基于單片機的不對稱脈沖軌道電路接收器設計

司開波，張立材

（西安建筑科技大學信息與控制工程學院，陜西 西安 710055）

1 引 言

不對稱脈沖軌道電路是綜合國內幾種軌道電路的特點，而又獨具特色的軌道電路，其采用的高壓不對稱脈沖（如圖1所示）由于在軌面能形成峰值電壓100V、短路電流20A以上的能量，可擊穿鋼軌表面的銹蝕、粉塵或油污，對于軌面存有污垢以及道渣電阻較低的區段都具有較好的適應性，而且安裝簡便，維護量少[1]。因此，被廣泛應用于廠礦企業等運輸線路中。

但是，以往上述不對稱脈沖的軌道電路接收器通常采用由譯碼器和直流二元二位差動繼電器進行接收處理。而從現場運用經驗來看，二元二位繼電器存在如下幾個問題：①返還系數低；②牽引不平衡電流干擾易引起誤動；③難于實現集中檢測，不方便維修，可用性差[2]。而且，不對稱脈沖軌道電路接收器的缺點易造成電氣化區段的“紅光帶”現象，不能較好的分路，設備可靠性差，影響列車正常運行。對于信號設備來說，隱含這樣的故障模式是極其危險的[3]。

圖1 不對稱脈沖信號波形圖

因此，為了解決以上問題，需要對原有的不對稱脈沖軌道電路接收器進行改進。改造后系統以微處理器為核心單元，采用了動態檢測、光電、隔離等可靠性電路技術[4]，可以提高運算速度和準確性，排除干擾，易于檢測，便攜性更好，擺脫了原有二元二位差動繼電器帶來的不利影響。

2 接收器硬件原理

不對稱脈沖信號接收器是軌道電路的關鍵組成部分，接收器安全可靠與否直接或間接影響鐵路行車安全，而接收器可靠的硬件電路是整個系統安全的基礎[5]。

2.1 系統原理框圖設計

系統采用微芯公司生產的PIC16F887單片機，該單片機是PIC系列中檔型號，內部集成了10位的A/D轉換器，可以滿足數據采集的要求，并帶有后續設計需要的CCP捕捉、比較和PWM模塊，使硬件電路相對簡單。系統采用光電隔離與單片機控制，通過軟件設計和串行通信完成對外界干擾的防護和故障的解決。其主要功能表現為：①不對稱脈沖信號的采集；②過零同步信號的產生；③單片機對信號數據的處理和與從電路板的通信。該系統組成框圖如圖2所示。

圖2 系統組成框圖

系統各功能模塊如下：

（1）光電隔離的線性光耦選用HCNR201，它可以幾乎線性不失真的傳輸信號，并隔離高壓，因此使得該系統具有防雷防電性能，提高了抗干擾能力。光電隔離電路原理如圖3所示。

不對稱脈沖信號通過LM833低噪聲運算放大器經過放大后輸入到光耦HCNR201的1，2管腳，點亮內部的發光二極管，光耦的3，4和5，6管腳內部連接光敏二極管，它們同時亦被導通，不對稱脈沖信號便被線性的傳輸到TLC2262雙輸入雙輸出運算放大器的負正輸入管腳2，3，TLC2262的管腳1輸出不對稱脈沖，管腳7輸出同步信號。

（2）A/D是模數轉換器，將由軌道變壓器傳來的不對稱脈沖信號轉換成計算機能處理的數字信號。

（3）過零檢測可以使信號通過TLC2262后檢測出過零點，確定頭壓和尾壓并輸出相對應的方波。

（4）MCU是單片機微機系統。該設計中單片機根據外部設定的條件信息，同步完成信號采樣、數據處理判決等功能。同時完成系統自檢，在檢測到設備故障時，通過串行通信訪問從電路板[6]。

