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    鐵路安全繼電器檢修中模擬量采集的設(shè)計

    2016-02-15 09:57:06侯青祥
    鐵路計算機(jī)應(yīng)用 2016年1期
    關(guān)鍵詞:模擬量差分繼電器

    侯青祥

    (西安全路通號器材研究有限公司,西安 710043)

    鐵路安全繼電器檢修中模擬量采集的設(shè)計

    侯青祥

    (西安全路通號器材研究有限公司,西安 710043)

    鐵路安全繼電器是列車安全穩(wěn)定運(yùn)行中的關(guān)鍵信號產(chǎn)品,每到一定時間就需要進(jìn)行檢修更換測試,本文根據(jù)繼電器的型號、電氣特性和接點(diǎn)、線圈電阻的測量范圍,開發(fā)了鐵路安全繼電器電氣特性和接點(diǎn)線圈電阻的測試系統(tǒng),使用INA118、OPA340運(yùn)算放大器設(shè)計前端的信號處理電路,使用LTC1966處理交流信號,使用STM32單片機(jī)的自身12位AD轉(zhuǎn)換器采集模擬信號,實現(xiàn)了安全繼電器的精確穩(wěn)定測量。

    鐵路安全繼電器;交流信號測試;STM32;信號處理

    鐵路信號繼電器廣泛應(yīng)用于鐵路信號控制中,是鐵路信號系統(tǒng)中的關(guān)鍵器材。隨著我國鐵路總里程數(shù)的增加,每年會有大量的繼電器需要替換和生產(chǎn)。由于繼電器的種類繁多,電氣特性各有差別,傳統(tǒng)的檢修測試系統(tǒng)測試對象單一、功能有限。本文以鐵路《信號維護(hù)規(guī)則技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)說明》為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計了準(zhǔn)確度高、測試范圍寬的檢修模擬量采集系統(tǒng),不但降低了操作人員的勞動強(qiáng)度,消除人為誤差,提高測試精度,實現(xiàn)繼電器數(shù)據(jù)的合理管理,提高電務(wù)部門的繼電器檢修效率。

    1 方案概述

    安全型(AX)繼電器種類繁多,其中大部分是直流磁路,也有部分交流型繼電器。主要分類如下:無極繼電器、整流型繼電器、有極繼電器、偏極繼電器和單閉磁繼電器。鐵路用繼電器的電氣特性的測試順序如圖1所示。

    圖1 繼電器電氣特性測試流程圖

    繼電器的電磁特性值包括充磁值、釋放值、工作值和反向工作值。模擬采集的參數(shù)包括交直流電流和電壓,因此模擬量采集需要包括信號的放大選擇電路、交直流的切換電路、濾波電路、電壓跟隨電路,模擬量的采樣使用STM32控制器自帶的12位AD采集通道??梢愿鶕?jù)上位機(jī)指令,自動完成電氣特性的測量、數(shù)據(jù)存儲等功能。

    1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    繼電器的種類不同,工作值、釋放值和方向工作值,以及接點(diǎn)電阻、線圈電阻不同,所以必須給繼電器提供其工作所需要的電源。系統(tǒng)包括:分流電路、分壓電路、信號處理電路,模擬采集部分。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    1.2 電路工作順序

    (1)采樣信號的處理。電壓的處理,選用分壓電阻設(shè)計250 V、80 V、25 V;電流部分分流電阻設(shè)計10 A、5 A、1 A、0.5 A、0.1 A;電阻的測量采用信號的放大處理。

    (2)電流、電壓、電阻測量回路的搭建。使用各類繼電器對采集的信號進(jìn)行切換。

    (3)差分處理電路。使用INA118差分運(yùn)算放大器對電流、電壓和電阻信號進(jìn)行處理,去除差分干擾信號。

    (4)若是直流信號,則對差分后的信號進(jìn)行濾波、隨后直接進(jìn)行AD采集;若是交流信號,則通過切換電路,使用有效值芯片LTC1966對交流信號進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換,變成直流信號后再進(jìn)行相應(yīng)的處理。

    (5)AD采集使用STM32自帶的12位AD轉(zhuǎn)換接口,其采集精度可以達(dá)到1 mV,可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。根據(jù)采集結(jié)果判定信號的大小,進(jìn)而確定放大倍數(shù)并將對應(yīng)的放大電路接入到INA118的增益端,最后獲得準(zhǔn)確的信號值。

