50 HZ 微電子相敏軌道電路接收器系統(tǒng)的設(shè)計

趙德生（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，江蘇　南京　210031）

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50 HZ 微電子相敏軌道電路接收器系統(tǒng)的設(shè)計

趙德生
（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，江蘇南京210031）

摘要：為克服目前廣泛使用的50 HZ單軌條相敏軌道電路所存在的缺點，設(shè)計了50 HZ微電子相敏軌道電路接收器系統(tǒng)，本文首先介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理；其次介紹了接收器系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計，包括調(diào)相防雷器、接收器；最后介紹了接收器軟件的設(shè)計，包括軟件的設(shè)計思路、軟件的結(jié)構(gòu)框架、軟件的主程序流程圖。

關(guān)鍵詞：相敏軌道電路；硬件電路；接收器；軟件

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.02.008

項目來源：南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年基金項目

地鐵停車場和車輛段中使用的軌道電路設(shè)備，用來檢查軌道區(qū)段空閑與否，作為聯(lián)鎖排列進(jìn)路需檢查的條件之一〔1〕，目前廣泛使用的50 HZ單軌條相敏軌道電路，其受電端采用交流二元繼電器，在應(yīng)用過程中，有繼電器卡阻、返還系數(shù)低等缺點，本文旨在采用單片機(jī)技術(shù)，來實現(xiàn)相敏軌道電路受電端的接收功能，從而克服原有50 HZ相敏軌道電路中受電端存在的缺點，來確保整個信號系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本原理

本文主要介紹圖1中黑色方框部分，即接收器系統(tǒng)的設(shè)計。

圖1　軌道電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該軌道電路采用雙接收器的冗余設(shè)計，其受電端的GJ吸起的條件：1）該區(qū)段鋼軌完整且空閑。2）加到接收器上兩路電源（GJZ110、GJF110和TFQ的輸出電壓GZ、GF）的相位差為00，同時滿足以上2個條件，接收器的輸出電壓（SCZ、SCF）才足以驅(qū)動JWXC-1700型繼電器吸起，證明該區(qū)段是空閑的。

2　接收器系統(tǒng)硬件電路的組合連接

調(diào)相防雷器、接收器、報警盒均采用鐵路信號AX型繼電器外殼和繼電器插座，各部件之間的連接如圖2所示。

圖2　接收器系統(tǒng)的組合連接圖

通常一層組合可放置4個區(qū)段的接收器設(shè)備，為了提高可靠性，每個區(qū)段采用2個接收器，每個調(diào)相防雷器盒內(nèi)部有2套調(diào)相防雷器，可供兩個區(qū)段使用，而每個報警盒可供四個區(qū)段使用。

3　調(diào)相防雷器的電路設(shè)計

調(diào)相防雷器作為接收器輸入接口，其主要作用為匹配軌道輸出阻抗，雷電防護(hù)，輸出信號與輸入信號反相。調(diào)相防雷器電路見圖3所示。

圖3　調(diào)相防雷器電路圖

圖3中的71、81為輸入端子，氣體放電管和壓敏電阻起到雷電防護(hù)的作用，電容FC 1、FC 2分別與端子72、82相連，為現(xiàn)場應(yīng)用調(diào)整電容；電容FC 3為調(diào)整電容，產(chǎn)品生產(chǎn)時，通過調(diào)整其大小與變壓器抽頭，使系統(tǒng)輸入阻抗符合指標(biāo)；電容FC 4與變壓器FT1并聯(lián)，起到匹配阻抗作用；變壓器FT 1對信號進(jìn)行放大，反相〔2〕。

4　接收器的硬件電路

接收器硬件電路主要分為電源模塊、軌道采集模塊、局部采集模塊、芯片處理模塊、輸出模塊共5個部分，見圖4所示。

圖4　接收器的硬件電路

1）接收器設(shè)計有電源電路，將DC 24 V電源轉(zhuǎn)化為DC 12 V 6 V VCC（5 V），為其他模塊提供工作電源，并帶有故障處理功能。

2）接收器設(shè)計軌道采集電路，將調(diào)相防雷器轉(zhuǎn)換過來的軌道信號，經(jīng)過軌道采集電路傳輸至芯片處理模塊。

3）接收器設(shè)計有局部采集電路，用于將局部電源信號轉(zhuǎn)化為方波信號，然后輸入到芯片處理模塊進(jìn)行處理。

4）接收器設(shè)計有芯片處理電路，根據(jù)軌道采集電路及局部采集電路所傳輸來的兩路信息，通過芯片內(nèi)部程序判斷軌道狀態(tài)（不輸出），雙機(jī)通信進(jìn)行比較后，來判斷軌道狀態(tài)（按此狀態(tài)輸出），從而輸出信號。在芯片中設(shè)計軟件，軟件實現(xiàn)A/D采樣，狀態(tài)判斷，雙機(jī)通信，控制信號輸出等功能。

5）接收器設(shè)計有輸出電路，接收器通過輸出電路輸出軌道繼電器控制信號，并將最終輸出信號反饋至芯片。

5　接收器的軟件設(shè)計

本軟件為嵌入式軟件，采用分模塊的設(shè)計思想，不使用操作系統(tǒng)，程序周期性的采集信號，處理數(shù)據(jù)，控制輸出信號。

軟件采用模塊化設(shè)計，劃分初始化模塊、采集模塊、計算模塊、判斷一模塊、通信模塊、判斷二模塊、中斷模塊共7個模塊，共同完成軟件整體功能。

5.1軟件的時序調(diào)度由于不采用操作系統(tǒng)，因此軟件調(diào)度設(shè)計為順序執(zhí)行，即在主程序里無限循環(huán)，周期性地進(jìn)行采集、計算、通信、判斷等任務(wù)，在中斷中完成輸出功能。

