轨道电路故障多功能数字诊断仪

陕西长岭特种设备股份有限公司 丁倩 贾鹏 郗飞 乔晓涛

本文介绍了轨道电路故障多功能数字诊断仪的设计方案，分别对系统的设计原理和系统的组成进行了详细描述，文中对主要的硬件原理和软件功能进行了具体的描述，通过主要技术的介绍，为轨道电路故障数字诊断技术提供了方法和思路。

目前，国内的电务系统查找轨道电路故障的主要手段是通过万用表在钢轨上测量轨道电路电压和电流参数，该方法需要断开轨道电路的扼流变压器或者断路轨道电路。随着机车速度的提高和载重的增加，这种查找故障的方法已经不合时宜。并且这种查找轨道电路故障的方法工作量较大，给电务部门查找分析故障造成不便[1]。

1 总体方案

轨道电路故障多功能数字诊断仪主要利用电流传感器、嵌入式芯片以及数字信号处理技术等实现对轨道电路的参数完成采集，并通过算法对参数进行分析，进而得到轨道电路的工作状态信息。

多功能数字诊断仪通过嵌入式处理器控制和数字信号处理相结合的方式测量轨道电路电压、电流、频率及波形，同时还具有25Hz和50Hz正弦信号真有效值的测量功能。测试仪嵌入式处理器以10K/s采样速率采样，数据保存在环形缓冲区内，处理器在缓冲区数据中找到最大值位置，在该组数据±2000个采样点外各找两个最大值，并根据三个最大值的位置差可测量出轨道电路频率；上述三个最大值的平均值即为脉冲头部幅值；在该组数据三个最大值的位置后500个采样点内找到三个最小值，求平均后得到脉冲尾部值；在LCD液晶画出坐标，取最大值的前50个采样点和后200个采样点显示在坐标上。轨道电路故障多功能数字诊断仪的整体方案如图1所示：

系统结构框图如图2所示：

图2中展示了多功能数字诊断仪硬件和软件的主要组成部分及实现的功能。硬件系统中使用单片机控制，通过软件使用线性修正技术从而达到较宽的频率测量范围。这个范围可以覆盖信号设备使用的全部频率，并且测量误差完全可用软件技术予以修正，因此诊断仪的测量精度基本不受硬件条件的限制。

处理器的滤波器采用程控滤波器，目前，这种滤波器在国内处于领先水平。程控滤波器可以通过程序制定任意滤波带宽，也可根据测试项目和档位不同由单片机进行控制，高速改变滤波带宽形成带阻或带通式滤波器。较传统的LC、RC滤波器，程控滤波性能稳定、整机结构小，一个滤波器即可完成多个传统LC、RC滤波器的功能。

充电电路应能满足对电源要求低，适应无电源场所。设计中选用了较先进的超宽适配器，可满足90～230V的交、直流电源均可对其充电，且对于直流电源无正负要求，在无电源场所可使用手摇发电机维持工作。

通过CPU控制，开机时可实现自动清零复位、温度补偿修正和整机状态校验功能。因此，开机后只需要等待1～2s时间系统即可自动进入测试界面。

而在氧化石墨烯样品的制备当中，则可以通过进行PH值的区分且使用超声分散法进行石墨烯样品的制备。以此为基础的氧化石墨烯湿敏原件制备的过程当中，需要选择氧化铝作为基片进行制备，在氧化铝基片两端进行温银浆的涂抹，将其置于150摄氏度的环境下进行干燥，在600摄氏度的环境下进行热处理，以此方式重复进行两次，最后将石墨烯分散液滴至去基片当中，滴至的过程中保证其电极接通，同样重复上述步骤五次，其得到的氧化石墨烯湿敏原件数量为五份[3]。

2 系统设计

诊断仪系统硬件组成包括了嵌入式外围电路、信号采样处理电路、电源电路、显示和按键电路、存储电路、EMI防护电路以及嵌入式芯片与外设的接口电路，基于以上硬件系统的设计，完成了相应的软件程序设计。

2.1 硬件电路设计

轨道电路故障多功能数字诊断仪硬件电路原理框图如图3所示：

硬件电路设计中，为了增强电路的过载能力，在诊断仪的输入端口设计了完善的保护电路，可防止在规定的极限值内因误操作损坏仪器内元器件。电路中过压保护采用双向限幅电路，当电压超限时启动保护功能；过流保护采用高速电子开关电路，实现电流超极限时在安全时间内切断输入电路。

双积分式高速A/D作为A/D转换器，这种转换器是对输入电压平均值进行转换，具有很强的抗工频干扰能力。A/D转换的过程可分为4个阶段：零积分输出为第1阶段；自动调零为第2阶段；正向积分为第3阶段；反向积分为第4阶段。通过几重积分在保证转换精度的前提下大大提高了A/D转换器的转换速度。