    2 硬件設(shè)計

    2.1 差分信號處理電路

    模擬信號采集前端有很多共模干擾信號,使用INA118差分運(yùn)算放大器對信號進(jìn)行處理,濾除共模干擾。INA118具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn),適合對各種微小信號進(jìn)行放大。它內(nèi)置輸入過壓保護(hù),且可通過外置不同大小的電阻實現(xiàn)不同的增益,是一款抗干擾能力強(qiáng)、使用方便的儀表放大器。

    本系統(tǒng)設(shè)計的共模信號處理電路如圖3所示:電路前端使用RC濾波器不僅可以形成對模擬采集系統(tǒng)的差分信號,而且還可以濾除一定頻率的差模干擾;對于微小的信號則使用運(yùn)放的增益功能對輸入的信號進(jìn)行放大處理。后端的RC濾波器可以消除頻率約為3 kHz的噪聲,使得信號更加平穩(wěn),有利于后期電路的采集。

    圖3 INA118差分運(yùn)放電路

    2.2 交流信號采集

    交流信號的采集是整個模擬量采集中的關(guān)鍵,傳統(tǒng)的交流信號采集軟件計算過程繁瑣且精度低。本系統(tǒng)使用的處理器件是ΔΣ RMS-to-DC轉(zhuǎn)換器,即真有效值轉(zhuǎn)DC芯片LTC1966,可以在0~1.3 V范圍內(nèi)對交流信號按照1:1比例轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的直流有效值信號,這樣就可以方便AD采集,降低電路設(shè)計和軟件設(shè)計的工作量。圖4是交流信號的處理電路。

    圖4 電路設(shè)計

    為了在測試過程中LTC1966交流轉(zhuǎn)換電路不會對別其他電路產(chǎn)生干擾,這里使用開關(guān)繼電器將這部分電路完全切開。使用時串接到差分運(yùn)放和RC濾波之間。這樣避免了部分電路對直流信號的采集帶來影響。

    2.3 電壓跟隨器

    RC濾波信號輸出后需要加一個電壓跟隨器,電壓跟隨器有著高輸入阻抗和低輸出阻抗的特性,以實現(xiàn)對后級AD采集器件的阻抗匹配,使得前端的信號平穩(wěn)地到達(dá)AD采集的輸入端。另外由于RC電路輸出的信號是正電壓信號,所以使用OPA340運(yùn)算放大器作為單電源的跟隨器,設(shè)計如圖5所示。

    圖5 電壓跟隨器

    2.4 AD信號采集

    使用STM32F103ZET6自帶的12位AD采集模塊,外部參考基準(zhǔn)電源使用2.5 V的REF3025基準(zhǔn)電源芯片。其采集精度可以達(dá)到1 mV,滿足設(shè)計要求。

    圖6所示是AD采集端的標(biāo)準(zhǔn)電源設(shè)計。將模擬量直接輸入到控制器的模擬采集端口,這里的基準(zhǔn)電源供給控制器的Vref+端口,在電路板設(shè)計時,控制器的模擬信號與數(shù)字信號的電源應(yīng)該隔離開,這樣可以減少數(shù)字信號對模擬信號的干擾。

    圖6 標(biāo)準(zhǔn)電源電路

    2.5 EEPROM存儲電路

    由于模擬采集板要采集的安全型繼電器的種類很多,并且電流、電壓以及電阻等特性的變化范圍也很大,所以在采集過程和校準(zhǔn)過程中需要對設(shè)備進(jìn)行很多的參數(shù)設(shè)置。

    這里設(shè)計了EEPROM存儲電路,用來存儲這些固定的參數(shù),圖7所示是EEPROM電路。

    圖7 EEPROM存儲電路

    3 軟件設(shè)計

    模擬板的軟件流程如圖8所示,模擬板從EEPROM中讀取電流和電阻的檔位系數(shù)以及偏置系數(shù),執(zhí)行主循環(huán)程序,并開啟串口中斷。當(dāng)上位機(jī)發(fā)來的指令經(jīng)CRC校驗正確后,解析所收到的指令,并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。