初始化結(jié)束后，進(jìn)入前臺調(diào)度。前臺調(diào)度是一個無限循環(huán)，內(nèi)部順序執(zhí)行各個功能，后臺調(diào)度主要處理中斷向量（見圖5所示）。中斷由延時觸發(fā)，指的是每間隔一定時間觸發(fā)中斷。中斷發(fā)生后，即執(zhí)行中斷處理程序，然后返回前臺調(diào)度程序，中斷判斷不同狀態(tài)返回前臺調(diào)度不同位置〔3〕。

圖5　軟件調(diào)度流程圖

5.2軟件行為接收器的軟件可以看作是一個處理器控制器——不停地從外部采集軌道、局部信號，將信息加工處理后進(jìn)行判斷軌道狀態(tài)，控制輸出信號，如圖6所示。

圖6　軟件行為模型

5.3軟件構(gòu)架軌道信號，局部信號為軟件輸入，判斷模塊一根據(jù)軌道電壓、相位差等數(shù)據(jù)判斷軌道狀態(tài)二，通信模塊進(jìn)行雙機(jī)的數(shù)據(jù)交換；判斷模塊二根據(jù)數(shù)據(jù)交換信息及軌道狀態(tài)二來判斷軌道狀態(tài)三，中斷模塊根據(jù)軌道狀態(tài)三控制輸出端口。軟件構(gòu)架見圖7所示。

圖7　軟件架構(gòu)

該軟件使用15個采樣周期進(jìn)行判斷，當(dāng)大于等于7個周期的占用狀態(tài)輸出占用信息，進(jìn)行軌道狀態(tài)判斷時，同時判斷相位信息（軌道信號與局部電源相位差）和軌道電壓信息。

5.4軟件模塊的劃分初始化模塊：完成初始化功能，包含MCU啟動的初始化寄存器配置，I/O口配置等，輸出控制端口、A/D采集通道和采集時間及轉(zhuǎn)換時間的配置，SPI通信口工作模式的初始化配置、采集時鐘、中斷模式的配置等等〔3〕。

采集模塊：完成軌道信號80次模數(shù)轉(zhuǎn)換，將采樣值填充到采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，同時采集局部電源信號，判斷局部信號是否有脈沖邊沿變換，并記錄到局部信號存儲緩沖區(qū)。

計算模塊：根據(jù)A/D采樣結(jié)果和局部采樣結(jié)果來計算軌道信號電壓，計算軌道信號同局部信號之間相位差。

判斷一模塊：根據(jù)計算模塊的計算結(jié)果判斷單周期軌道狀態(tài)（狀態(tài)1）及多周期統(tǒng)計軌道狀態(tài)（狀態(tài)2），填充到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

通信模塊：根據(jù)判斷一模塊的計算結(jié)果，通知對方機(jī)，本機(jī)計算完畢并進(jìn)入雙機(jī)通信就序狀態(tài)，MCUA作為主機(jī)發(fā)起雙機(jī)通信，通信信息包含起始握手、軌道狀態(tài)（狀態(tài)2）、軌道信號電壓、相位差等信息，并同步接收MCUB回傳信息。MCUB根據(jù)MCUA同步時鐘接收MCUA通信信息并同步發(fā)送本機(jī)的信息。

判斷二模塊：通信結(jié)束后，單個MCU根據(jù)對方MCU軌道狀態(tài)2，本機(jī)軌道狀態(tài)2，判斷本機(jī)最終軌道狀態(tài)（狀態(tài)3），填充控制狀態(tài)緩沖區(qū)。

中斷模塊：中斷被觸發(fā)后，根據(jù)軌道狀態(tài)3，控制輸出端口輸出，MCUA根據(jù)結(jié)果輸出高低電平，MCUA根據(jù)計算結(jié)果啟動或停止輸出控制脈沖，最終硬件輸出結(jié)果由硬件電路將MCUA和MCUB的輸出結(jié)果合成最終控制狀態(tài)。軟件的主程序流程見圖8所示。

圖8　主程序流程圖

6　結(jié)論

本文采用單片機(jī)技術(shù)所設(shè)計的50 HZ微電子相敏軌道電路，采用雙CPU實現(xiàn)二取二安全冗余，當(dāng)CPU多次通信結(jié)果一致時，動態(tài)驅(qū)動軌道繼電器，提高了可靠性和安全性，克服了原有50 HZ相敏軌道電路受電端二元二位繼電器接點容易卡阻、返還系數(shù)低、抗電氣化干擾性能差等缺點。

參考文獻(xiàn)：

〔1〕林瑜筠.城市軌道交通信號〔M〕.中國鐵道出版社，2008.

〔2〕付茂金.高速鐵路通信信號綜合防雷技術(shù).科學(xué)出版社，2014.

〔3〕江和.PIC16系列單片機(jī)C程序設(shè)計與PROTEUS仿真〔M〕.北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

中圖分類號：U284.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-8686（2016）-02-0022-03