高壓不對稱脈沖軌道電路分線采集設備設計

丁 歡 劉琰瓊

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

隨著近年來ZPW-2000A無絕緣移頻自動閉塞系統在全路的大面積推廣應用，ZPW-2000A作為鐵路運輸基礎安全設備，已經被確立為今后鐵路發展的統一制式[1]。為了讓電務部門通過信號微機監測系統提高對ZPW-2000A無絕緣軌道電路的維護水平，進一步提高ZPW-2000A無絕緣軌道電路工作的穩定性和可靠性，在鐵路信號微機監測系統中加入了對ZPW-2000系列集中式無絕緣移頻自動閉塞設備的監測子系統，能夠監測信號設備狀態、發現信號設備隱患、分析信號設備故障原因、輔助故障處理、指導現場維修和反映設備運用質量。

據不完全統計，全國鐵路存在數以萬計的分路不良區段。既有ZPW-2000A系統在這種區段無法完成列車占用檢查，從而造成列車沖撞、擠占、脫軌等嚴重的行車事故，給鐵路運營帶來重大安全隱患，嚴重影響鐵路運輸效率，成為全路亟待解決的重大安全技術問題[2]。近年來我國吸收法國高壓脈沖軌道電路技術，設計出一種高壓不對稱脈沖軌道電路。該軌道電路充分利用輸出瞬間功率極高(近萬瓦、100 V、100 A)的特點，完成對站內腐蝕較嚴重軌道區段銹層、污染物的擊穿作用，從而實現列車的良好分路，主要應用于中度和重度污染的軌道區段[3]。

既有線ZPW-2000A監測子系統的采集設備主要包括采集衰耗器、采集發送檢測器和分線采集器3種[4]。其中分線采集器利用原來的模擬網絡組匣空余位置來安裝，就近采集軌道電路分線盤處每個區段的發送端、接收端軌道信號的電壓、載頻和低頻。隨著高壓不對稱脈沖軌道電路的推廣，分線采集器在原有功能外，還需要能夠準確捕獲脈沖信號的峰頭、峰尾等信息。因此本文著重關注在高壓不對稱脈沖軌道電路環境下的分線采集器設計。

2 脈沖分線采集器硬件解決方案

2.1 系統結構

根據2010年鐵道部《鐵路信號集中監測系統技術條件》[5]規定，ZPW-2000A監測子系統監測內容包括：區間移頻發送器發送電壓、電流、載頻、低頻；送端電纜模擬網絡電纜側電壓、電流、載頻、低頻；受端電纜模擬網絡側主軌道/小軌道電壓、載頻、低頻；受端電纜模擬網絡設備側（軌入）主軌道/小軌道電壓、載頻、低頻；接收入口（軌出）主軌道/小軌道電壓、載頻、低頻。針對高壓不對稱脈沖軌道電路，分線采集器應能同時完成對移頻信號與脈沖信號的采集分析。考慮到監測系統不得影響被采集設備的正常工作，脈沖分線采集器參考文獻[6]中設計，系統結構如圖1所示。

脈沖軌道電路分線采集器的信號輸入中包含移頻信號以及脈沖信號。其中送端移頻信號最大幅度為100 V，送端脈沖最大幅度為900 V；受端移頻信號最大幅度為50 V，受端脈沖最大幅度為800 V。信號輸入后，在高阻隔離模塊中經電阻網絡分壓、隔離變壓器隔離后輸入端處理電路。由于受端移頻信號幅度相對較小，因此需要經過運算放大器放大至適當范圍，再進入AD采樣模塊。CPU從AD采樣模塊中讀取各區段信號數據后，通過數字信號處理算法解調出移頻信號電壓、載頻、低頻以及脈沖電壓峰頭、峰尾等信息。最終，CPU通過CPLD控制通信模塊，將監測數據發送至監測維護機。下文將著重介紹系統中幾個重點模塊。

2.2 信號隔離與采樣模塊

信號隔離與采樣模塊包括高阻隔離、信號放大、AD采樣3個子模塊。

1) 高阻隔離子模塊：按照監測系統設計原則，脈沖分線采集器不能影響軌道電路系統正常工作，因此需要在輸入部分進行隔離。本系統首先采用電阻分壓對輸入信號進行降幅，使送、受端脈沖信號幅度降至低于10 V。然后降幅信號經隔離變壓器，傳入后端采集電路進行處理，從而實現了監測采集設備與原有軌道電路設備的隔離。

2) 信號放大子模塊：受端移頻信號由于本身幅度較低，經高阻隔離子模塊降幅后，幅度降低為毫伏級。為了更準確采集受端移頻信息，需要對該信號進行放大。本設計中采用INA 2143運算放大器實現。