    圖8 系統(tǒng)整體流程圖

    模擬量的采集程序如下所示,其中變量channel是采集量的通道參數(shù),程序內(nèi)部包括讀取模擬量信息的轉(zhuǎn)換值和處理放大倍數(shù)的實現(xiàn)過程。

    4 結(jié)束語

    本文針對鐵路用繼電器,設(shè)計了一套量程寬、精度高的模擬量采集系統(tǒng),滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對鐵路用繼電器的線圈、電阻等的測試要求。系統(tǒng)測試精度是10 mV和1 mA,測量誤差小于2%,可以測量交直流電流和電壓,電壓范圍在0~300 V,電流范圍在0~10 A。降低了檢測成本,提高了檢修效率。本系統(tǒng)已經(jīng)在2014年年底完成組裝和調(diào)試,設(shè)備運(yùn)行良好,精度及自動化程度可以滿足檢驗檢修的測試要求,極大地降低檢修人員的工作量。該系統(tǒng)將在相關(guān)檢修單位投入使用。

    [1] 中華人民共和國鐵道部.信號維護(hù)規(guī)則技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)說明[S].北京:中國鐵道出版社,2002.

    [2] 姚麗娟.我國鐵路信號系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].鐵道通信信號,2003,39(4):27-29.

    [3] 劉曉玉.鐵路信號在鐵路運(yùn)輸中的地位與作用[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2003(4):79-80.

    [4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T7417-2010鐵路信號AX系列繼電器[S].北京:中國質(zhì)檢出版社,2010.

    [5] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T6902-2010鐵路信號繼電器試驗方法[S].北京:中國質(zhì)檢出版社,2010.

    責(zé)任編輯 陳 蓉

    圖4 算法對比

    4 結(jié)束語

    本文針對當(dāng)前客運(yùn)發(fā)展的不可直達(dá)性或直達(dá)票源緊張現(xiàn)象,研究鐵路換乘方案的路徑選擇算法,比較分析了啟發(fā)式A *算法及Dijkstra算法的效率性能,對A*算法啟發(fā)函數(shù)進(jìn)行了適用于鐵路換乘的改進(jìn),提高了算法在鐵路換乘尋址中的執(zhí)行效率,使路徑的選擇更加準(zhǔn)確快捷,初步滿足了乘客一次換乘的需求。但仍存在一定的不足,如在執(zhí)行效率的提高上,是以犧牲存儲空間為代價的。另外,換乘算法需要更人性化的換乘機(jī)制,還需進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化,滿足乘客更多的需求。

    參考文獻(xiàn):

    [1]韓慧玲,胡紅萍.Dijkstra算法在公交換乘最短路徑中的應(yīng)用[J].硅谷,2011(21).

    [2]李秦陽,李宗平.一類鐵路乘客換乘問題的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型[J].蘭州交通大學(xué)報,2012,31(3).

    [3]諶應(yīng)瓊.Dijkstra算法在公交網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)用與改進(jìn)[J].電子制作,2014(9).

    [4]王景存,張曉彤.一種基于Dijkstra算法的啟發(fā)式最優(yōu)路徑搜索算法[J].北京科技大學(xué)學(xué)報,2007(3).

    [5] 周小鏡.基于改進(jìn)A*算法的游戲地圖尋徑的研究[D].成都:西南大學(xué),2011.

    [6]曼哈頓距離[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/741153.htm.

    [7]歐式距離[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/1615257.htm#ref_[1]_1615257.

    責(zé)任編輯 楊琍明

    Design of analog collection in railway safety relays repair

    HOU Qingxiang
    ( Xi’an Railway Signal Research Co.Ltd.,Xi’an 710043,China)

    Railway safety relays are the key signal products for safe and stable operation of the train.At a certain time,they need to be repaired,replaced,and tested.According to the type of relay,electrical characteristics and contacts,measurement range of coil resistance,etc.,it was developed a test system for the railway safety relays.Precise and stable measurement of safety relays was implemented by using INA118 and OPA340 to design the front-end signal processing circuit,using LTC1966 to process the AC signal,using 12 AD converter of STM32 microcontroller to collect analog signal.

    railway safety relays;AC signal test;STM32;signal processing

    U284.7∶TP39

    A

    1005-8451(2016)01-0037-04

    2015-04-29

    侯青祥,助理工程師。

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