一種基于FPGA二取二架構(gòu)的25 Hz軌道信號(hào)抗干擾采集電路設(shè)計(jì)

林偉欣， 秦潔心， 楊春， 劉曉男， 張輝

(卡斯柯信號(hào)有限公司， 上海 200071)

0 引言

軌道電路是鐵路信號(hào)自動(dòng)控制的基礎(chǔ)，可以用于檢測(cè)列車的位置，也可以通過軌道將地面信號(hào)傳遞給機(jī)車，控制列車的運(yùn)行。相敏軌道電路的信號(hào)電源為25 Hz交流電，傳統(tǒng)的接收器是交流二元二位繼電器。

智能全電子25 Hz相敏軌道接收器用于取代傳統(tǒng)的二元二位繼電器，通過對(duì)25 Hz相敏軌道電路上的信號(hào)進(jìn)行采集和處理，作為判斷軌道占用狀態(tài)的依據(jù)，并將得到的軌道占用狀態(tài)信息發(fā)送給聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯處理。

1 25 Hz相敏軌道電路工作原理

25 Hz相敏軌道電路采用25 Hz電源供電電源。電源模塊生成兩路25 Hz交流電源，1路為軌道電源，1路為局部電源，局部電源的相位超前軌道電源90°。軌道電源通過送電端送到軌道上，如果軌道上為空閑狀態(tài)(沒有車)，那么軌道電源信號(hào)將會(huì)通過軌道傳送到受電端。通過受電端，這個(gè)交流信號(hào)進(jìn)入到二元二位相敏軌道繼電器的輸入端線圈，形成一個(gè)交流磁場(chǎng)。同時(shí)局部電源信號(hào)也進(jìn)入二元二位相敏軌道繼電器的另外一個(gè)輸入端線圈，形成了另外一個(gè)交流磁場(chǎng)。兩個(gè)磁場(chǎng)中間有塊金屬翼板，在兩個(gè)磁場(chǎng)的共同作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)接點(diǎn)支架向上動(dòng)作，從而中接點(diǎn)和上接點(diǎn)接通,如圖1所示。

圖1 相敏軌道電路工作原理

如果軌道上為占用狀態(tài)(有輪對(duì)跨壓在軌道上)，則軌道處于短路狀態(tài)，軌道電源無法到達(dá)受電端，則二元二位相敏軌道繼電器中軌道電源形成的交流磁場(chǎng)消失，金屬翼板在回位彈簧的作用下回位，中接點(diǎn)和上接點(diǎn)斷開。

因此，繼電器有沒有吸起，取決于翼板是不是有足夠的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)，翼板的轉(zhuǎn)矩為

M=KΦJΦGsinθ

其中，ΦJ為局部電源產(chǎn)生的磁通有效值，正比于局部電源電流有效值，ΦG為軌道電源產(chǎn)生的磁通有效值，正比于軌道電源電流有效值，θ為局部電源超前軌道電源的相位。從公式可以看出，當(dāng)θ為90°的時(shí)候，力矩最大。因此，這個(gè)繼電器具有相位選擇性。但不是說相位差必須是90°，只要在一定的相位差范圍內(nèi)，就有足夠的轉(zhuǎn)矩讓繼電器吸起。

軌道電路中，主要存在的干擾來自于電氣化鐵路牽引系統(tǒng)中不平衡電流的干擾。

當(dāng)軌道電源中存在工頻50 Hz干擾時(shí)，則50 Hz信號(hào)對(duì)翼板的轉(zhuǎn)矩為

M=M2-M1=CΦJΦG[cos(-ωt-90°+θ)-cos(3ωt-90°-θ)]-CΦJΦG[cos(ωt-90°-θ)-cos(3ωt-90°-θ)]

這個(gè)轉(zhuǎn)矩在一個(gè)25 Hz周期內(nèi)，式中各項(xiàng)求平均值都為0，則翼板的轉(zhuǎn)矩M為0。因此可以看出，這個(gè)繼電器具有頻率選擇性。它對(duì)50 Hz的干擾，具有極強(qiáng)的抗干擾能力。

