BTM功放輸出實(shí)時檢測模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

周永健，吳慶鵬，王東，王瑞，劉佳，梁迪

應(yīng)答器傳輸單元（BTM）設(shè)備是CTCS-2/3級列控車載ATP設(shè)備的重要組成單元，由主機(jī)、天線單元和電纜組成。其基本工作原理是BTM主機(jī)中的功放單元將能量通過電纜發(fā)送至天線單元并輻射至地面，用于激活應(yīng)答器進(jìn)入工作狀態(tài)，應(yīng)答器產(chǎn)生的上行鏈路信號由天線單元接收并通過電纜傳送至BTM主機(jī)。BTM設(shè)備故障時會導(dǎo)致 ATP 因無法接收地面應(yīng)答器報文信息而觸發(fā)制動或停車［1］。BTM設(shè)備天線端、電纜端、主機(jī)端常見的功能失效問題可通過自身故障檢測得以發(fā)現(xiàn)，但對于因設(shè)備老化、接觸不良等導(dǎo)致主機(jī)功放輸出性能下降、電纜及天線阻抗不匹配等情況，目前還沒有有效的檢測手段。

庫內(nèi)開機(jī)自檢及性能測試只能保證BTM設(shè)備發(fā)車時狀態(tài)良好，而在BTM設(shè)備動態(tài)工作過程中，因主機(jī)功放輸出性能下降、電纜及天線阻抗不匹配等導(dǎo)致的故障現(xiàn)象較為隱蔽［2-4］，給設(shè)備動態(tài)維護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)。為此，本文在BTM功放單元上增設(shè)檢測模塊，對下行能量輻射通道阻抗匹配狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時檢測，為電務(wù)人員排查故障提供快速有效的判斷依據(jù)。

1 信號分離與提取

依據(jù)傳輸線理論［5-6］，高頻輸出信號回路（見圖1）信號源內(nèi)阻Z0、傳輸線（電纜）等效阻抗Z1、天線負(fù)載阻抗Z2需要進(jìn)行阻抗匹配。阻抗匹配情況下，信號源至負(fù)載功率最大且沒有反射；阻抗不匹配時（以下稱“阻抗失配”），信號的傳輸為非理想行波狀態(tài)（駐波或反射），傳輸線上的信號是入射波與反射波的疊加。

圖1 高頻輸出信號回路

圖1中信號源產(chǎn)生高頻信號用于驅(qū)動被測件（如電纜及天線），通過信號提取裝置（如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀常用定向耦合器）分別經(jīng)I通道和R通道提取入射信號耦合電壓Ui和反射信號反射電壓Ur，并送入接收機(jī)，利用單端口矢量網(wǎng)絡(luò)法［7-8］計算被測件反射系數(shù)、阻抗等參數(shù)。

終端反射系數(shù)ΓL可以反映反射信號的大小，定義為

被測件阻抗ZL與反射系數(shù)關(guān)系為

式中：ZT為傳輸線的特征阻抗，一般取50 Ω或120 Ω。當(dāng)終端開路時，ZL=∞，當(dāng)終端短路時，ZL=0。從式（2）可以看出反射系數(shù)與阻抗映射是一一對應(yīng)關(guān)系。

本文設(shè)計檢測模塊，通過定向耦合器實(shí)現(xiàn)耦合電壓、反射電壓的提取，經(jīng)數(shù)據(jù)處理可得負(fù)載阻抗（反射系數(shù)）等參數(shù)，為阻抗匹配不同特征狀態(tài)（正常、短路、斷路、功放輸出異常）判定奠定基礎(chǔ)。

2 檢測模塊設(shè)計

檢測模塊是在既有BTM設(shè)備功放單元上增加定向耦合器、處理器MCU、通信接口等電路，見圖2中紅色部分，主要完成信號提取和檢測功能，對原電路功能幾乎沒有影響（定向耦合器僅對27 MHz信號源輸出有較少衰減）。

圖2 檢測模塊結(jié)構(gòu)

檢測模塊主要工作流程如下。

Step 1功放單元產(chǎn)生27 MHz射頻信號，通過定向耦合器輸出至電纜及天線負(fù)載。

Step 2定向耦合器通過耦合端、隔離端提取耦合電壓和反射電壓。

Step 3MCU通過AD轉(zhuǎn)換獲取耦合電壓、反射電壓值，判定參數(shù)所在的特征狀態(tài)邊界，通過CAN通信將狀態(tài)標(biāo)志上報給BTM主機(jī)。