采用高速单片机程序实现量程自动转换功能，优点在于可以提高仪器测量的准确度和分辨率，使仪表处于最佳量程，有效地避免过载，简化仪器操作。其电路原理是：（1）单片机通过对超量程信号的计算比较，指示移位寄存器移位至适当量程位置，即利用超量程信号来控制一个双向移位寄存器升量程或降量程；（2）将移位寄存器的输出信号经过异或门译码，扩展成量程控制信号；（3）由达林顿驱动器驱动微型继电器，变换量程挡位并切换小数点位置，实现仪器测量量程自动转换的要求。

2.1.1 处理器选用

微处理器是整个设计的核心部分，其性能直接决定了系统对信号的处理速度以及开发成本和难度。因此嵌入式处理器的选择对于多功能数字诊断仪的开发非常重要，如果选择恰当的嵌入式处理器将会使应用系统更加实用可靠。在选择处理器时，需要考虑一下四方面需求：（1）需要考虑芯片的功能和设计的需求，单片机的片上功能需要略高于系统实际的需求，系统功能的实现尽可能用软件来代替硬件完成；（2）应考虑到单片机的技术指标和产品将来的工作环境，处理器必须能在一定的技术指标下可靠的工作并适应产品所处的工作环境；（3）考虑处理器芯片生产厂商和供货厂商的实力，避免进货和售后渠道出现问题；（4）还要考虑芯片的可开发性，例如开发工具和调试手段等方面。本系统所采用的CPU芯片需要具备较快的运算速度能力，以满足对采样信号计算的要求。需要具备多个可配置I/O口以及片内12位ADC功能，同时需要具备较大的存储空间和具有直接存储器访问功能。根据产品技术要求以及以往使用经验，选择ST公司生产的基于Cortex-M3内核STM32F103RBT6型ARM处理器完全满足性能要求，并且满足产品可靠性要求。

2.1.2 功能模块设计

（1）信号采集模块设计。利用单片机的IO口直接进行信号采样，通过数字信号处理的方法，对采样的信号进行滤波和频谱分析，从而得到需要采集的信号。这种数字信号处理方法主要靠软件实现，因此，信号采集功能使用的硬件成本较低且不受硬件参数的影响。目前，关于数字信号处理方面的算法已经非常成熟，在软件设计中采用合理的算法，则可以得到符合技术条件的信号采集结果。

由于使用单片机的IO口采样信号，而被采样的信号范围不一定在单片机工作电压范围内，因此需要将被采样的信号范围限制在单片机的工作电压范围之内，为了满足单片机采样电压的范围必须将轨道电压先经过硬件电路处理后才能送给单片机。

（2）AD转换模块设计。出于降低硬件成本的目的，AD转换部分可采用ARM处理器自带的AD转换器。STM32F103RBT6型ARM处理器自带的AD转换器是一种逐次逼近的转换器，其具有12位分辨率、单次和连续转换模式、转换速度快、能够自动校准、输入信号范围宽和可以产生DMA请求以上特点。

AD采样可以利用STM32自带的AD转换器，该转换器具有扫描转换和DMA触发的功能，可实现采样通道自动依次采样并存储。STM32具有多组AD转换器，这里我们使用了第一组AD转换器，即ADC1对信号进行采样。

STM32单片机的模数转换器ADC具有产生DMA请求的功能。DMA的全称是直接存储器访问。数据传输方式是通过DMA控制器将数据从一个地址空间直接复制到另一个地址空间。整个过程无需CPU介入，也没有保留和恢复现场的操作，从而提高CPU的工作效率。

本系统中使用的AD转换器ADC1是APB2的外设器件。若把ADC1中的数据存储器ADC1->DR作为DMA存储数据源，在STM32内存中划出一块固定区域作为DMA存储的目标地址，DMA存储器将会自动将ADC1->DR中的AD转换结果复制到指定的内存区域中。

2.2 软件设计

数据采样处理程序主要用来采集流过钢轨的轨道电路信号，使用FFT算法计算信号的幅频特性。计算流程图如图4所示。

由于FFT的对称性，一组序列中顺序与倒序后处于对称位置的码位之和相同均为N，且偶数部分在上，奇数部分在下。若已知某个倒序码为J，求下一个倒序码时可先判断J的最高位：若最高位为0，则把该位变成1就得到下一个倒序码；若为1，则需判断次高位：若次高位为0，则把最高位变0后，再把次高位变1；若次高位为1，将次高位变0后再判断下一位，以此类推。最后将倒序后的存储单元交换。码位倒序程序设计流程图如图5所示。

在码位倒序中为了避免重复交换，只有当顺序码的码位小于其倒序码的码位时才将两个码位交换位置。

3 结论

轨道电路故障多功能数字诊断仪作为一种全集成、高可靠性的轨道电路故障监测装备，可通过检测轨面电流大小来判断此处是否短路或断开，同时兼顾非电气化区段，并可用于电气化区段25Hz相敏轨道电路、50Hz轨道电路、轨道电路、各型移频轨道电路的电流测试。经过长时间的现场使用，该设备的实用性和可靠性已经得到了验证，研制工作取得成功。