基于单片机的不对称脉冲轨道电路接收器设计

司开波，张立材

（西安建筑科技大学信息与控制工程学院，陕西 西安 710055）

1 引 言

不对称脉冲轨道电路是综合国内几种轨道电路的特点，而又独具特色的轨道电路，其采用的高压不对称脉冲（如图1所示）由于在轨面能形成峰值电压100V、短路电流20A以上的能量，可击穿钢轨表面的锈蚀、粉尘或油污，对于轨面存有污垢以及道渣电阻较低的区段都具有较好的适应性，而且安装简便，维护量少[1]。因此，被广泛应用于厂矿企业等运输线路中。

但是，以往上述不对称脉冲的轨道电路接收器通常采用由译码器和直流二元二位差动继电器进行接收处理。而从现场运用经验来看，二元二位继电器存在如下几个问题：①返还系数低；②牵引不平衡电流干扰易引起误动；③难于实现集中检测，不方便维修，可用性差[2]。而且，不对称脉冲轨道电路接收器的缺点易造成电气化区段的“红光带”现象，不能较好的分路，设备可靠性差，影响列车正常运行。对于信号设备来说，隐含这样的故障模式是极其危险的[3]。

图1 不对称脉冲信号波形图

因此，为了解决以上问题，需要对原有的不对称脉冲轨道电路接收器进行改进。改造后系统以微处理器为核心单元，采用了动态检测、光电、隔离等可靠性电路技术[4]，可以提高运算速度和准确性，排除干扰，易于检测，便携性更好，摆脱了原有二元二位差动继电器带来的不利影响。

2 接收器硬件原理

不对称脉冲信号接收器是轨道电路的关键组成部分，接收器安全可靠与否直接或间接影响铁路行车安全，而接收器可靠的硬件电路是整个系统安全的基础[5]。

2.1 系统原理框图设计

系统采用微芯公司生产的PIC16F887单片机，该单片机是PIC系列中档型号，内部集成了10位的A/D转换器，可以满足数据采集的要求，并带有后续设计需要的CCP捕捉、比较和PWM模块，使硬件电路相对简单。系统采用光电隔离与单片机控制，通过软件设计和串行通信完成对外界干扰的防护和故障的解决。其主要功能表现为：①不对称脉冲信号的采集；②过零同步信号的产生；③单片机对信号数据的处理和与从电路板的通信。该系统组成框图如图2所示。

图2 系统组成框图

系统各功能模块如下：

（1）光电隔离的线性光耦选用HCNR201，它可以几乎线性不失真的传输信号，并隔离高压，因此使得该系统具有防雷防电性能，提高了抗干扰能力。光电隔离电路原理如图3所示。

不对称脉冲信号通过LM833低噪声运算放大器经过放大后输入到光耦HCNR201的1，2管脚，点亮内部的发光二极管，光耦的3，4和5，6管脚内部连接光敏二极管，它们同时亦被导通，不对称脉冲信号便被线性的传输到TLC2262双输入双输出运算放大器的负正输入管脚2，3，TLC2262的管脚1输出不对称脉冲，管脚7输出同步信号。

（2）A/D是模数转换器，将由轨道变压器传来的不对称脉冲信号转换成计算机能处理的数字信号。

（3）过零检测可以使信号通过TLC2262后检测出过零点，确定头压和尾压并输出相对应的方波。

（4）MCU是单片机微机系统。该设计中单片机根据外部设定的条件信息，同步完成信号采样、数据处理判决等功能。同时完成系统自检，在检测到设备故障时，通过串行通信访问从电路板[6]。

