高压不对称脉冲轨道电路分线采集设备设计

丁 欢 刘琰琼

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

随着近年来ZPW-2000A无绝缘移频自动闭塞系统在全路的大面积推广应用，ZPW-2000A作为铁路运输基础安全设备，已经被确立为今后铁路发展的统一制式[1]。为了让电务部门通过信号微机监测系统提高对ZPW-2000A无绝缘轨道电路的维护水平，进一步提高ZPW-2000A无绝缘轨道电路工作的稳定性和可靠性，在铁路信号微机监测系统中加入了对ZPW-2000系列集中式无绝缘移频自动闭塞设备的监测子系统，能够监测信号设备状态、发现信号设备隐患、分析信号设备故障原因、辅助故障处理、指导现场维修和反映设备运用质量。

据不完全统计，全国铁路存在数以万计的分路不良区段。既有ZPW-2000A系统在这种区段无法完成列车占用检查，从而造成列车冲撞、挤占、脱轨等严重的行车事故，给铁路运营带来重大安全隐患，严重影响铁路运输效率，成为全路亟待解决的重大安全技术问题[2]。近年来我国吸收法国高压脉冲轨道电路技术，设计出一种高压不对称脉冲轨道电路。该轨道电路充分利用输出瞬间功率极高(近万瓦、100 V、100 A)的特点，完成对站内腐蚀较严重轨道区段锈层、污染物的击穿作用，从而实现列车的良好分路，主要应用于中度和重度污染的轨道区段[3]。

既有线ZPW-2000A监测子系统的采集设备主要包括采集衰耗器、采集发送检测器和分线采集器3种[4]。其中分线采集器利用原来的模拟网络组匣空余位置来安装，就近采集轨道电路分线盘处每个区段的发送端、接收端轨道信号的电压、载频和低频。随着高压不对称脉冲轨道电路的推广，分线采集器在原有功能外，还需要能够准确捕获脉冲信号的峰头、峰尾等信息。因此本文着重关注在高压不对称脉冲轨道电路环境下的分线采集器设计。

2 脉冲分线采集器硬件解决方案

2.1 系统结构

根据2010年铁道部《铁路信号集中监测系统技术条件》[5]规定，ZPW-2000A监测子系统监测内容包括：区间移频发送器发送电压、电流、载频、低频；送端电缆模拟网络电缆侧电压、电流、载频、低频；受端电缆模拟网络侧主轨道/小轨道电压、载频、低频；受端电缆模拟网络设备侧（轨入）主轨道/小轨道电压、载频、低频；接收入口（轨出）主轨道/小轨道电压、载频、低频。针对高压不对称脉冲轨道电路，分线采集器应能同时完成对移频信号与脉冲信号的采集分析。考虑到监测系统不得影响被采集设备的正常工作，脉冲分线采集器参考文献[6]中设计，系统结构如图1所示。

脉冲轨道电路分线采集器的信号输入中包含移频信号以及脉冲信号。其中送端移频信号最大幅度为100 V，送端脉冲最大幅度为900 V；受端移频信号最大幅度为50 V，受端脉冲最大幅度为800 V。信号输入后，在高阻隔离模块中经电阻网络分压、隔离变压器隔离后输入端处理电路。由于受端移频信号幅度相对较小，因此需要经过运算放大器放大至适当范围，再进入AD采样模块。CPU从AD采样模块中读取各区段信号数据后，通过数字信号处理算法解调出移频信号电压、载频、低频以及脉冲电压峰头、峰尾等信息。最终，CPU通过CPLD控制通信模块，将监测数据发送至监测维护机。下文将着重介绍系统中几个重点模块。

2.2 信号隔离与采样模块

信号隔离与采样模块包括高阻隔离、信号放大、AD采样3个子模块。

1) 高阻隔离子模块：按照监测系统设计原则，脉冲分线采集器不能影响轨道电路系统正常工作，因此需要在输入部分进行隔离。本系统首先采用电阻分压对输入信号进行降幅，使送、受端脉冲信号幅度降至低于10 V。然后降幅信号经隔离变压器，传入后端采集电路进行处理，从而实现了监测采集设备与原有轨道电路设备的隔离。

2) 信号放大子模块：受端移频信号由于本身幅度较低，经高阻隔离子模块降幅后，幅度降低为毫伏级。为了更准确采集受端移频信息，需要对该信号进行放大。本设计中采用INA 2143运算放大器实现。