因此開發(fā)智能全電子25 Hz相敏軌道繼電器，必須具備以下的特性：

具有通過局部電源進(jìn)行鑒頻鑒相的功能

具有抵抗50 Hz牽引電流干擾的能力

2 FFT變換的基本原理及采樣定理

離散傅里葉變換是X(n)的頻譜X(ejw)在[0,2π]上的N點(diǎn)等間隔采樣，也就是對(duì)序列頻譜的離散化。

根據(jù)采樣定理，若連續(xù)信號(hào)x(t)是有限帶寬的，其頻譜的最高頻率為fc，對(duì)x(t)抽樣時(shí)，若保證抽樣頻率

fs≥2fc

則可以通過離散采樣值x(nTs)無損地恢復(fù)出原始信號(hào)x(t)。

但是離散傅里葉變換計(jì)算量巨大，工程應(yīng)用上要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理有難度，因此采用快速傅里葉變換(fast Fourier transform，簡(jiǎn)稱FFT)。FFT是一種利用計(jì)算機(jī)計(jì)算離散傅里葉變換(DFT)的高?？焖俚挠?jì)算方法。FFT利用離散傅里葉變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅里葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)，采用FFT可以有效減少計(jì)算離散傅里葉變換所需要的乘法次數(shù)，隨著被變換的抽樣點(diǎn)數(shù)N的增多，F(xiàn)FT算法能減少的計(jì)算量就越顯著[3,4]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA二取二架構(gòu)的25 Hz軌道信號(hào)抗干擾采集電路,如圖2所示。

系統(tǒng)由采集模塊(A和B)，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(A和B)，采樣模塊(由FPGA_A和FPGA_B組成)，運(yùn)算處理和判斷模塊(由CPU_A和CPU_B組成)。

圖2 基于FPGA二取二架構(gòu)的25 Hz軌道信號(hào)采集電路

軌道電路采集模塊對(duì)軌道信號(hào)進(jìn)行采集后，初步濾波，消除高頻干擾信號(hào)。然后通過ADC，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。通過FPGA_A和FPGA_B對(duì)軌道信號(hào)進(jìn)行采樣，并將結(jié)果分別發(fā)送給CPU_A和CPU_B。CPU_A/B中采用FFT算法對(duì)采集得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并參考局部信號(hào)作為相位基準(zhǔn)，得到軌道信號(hào)的電壓、頻率和相位。并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較后，得到軌道占用或空閑狀態(tài)的結(jié)果。CPU_A和CPU_B將各自判斷的結(jié)果進(jìn)行交互，若CPU_A和CPU_B判斷得到的軌道占用狀態(tài)不一致，則系統(tǒng)導(dǎo)向安全側(cè)。若CPU_A和CPU_B判斷得到的軌道占用狀態(tài)一直，則將該結(jié)果送給外部聯(lián)鎖設(shè)備。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

不平衡牽引電流干擾的幅度不大于100A，頻率為50 Hz±0.5 Hz(考慮一定的冗余量，仿真時(shí)頻率偏差設(shè)定為1 Hz，即49 Hz-51 Hz)。25 Hz的軌道信號(hào)，在有車占用區(qū)段的情況下，其有效值最大為7.4 V的正弦信號(hào)，頻率為25±0.5 Hz(由50 Hz工頻電源變頻來的，同樣考慮冗余量)。上述兩種信號(hào)疊加后得到的信號(hào)，即為25 Hz軌道信號(hào)采集電路的輸入信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過FFT變換后得到的信號(hào)，在25 Hz頻點(diǎn)上的有效幅值是作為判斷軌道占用情況的依據(jù)。若其大于判斷為無車的閾值，則可能將軌道占用誤判為軌道空閑，這是危險(xiǎn)的。

仿真時(shí)，設(shè)定FFT采樣頻率位6 400 Hz，采樣點(diǎn)為256。對(duì)軌道信號(hào)，不平衡電流信號(hào)按照0.1 Hz的步進(jìn)進(jìn)行掃頻，經(jīng)過比較得到當(dāng)25 Hz信號(hào)的中心頻率為24.5 Hz，有效幅度7.4 V，50 Hz牽引電流干擾的中心頻率49 Hz，有效幅度78 V(100 A對(duì)應(yīng)輸入阻抗得到的幅值)時(shí)，得到的25 Hz頻點(diǎn)的幅值最大。其結(jié)果隨初始相位的變化規(guī)律如圖3所示：

圖3 初始相位對(duì)25 Hz正弦波疊加50 Hz工頻信號(hào)在

由圖可知，24.5 Hz信號(hào)，疊加49 Hz牽引電流干擾，經(jīng)過FFT計(jì)算后，在25 Hz處的幅值，隨著初始相位的不同，呈現(xiàn)周期性的變化規(guī)律。最大值出現(xiàn)在24.5 Hz初始相位為，49 Hz初始相位為時(shí)，幅值為：16.423 9 V。

5 總結(jié)

通過上述分析可知，50 Hz牽引電流干擾疊加上25 Hz信號(hào)得到的新的信號(hào)，經(jīng)過FFT后。25 Hz頻點(diǎn)上的最大幅值為16.423 9 V。因此，CPU在選取閾值的時(shí)候，判斷為空閑的閾值只要大于這一數(shù)值，就不會(huì)有危險(xiǎn)發(fā)生。