一種新型25 Hz相敏軌道電路微電子接收器

吳宏松 張 燕

（成都鐵路通信設(shè)備有限責(zé)任公司，成都 610045）

1 概述

我國(guó)鐵路的站內(nèi)軌道電路,目前均使用97型25 H z相敏軌道電路。軌道電路的抗干擾和可靠性大幅度提高。隨著電子技術(shù)尤其是微處理器技術(shù)的發(fā)展，相敏軌道電路接收器也在逐步向電子化、微處理器方向發(fā)展。微電子化接收器由于采用無(wú)機(jī)械接點(diǎn)等優(yōu)勢(shì)，在無(wú)卡阻、返還系數(shù)、信號(hào)過(guò)濾、故障報(bào)警等技術(shù)方面具有很高優(yōu)勢(shì)。但由于引入了微電子電路，其可靠性和安全性設(shè)計(jì)成為接收器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文主要從JXD25型接收器的設(shè)計(jì)原則、目標(biāo)、功能組成以及安全性、可靠性的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行介紹。

2 微電子接收器開(kāi)發(fā)原則及目標(biāo)

微電子接收器的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是本著滿足97型相敏軌道電路的總體要求，在電路設(shè)計(jì)上保證安全性和可靠性需求，安裝方式采用鐵路通用的插接模式，以提高工程施工的兼容性。

1）接收器采用具有故障－安全特性的二取二雙CPU結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)輸出電路，滿足系統(tǒng)高安全性要求。

2）信號(hào)處理采用微處理器和數(shù)字處理技術(shù)，對(duì)局部電壓和軌道電壓的25 H z信號(hào)的相位和幅度進(jìn)行采集、比較和分析，對(duì)雜波信號(hào)進(jìn)行濾波處理和邏輯判別。使系統(tǒng)在可靠性方面的性能提高，并根據(jù)運(yùn)用狀況，設(shè)置多檔工作值，以適應(yīng)不同的接收電壓。

3）接收器具有多個(gè)輸入接口，可組成為一送一受、一送二受、一送三受等工作狀況，減少站內(nèi)軌道接收器的使用數(shù)量，提高系統(tǒng)的可靠性。

4）接收器可設(shè)置RS-485或CAN通信接口，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測(cè)接收器的各種技術(shù)參數(shù)和報(bào)警信號(hào)等信息。

3 設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

電子接收器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用通用性較強(qiáng)的A X安全繼電器結(jié)構(gòu)型式，采用帶金屬屏蔽防護(hù)的外殼，以達(dá)到減少電磁干擾的目的。接收器采用二取二雙CPU微處理器設(shè)計(jì)，輸入信號(hào)采用隔離、濾波后直接輸入處理器，由處理器進(jìn)行波形分析得到相角和幅值。微處理器輸出采用交流動(dòng)態(tài)輸出，狀態(tài)回采模式，提高系統(tǒng)的安全性。

3.2 主要功能電路

電子接收器按功能劃分為以下幾個(gè)模塊。

1）局部電壓濾波和隔離電路

局部電壓來(lái)自電源屏采用配線模式引入到本設(shè)備，由于配線較長(zhǎng)，會(huì)引入較多的干擾信號(hào)和雜波脈沖。如不能很好地消除這些干擾，其進(jìn)入處理電路后會(huì)造成誤判、錯(cuò)判，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)固幚砥鬟M(jìn)入死機(jī)狀態(tài)，使設(shè)備可靠性下降，因此必須對(duì)此部分干擾進(jìn)行抑制并盡量降低其幅度，此部分干擾一般是隨電源屏進(jìn)入的脈沖干擾和電源變換過(guò)程中產(chǎn)生的高頻干擾。此部分電路由無(wú)源器件和變壓器組成，對(duì)局部電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理，經(jīng)處理后的信號(hào)可降低脈沖雜波信號(hào)干擾和高頻信號(hào)干擾，起到對(duì)信號(hào)回路和處理回路的物理隔離，使微處理器有一個(gè)較好的工作環(huán)境，同時(shí)也降低各種干擾信號(hào)引起的誤動(dòng)作，提高設(shè)備的可靠性。

2）軌道電壓輸入防護(hù)電路

由于此部分信號(hào)來(lái)自于室外軌道上，具有外界電氣干擾大，特性阻抗變化劇烈等特點(diǎn)，尤其是電氣化鐵路區(qū)段50 H z干擾非常明顯，必須對(duì)此部分信號(hào)進(jìn)行抑制，以避免形成對(duì)25 H z信號(hào)和相位的干擾。同時(shí)由于此部分輸入和室外線纜、軌道連接，還需要考慮可能的高電壓信號(hào)硬損傷。如不能很好的消除這些干擾，其進(jìn)入處理電路后會(huì)造成誤判、錯(cuò)判，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)固幚砥鬟M(jìn)入死機(jī)狀態(tài)，嚴(yán)重影響設(shè)備可靠性和可用性，甚至影響到安全性，必須考慮此部分的防護(hù)。本部分電路由線路匹配、諧振選頻、過(guò)壓保護(hù)、有源濾波等電路組成，完成對(duì)輸入的軌道電壓進(jìn)行阻抗變換和信號(hào)濾波功能，使輸出信號(hào)純凈無(wú)雜波。輸入來(lái)自室外的軌道電壓，通過(guò)阻抗匹配變壓器輸入經(jīng)諧振電路選頻，和過(guò)壓保護(hù)電路保護(hù)后進(jìn)入有源濾波電路，濾除高頻干擾信號(hào)后送入CPU電路進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)此部分電路處理后，可將各種雜波信號(hào)濾除，使送入后級(jí)電路的信號(hào)具有較好的波形，為后級(jí)電路準(zhǔn)確分析信號(hào)創(chuàng)造良好條件。

