移頻電碼化接口裝置的智能化研究

0、前言 　　

電碼化裝置主要應用于鐵路車(chē)站內，保證站內正線(xiàn)電碼化軌道電路連續不斷地向機車(chē) 發(fā)送所需的電碼化信息，是行車(chē)指揮控制系統的技術(shù)設備之一。電碼化設備的任務(wù)就是利用 區段內所采用的自動(dòng)閉塞設備的發(fā)送設備，通過(guò)站內進(jìn)路上的軌道電路向機車(chē)傳遞前方信號 機的信號顯示所確定的信息內容，使機車(chē)信號不間斷的復示前方地面信號機的顯示。目前的 移頻發(fā)送設備仍采用的是分離元件，原有的這種設備隨著(zhù)鐵路運量的增加和列車(chē)運行速度的 提高，在安全、效率及其日常的維護上逐漸暴露出一些問(wèn)題。例如，分離元件老化后參數會(huì ) 發(fā)生變化，導致移頻信號的頻率發(fā)生較大的偏移，直接影響行車(chē)的安全和效率。尤其是近年 來(lái)微處理器及相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，為鐵路信號設備的智能化提供了技術(shù)支持。

1、方案研究 　　

本方案是以微處理器為核心的電路板來(lái)替代原繼電器所構成的接口電路，保留了原有設 備的所有接口。其設計思想是：移頻電碼化接口裝置接收到聯(lián)鎖機下發(fā)的有效命令后，控制 相應的發(fā)碼開(kāi)關(guān)和編碼開(kāi)關(guān)動(dòng)作。假如有一個(gè)區段的載頻為650Hz，聯(lián)鎖機下發(fā)綠碼（L） 命令， CPU 通過(guò)控制開(kāi)關(guān)模塊程序處理后，閉合相應的編碼開(kāi)關(guān)（LK），此時(shí)移頻發(fā)送盒 發(fā)出移頻信號，同時(shí)移頻信號經(jīng)過(guò)移頻電碼化接口裝置的模擬量調理電路和移頻信號調理電 路后送入 CPU 。經(jīng)過(guò)移頻信號檢測模塊程序處理，檢測出移頻信號的幅度、低頻信號的頻 率，然后將聯(lián)鎖機下發(fā)的命令與處理后的移頻信號進(jìn)行校核，若二者一致，繼續發(fā)送命令; 若 不一致則上傳報警信息，并斷開(kāi)所有的發(fā)碼開(kāi)關(guān)和編碼開(kāi)關(guān)。

２、 硬件構成原理 　　

該方案的硬件構成原理如圖 1 所示。它主要由輸入采集電路、信號調理電路、主機電路、控制電路、過(guò)流檢測電路等組成。

2.1 輸入采集電路 　　

輸入采集電路的功能是將移頻發(fā)送盒發(fā)出的移頻信號采集到模塊中，本設計中采用電壓 型輸入采集電路。

2.2 信號調理電路 　　

調理電路將輸入電路采集上來(lái)的信號分別調理成適合 CPU 處理的模擬信號和脈沖信號 送入CPU。一路采集到的移頻信號經(jīng)半波整流、運放電路調理成0～3.5V 的信號送入CPU ， 即模擬量調理電路,主要完成對移頻信號電壓幅度的測量功能；另一路采集到的信號經(jīng)兩級 比較器電路調理成5V 的方波信號送入CPU ，即頻率信號調理電路,主要是將移頻信號從正 弦信號調理成為適合CPU 處理的脈沖信號。

2.3 主機電路 　　

電碼化接口模塊的主機電路由 CPU 及其外圍電路、地址碼輸入電路和通信電路組成。 其中地址碼輸入電路由兩個(gè)上拉電阻和母板配合以確定本模塊的地址。通信電路采用CAN 通信，CPU 采用ATMEl 公司的ATmaga128 芯片，如圖2 所示。

2.4 控制電路 　　

控制電路包括編碼開(kāi)關(guān)控制電路和發(fā)碼開(kāi)關(guān)控制電路兩部分。這兩部分電路均采用了雙 CPU“與”邏輯控制電路，輸出的移頻信號分別送至兩個(gè)CPU 進(jìn)行頻率檢測，經(jīng)檢測符合要 求即產(chǎn)生控制輸出信號，經(jīng)“與門(mén)”使移頻信號送至濾波放大電路，放大輸出的移頻信號再 進(jìn)行電壓檢測。只有當兩個(gè)CPU 對移頻信號的參數檢測符合規定后同時(shí)給出有效信號時(shí)， FBJ 勵磁吸起，相應的編碼開(kāi)關(guān)才能動(dòng)作。兩個(gè)CPU 獨立工作，這樣保證了在有一個(gè)CPU 錯誤動(dòng)作時(shí)及時(shí)關(guān)閉安全與門(mén)，FBJ 失磁落下，切斷發(fā)送通道，不至于輸出非安全側的移頻信號。為了防止對主機和輸出電路的干擾，主機和輸出電路間采用光電耦合進(jìn)行隔離。而且 兩部分電路均采用雙斷控制，如果一個(gè)開(kāi)關(guān)由于過(guò)流擊穿后，另一個(gè)開(kāi)關(guān)仍可斷開(kāi)回路，從 而保護了整個(gè)模塊。