2.1 硬件設(shè)計

1）頻率源。復(fù)用功放單元產(chǎn)生的27.095 MHz±5 kHz射頻能量信號。

2）處理器MCU。由于反射電壓、耦合電壓、反射系數(shù)等參數(shù)均為矢量，且大量矢量運(yùn)算需要采用支持快速傅里葉變換（FFT）的處理器，因此，MCU選用有較強(qiáng)的數(shù)字信號處理能力且集成度較高的TMS32C28X系列，片內(nèi)包含ADC芯片且支持外圍通信芯片的靈活配置，可以有效降低電路布線復(fù)雜度。MCU主頻達(dá)150 MHz，指令周期為6.67 ns，支持頻率達(dá)12.5 MHz的12位采樣芯片，支持ADC芯片的32位浮點(diǎn)運(yùn)算，程序和數(shù)據(jù)存儲器容量為4Mx16位，同時支持串行通信（SCI）接口和同步串行通信（SPI）接口。

3）CAN通信。采用MCP2515，該芯片完全支持CAN V2.0B技術(shù)規(guī)范，能發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀及遠(yuǎn)程幀，自帶的2個驗(yàn)收屏蔽寄存器和6個驗(yàn)收濾波寄存器可以過濾掉不想要的報文，因此可減少M(fèi)CU的開銷。MCP2515通過SPI接口與MCU連接。

4）定向耦合器。選用符合變壓器模型的四端口定向耦合器，見圖3，用于提取信號源耦合來的入射信號和負(fù)載端耦合來的反射信號。

圖3 定向耦合器示意

圖3中，四端口定向耦合器分為主線端（端口1、2）和從線端（端口3、4）。主線端信號從端口1輸入后大部分能量從端口2處輸出，主從線存在一定的耦合性，從線端信號端口3可以從端口1耦合出一定比例的能量，端口4為端口1的隔離端，不能耦合出端口1的能量，但可以耦合出端口2的部分反射能量。定向耦合器具有一定的方向性，若端口2作為輸入端，則端口4可以耦合端口2部分能量，但端口3無法耦合端口2的能量［9］。

定向耦合器電路設(shè)計關(guān)注的性能指標(biāo)主要有插入損耗、耦合度、隔離度等。插入損耗反映輸入信號的衰減程度；耦合度反映耦合端耦合輸入信號的程度；隔離度表示輸入信號與隔離端信號的相互影響程度。如果設(shè)定向耦合器輸入功率、負(fù)載端獲得功率、耦合端功率、隔離端功率分別為P1、P2、P3、P4，則插入損耗IL、耦合度C、隔離度I等參數(shù)分別定義為IL耦合度和隔離度需根據(jù)后級信號采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路信號輸入范圍決定信號衰減程度，檢測模塊定向耦合器設(shè)計參數(shù)要求見表1。

表1 定向耦合器設(shè)計參數(shù)要求（負(fù)載匹配時）

2.2 參數(shù)分布分析

由于現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)用環(huán)境復(fù)雜，影響判定參數(shù)測量結(jié)果的變量較多，因此，不僅要設(shè)計符合參數(shù)要求的定向耦合器，還要研究不同條件下耦合器采集參數(shù)的差異。通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測試，可獲得不同特征狀態(tài)下的耦合電壓、反射電壓等參數(shù)，經(jīng)計算可得到反射系數(shù)等參數(shù)。

2.2.1 定向耦合器測試

選取5個定向耦合器樣本，在負(fù)載匹配情況下，采用網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測量插入損耗、耦合度和隔離度，測試結(jié)果見表2。

表2 定向耦合器設(shè)計參數(shù)測試結(jié)果dB

由表2可知，在負(fù)載匹配情況下，樣本定向耦合器插入損耗、耦合度、隔離度基本達(dá)到設(shè)計要求。

2.2.2 參數(shù)分布影響因素

采用阻抗作為特征狀態(tài)判定參數(shù)，既可以與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果進(jìn)行對比，還具有實(shí)際物理意義。實(shí)驗(yàn)室通過改變可能影響阻抗變化的條件，如耦合器差異、電纜長度、環(huán)境溫度、不同廠家應(yīng)答器、應(yīng)答器距離天線高度、添加金屬改變阻抗環(huán)境等，采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀和檢測模塊分別對不同類型負(fù)載阻抗進(jìn)行測試。測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)改變溫度、電纜長度、應(yīng)答器種類或應(yīng)答器高度等時，引起的阻抗變化較小，此時測量誤差較小；當(dāng)天線周邊放置金屬物引起的阻抗變化較大或功放輸出發(fā)生較大變化后，測量誤差顯著增大。

