高鐵通信電路中補償電容的非接觸測量方法

2021-06-02 23:46:24伍沐原袁文澹李仁發

通信電源技術 2021年3期

伍沐原，袁文澹，李仁發

（1.海南科技職業大學，海南 ?？?507200；2.湖南大學計算機學院，湖南長沙 410082）

0 引言

隨著高速鐵路的迅速發展，我國自主研發的ZPW-2000A型軌道通信系統得到了大規模的應用。但是，ZPW-2000A軌道信號通信系統的故障往往會導致嚴重的高鐵運營事故。實踐證明，鐵路中段補償電容的電容值參數下降甚至失效是ZPW-2000A通信系統的最大隱患[1]。發生重大事故時，主要依靠大量人力沿線檢修并更換故障電容，日常維護時，專業人員要在夜間天窗期進行沿線檢修[2,3]。對于診斷補償電容故障的研究，大多采用的是不架設新設備的“軟件”辦法，如采用一些傳統的電路算法定位故障，或是采用新興的智能算法進行分析[4,5]。而即使是最新采取的架設新設備的硬件辦法—中國通號自主研發區間軌道電路診斷系統，依然沒有提到補償電容故障的診斷[6]。

本文針對ZPW-2000A通信系統提出結合非接觸測量技術和數字化傳感層技術的補償電容檢測工程方案，并開展實驗以實時檢測補償電容容值。

1 硬件檢測方案的設計原理

1.1 ZPW-2000A補償電容電路分析

如圖1所示，兩根平行的水平電路代表了平行于鋼軌的電纜，V源代表信號源，兩條鋼軌中間會以一定規則配置補償電容C補等與軌道電路連接[7]。軌道電纜僅存在微量感性電容，并且電感值為1.3 mH/km（在某些區段為0.7 mH/km），用L軌表示。軌道電路的傳輸電阻總是小于等于23.5 Ω（一般為15.1 Ω），用R軌表示。

ZPW-2000A通信電路的中段是一個多級RLC串聯諧振電路。為了將其簡化，搭建了一個方便研究的二級RLC串聯諧振電路，如圖1所示。

使用傳感器測量電容兩端的電壓和流經電容的電流，并根據電壓和電流比計算電容的阻抗，電容容抗的計算公式為：

由于軌道電路的信號頻率恒定，因此電容的阻抗也是恒定的。設計傳感器測量該模擬電路流經補償電容的電流和補償電容兩端的電壓，根據式（1）計算補償電容的容值。

1.2 霍爾非接觸測量傳感器

1.2.1 霍爾效應原理

霍爾效應是1879年美國物理學家霍爾研究金屬的導電機制時發現的。設有一塊長方體導體，電流I平行于導體的長，當I流經導體時，若添加一個垂直于長方體導體底面的磁場B，就會產生霍爾效應。此時導體中的電子會因為所添加的磁場而受到洛倫茲力的作用，在長方體表面的一側匯聚。電子的匯聚會在導體內部產生一個電場，該電場方向平行于長方體的寬，并對流經的電子施加電場力，與洛倫茲力方向相反。因此，當電場施加給電子的電場力和磁場施加給電子的磁場力相等時，電子不再被磁場力影響，電場也不再變強，導體中的電子又能正常流動，在長方體導體兩側獲得一個固定強度的電勢差UH。

1.2.2 閉環霍爾電流傳感器

閉環霍爾電流傳感器又稱磁平衡霍爾電流傳感器或檢零式霍爾電流傳感器，利用霍爾器件為核心敏感元件來隔離檢測電流，工作原理是霍爾磁平衡式。閉環霍爾電流傳感器形成了一個負反饋系統，只要測量被測電阻RL兩端的電壓值，就能計算出IM的大小，再通過IM×M=IN×N就能計算出原邊電流IN的大小。

1.2.3 霍爾電壓傳感器

霍爾電壓傳感器由閉環式霍爾電流傳感器改造而成，在被測電路中增設了一個負載電阻Rf。為了平衡負載，采用的是分開配置的兩個Rf/2負載電阻，這樣霍爾電壓傳感器的剩余部分依然是一個閉環式霍爾電流傳感器。測得原邊電流IN的大小后，由U=INRf可以計算出待測電壓U。因此，僅通過測量電流，再加上正常工作狀態下的實驗經驗，就能正確判斷補償電容是否正常工作。

2 硬件檢測的設計方案

2.1 霍爾電壓傳感器

為了證實霍爾傳感器的有效性，選取一款高品質的閉環式霍爾電流傳感器對ZPW-2000A通信電路進行分析。傳感器型號為ETCR022KU，能夠測量電路頻率、量程以及分辨率等要素，并很好的覆蓋模擬的簡化電路。ETCR022KU工作原理如圖2所示。

圖2 ETCR022KU工作原理

2.2 PSOC

片上可編程系統（Programmable System-On-Chip，PSOC）的設計與傳感器的設計相綁定。在該部分，PSOC負責完成模數信號轉換、數據處理以及數據傳輸。

2.2.1 SAR ADC

SAR ADC的轉換原理為逐位比較，其過程類似于用砝碼在天平上稱物體重量，屬于二進制搜索算法[8]。SAR ADC相較于流水型ADC，功耗較低，相較于閃速ADC，精度較高，占用PCB面積小，在商業中應用廣泛，在解決本地模-數轉換問題時具有不容忽視的地位。

2.2.2 數據處理單元

數據處理單元應該是PSOC最重要的成分。在集成模式高度發達的今天，PSOC可以將運算芯片、各類寄存器及其他模塊集成到一塊板子上。而如今，最成熟的板子主要是ARM核。

2.2.3 UART串口傳輸數據

通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）是一種串行異步收發協議，其原理是將傳輸信息的每個字符一位接一位的傳輸，幾乎存在于所有的PSOC信息傳輸端，是片上結構向外傳輸信息的必要環節。

2.2.4 PSOC的實現

以Cypress公司的CY8CKIT-042套件作為硬件基礎，該套件包含了SAR ADC模塊、Cortex M0計算內核及UART模塊[9]。特定的套件上進行開發時，連接套件與電腦，在套件相應的網站上下載與Creator開發相對應的套件文檔。工程創建完畢后進入模塊設計界面，完成一系列硬件設置后，在所示的項目編程界面進行編程。完成硬件配置和項目編程后進行串行通信，將數字量傳輸到網絡端，此時套件上集成的UART模塊將提供便利[10]。