基于STM32的軌道電路高壓脈沖測量儀的設計

張瑋

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710000)

0 引 言

鐵路的整個設備系統(tǒng)中至關重要的電路就是軌道電路，它可以檢測到有沒有車占用軌道，工作人員可以準確的控制列車行駛安全，所以說，軌道電路直接的影響著列車的行駛安全。鐵軌受到風吹日曬，容易出現(xiàn)腐蝕，生銹，灰塵沉積等現(xiàn)象，使得列車和軌道接觸不穩(wěn)定，無法檢測到列車占用車道的情況，這種接觸問題嚴重影響了運輸效率，甚至影響列車的安全[1]13。

國際上，對于軌道電路接觸不穩(wěn)定的問題進行不斷地研究，針對每個國家不同的情況，做了很多的研究并在不斷尋找更好的解決辦法。在德國，他們使用的是“計軸方式”，在接觸不穩(wěn)定的問題上成功實現(xiàn)突破，解決了接觸不良的問題；在法國，他們使用的是軌道高壓脈沖電路，解決了接觸不良的問題，并且逐步發(fā)展成了高壓不對稱脈沖軌道電路；在日本，軌道脈沖電路使用的是100 V高壓工作，解決了接觸不穩(wěn)定的問題。在我們國家，對于生銹的路段區(qū)間，最多的是運用高壓不對稱軌道脈沖電路的方法，并且效果很明顯，能夠解決接觸不穩(wěn)定的問題。大量材料表明，研究人員的探索方向大多是在怎么解決軌道接觸不穩(wěn)定的問題上，怎么穩(wěn)定高效的檢測其電路參數(shù)，進而能夠快速判斷高壓脈沖電路的好壞，在這個方面的研究工作卻是不多的。本文則針對這個問題進行了相應的研究設計。

1 設計方案

高壓脈沖測量儀能夠直接測量軌道上的電路電壓，有著很好的實用價值。所以對于高壓脈沖測量儀來說，其本身的良好穩(wěn)定性能對于軌道電路的安全有著重要的影響；如果軌道電路本身出現(xiàn)了問題，同時也會對鐵路上列車行駛造成安全隱患。

針對軌道電路安全檢測的問題，本文基于STM32設計了一款軌道電路高壓脈沖測量儀器，其主控芯片是STM32F103C8T6，控制著所有的測量芯片及外部設備。與之相連的有：液晶屏，將檢測到的信號利用波形的形式顯示在屏幕上，便于觀察；按鍵，可以通過按鍵選擇菜單，返回上一級，關機等操作；AD736有效值測量芯片，檢測到的信號通過處理電路后，進入AD736芯片，再進入控制芯片STM32，進而測出實時有效值；AD8253程控放大器，輸入阻抗高、噪聲干擾弱、增益漂移小，非常適合用于信號放大作用，可以將檢測到的信號以波形的形式清晰地顯示在液晶屏上；LM311電壓比較器，它的正極和LF398保持器相連接，負極和原始未處理信號相連接，輸出信號連接到控制芯片STM32上，如此，經(jīng)過了前后兩個信號的對比便可以找出檢測信號出現(xiàn)峰值的時間點，再參照該時間點的有效值便能夠精確地檢測出信號峰值；本課題的重點是檢測信號，信號控制，信號波形顯示。整體設計框圖如圖1所示[2-3]。

圖1 整體設計框圖

2 硬件設計

硬件電路的設計平臺是在軟件AD8.0上進行的，比傳統(tǒng)的Protel要先進得多，為避免信號線之間的相互干擾，可以通過設計芯片間導線的寬帶來消除干擾[4]。而且在信號線布局時，可以將數(shù)字和模擬電路分隔開，進行合理的布置信號線。

2.1 控制芯片的選擇

本設計采用的控制芯片是STM32F103C8，它是基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM微控制器芯片。它的工作電壓范圍是2 V～3.6 V，芯片內(nèi)部的功能非常豐富：72 MHz的CPU；20 K字節(jié)的RAM存儲器；64K字節(jié)的FLASH程序存儲器；8個中斷源、3個定時器、2個看門狗；51個I/O端口引腳，絕大多數(shù)的端口是通用的[1]22。此芯片比普通種類芯片有更快的CPU運行速度，而且能夠使用USB接口，通過U-link即可連上電腦，能夠快速地了解控制芯片的工作情況，同時進行程序的調(diào)試工作，屬于增強型芯片。