（5）串行通信模块是主电路板与从电路板的通信接口，完成与从电路板的自动切换。

2.2 接收器工作流程

不对称脉冲信号通过接收器电路，经过硬件滤波滤除掉部分干扰后，再经过光电隔离电路，变为两路输出，一路不对称脉冲经过单片机模数转换成数字信号，另一路同步信号送往单片机计算出头尾压的周期值，CPU对接收到的数据进行运算，若CPU接收到并判断出该脉冲信号的周期和采样头尾压面积比例正常符合规范值（若周期不合适便舍弃该数据，继续接收），则需要再连续检测3个合格的不对称脉冲信号，最后做出判决将轨道电路继电器吸起，判决轨道空闲；当轮对占用时，信号头尾压幅度比和头尾压面积比例将偏离规定值，从而使轨道电路继电器落下，表示区段占用。另外，CPU随时对其外围电路进行检测，当发现故障时，通过单片机串行通信切换到从电路板，保证设备安全运行，降低工人无法及时维修造成的危险，保证列车运行安全。

3 接收器系统软件设计

3.1 系统主程序设计

主程序流程图如图4所示。

图3 光电隔离电路原理图

图4 主程序流程图

由于不对称脉冲信号周期的不确定性，合格的不对称脉冲信号周期值如图1小注所示，于是，为了能够在一个周期内采集足够点数，利用PIC单片机中捕捉/比较/PWM模块CCP2（允许用户定时和控制不同事件的外设）的CCP2CON寄存器比较工作方式的设置可以满足定时要求，该设计设定每间隔200μs启动一次A/D转换，当CCP2工作在比较工作方式时，不断的用16bit的CCP2寄存器的值与TMR1寄存器的值做比较，如果两者相等，CCP2的特殊事件触发输出将对TMR1定时器寄存器对复位，并启动A/D转换，省去了操作定时器的麻烦[7]。主程序流程图中初始化包括系统初始化、A/D初始化、CCP2初始化等。系统进行信号采样和采样数据后的平均滤波均在中断内完成。

3.2 中断服务子程序设计

中断服务子程序流程图如图5所示。

过零检测产生的方波输入到单片机的外部中断引脚RB0/INT，当上升沿或下降沿事件在该引脚发生时便产生中断。具体工作流程是：当上升沿来临时，触发外部事件中断，进入中断服务程序，此时启动A/D转换和使能CCP2并改变触发外部事件中断方式，A/D一次采样完，清A/D中断标志，读取采样数据存入数组（采样计数器自动加1），准备第二次采样（将由CCP2的特殊事件触发A/D），当下降沿来时，半个采样周期结束，置A/D转换完成标志，计算采样周期和头压面积，下降沿触发中断后，开始尾压采样与检测，并做上述同样处理，然后转入主程序做头尾压的比较做出控制动作。

4 结束语

经过改进的不对称脉冲轨道电路接收器既解决了接收电路存在的缺陷，也提高了系统的抗干扰能力，并解决分路不良问题，尤其对电气化区段易产生“红光带”现象有明显的改善[8]。此外，系统以PIC16F887单片机为核心，对信号数据的处理和判断更加快速和准确，系统更加小型化和便携，同时还具有改造简单、投资少等特点，应该具有很好的应用前景。

图5 中断服务程序流程图

[1] 吴耀东，吴 永.JRWC2-25相敏轨道电路电子接收器[J].铁道通信信号，2006，42（2）：27-28.

[2] 孙有望.城市轨道交通概论[M].北京：中国铁道出版社，1999.

[3] 李 枫.城市轨道交通系统分析[J].铁道学报，2000（22）：37-40.

[4]高继祥.铁路信号运营基础[M].1版.北京：中国铁道出版社，1998.

[5] 任国桥.高压脉冲轨道电路电子接收器的实现[J].北方交通大学学报，2008，5（4）：35-38.

[6]张小群.车站电码化技术[M].1版.北京：中国铁道出版社，1998.

[7]刘和平.PIC16F87X单片机实用软件与接口技术-C语言及其应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，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]邓昌盛，邱宽民.不对称脉冲轨道电路接收系统的改进方案[J].铁道通信信号，2001，37（3）：22-23.