（5）串行通信模塊是主電路板與從電路板的通信接口，完成與從電路板的自動切換。

2.2 接收器工作流程

不對稱脈沖信號通過接收器電路，經過硬件濾波濾除掉部分干擾后，再經過光電隔離電路，變為兩路輸出，一路不對稱脈沖經過單片機模數轉換成數字信號，另一路同步信號送往單片機計算出頭尾壓的周期值，CPU對接收到的數據進行運算，若CPU接收到并判斷出該脈沖信號的周期和采樣頭尾壓面積比例正常符合規范值（若周期不合適便舍棄該數據，繼續接收），則需要再連續檢測3個合格的不對稱脈沖信號，最后做出判決將軌道電路繼電器吸起，判決軌道空閑；當輪對占用時，信號頭尾壓幅度比和頭尾壓面積比例將偏離規定值，從而使軌道電路繼電器落下，表示區段占用。另外，CPU隨時對其外圍電路進行檢測，當發現故障時，通過單片機串行通信切換到從電路板，保證設備安全運行，降低工人無法及時維修造成的危險，保證列車運行安全。

3 接收器系統軟件設計

3.1 系統主程序設計

主程序流程圖如圖4所示。

圖3 光電隔離電路原理圖

圖4 主程序流程圖

由于不對稱脈沖信號周期的不確定性，合格的不對稱脈沖信號周期值如圖1小注所示，于是，為了能夠在一個周期內采集足夠點數，利用PIC單片機中捕捉/比較/PWM模塊CCP2（允許用戶定時和控制不同事件的外設）的CCP2CON寄存器比較工作方式的設置可以滿足定時要求，該設計設定每間隔200μs啟動一次A/D轉換，當CCP2工作在比較工作方式時，不斷的用16bit的CCP2寄存器的值與TMR1寄存器的值做比較，如果兩者相等，CCP2的特殊事件觸發輸出將對TMR1定時器寄存器對復位，并啟動A/D轉換，省去了操作定時器的麻煩[7]。主程序流程圖中初始化包括系統初始化、A/D初始化、CCP2初始化等。系統進行信號采樣和采樣數據后的平均濾波均在中斷內完成。

3.2 中斷服務子程序設計

中斷服務子程序流程圖如圖5所示。

過零檢測產生的方波輸入到單片機的外部中斷引腳RB0/INT，當上升沿或下降沿事件在該引腳發生時便產生中斷。具體工作流程是：當上升沿來臨時，觸發外部事件中斷，進入中斷服務程序，此時啟動A/D轉換和使能CCP2并改變觸發外部事件中斷方式，A/D一次采樣完，清A/D中斷標志，讀取采樣數據存入數組（采樣計數器自動加1），準備第二次采樣（將由CCP2的特殊事件觸發A/D），當下降沿來時，半個采樣周期結束，置A/D轉換完成標志，計算采樣周期和頭壓面積，下降沿觸發中斷后，開始尾壓采樣與檢測，并做上述同樣處理，然后轉入主程序做頭尾壓的比較做出控制動作。

4 結束語

經過改進的不對稱脈沖軌道電路接收器既解決了接收電路存在的缺陷，也提高了系統的抗干擾能力，并解決分路不良問題，尤其對電氣化區段易產生“紅光帶”現象有明顯的改善[8]。此外，系統以PIC16F887單片機為核心，對信號數據的處理和判斷更加快速和準確，系統更加小型化和便攜，同時還具有改造簡單、投資少等特點，應該具有很好的應用前景。

圖5 中斷服務程序流程圖

[1] 吳耀東，吳 永.JRWC2-25相敏軌道電路電子接收器[J].鐵道通信信號，2006，42（2）：27-28.

[2] 孫有望.城市軌道交通概論[M].北京：中國鐵道出版社，1999.

[3] 李 楓.城市軌道交通系統分析[J].鐵道學報，2000（22）：37-40.

[4]高繼祥.鐵路信號運營基礎[M].1版.北京：中國鐵道出版社，1998.

[5] 任國橋.高壓脈沖軌道電路電子接收器的實現[J].北方交通大學學報，2008，5（4）：35-38.

[6]張小群.車站電碼化技術[M].1版.北京：中國鐵道出版社，1998.

[7]劉和平.PIC16F87X單片機實用軟件與接口技術-C語言及其應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[8] Jean V.Comparison of the external costs of public transport and cars in urban areas:the case of the greet paris region public transport international[J].Optics and Lasers in Engineering，1999（5）：36-38.

[9]鄧昌盛，邱寬民.不對稱脈沖軌道電路接收系統的改進方案[J].鐵道通信信號，2001，37（3）：22-23.