陜西長嶺特種設(shè)備股份有限公司 丁倩 賈鵬 郗飛 喬曉濤

本文介紹了軌道電路故障多功能數(shù)字診斷儀的設(shè)計(jì)方案，分別對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和系統(tǒng)的組成進(jìn)行了詳細(xì)描述，文中對主要的硬件原理和軟件功能進(jìn)行了具體的描述，通過主要技術(shù)的介紹，為軌道電路故障數(shù)字診斷技術(shù)提供了方法和思路。

目前，國內(nèi)的電務(wù)系統(tǒng)查找軌道電路故障的主要手段是通過萬用表在鋼軌上測量軌道電路電壓和電流參數(shù)，該方法需要斷開軌道電路的扼流變壓器或者斷路軌道電路。隨著機(jī)車速度的提高和載重的增加，這種查找故障的方法已經(jīng)不合時宜。并且這種查找軌道電路故障的方法工作量較大，給電務(wù)部門查找分析故障造成不便[1]。

1 總體方案

軌道電路故障多功能數(shù)字診斷儀主要利用電流傳感器、嵌入式芯片以及數(shù)字信號處理技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對軌道電路的參數(shù)完成采集，并通過算法對參數(shù)進(jìn)行分析，進(jìn)而得到軌道電路的工作狀態(tài)信息。

多功能數(shù)字診斷儀通過嵌入式處理器控制和數(shù)字信號處理相結(jié)合的方式測量軌道電路電壓、電流、頻率及波形，同時還具有25Hz和50Hz正弦信號真有效值的測量功能。測試儀嵌入式處理器以10K/s采樣速率采樣，數(shù)據(jù)保存在環(huán)形緩沖區(qū)內(nèi)，處理器在緩沖區(qū)數(shù)據(jù)中找到最大值位置，在該組數(shù)據(jù)±2000個采樣點(diǎn)外各找兩個最大值，并根據(jù)三個最大值的位置差可測量出軌道電路頻率；上述三個最大值的平均值即為脈沖頭部幅值；在該組數(shù)據(jù)三個最大值的位置后500個采樣點(diǎn)內(nèi)找到三個最小值，求平均后得到脈沖尾部值；在LCD液晶畫出坐標(biāo)，取最大值的前50個采樣點(diǎn)和后200個采樣點(diǎn)顯示在坐標(biāo)上。軌道電路故障多功能數(shù)字診斷儀的整體方案如圖1所示：

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

圖2中展示了多功能數(shù)字診斷儀硬件和軟件的主要組成部分及實(shí)現(xiàn)的功能。硬件系統(tǒng)中使用單片機(jī)控制，通過軟件使用線性修正技術(shù)從而達(dá)到較寬的頻率測量范圍。這個范圍可以覆蓋信號設(shè)備使用的全部頻率，并且測量誤差完全可用軟件技術(shù)予以修正，因此診斷儀的測量精度基本不受硬件條件的限制。

處理器的濾波器采用程控濾波器，目前，這種濾波器在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。程控濾波器可以通過程序制定任意濾波帶寬，也可根據(jù)測試項(xiàng)目和檔位不同由單片機(jī)進(jìn)行控制，高速改變?yōu)V波帶寬形成帶阻或帶通式濾波器。較傳統(tǒng)的LC、RC濾波器，程控濾波性能穩(wěn)定、整機(jī)結(jié)構(gòu)小，一個濾波器即可完成多個傳統(tǒng)LC、RC濾波器的功能。

充電電路應(yīng)能滿足對電源要求低，適應(yīng)無電源場所。設(shè)計(jì)中選用了較先進(jìn)的超寬適配器，可滿足90～230V的交、直流電源均可對其充電，且對于直流電源無正負(fù)要求，在無電源場所可使用手搖發(fā)電機(jī)維持工作。

通過CPU控制，開機(jī)時可實(shí)現(xiàn)自動清零復(fù)位、溫度補(bǔ)償修正和整機(jī)狀態(tài)校驗(yàn)功能。因此，開機(jī)后只需要等待1～2s時間系統(tǒng)即可自動進(jìn)入測試界面。

