网络化高压不对称脉冲轨道电路的研制

黄赞武，李绍斌

（北京交通大学电子信息工程学院，北京100044）

轨道电路是铁路信号系统中重要的设备之一，它最基本的功能是检测轨道区间列车占用情况，是车站联锁和区间控制的基础。因此，轨道电路的安全直接影响着行车的安全。

轨道电路由于受外界恶劣环境影响，如钢轨轨面锈蚀、轨面粉尘堆积和车辆轮对锈蚀等，使得车辆轮对与钢轨轨面接触不良，从而造成有车占用轨道而不能检测出来，错误解锁、道岔中途转换，带来挤岔、脱线、冲突等事故隐患，成为急需解决的安全技术问题。

1 高压不对称脉冲轨道电路发展现状

在采用轨道电路的铁路系统中，轨道电路分路不良是普遍遇到的问题。

法国铁路采用高压电冲轨道电路，后来发展为高压不对称脉冲轨道电路来解决站内分路不良的问题。

日本铁路在大多数分路不良区段将接收端电压调整到3 V以上，取得了良好的效果，对于走车非常少的区段，开发了脉冲轨道电路，采用100 V高压脉冲解决分路不良的问题，取得了非常好的效果。

我国铁路研制了GZ-2007A型多特征脉冲轨道电路，通过提高轨面不对称脉冲的电压的方式，以高压击穿锈层，用于解决生锈严重区段的分路不良问题。

本文提出了一种网络化高压不对称脉冲轨道电路的方案，此方案采用高压不对称脉冲击穿轮轨间的锈层，接收端的设备分为室内智能控制器和室外信号采集设备，室内、外的设备均实现了智能化，室内、外设备的联络方式不再使用信号电缆的传输方式，而是采用CAN总线通信方式。采用信号电缆的传输方式，每个轨道电路都需要一对电缆，而采用CAN总线通信方式，一个站场上所有的轨道电路都共用一对通信电缆即可。

2 网络化高压不对称脉冲轨道电路技术方案

为了节约现场设备投资成本，提高铁路现场设备的智能性，在充分考虑系统可靠性和保证故障－安全原则的前提下，本文在GZ-2007A型多特征脉冲轨道电路基础上提出了一种基于数字信号处理（DSP）技术和现场总线CAN网络技术的高压不对称脉冲轨道电路方案。利用具有针对性的高速滤波算法，提高设备抗干扰能力，利用高可靠性的实时CAN总线网络，使铁路现场设备智能化。

2.1 方案设计

考虑一个区段的轨道电路，构成如图1。

图1 网络化高压不对称脉冲轨道电路结构框图

信号采集设备利用DSP技术将轨面电压信号进行滤波处理并进行频谱分析，得到高压不对称脉冲信号的特征值，利用CAN现场总线将特征值发送到室内的控制器。室内智能控制器安装在继电器架上，通过对特征值的判断，得出轨道是否被分路的结论，室内智能控制器设有LCD显示屏，显示实时高压不对称脉冲信号的特征值及变化情况，并且通过键盘可以设置分路的阈值，调整轨道电路参数，轨道继电器的驱动采用动态安全电路。1台室内智能控制器可以监控4台室外信号采集设备和高压不对称脉冲发送设备，通过CAN现场总线形成1个总线网络，室内外的连接只通过1条CAN通信电缆完成，避免了传输衰减，简化了现场施工，节约了电缆成本。

2.2 室内智能控制器设计

选用TiniARM T23A系列工控模块作为系统核心，T23A是成熟的工业级嵌入式控制模块，经过严格测试，内含LPC2366和工业级的TCP/IP协议芯片，用户只需在底板上设计系统的外围接口电路即可。根据系统功能，外围电路包括：CAN隔离收发器、动态隔离驱动电路、输出信号回检电路、故障检测电路、LCD接口、键盘接口等，轨道电路内部结构如图2。

图2 室内智能控制器的内部结构图

采用二乘二取二的安全型构架，I系和II系通过串行总线同步数据，两系计算机分别通过CAN1和CAN2获取室外信号采集设备通过CAN总线发送来的轨道参数信息，进行比较，确认都正确后分别输出动态脉冲，共同通过安全驱动与门输出GJ的驱动电压。

同时，为了保证系统可靠性，2台室内智能控制器热备运行，共同驱动1个轨道继电器，当1台室内智能控制器出现故障时，不影响整个系统的输出。CAN1和CAN2也是双网热备，增加了通讯的可靠性。

