高压电子脉冲轨道采集器的设计与实现

刘玲+陈波+董明玉

621000）

摘 要：随着铁路信号技术的迅速发展，对铁路信号集中监测系统的可靠性及现场适应性提出了更高的要求。高压电子脉冲轨道采集器能够准确快速地测量高压不对称脉冲信号峰值电压、有效值电压、并记录下脉冲信号波形，通过现场总线将采集信息上报到集中监测站机，进行存储显示等，并能通过人工命令方式对译码器输入信号的波形进行查看。该采集器具有重要的实际意义和应用价值。

关键词： 高压电子脉冲轨道采集器； 现场总线； 存储显示； 铁路信号监测系统

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）14?0107?02

Design and implementation of high?voltage electron pulse track collector

LIU Ling1， CHEN Bo2， DONG Ming?yu2

（1. Department of CNC， No. 58 Research Institute of China Ordance Industries， Mianyang 621000， China；

2. Mianyang Weibo Electronic Co.， Ltd， Mianyang 621000， China）

Abstract： With the rapid development of railway signal technology， higher requirements of the reliability and adaptability on spot have been proposed for the centralized detection system of railway signals. The high?voltage electron pulse track collector can accurately detect the peek voltage and effective value voltage of high?voltage asymmetry pulse signal， and then note down the pulse signal waveform. The collected information is uploaded to the centralized monitoring station through the field bus for storage and display. The waveform of encoder input signal is checked in artificial command mode. The collector has practical significance and application value.

Keywords： high?voltage electron pulse track Collector； field bus； storage display； railway signal detection system

随着铁路信号技术的迅速发展，对铁路信号集中监测系统的可靠性及现场适应性提出了更高的要求。传统高压脉冲轨道电路对高压不对称电压信号的测量采用示波表测量方案，不能有效滤除铁路移频干扰信号和50 Hz工频信号的干扰，导致在测量高压不对称电压信号的幅值大小和脉冲波发生频率时，出现测量数据不准确的问题。此外，还存在成本高，安装不便等缺陷。由此，开发一种测量精度高、便携式安装、低成本的高压脉冲轨道电路传感器，具有重要的实际应用价值。

1 采集器电路结构

高压脉冲轨道电路系统由高阻抗采样单元、光电隔离单元、模/数采样单元、移频干扰滤除单元、数字补偿滤波单元、脉冲检测单元、MCU控制单元和DSP控制单元、CAN总线隔离输出单元及系统供电电源9个模块组成。系统采用高阻抗采样及隔离方式，并配合数字补偿滤波，有效滤除脉冲信号中的移频信号干扰，方便后续脉冲测量和计算。该电路克服了现有技术中不能有效地滤除铁路移频干扰信号，导致在测量高压脉冲信号的正负峰值和频率时出现测量数据不准确的问题，且该系统中的各个单元一体化成型，改善了现有多路示波表设备投入的高成本和安装不便的问题。

图1 高压不对称电压传感器系统硬件原理框图

2 采集器工作原理

高压不对称脉冲波形如图2所示。系统对高压脉冲发生器发出的脉冲信号、波头信号、波尾信号通过高阻抗采样单元进行采样，有效降低了采样模块对高压脉冲轨道电路系统造成的干扰。MCU控制单元和DSP控制单元按照实际应用需要进行程序嵌入，合理分配执行过程从而加快处理速度。MCU控制器采用RMS有效值算法，根据脉冲频率整周期积分，得到波头信号及波尾信号的有效值，并通过脉冲检测单元的输出结果，计算出脉冲波发生频率、幅值及脉冲波形曲线。输出数据采用CAN 2.0总线网络传输，使设备组网智能化、传输速度快、抗干扰性能高[3]。

图2 高压不对称脉冲波形示意图

3 采样过程分析

采样过程可以看作是脉冲调制过程，采样开关可以看作是调制器。这种调制过程是将输入的连续模拟信号x（t）的波形，转换为宽度非常窄而幅度由输入信号确定的脉冲序列[6]。输入信号与输出信号之间的关系为：