2.2 測量有效值的電路設計

在實際運用中，有效值的測量會包含很多的非正弦波。針對此種情況，傳統(tǒng)的測量工具是通過使用平均值的轉(zhuǎn)換法來解決非正弦波干擾的，但是此種方案有著很大的理論誤差。避免干擾可以利用真有效值轉(zhuǎn)換技術(shù)，對交流信號中的有效電壓值進行準確檢測，不會受到非正弦波的干擾。這種技術(shù)最大的方便之處就是可以準確測量不同波形的有效電壓值，不用考慮所測信號的失真情況。有效值的測量電路如圖2所示，電路中包括兩個主要芯片：AD736和Op07。AD736屬于精密型AD/DC轉(zhuǎn)換器，是通過激光矯正的，具有測量速度快、精確度高、頻率范圍廣、功耗低、電源范圍寬等特點，可以達到精確測量電路的要求；Op07同樣屬于精密型芯片，高精度地運算放大器，具有較低的輸入失調(diào)電壓和漂移[1]26，非常適合做前級的放大器，用于微小信號放大作用，具有失調(diào)低、開環(huán)增益高、噪聲低、輸入偏置電流低等特點，非常適合用于微小信號的放大處理電路。

圖2 有效值的電路設計

2.3 檢測峰值的電路設計

測量峰值電路的實際包括有兩種主要芯片：LF398采樣/保持器和LM311電壓比較器。LF398芯片能夠經(jīng)合理的外接電容使本身的性能到最佳狀態(tài)，驅(qū)動電壓可接±5 V～±18 V，電源電壓范圍廣，不會影響芯片運行效果。其邏輯控制可以通過和電平TLL相連。其實際應用范圍很廣，包括數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)、高速A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等；LM311芯片比較常見，同樣其驅(qū)動電壓范圍寬。另外，能夠驅(qū)動繼電器，電流可至50 mA。兩種芯片均符合設計要求，其電路設計如圖3所示。

圖3 峰值的電路設計

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件方面的設計使用的是模塊化的方式，這樣設計有利于系統(tǒng)編寫和后期調(diào)試。系統(tǒng)編程方面主要使用STM32控制器自身帶的函數(shù)庫，如表1所示，這樣就降低了程序編寫的難度，提高了編程效率，而且調(diào)試檢查起來很容易。

表1 常用的函數(shù)文件

軟件的開發(fā)平臺是LEIL4+ULink V4.081，程序開發(fā)是在uVision環(huán)境下進行的，其開發(fā)環(huán)境穩(wěn)定，適合各種用戶開發(fā)使用。在此環(huán)境下設計的總的程序流程包括：初始化系統(tǒng)、按鍵操作、信號分析、界面顯示功能，大致的流程如圖4所示[5]。

圖4 程序流程圖

4 系統(tǒng)功能測試

該測量儀包括功能：不同頻率的測量，峰值及波形的檢測，有效值的測量。功能測試效果圖如下所示。

軌道電路高壓脈沖測量儀關于頻率測量的選擇界面如圖5所示。

圖5 頻率選擇測量界面

圖6 測量值得選擇界面

圖7 檢測結(jié)果顯示界面

軌道電路高壓脈沖測量儀關于峰值和有效值測量的選擇界面如圖6所示。

軌道電路高壓脈沖測量儀的檢測結(jié)果顯示界面如圖7所示。

如圖7所示，高壓脈沖測量儀可以輸出高壓脈沖，產(chǎn)生高壓脈沖信號，提高了軌面的瞬間擊穿電壓，有利于解決鐵軌面生銹帶來的分路不良的問題。

5 結(jié)束語

本設計通過采用高壓脈沖電路來增強軌道上的不對稱脈沖電壓的方法，得到高壓來擊穿鐵路軌道上的銹層，解決長時間灰塵沉淀所造成的軌道分路不良的現(xiàn)象。此設計可以使用在鐵軌上的區(qū)間電路，也可以用在各個車站之間的連接電路；可以用在電氣化軌道上，也可以用在非電氣化軌道上。可以廣泛使用，減少開支。

[1] 李磊.軌道電路高壓脈沖測量儀表的研究[D].西安：長安大學，2013.

[2] 黃贊武，魏學業(yè)，李紹斌.軌道電路故障預測與健康管理體系結(jié)構(gòu)設計[J].計算機工程,2012,24(20):232-235.

[3] 楊新華，胡大斌.采用高壓脈沖軌道電路解決長鋼專用線鋼軌銹蝕故障的探討[J].特鋼技術(shù),2004,4(3):26-28.

[4] 劉紅梅.淺談高壓脈沖軌道電路故障處理[J].科技展望,2016,35(13):92.

[5] 張永光. 高壓脈沖軌道電路的調(diào)整與維護方法探討[J].海峽科學,2013,12(11):74-77.