2.3 室外信号采集设备设计

室外信号采集与处理设备结构如图3。

图3 室外信号采集与处理设备结构图

当轨道信号经过隔离和调理后，输入到DSP(TMS320F2812)时，由DSP内部的12 bit A/D转换器将模拟信号变换为数字信号，经DSP进行信号检测与处理后，将有用信号通过DSP内部的增强型CAN控制器（eCAN）将信号传送给CAN总线收发器82C250，由82C250将信号传送到CAN总线上。

为了增加信号采集与处理的可靠性，采用双机热备技术，当其中1个DSP出现故障时，则由另1个DSP进行采集和处理。为了增强系统的信号传输的可靠性，采用双路CAN信号收发方式。由于TMS320F2812内部只嵌入1个CAN控制器模块，因此需要再外接1路CAN控制器，用SJA1000作为另1个CAN控制器，以实现双CAN通信模式。

3 方案的优点

我国铁路的轨道电路，无论是480型轨道电路，还是25 Hz相敏轨道电路或ZPW2000型轨道电路，都是以信号电缆作为室内、外的传输媒介，这样的方式带来很多问题：（1）电缆的电阻对轨道电路影响很大，当区段距离较远时，往往要进行加芯处理，以降低信号在传输通道上的衰减。（2）有些还需要设置电缆模拟盘对不同区段的特性进行补偿。（3）当区段数量较多时，电缆的耗费很大，不仅大大增加施工的难度而且工程费用也增加很多。

基于以上原因，网络化高压不对称脉冲轨道电路利用CAN总线通信方式，实现室内、外信号的传输。这种技术的优点如下：

（1） 各轨道电路之间可以建立智能通信网络，有利于对区段占用的逻辑进行判断，并可以有效防止区段闪红等故障情况。

（2） 避免了信号在电缆中的衰减，系统采用数字化通信技术，在传输过程中可以实现零衰减，使得轨道电路的调整变得简单。

（3） 采用智能网络节点接收轨道电路的信号，这种网络节点可以通过网关连接到铁路系统设备监测系统（如：微机监测）中，可以实现信号设备从“故障修”到“状态修”的跨越。

（4） 采用数字通信方式可以大量节省电缆，减少工程施工量。采用数字通讯方式连接室内外，1个车站只铺设1根通信电缆即可，站场中各轨道电路之间组成总线型的网络拓扑。

4 实验测试

网络化高压不对称脉冲轨道电路研制成功后，在现场进行了测试实验，得到了大量的测试数据，测试数据表明，该轨道电路各项参数符合现场要求，表1为其中一项的测试参数。

表1中的参数介绍：

（1） 电压档：发送器通过跳线可以选择200 V、300 V等档位。

表1 轨道电路参数测试表—调整状态（200 V档）

（2）频率：高压不对称脉冲发送器设置了4种频率：3.25 Hz、3.50 Hz、3.75 Hz、4.00 Hz。

（3）波头峰值：高压不对称脉冲最大值。

（4）波尾峰值：高压不对称脉冲最小值。

（5）信号频率：高压不对称脉冲的频率。

（6）TOUT：系统从受端采集信号后，经过变换后的输出，因为其中经过了1个8:1的变压器降压，所以称为TOUT。

（7）DSP采集：室外接收器采样DSP技术对采集信号进行处理，其中包括FIR滤波和一些数据处理算法，计算出采集的参数。

（8）30.2/27.4：表示当主备机同时工作时输出的轨道继电器电压为30.2 V，当主机或备机单独工作时轨道继电器电压为27.4 V。

通过对实验数据分析，可以得出如下结论：

（1）CAN通信正常。在现场干扰信号比较复杂的情况下，CAN通信稳定可靠，满足实时性要求；

（2）能精确测量轨道受端电压，并在LCD上显示其电压和频率参数；

（3）信号主要特征参数频率的测试精度小于0.5%；

（4）轨道继电器的端电压在备机也起作用时达到30 V以上，单机起作用时为27 V以上，完全满足JWXC-1700的工作电压要求；

（5）轨道电路的反应时间满足铁路相关要求。

5 结束语

本文在GZ-2007A型多特征脉冲轨道电路的基础上，提出了一种基于DSP技术和现场总线CAN网络的网络化高压不对称脉冲轨道电路方案，研制出了接收端设备，包括接收端室内控制器和接收端室外信号采集器。经过现场试验，可以达到轨道电路的应用要求，同时在设备智能化和节约电缆成本等方面有突出的优点，是一种有广泛应用前景的轨道电路。

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