2.5 反饋監測電路 　　

反饋監測電路包括電壓、電流、頻率反饋監測電路和開(kāi)關(guān)狀態(tài)監測電路。主要完成的功 能是：

（1） 實(shí)時(shí)監測輸出移頻信號的電壓幅度； 　　

（2） 實(shí)時(shí)監測輸出移頻信號的電流幅度； 　　

（3） 實(shí)時(shí)監測輸出移頻信號的載波和調制信號； 　　

（4） 實(shí)現對移頻信號的過(guò)流進(jìn)行檢測； 　　

（5） 實(shí)時(shí)監測電子開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。

３、軟件構成原理 　　

該方案的軟件主要由主過(guò)程模塊程序、主控模塊程序、控制開(kāi)關(guān)模塊程序、移頻信號檢 測模塊程序等幾部分組成。軟件采用模塊式結構，可根據需要進(jìn)行選擇。下面給出主控模塊 程序和移頻信號檢測模塊程序的流程圖。

　　圖3、 主控模塊程序流程圖 　　

3.1 主控模塊程序設計 　　

主控模塊的作用是根據聯(lián)鎖機下發(fā)的命令控制相應的編碼開(kāi)關(guān)和發(fā)碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行動(dòng)作。

3.2 移頻信號檢測模塊程序設計 　　

移頻信號檢測模塊的作用是對移頻發(fā)送盒發(fā)出的移頻信號進(jìn)行檢測，判斷該信號所代表 信息的含義，然后和聯(lián)鎖機的命令相互校核，確定向軌面上發(fā)送的移頻信息是否正確。移頻信號檢測軟件模塊的核心程序為：移頻信號檢測存儲程序和與聯(lián)鎖命令相校核程序。檢測 移頻信號采用的方法是頻譜分析法，即先將模擬移頻信號通過(guò)微處理器內置的A/D 通道變 換成時(shí)域的數字信號存于RAM 中。然后采用FFT 快速傅立葉變換將存于RAM 中的時(shí)域數 字信號變換成為離散的頻域信號。

　　圖4、移頻信號檢測模塊程序流程圖 　　

4、系統抗干擾措施 　　

系統在硬件方面采取的措施有： 　　

（1）采取一些常用的抗干擾措施，如：在系統電源入口處并聯(lián)小電容和大電容濾除高 頻、低頻干擾；合理設計印刷電路板；在電路板的弱電部分空余出鋪上網(wǎng)格線(xiàn)作為接地線(xiàn)。

（2）采用隔離技術(shù)。如電流環(huán)隔離、光電耦合器等使干擾源和易干擾部分隔離開(kāi)來(lái)。

（3）在頻率調理電路中抬高了比較器的閥值，用來(lái)抑制高頻噪聲干擾。

（4）通信電路中三條通信總線(xiàn)用獨立的三個(gè)電源，避免了三者之間的相互干擾。

系統在軟件方面采取的措施有： 　　

（1）采用常用的一些軟件抗干擾措施，如軟件陷阱技術(shù)、指令冗余技術(shù)、CPU自帶看門(mén) 狗等。

（2）采用軟件重復檢測的方法達到去偽存真的目的。

（3）輸出端口采用動(dòng)態(tài)刷新的方法，防止CPU受干擾后狀態(tài)發(fā)生變化。

5、總結與展望 　　

隨著(zhù)鐵路運量的增加和列車(chē)運行速度的不斷提高，原來(lái)有分立元件構成的設備在安 全、效率及維護方面的問(wèn)題日益突出，采用微處理器技術(shù)的移頻電碼化接口設備采用了閉環(huán) 檢測的系統設計方法，提高了移頻發(fā)送設備的可靠性。它還具有很強的擴展性和通用性，對 鐵路信號基礎設備的升級換代具有重要的參考價(jià)值，對進(jìn)一步保證鐵路行車(chē)安全具有重要意 義，該設備已研制成功，并通過(guò)鐵道部技術(shù)鑒定。

創(chuàng )新點(diǎn)：采用以ATmaga128 芯片為核心的微處理器技術(shù)來(lái)代替分立元件，提高了移頻發(fā)送設備的可靠性和安全性，該設備具有很強的擴展性和通用性，對鐵路信號基礎設備的升級換代具有重要的參考價(jià)值。