[xsnTs=xtδTt=xtn=-∞+∞δt-nTs] （1）

式中[δTt]为采样开关控制信号。

假设采样脉冲为理想脉冲，[xt]在脉冲出现瞬间[nTs]取值为[xsnTs]故式（1）可以改写成：

[xsnTs=n=-∞+∞δnTsδTt-nTs] （2）

考虑到时间为负值，无物理意义，因而式（2）可以改写成：

[xsnTs=n=0+∞xnTsδt-nTs] （3）

式（3）表明，采样开关输出的采样信号[xsnTs]是由一系列脉冲组成的，其数学表达式是两个乘积的和。

4 采集器软件功能设计

系统软件运行在基于ARM的工业控制计算机上，将Windows CE 6.0操作系统嵌入ARM芯片中，用C++语言编制控制程序[1]。

图3为高压电子脉冲轨道采集器软件流程图，系统软件的工作流程为：采集器加电后首先进行初始化，初始化完成后，则开始装配数据和模块，即读取存储于工业控制计算机上的数据和配置文件，通过接口将脉冲数据传递给监测系统，监测系统对接收到的数据进行分解。等待数据分解结束后，根据工作模式对数据完整性进行测试，如有错误，则显示报警信息；如数据完整，则存储数据并根据数据画出脉冲波形[4]。

图3 主控制流程图

软件通过主控制模块调度整个系统的运行，要完成的主要任务是通过总线接口与输出数据单元各个结点发送协同控制指令进行通信[2]。根据用户的操作，读取来自触摸屏的信号，然后选择相应的功能模块进行对应的操作。以采集测试信号为例，操作者按下发送数据按键后，系统进入采集信号状态，数据输出单元向主控制模块发送高压电子脉冲波形数据。主控制模块把接收到的200个脉冲波形数据存储到接收缓冲区中。当操作者按下测试信号按键后，系统迅速根据控制命令做出响应并画出相应的脉冲波形图[5]。主控制界面及采集到的测试脉冲信号波形图如图4所示。

图4 主控制界面及测试脉冲信号波形图

（上接第108页）

5 结 语

高压电子脉冲轨道采集器能准确快速的测量并显示高压不对称脉冲信号峰值电压、真有效值电压、并记录下脉冲信号波形，为轨道继电器正常工作提供数据支撑，也为铁路现场工作人员及时发现并解决轨道电路的异常情况提供了保障，具有重要的实际应用价值和市场推广价值。

实践证明，该系统能满足用户的基本需要，收到了良好的效果。

参考文献

[1] 杨奕昕，张玉辉，赵毅忠.嵌入式技术在花样缝纫机控制系统中的应用[J].兵工自动化，2010（12）：73?74.

[2] 赵君，刘卫国，谭博.基于CAN总线的分布式多电机控制研究[J].测控技术，2008（8）：70?73.

[3] 王帅宇，张宇河，郭萱.基于CAN总线伺服控制系统的设计及控制方法[J].北京理工大学学报，2006（5）：421?422.

[4] 汪兵，李存斌，陈鹏，等.EVC高级编程及其应用程序开发[M] . 北京：中国水利水电出版社，2005.

[5] 李现勇.Visual CE串口通信技术与工程实现[M].北京：人民邮电出版社，2002.

[6] 栗苹，赵国庆，杨小牛.信息对抗技术[M].北京：清华大学出版社，2008.

式中[δTt]为采样开关控制信号。

假设采样脉冲为理想脉冲，[xt]在脉冲出现瞬间[nTs]取值为[xsnTs]故式（1）可以改写成：

[xsnTs=n=-∞+∞δnTsδTt-nTs] （2）

考虑到时间为负值，无物理意义，因而式（2）可以改写成：

[xsnTs=n=0+∞xnTsδt-nTs] （3）

式（3）表明，采样开关输出的采样信号[xsnTs]是由一系列脉冲组成的，其数学表达式是两个乘积的和。

4 采集器软件功能设计

系统软件运行在基于ARM的工业控制计算机上，将Windows CE 6.0操作系统嵌入ARM芯片中，用C++语言编制控制程序[1]。

图3为高压电子脉冲轨道采集器软件流程图，系统软件的工作流程为：采集器加电后首先进行初始化，初始化完成后，则开始装配数据和模块，即读取存储于工业控制计算机上的数据和配置文件，通过接口将脉冲数据传递给监测系统，监测系统对接收到的数据进行分解。等待数据分解结束后，根据工作模式对数据完整性进行测试，如有错误，则显示报警信息；如数据完整，则存储数据并根据数据画出脉冲波形[4]。

图3 主控制流程图

软件通过主控制模块调度整个系统的运行，要完成的主要任务是通过总线接口与输出数据单元各个结点发送协同控制指令进行通信[2]。根据用户的操作，读取来自触摸屏的信号，然后选择相应的功能模块进行对应的操作。以采集测试信号为例，操作者按下发送数据按键后，系统进入采集信号状态，数据输出单元向主控制模块发送高压电子脉冲波形数据。主控制模块把接收到的200个脉冲波形数据存储到接收缓冲区中。当操作者按下测试信号按键后，系统迅速根据控制命令做出响应并画出相应的脉冲波形图[5]。主控制界面及采集到的测试脉冲信号波形图如图4所示。

