高铁通信电路中补偿电容的非接触测量方法

伍沐原，袁文澹，李仁发

（1.海南科技职业大学，海南 海口 507200；2.湖南大学 计算机学院，湖南 长沙 410082）

0 引 言

随着高速铁路的迅速发展，我国自主研发的ZPW-2000A型轨道通信系统得到了大规模的应用。但是，ZPW-2000A轨道信号通信系统的故障往往会导致严重的高铁运营事故。实践证明，铁路中段补偿电容的电容值参数下降甚至失效是ZPW-2000A通信系统的最大隐患[1]。发生重大事故时，主要依靠大量人力沿线检修并更换故障电容，日常维护时，专业人员要在夜间天窗期进行沿线检修[2,3]。对于诊断补偿电容故障的研究，大多采用的是不架设新设备的“软件”办法，如采用一些传统的电路算法定位故障，或是采用新兴的智能算法进行分析[4,5]。而即使是最新采取的架设新设备的硬件办法—中国通号自主研发区间轨道电路诊断系统，依然没有提到补偿电容故障的诊断[6]。

本文针对ZPW-2000A通信系统提出结合非接触测量技术和数字化传感层技术的补偿电容检测工程方案，并开展实验以实时检测补偿电容容值。

1 硬件检测方案的设计原理

1.1 ZPW-2000A补偿电容电路分析

如图1所示，两根平行的水平电路代表了平行于钢轨的电缆，V源代表信号源，两条钢轨中间会以一定规则配置补偿电容C补等与轨道电路连接[7]。轨道电缆仅存在微量感性电容，并且电感值为1.3 mH/km（在某些区段为0.7 mH/km），用L轨表示。轨道电路的传输电阻总是小于等于23.5 Ω（一般为15.1 Ω），用R轨表示。

ZPW-2000A通信电路的中段是一个多级RLC串联谐振电路。为了将其简化，搭建了一个方便研究的二级RLC串联谐振电路，如图1所示。

使用传感器测量电容两端的电压和流经电容的电流，并根据电压和电流比计算电容的阻抗，电容容抗的计算公式为：

由于轨道电路的信号频率恒定，因此电容的阻抗也是恒定的。设计传感器测量该模拟电路流经补偿电容的电流和补偿电容两端的电压，根据式（1）计算补偿电容的容值。

1.2 霍尔非接触测量传感器

1.2.1 霍尔效应原理

霍尔效应是1879年美国物理学家霍尔研究金属的导电机制时发现的。设有一块长方体导体，电流I平行于导体的长，当I流经导体时，若添加一个垂直于长方体导体底面的磁场B，就会产生霍尔效应。此时导体中的电子会因为所添加的磁场而受到洛伦兹力的作用，在长方体表面的一侧汇聚。电子的汇聚会在导体内部产生一个电场，该电场方向平行于长方体的宽，并对流经的电子施加电场力，与洛伦兹力方向相反。因此，当电场施加给电子的电场力和磁场施加给电子的磁场力相等时，电子不再被磁场力影响，电场也不再变强，导体中的电子又能正常流动，在长方体导体两侧获得一个固定强度的电势差UH。

1.2.2 闭环霍尔电流传感器

闭环霍尔电流传感器又称磁平衡霍尔电流传感器或检零式霍尔电流传感器，利用霍尔器件为核心敏感元件来隔离检测电流，工作原理是霍尔磁平衡式。闭环霍尔电流传感器形成了一个负反馈系统，只要测量被测电阻RL两端的电压值，就能计算出IM的大小，再通过IM×M=IN×N就能计算出原边电流IN的大小。

1.2.3 霍尔电压传感器

霍尔电压传感器由闭环式霍尔电流传感器改造而成，在被测电路中增设了一个负载电阻Rf。为了平衡负载，采用的是分开配置的两个Rf/2负载电阻，这样霍尔电压传感器的剩余部分依然是一个闭环式霍尔电流传感器。测得原边电流IN的大小后，由U=INRf可以计算出待测电压U。因此，仅通过测量电流，再加上正常工作状态下的实验经验，就能正确判断补偿电容是否正常工作。

2 硬件检测的设计方案

2.1 霍尔电压传感器

为了证实霍尔传感器的有效性，选取一款高品质的闭环式霍尔电流传感器对ZPW-2000A通信电路进行分析。传感器型号为ETCR022KU，能够测量电路频率、量程以及分辨率等要素，并很好的覆盖模拟的简化电路。ETCR022KU工作原理如图2所示。

图2 ETCR022KU工作原理

2.2 PSOC

片上可编程系统（Programmable System-On-Chip，PSOC）的设计与传感器的设计相绑定。在该部分，PSOC负责完成模数信号转换、数据处理以及数据传输。

2.2.1 SAR ADC

SAR ADC的转换原理为逐位比较，其过程类似于用砝码在天平上称物体重量，属于二进制搜索算法[8]。SAR ADC相较于流水型ADC，功耗较低，相较于闪速ADC，精度较高，占用PCB面积小，在商业中应用广泛，在解决本地模-数转换问题时具有不容忽视的地位。

2.2.2 数据处理单元

数据处理单元应该是PSOC最重要的成分。在集成模式高度发达的今天，PSOC可以将运算芯片、各类寄存器及其他模块集成到一块板子上。而如今，最成熟的板子主要是ARM核。

2.2.3 UART串口传输数据

通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）是一种串行异步收发协议，其原理是将传输信息的每个字符一位接一位的传输，几乎存在于所有的PSOC信息传输端，是片上结构向外传输信息的必要环节。

2.2.4 PSOC的实现

以Cypress公司的CY8CKIT-042套件作为硬件基础，该套件包含了SAR ADC模块、Cortex M0计算内核及UART模块[9]。特定的套件上进行开发时，连接套件与电脑，在套件相应的网站上下载与Creator开发相对应的套件文档。工程创建完毕后进入模块设计界面，完成一系列硬件设置后，在所示的项目编程界面进行编程。完成硬件配置和项目编程后进行串行通信，将数字量传输到网络端，此时套件上集成的UART模块将提供便利[10]。

3 实 验

3.1 实验设备

相关元件及设备信息如表1所示。

表1 相关元件及设备信息表

3.2 实验过程和数据分析

实验整体电路如图3所示。

图3 实验电路整体

实验电路主要包括信号源、模拟电路、霍尔传感器、PSOC以及个人电脑5部分。信号源负责提供目标信号。将目标信号的频率固定为2 300 Hz。将片上结构与电脑连接以直接读取采集数据。调整信号源的幅频，然后在电脑上阅读PSOC采集的数据信息。结果如表2所示。

由表2可知，采用SAR ADC采集的数据误差与理论值相去无几，加权误差为0.946 25%，满足误差在5%之内的要求。

表2 PSOC实验结果

4 结 论

本文简化并模拟出实验电路，对霍尔传感器进行了分析，实现了补偿电容电路的非接触测量，为高铁补偿电容测量问题提供“硬件”思路，也为工程研究提出了可探讨的方向，希望对相关人员有所帮助。