3) AD采样子模块：由于对监测采集系统的测量精度要求很高，因此，在本设计中采用具有同时采样保持功能的16位并行输出AD转换器AD7656-1。针对送端信号、受端脉冲信号及放大后的受端移频信号，共设置3片AD7656-1完成6个区段的信息采集。利用DSP定时器产生AD采样启动信号，由DSP进行周期采样，CPLD对DSP的读写信号和地址信号进行逻辑组合，生成ADC片选信号与读写信号，实现A/D数据读取。

2.3 数字信号处理模块

数字信号处理模块包括DSP处理器及外扩晶振、RAM、Flash、看门狗、CPLD等外围相关电路，负责对采集到的数据完成信号的数字滤波、DH T变换等运算，最终实现对轨道电路移频信号的解调。

本设计采用TM S320VC33-120 DSP作为核心处理芯片，该芯片采用内部1.8 V、外部3.3 V供电，且能支持高达150 M FLOPS的运行速率，具有高速、低功耗、低成本、易于开发的显著特点。DSP处理器负责完成FIR滤波、信号解调等数字信号处理算法，并整体控制系统各个模块协同工作，实现系统功能。

DSP以位扩展方式外扩两片CY 7C1021RAM（64 k×16 bit），构成64 k×32 bit的外部RAM空间；外扩一片SST39VF040（512 k×8 bit）Flash，作为程序加载的存储空间。DSP通过M CBL M P的设置来选择程序的加载方式，当该引脚为高电平时，DSP工作于自引导方式，从Flash中加载程序。

本设计采用X IL INX公司的XC9572X L-10TQ100C来实现整个电路系统的时序管理及逻辑控制功能。CPLD根据DSP存储器地址空间译码产生片选信号以及读写时序，主要包括ADC读写时序控制、存储器读写时序控制、通信接口时序控制等。

2.4 通信模块

分线采集器通过一路CAN总线与监测维护机通信，接收监测维护机下发的命令帧，并定时通过CAN总线上传监测数据。

本设计选用PH IL IPS公司的SJA 1000T控制器，并采用全世界使用最广泛的CAN收发器PCA 82C250作为CAN协议控制器和物理总线之间的接口，能够对总线提供差动发送能力并对CAN控制器提供差动接收能力。

为保证系统的稳定，并降低干扰对系统的影响，设计中采用光耦对CAN控制器与CAN收发器之间进行隔离设计。此外，设计采用气体放电管与TVS管进行雷电防护，采用共模电感防止回路中存在的共模信号干扰对系统正常信号的干扰，同时也防止系统向外辐射干扰。

3 脉冲分线采集器软件设计

分线采集器软件主要由外部循环函数及定时中断处理函数两部分组成，下面将对这两部分进行详细说明。

3.1 外部循环函数

外部循环函数流程如图2所示。

系统上电后，加载外部F lash的程序文件到内部SRAM程序区，DSP初始化各个部分后运行。A/D采集到的数据存储在内部SRAM数据区，程序循环对信号进行数字信号处理，完成对送、受端移频信号电压、载频、低频的解调，以及脉冲信号的解调，并将解调结果进行分析，形成向监测维护机上传的监测数据。

3.2 定时中断处理函数

定时中断处理函数由DSP定时器触发，用于完成信号采样、滤波并进行能量计算和存储，同时完成各种计时及通信函数调用，具体流程如图3所示。

通过在定时中断，可以准确控制分线采集器的采样频率，便于设计数字滤波器参数。同时将CAN通信在定时中断时实现，也可以实现对CAN通信周期的有效控制。

4 结束语

本文针对高压不对称脉冲轨道电路监测系统对脉冲信号峰头、峰尾、频率等信息的监测需求，基于TM S320VC33-120处理器，设计了一种新的分线采集器。该设备已经调试完成，并进行了大量测试。测试结果表明，该设备能够同时实现对高压不对称轨道电路送端、受端移频信号电压、载频、低频以及脉冲信号信息的采集，采集精度等各项指标基本符合要求。

[1]尹路,于晓泉. ZPW-2000A监测采集数据在微机监测系统处理应用的探讨[J].铁路通信信号工程技术，2007，4（6）:17-19.

[2]郭文强,郭平.轨道电路分路不良的原因及对策[J].铁道运输与经济,2005,27(5):61-62.

[3]郜志强,王贵春,周青，等.浅谈轨道电路分路不良[J].铁道通信信号,2009,45(z1):14-17.

[4]刘海东.既有线ZPW-2000A无绝缘轨道电路监测子系统构建[J].铁路通信信号工程技术,2010,7(3):78-79.

[5]运基信号[2010]709号 铁路信号微机监测技术条件[S].

[6]刘锐冬.基于TMS320VC33-120的音频信号采集系统[J].铁路通信信号工程技术, 2007, 4(6): 15-17.