图4 主控制界面及测试脉冲信号波形图

（上接第108页）

5 结 语

高压电子脉冲轨道采集器能准确快速的测量并显示高压不对称脉冲信号峰值电压、真有效值电压、并记录下脉冲信号波形，为轨道继电器正常工作提供数据支撑，也为铁路现场工作人员及时发现并解决轨道电路的异常情况提供了保障，具有重要的实际应用价值和市场推广价值。

实践证明，该系统能满足用户的基本需要，收到了良好的效果。

参考文献

[1] 杨奕昕，张玉辉，赵毅忠.嵌入式技术在花样缝纫机控制系统中的应用[J].兵工自动化，2010（12）：73?74.

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[5] 李现勇.Visual CE串口通信技术与工程实现[M].北京：人民邮电出版社，2002.

[6] 栗苹，赵国庆，杨小牛.信息对抗技术[M].北京：清华大学出版社，2008.

式中[δTt]为采样开关控制信号。

假设采样脉冲为理想脉冲，[xt]在脉冲出现瞬间[nTs]取值为[xsnTs]故式（1）可以改写成：

[xsnTs=n=-∞+∞δnTsδTt-nTs] （2）

考虑到时间为负值，无物理意义，因而式（2）可以改写成：

[xsnTs=n=0+∞xnTsδt-nTs] （3）

式（3）表明，采样开关输出的采样信号[xsnTs]是由一系列脉冲组成的，其数学表达式是两个乘积的和。

4 采集器软件功能设计

系统软件运行在基于ARM的工业控制计算机上，将Windows CE 6.0操作系统嵌入ARM芯片中，用C++语言编制控制程序[1]。

图3为高压电子脉冲轨道采集器软件流程图，系统软件的工作流程为：采集器加电后首先进行初始化，初始化完成后，则开始装配数据和模块，即读取存储于工业控制计算机上的数据和配置文件，通过接口将脉冲数据传递给监测系统，监测系统对接收到的数据进行分解。等待数据分解结束后，根据工作模式对数据完整性进行测试，如有错误，则显示报警信息；如数据完整，则存储数据并根据数据画出脉冲波形[4]。

图3 主控制流程图

软件通过主控制模块调度整个系统的运行，要完成的主要任务是通过总线接口与输出数据单元各个结点发送协同控制指令进行通信[2]。根据用户的操作，读取来自触摸屏的信号，然后选择相应的功能模块进行对应的操作。以采集测试信号为例，操作者按下发送数据按键后，系统进入采集信号状态，数据输出单元向主控制模块发送高压电子脉冲波形数据。主控制模块把接收到的200个脉冲波形数据存储到接收缓冲区中。当操作者按下测试信号按键后，系统迅速根据控制命令做出响应并画出相应的脉冲波形图[5]。主控制界面及采集到的测试脉冲信号波形图如图4所示。

图4 主控制界面及测试脉冲信号波形图

（上接第108页）

5 结 语

高压电子脉冲轨道采集器能准确快速的测量并显示高压不对称脉冲信号峰值电压、真有效值电压、并记录下脉冲信号波形，为轨道继电器正常工作提供数据支撑，也为铁路现场工作人员及时发现并解决轨道电路的异常情况提供了保障，具有重要的实际应用价值和市场推广价值。

实践证明，该系统能满足用户的基本需要，收到了良好的效果。

参考文献

[1] 杨奕昕，张玉辉，赵毅忠.嵌入式技术在花样缝纫机控制系统中的应用[J].兵工自动化，2010（12）：73?74.

[2] 赵君，刘卫国，谭博.基于CAN总线的分布式多电机控制研究[J].测控技术，2008（8）：70?73.

[3] 王帅宇，张宇河，郭萱.基于CAN总线伺服控制系统的设计及控制方法[J].北京理工大学学报，2006（5）：421?422.

[4] 汪兵，李存斌，陈鹏，等.EVC高级编程及其应用程序开发[M] . 北京：中国水利水电出版社，2005.

[5] 李现勇.Visual CE串口通信技术与工程实现[M].北京：人民邮电出版社，2002.

[6] 栗苹，赵国庆，杨小牛.信息对抗技术[M].北京：清华大学出版社，2008.