而在氧化石墨烯樣品的制備當(dāng)中，則可以通過進(jìn)行PH值的區(qū)分且使用超聲分散法進(jìn)行石墨烯樣品的制備。以此為基礎(chǔ)的氧化石墨烯濕敏原件制備的過程當(dāng)中，需要選擇氧化鋁作為基片進(jìn)行制備，在氧化鋁基片兩端進(jìn)行溫銀漿的涂抹，將其置于150攝氏度的環(huán)境下進(jìn)行干燥，在600攝氏度的環(huán)境下進(jìn)行熱處理，以此方式重復(fù)進(jìn)行兩次，最后將石墨烯分散液滴至去基片當(dāng)中，滴至的過程中保證其電極接通，同樣重復(fù)上述步驟五次，其得到的氧化石墨烯濕敏原件數(shù)量為五份[3]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

診斷儀系統(tǒng)硬件組成包括了嵌入式外圍電路、信號采樣處理電路、電源電路、顯示和按鍵電路、存儲電路、EMI防護(hù)電路以及嵌入式芯片與外設(shè)的接口電路，基于以上硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成了相應(yīng)的軟件程序設(shè)計(jì)。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

軌道電路故障多功能數(shù)字診斷儀硬件電路原理框圖如圖3所示：

硬件電路設(shè)計(jì)中，為了增強(qiáng)電路的過載能力，在診斷儀的輸入端口設(shè)計(jì)了完善的保護(hù)電路，可防止在規(guī)定的極限值內(nèi)因誤操作損壞儀器內(nèi)元器件。電路中過壓保護(hù)采用雙向限幅電路，當(dāng)電壓超限時啟動保護(hù)功能；過流保護(hù)采用高速電子開關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)電流超極限時在安全時間內(nèi)切斷輸入電路。

雙積分式高速A/D作為A/D轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器是對輸入電壓平均值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力。A/D轉(zhuǎn)換的過程可分為4個階段：零積分輸出為第1階段；自動調(diào)零為第2階段；正向積分為第3階段；反向積分為第4階段。通過幾重積分在保證轉(zhuǎn)換精度的前提下大大提高了A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。

采用高速單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換功能，優(yōu)點(diǎn)在于可以提高儀器測量的準(zhǔn)確度和分辨率，使儀表處于最佳量程，有效地避免過載，簡化儀器操作。其電路原理是：（1）單片機(jī)通過對超量程信號的計(jì)算比較，指示移位寄存器移位至適當(dāng)量程位置，即利用超量程信號來控制一個雙向移位寄存器升量程或降量程；（2）將移位寄存器的輸出信號經(jīng)過異或門譯碼，擴(kuò)展成量程控制信號；（3）由達(dá)林頓驅(qū)動器驅(qū)動微型繼電器，變換量程擋位并切換小數(shù)點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)儀器測量量程自動轉(zhuǎn)換的要求。

2.1.1 處理器選用

微處理器是整個設(shè)計(jì)的核心部分，其性能直接決定了系統(tǒng)對信號的處理速度以及開發(fā)成本和難度。因此嵌入式處理器的選擇對于多功能數(shù)字診斷儀的開發(fā)非常重要，如果選擇恰當(dāng)?shù)那度胧教幚砥鲗箲?yīng)用系統(tǒng)更加實(shí)用可靠。在選擇處理器時，需要考慮一下四方面需求：（1）需要考慮芯片的功能和設(shè)計(jì)的需求，單片機(jī)的片上功能需要略高于系統(tǒng)實(shí)際的需求，系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)盡可能用軟件來代替硬件完成；（2）應(yīng)考慮到單片機(jī)的技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品將來的工作環(huán)境，處理器必須能在一定的技術(shù)指標(biāo)下可靠的工作并適應(yīng)產(chǎn)品所處的工作環(huán)境；（3）考慮處理器芯片生產(chǎn)廠商和供貨廠商的實(shí)力，避免進(jìn)貨和售后渠道出現(xiàn)問題；（4）還要考慮芯片的可開發(fā)性，例如開發(fā)工具和調(diào)試手段等方面。本系統(tǒng)所采用的CPU芯片需要具備較快的運(yùn)算速度能力，以滿足對采樣信號計(jì)算的要求。需要具備多個可配置I/O口以及片內(nèi)12位ADC功能，同時需要具備較大的存儲空間和具有直接存儲器訪問功能。根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求以及以往使用經(jīng)驗(yàn)，選擇ST公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核STM32F103RBT6型ARM處理器完全滿足性能要求，并且滿足產(chǎn)品可靠性要求。