3) AD采樣子模塊：由于對監測采集系統的測量精度要求很高，因此，在本設計中采用具有同時采樣保持功能的16位并行輸出AD轉換器AD7656-1。針對送端信號、受端脈沖信號及放大后的受端移頻信號，共設置3片AD7656-1完成6個區段的信息采集。利用DSP定時器產生AD采樣啟動信號，由DSP進行周期采樣，CPLD對DSP的讀寫信號和地址信號進行邏輯組合，生成ADC片選信號與讀寫信號，實現A/D數據讀取。

2.3 數字信號處理模塊

數字信號處理模塊包括DSP處理器及外擴晶振、RAM、Flash、看門狗、CPLD等外圍相關電路，負責對采集到的數據完成信號的數字濾波、DH T變換等運算，最終實現對軌道電路移頻信號的解調。

本設計采用TM S320VC33-120 DSP作為核心處理芯片，該芯片采用內部1.8 V、外部3.3 V供電，且能支持高達150 M FLOPS的運行速率，具有高速、低功耗、低成本、易于開發的顯著特點。DSP處理器負責完成FIR濾波、信號解調等數字信號處理算法，并整體控制系統各個模塊協同工作，實現系統功能。

DSP以位擴展方式外擴兩片CY 7C1021RAM（64 k×16 bit），構成64 k×32 bit的外部RAM空間；外擴一片SST39VF040（512 k×8 bit）Flash，作為程序加載的存儲空間。DSP通過M CBL M P的設置來選擇程序的加載方式，當該引腳為高電平時，DSP工作于自引導方式，從Flash中加載程序。

本設計采用X IL INX公司的XC9572X L-10TQ100C來實現整個電路系統的時序管理及邏輯控制功能。CPLD根據DSP存儲器地址空間譯碼產生片選信號以及讀寫時序，主要包括ADC讀寫時序控制、存儲器讀寫時序控制、通信接口時序控制等。

2.4 通信模塊

分線采集器通過一路CAN總線與監測維護機通信，接收監測維護機下發的命令幀，并定時通過CAN總線上傳監測數據。

本設計選用PH IL IPS公司的SJA 1000T控制器，并采用全世界使用最廣泛的CAN收發器PCA 82C250作為CAN協議控制器和物理總線之間的接口，能夠對總線提供差動發送能力并對CAN控制器提供差動接收能力。

為保證系統的穩定，并降低干擾對系統的影響，設計中采用光耦對CAN控制器與CAN收發器之間進行隔離設計。此外，設計采用氣體放電管與TVS管進行雷電防護，采用共模電感防止回路中存在的共模信號干擾對系統正常信號的干擾，同時也防止系統向外輻射干擾。

3 脈沖分線采集器軟件設計

分線采集器軟件主要由外部循環函數及定時中斷處理函數兩部分組成，下面將對這兩部分進行詳細說明。

3.1 外部循環函數

外部循環函數流程如圖2所示。

系統上電后，加載外部F lash的程序文件到內部SRAM程序區，DSP初始化各個部分后運行。A/D采集到的數據存儲在內部SRAM數據區，程序循環對信號進行數字信號處理，完成對送、受端移頻信號電壓、載頻、低頻的解調，以及脈沖信號的解調，并將解調結果進行分析，形成向監測維護機上傳的監測數據。

3.2 定時中斷處理函數

定時中斷處理函數由DSP定時器觸發，用于完成信號采樣、濾波并進行能量計算和存儲，同時完成各種計時及通信函數調用，具體流程如圖3所示。

通過在定時中斷，可以準確控制分線采集器的采樣頻率，便于設計數字濾波器參數。同時將CAN通信在定時中斷時實現，也可以實現對CAN通信周期的有效控制。

4 結束語

本文針對高壓不對稱脈沖軌道電路監測系統對脈沖信號峰頭、峰尾、頻率等信息的監測需求，基于TM S320VC33-120處理器，設計了一種新的分線采集器。該設備已經調試完成，并進行了大量測試。測試結果表明，該設備能夠同時實現對高壓不對稱軌道電路送端、受端移頻信號電壓、載頻、低頻以及脈沖信號信息的采集，采集精度等各項指標基本符合要求。

[1]尹路,于曉泉. ZPW-2000A監測采集數據在微機監測系統處理應用的探討[J].鐵路通信信號工程技術，2007，4（6）:17-19.

[2]郭文強,郭平.軌道電路分路不良的原因及對策[J].鐵道運輸與經濟,2005,27(5):61-62.

[3]郜志強,王貴春,周青，等.淺談軌道電路分路不良[J].鐵道通信信號,2009,45(z1):14-17.

[4]劉海東.既有線ZPW-2000A無絕緣軌道電路監測子系統構建[J].鐵路通信信號工程技術,2010,7(3):78-79.

[5]運基信號[2010]709號 鐵路信號微機監測技術條件[S].

[6]劉銳冬.基于TMS320VC33-120的音頻信號采集系統[J].鐵路通信信號工程技術, 2007, 4(6): 15-17.