而實(shí)際現(xiàn)場由于不同動車組安裝環(huán)境不同，阻抗失配程度也有所不同，因此對于長客CR400BF、四方CR400AF、唐客CR400BF三種車型，現(xiàn)場各選取一列車分別進(jìn)行靜態(tài)測試（動車段/所）和動態(tài)測試（京滬、滬寧、寧杭線），以豐富在阻抗失配（正常運(yùn)行環(huán)境）情況下的檢測數(shù)據(jù)。

2.3 阻抗計算

2.3.1 阻抗判定誤差

實(shí)際電路設(shè)計時由于材料、工藝等的不同，電路的性能指標(biāo)差異會對測量結(jié)果造成一定程度的影響。通過與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)際測量結(jié)果對比，分析檢測模塊的誤差來源及誤差項(xiàng)，見表3。

表3 誤差來源及誤差項(xiàng)

1）信號源的主要性能指標(biāo)包括頻率準(zhǔn)確度、相位噪聲、諧波衰減等，實(shí)際輸出與標(biāo)定輸出的差異由頻率準(zhǔn)確度衡量；頻譜純度由相位噪聲和諧波衰減衡量。《應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)技術(shù)條件》（TB/T 3485—2017）中7.1.2條對于BTM功放輸出有具體規(guī)定：“射頻能量信號為連續(xù)（CW）信號，磁場頻率為27.095 MHz±5 kHz，當(dāng)頻偏不小于10 kHz時，載波噪聲應(yīng)小于-110 dBc/Hz”［10］。功放元器件老化或性能下降可能會導(dǎo)致異常輸出，從而影響測量精度。

2）定向耦合器用于提取入射信號和反射信號，實(shí)際器件中輸入端部分信號會泄露到隔離端，這將導(dǎo)致隔離端提取的反射信號中參雜部分入射信號。另外，耦合端本身也會引起幅值衰減和相位漂移，這兩類誤差直接影響檢測精度。

3）AD采樣芯片用于將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，其量化誤差決定ADC信噪比，也直接影響檢測精度。

綜上所述，檢測模塊設(shè)計時需充分考慮器件的非標(biāo)準(zhǔn)性、非理想性等因素，下面通過引入誤差校準(zhǔn)算法，進(jìn)一步提高阻抗檢測精度。

2.3.2 誤差校準(zhǔn)算法

檢測模塊中主要存在隨機(jī)誤差、漂移誤差和系統(tǒng)誤差。隨機(jī)誤差是可變、隨機(jī)且無法重復(fù)的，工程實(shí)踐中常通過多次測量取平均值的方式在統(tǒng)計層面減小這類誤差；漂移誤差是環(huán)境變化引起各組成器件性能參數(shù)出現(xiàn)漂移造成的誤差，一般采用定期校準(zhǔn)的方式減小這類誤差；系統(tǒng)誤差一般是因器件的非理想性、非標(biāo)準(zhǔn)性引起，是檢測模塊的主要誤差來源，可通過校準(zhǔn)方式減小這類誤差。

檢測模塊可以簡化為一個單端口網(wǎng)絡(luò)分析儀，典型的單端口誤差模型見圖4。系統(tǒng)誤差包含方向性誤差、反向跟蹤誤差和源失配誤差，分別表示為ED、ER、ES，其中ED=e00，ER=e10e01，ES=e11［11-13］。

圖4 單端口誤差模型

測量端接收到a0（反射電壓）、b0（耦合電壓）信號后計算反射系數(shù)ΓM

式中：Γ為負(fù)載端的實(shí)際反射系數(shù)。

?？捎墒剑?）換算得到

采用標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載、開路負(fù)載、短路負(fù)載校準(zhǔn)件，通過以下步驟測量3類系統(tǒng)誤差，從而進(jìn)行測量校準(zhǔn)。