2.1.2 功能模塊設(shè)計(jì)

（1）信號采集模塊設(shè)計(jì)。利用單片機(jī)的IO口直接進(jìn)行信號采樣，通過數(shù)字信號處理的方法，對采樣的信號進(jìn)行濾波和頻譜分析，從而得到需要采集的信號。這種數(shù)字信號處理方法主要靠軟件實(shí)現(xiàn)，因此，信號采集功能使用的硬件成本較低且不受硬件參數(shù)的影響。目前，關(guān)于數(shù)字信號處理方面的算法已經(jīng)非常成熟，在軟件設(shè)計(jì)中采用合理的算法，則可以得到符合技術(shù)條件的信號采集結(jié)果。

由于使用單片機(jī)的IO口采樣信號，而被采樣的信號范圍不一定在單片機(jī)工作電壓范圍內(nèi)，因此需要將被采樣的信號范圍限制在單片機(jī)的工作電壓范圍之內(nèi)，為了滿足單片機(jī)采樣電壓的范圍必須將軌道電壓先經(jīng)過硬件電路處理后才能送給單片機(jī)。

（2）AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)。出于降低硬件成本的目的，AD轉(zhuǎn)換部分可采用ARM處理器自帶的AD轉(zhuǎn)換器。STM32F103RBT6型ARM處理器自帶的AD轉(zhuǎn)換器是一種逐次逼近的轉(zhuǎn)換器，其具有12位分辨率、單次和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、轉(zhuǎn)換速度快、能夠自動校準(zhǔn)、輸入信號范圍寬和可以產(chǎn)生DMA請求以上特點(diǎn)。

AD采樣可以利用STM32自帶的AD轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有掃描轉(zhuǎn)換和DMA觸發(fā)的功能，可實(shí)現(xiàn)采樣通道自動依次采樣并存儲。STM32具有多組AD轉(zhuǎn)換器，這里我們使用了第一組AD轉(zhuǎn)換器，即ADC1對信號進(jìn)行采樣。

STM32單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC具有產(chǎn)生DMA請求的功能。DMA的全稱是直接存儲器訪問。數(shù)據(jù)傳輸方式是通過DMA控制器將數(shù)據(jù)從一個地址空間直接復(fù)制到另一個地址空間。整個過程無需CPU介入，也沒有保留和恢復(fù)現(xiàn)場的操作，從而提高CPU的工作效率。

本系統(tǒng)中使用的AD轉(zhuǎn)換器ADC1是APB2的外設(shè)器件。若把ADC1中的數(shù)據(jù)存儲器ADC1->DR作為DMA存儲數(shù)據(jù)源，在STM32內(nèi)存中劃出一塊固定區(qū)域作為DMA存儲的目標(biāo)地址，DMA存儲器將會自動將ADC1->DR中的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果復(fù)制到指定的內(nèi)存區(qū)域中。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采樣處理程序主要用來采集流過鋼軌的軌道電路信號，使用FFT算法計(jì)算信號的幅頻特性。計(jì)算流程圖如圖4所示。

由于FFT的對稱性，一組序列中順序與倒序后處于對稱位置的碼位之和相同均為N，且偶數(shù)部分在上，奇數(shù)部分在下。若已知某個倒序碼為J，求下一個倒序碼時可先判斷J的最高位：若最高位為0，則把該位變成1就得到下一個倒序碼；若為1，則需判斷次高位：若次高位為0，則把最高位變0后，再把次高位變1；若次高位為1，將次高位變0后再判斷下一位，以此類推。最后將倒序后的存儲單元交換。碼位倒序程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

在碼位倒序中為了避免重復(fù)交換，只有當(dāng)順序碼的碼位小于其倒序碼的碼位時才將兩個碼位交換位置。

3 結(jié)論

軌道電路故障多功能數(shù)字診斷儀作為一種全集成、高可靠性的軌道電路故障監(jiān)測裝備，可通過檢測軌面電流大小來判斷此處是否短路或斷開，同時兼顧非電氣化區(qū)段，并可用于電氣化區(qū)段25Hz相敏軌道電路、50Hz軌道電路、軌道電路、各型移頻軌道電路的電流測試。經(jīng)過長時間的現(xiàn)場使用，該設(shè)備的實(shí)用性和可靠性已經(jīng)得到了驗(yàn)證，研制工作取得成功。