時，PCB布局設(shè)計(jì)思路是其中一個重要的指標(biāo)，而在計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊設(shè)計(jì)中，除了要合理設(shè)計(jì)相應(yīng)的原理電路圖，對于PCB的設(shè)計(jì)也是其中比較重要的環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)PCB布局布線時，要確保結(jié)構(gòu)的合理、有準(zhǔn)確的接口定位。在布局關(guān)鍵芯片時，要充分考慮芯片在結(jié)構(gòu)上的限定，對于卡板上的高熱器件等主芯片而言，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時候要考慮其散熱效果，進(jìn)行合理的放置使得其具有相對均勻的散熱效果。

在PCB布局布線設(shè)計(jì)中，還要考慮高速信號和敏感信號的抗阻匹配、空間距離，濾波電容要盡量靠近芯片額電源引腳，這樣能夠更好地發(fā)揮濾波的作用，儲能電容要盡量設(shè)置在有源芯片的四周。通過對高壓和耐壓方面進(jìn)行考慮來設(shè)計(jì)安全距離，并對兩者進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，不同強(qiáng)度的信號的走線要分開設(shè)計(jì)，充分考慮到相應(yīng)的爬電距離。在計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊的硬件的PCB布局布線設(shè)計(jì)中，需要遵循上述原則及要求，這樣能夠更好地保證計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊的性能。

3 計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊的測試和實(shí)現(xiàn)

針對計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊的測試，主要是從精度誤差、幅頻特性、響應(yīng)時間及電磁兼容等方面進(jìn)行相應(yīng)的測試工作。對于采集模塊精度誤差的測試，從相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)可以觀察出不同頻率的最大電壓有效值誤差，而且進(jìn)行測試得到的精度能夠滿足采集模塊設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。對于幅頻特性的測試，測試的頻率覆蓋到全頻率范圍內(nèi)，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)可以得知不同頻率的中心頻點(diǎn)在一定頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率特性，而且其最大誤差精度也能夠滿足設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。

對于響應(yīng)時間測試，在測試時采用的是雙通道示波器，對信號的測試是從有到無，再從無到有的過程，而在整個頻段內(nèi)，信號的變化時間要控制在15 ms之內(nèi)。2 500 Hz頻段下進(jìn)行的響應(yīng)時間測試如圖4所示。

4 總結(jié)

綜上所述，隨著鐵路交通事業(yè)的快速發(fā)展，計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊的成功設(shè)計(jì)，能夠滿足計(jì)軸系統(tǒng)的使用要求，使得鐵路軌道計(jì)軸系統(tǒng)應(yīng)用的性能更加完善。通過對計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊進(jìn)行相應(yīng)的研究設(shè)計(jì)，能夠促進(jìn)我國鐵路交通事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]倪偉，景小軍，袁霞.計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2016，29（11）：31-32，119.

[2]倪偉.計(jì)軸軌道電路信號檢測采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2016.

[3]成巍坤.基于光纖傳感計(jì)軸技術(shù)的軌道電路監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2016.