Step 1測量連接開路負(fù)載校準(zhǔn)件時的反射系數(shù)Γopen。理想情況下反射系數(shù)為1，代入式（4）得

Step 2測量連接短路負(fù)載校準(zhǔn)件時的反射系數(shù)Γshort。理想情況下反射系數(shù)為-1，代入式（4）得

Step 3測量連接標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載校準(zhǔn)件時的反射系數(shù)Γload。理想情況下反射系數(shù)為0，代入式（4）得

Step 4將式（5）、式（6）、式（7）聯(lián)立最終可以解得

引入誤差校準(zhǔn)算法后，檢測模塊在不同條件下（含阻抗失配情況）不同特征狀態(tài)的反射系數(shù)分布范圍見表4。

表4 校準(zhǔn)后不同特征狀態(tài)反射系數(shù)分布范圍

由表4可知，正常狀態(tài)和功放輸出異常狀態(tài)反射系數(shù)分布范圍存在部分重疊，若將反射系數(shù)（即阻抗）作為特征狀態(tài)判定參數(shù)，將出現(xiàn)1個判定參數(shù)對應(yīng)2個特征狀態(tài)的情況。由于檢測模塊僅需對各特征狀態(tài)做分類判定，而阻抗、反射系數(shù)主要是反映隔離端反射信號的特征變化，因此可以考慮增加另一個維度觀察變量，如入射信號耦合電壓，這樣更有利于樣本數(shù)據(jù)分類處理。

3 軟件優(yōu)化

3.1 判定參數(shù)優(yōu)化

采用耦合電壓和反射電壓“與”的方式作為判定參數(shù)，不同特征狀態(tài)下耦合電壓與反射電壓二維平面散點(diǎn)圖分布見圖5。

圖5 耦合電壓與反射電壓二維平面散點(diǎn)圖分布

綜合實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，在不同測試條件下，不同特征狀態(tài)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在特定區(qū)域內(nèi)，確定邊界時應(yīng)考慮樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)不重復(fù)、全覆蓋，以滿足不誤報、不漏報原則，例如功放輸出異常狀態(tài)判定條件為（Ui＜1.8 V）＆amp;（Ur＜1.485 V）。通過限定耦合電壓、反射電壓取值范圍可以有效判定特征狀態(tài)類型。

3.2 特征狀態(tài)判斷

由于現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，實(shí)際電路工作過程中會出現(xiàn)測量值在邊界附近抖動的情況，抖動較大時檢測結(jié)果可能與實(shí)際相差較大，因此軟件采用基于時間窗口的統(tǒng)計計數(shù)法消除抖動的影響。即統(tǒng)計在一段時間內(nèi)落在各個狀態(tài)特征區(qū)間內(nèi)點(diǎn)的數(shù)量，點(diǎn)數(shù)最多的數(shù)據(jù)所對應(yīng)的區(qū)間狀態(tài)為最終狀態(tài)，若點(diǎn)數(shù)一致則按優(yōu)先級高低發(fā)送優(yōu)先級高的狀態(tài)（故障級別優(yōu)先級為短路＞斷路＞輸出異常＞正常）。特征狀態(tài)判決邏輯見圖6。

圖6 特征狀態(tài)判決邏輯

4 結(jié)束語

基于現(xiàn)場BTM設(shè)備故障檢測需求，研究在現(xiàn)有BTM設(shè)備的功放單元上設(shè)計檢測模塊，實(shí)現(xiàn)對功放輸出異常、電纜短路、電纜斷路、運(yùn)行正常4種狀態(tài)的檢測。根據(jù)傳輸線理論，采用定向耦合器提取功放輸出信號耦合電壓和反射電壓，獲取實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場不同測量條件下不同特征狀態(tài)的參數(shù)分布范圍。采用阻抗作為特征狀態(tài)判定參數(shù)時，由于特征狀態(tài)區(qū)間存在部分重疊，故最終選取耦合電壓和反射電壓共同作為判定參數(shù)。

目前檢測模塊已經(jīng)通過多次動態(tài)測試驗(yàn)證，即將運(yùn)用于現(xiàn)場動車組運(yùn)行時BTM設(shè)備的在線檢測。檢測模塊的研制，提高了BTM設(shè)備自身可靠性和可用性，針對現(xiàn)場因接觸不良、元器件老化引起的BTM功放、電纜功能異常等隱蔽故障，為電務(wù)人員增加了動車組動態(tài)運(yùn)行時BTM設(shè)備工作狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測手段，提高了BTM設(shè)備質(zhì)量和運(yùn)營維護(hù)效率。