3）微處理器電路和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路

微處理器電路和輸出電路是本接收器的關(guān)鍵電路，也是決定安全性和可靠性的關(guān)鍵。本接收器采用二取二雙CPU微處理器分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、軌道電壓的幅值與相位處理，動(dòng)態(tài)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，兩CPU的同步比較和結(jié)果比較以及故障-安全控制等電路功能，其流程是采集電路接收到信號(hào)后分別在兩個(gè)處理器中與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值比較。當(dāng)兩個(gè)運(yùn)算器經(jīng)運(yùn)算后滿足條件時(shí)，分別輸出各自的交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)光電耦合器進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電路。經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)變換后產(chǎn)生24 V驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)后級(jí)繼電器工作。如任一微處理器沒(méi)有輸出動(dòng)態(tài)方波信號(hào)而是輸出高或低電平，或任意一路由于元件失效等因素未能使兩路動(dòng)態(tài)方波同時(shí)到達(dá)動(dòng)態(tài)變換電路，或回采的輸出信息和驅(qū)動(dòng)狀態(tài)不一致時(shí)，處理器將導(dǎo)致設(shè)備倒向安全狀態(tài)。另外，在電路中還設(shè)計(jì)有可避免外電路對(duì)電源的干擾，避免內(nèi)部電路產(chǎn)生干擾信號(hào)以及電源防護(hù)措施等，使系統(tǒng)工作可靠和穩(wěn)定。

3.3 安全性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對(duì)安全性設(shè)計(jì)綜合來(lái)說(shuō)采取了以下措施。1）輸入電路安全性設(shè)計(jì)

所有輸入信號(hào)均采用隔離輸入，避免各支路間互相干擾，避免故障時(shí)對(duì)外電路產(chǎn)生不良影響，以提高設(shè)備的安全性，并且采用雙回路輸入電路。

2）處理器及輸出電路的安全性設(shè)計(jì)

采用二取二雙CPU結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)輸出電路。當(dāng)兩處理器對(duì)所處理的數(shù)據(jù)滿足條件時(shí)，才開(kāi)始輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)；兩處理器的輸出信號(hào)在輸出電路中進(jìn)行硬件的“與”，并采用狀態(tài)回采方式檢測(cè)此兩輸出信號(hào)的有效性，以避免由于處理器故障而導(dǎo)致后級(jí)電路處于“吸起”狀態(tài)。每個(gè)處理器都有看門(mén)狗定時(shí)器，當(dāng)出現(xiàn)程序意外死鎖時(shí)，可自動(dòng)復(fù)位；每個(gè)處理器都有電源電壓檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)電源故障時(shí)，可自動(dòng)復(fù)位。

3）軟件的安全性設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)在遵循故障-安全的原則基礎(chǔ)上，采用模塊化設(shè)計(jì)，并能自我診斷以保證軟件運(yùn)行的安全性和完整性；配合看門(mén)狗保證軟件的暢通性。為防止輸入、輸出信號(hào)中的干擾因素，在軟件中采用延遲和緩動(dòng)設(shè)計(jì)，以保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。

3.4 可靠性設(shè)計(jì)

1）采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，簡(jiǎn)化外圍電路，降低系統(tǒng)故障率，提高了可靠性。

2）所有的輸入信號(hào)通道、局部電源設(shè)計(jì)有電壓保護(hù)以及濾波電路、有源低通濾波、隔離電路，有效濾除各種干擾信號(hào)以及軌道電壓信號(hào)上疊加的其他尖峰干擾電壓信號(hào)，在保證不損壞內(nèi)部電路前提下，還可以提高接受信號(hào)的純潔度，減少后級(jí)誤動(dòng)作和受干擾停機(jī)，提高了設(shè)備的可靠性。

3）設(shè)備采用帶金屬屏蔽防護(hù)的外殼，以減少電磁干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

該接收器較好解決了原二元二位繼電器接點(diǎn)卡阻、抗電氣化干擾能力不強(qiáng)、返還系數(shù)低等問(wèn)題，保證與原二元二位繼電器的接收阻抗、接收靈敏度相同，對(duì)配合既有線路和其他軌道電路配套器材提供了良好外部條件。同時(shí)由于采用各種安全措施，提高了接收器的安全性和可靠性。對(duì)一送多受功能的優(yōu)化和配合，給工程設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的便利，減少布線和器材的使用，接收器從配線到器件的配置，與先期的微電子接收器相比較都節(jié)省許多，對(duì)目前接收器存在的問(wèn)題還需根據(jù)工程實(shí)踐繼續(xù)完善和解決。

[1]安海軍，李建清，吳保英．25 Hz相敏軌道電路[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2008．

[2]王雨新．WXJ25型微電子相敏軌道電路接收器[J]．鐵道通信信號(hào)，1999（35）：3.