轨道绝缘节阻抗在线测试仪的设计

樊依林

(中国煤炭科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安710077)

轨道绝缘节阻抗在线测试仪的设计

樊依林

(中国煤炭科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安710077)

文中论述了轨道绝缘节阻抗在线测试仪的设计原理,以STM32F103VC Cortex-M3为核心,产生100 kHz高频方波信号,由恒流源电路输出到被测轨道绝缘节两端,并由处理器内部高速ADC对测量点两端电压值进行采集,通过FIR滤波器滤除牵引电流回流及轨道各种频率信号,分离出能够表征绝缘节阻抗变化的信号分量,最终计算出被测轨道绝缘节阻抗值。实验表明文中所研究的轨道绝缘节阻抗在线测试仪有一定应用前景。

轨道绝缘；FIR滤波器；Cortex-M3；高频激励

轨道电路是列车运行安全控制的重要基础设备。它是以铁路线路上的两根钢轨作为导体,两端为钢轨绝缘（或电气绝缘）分界,并用导线连接信号源和接收设备构成的电路,用以检查有无列车、传递列车占用信息及实现地面与列车间传递信息的电路。它的工作可靠与否将直接影响列车运行状态与效率,直接影响运输生产的安全［1］。

列车电务系统发生的行车故障中大部份是由道岔和轨道电路故障引起,而轨道电路故障又大部份由绝缘节破损引起。由于轨道绝缘节破损的原因较复杂,这些绝缘包括钢轨轨端绝缘、道岔安装装置绝缘、轨距杆绝缘等各种轨道绝缘,查找较困难。目前主要通过拆除轨道绝缘两端的轨道电路设备和轨道绝缘本身,用万用表或绝缘摇表测量绝缘节阻抗并估计绝缘破损情况,工作量大并且测试结果不准确［2］。因此,研究一种能够快速、简单、便捷地在线测量轨道绝缘节阻抗的仪表具有很重要的意义。文中研究的轨道绝缘节阻抗在线测试仪用于在线检测轨道绝缘状况,判断轨道绝缘节电阻大小是否满足列车运行安全标准。轨道绝缘节阻抗在线测试仪的研究能够减轻铁路信号养护人员的劳动强度,提高故障判断效率,以保证铁路运输的安全,提高运输效率。

1 测量原理

轨道在正常运转时存在复杂的通讯信号,信号频率主要为 10.3、11.4、12.5、13.6、14.7、15.8、16.9、18、19.1、20.2、21.3、22.4、23.5、24.6、25.7、27.9、29、50、1 700、2 000、2 300、2 600Hz等［3］,但通讯信号电流大小未知。要实现绝缘节阻抗的在线测量,首先得保证测试仪不会对轨道电路现有信号造成影响,其次能在复杂的干扰环境下提取有用的被测量。本文研究的轨道绝缘节阻抗在线测试仪通过在被测轨道绝缘节两端加入恒流高频脉动信号,由高速ADC采集该信号,通过测试仪内部的STM32F103VC Cortex-M3处理器进行变换分析,滤除牵引电流及轨道各种频率信号,分离出能够表征绝缘电阻变化的信号分量来,计算出被测轨道绝缘节两端的阻抗,最终由LCD液晶显示屏显示阻抗值。系统结构框图如图1所示。

STM32F103VC处理器通过定时器1产生100 kHz,50﹪占空比的方波［4］,经由恒流源电路输出有效值为1 mA的电流至被测轨道绝缘两端。通过检测电路对轨道激励电流接入点之间的电压信号进行放大处理,由处理器内部高速AD以1 Msps的采样速度进行采样,经过FIR滤波器滤除轨道电路中低频通讯信号,提取出100 kHz激励信号频率分量的幅值,计算出在100 kHz/1 mA电流激励下被测轨道绝缘两端产生电压真有效值的大小,由欧姆定理可以求出绝缘节阻抗值R。

图1 系统结构框图Fig.1 The system block diagram

2 系统硬件设计

硬件电路包括STM32F103VC处理器及其外围电路、恒流源电路、差分放大电路、供电电路、显示及按键等。

2.1 恒流源电路

STM32F103VC通过定时器1实现50﹪方波信号发生,由I/O口输出,其峰峰值为3.3 V,为单极性信号。经过图2所示电路,可以在T1和T2接触点之间产生峰峰值为2 mA,真有效值为1 mA的恒定电流。

图2 恒流源电路Fig.2 Constant current source circuit

该电路主要需要考虑运放器件的选择。由于该电路需要对方波信号进行处理,因此运放的压摆率和带宽是影像输出信号波形和幅值的主要因素。AD8532的压摆率为5 V/μs,带宽为3 MHz,在ADC采样率为1 Msps,采样范围为0～2.5 V的硬件基础下足以满足测量精度要求。

2.2 差分放大电路

高频激励电流信号通过两根表笔引到轨道测试点,由欧姆定理可知,在两接触点之间会产生与两点间阻抗成正比的电压。该电压为浮动电压,因为表笔输出没有与测试仪内部共地,且轨道内存在幅值未知的电流信号,同样会再测试点之间产生电压值,因此需要通过差分放大电路来对测试点之间的电压进行提取和放大［5］。电路原理图如图3所示。

INA111是具有优越性能的高速FET输入仪表放大器。内部用一个电流反馈布局提供了极宽的带宽（G=10时2 MHz）和快速的稳定时间（G=100时,4 μs,0.01﹪）。用一个外部电阻,可设定从1～1 000的任意增益值。FET输入减小了输人偏流,使之低于20pA,有简单的滤波和限制电路,而且它具有极高的输入阻抗,因此INA111在本设计中可以大大简化测量电路的复杂程度。

图3 差分放大电路Fig.3 Difference amplifier circuit

3 FIR数字滤波器

模拟滤波器有其自身的缺点,即容易受外界干扰,稳定性不够好。数字滤波器在计算机技术的推动下应用的越来越普遍,实现也越来越简单。数字滤波器和模拟滤波器相比,有精度高、灵活性强、不要求阻抗匹配和实现模拟滤波器无法实现的特殊滤波功能等优点［6］。文中结合系统在线测试的原理,设计数字滤波器来滤除铁路通信信号等干扰信号。数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统,通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。根据其单位冲激响应函数的时域特性可分为两类:无限脉冲响应（IIR）滤波器和有限脉冲响应（FIR）滤波器。IIR数字滤波器的缺点就是只保证了幅频特性的一致,不具有线性相位。而有限冲激响应（FIR）数字滤波器容易设计成线性相位,由于FIR滤波器的传输函数的极点固定在原点,只能用较高的阶数达到高的选择性。但是,稳定和严格的线性相位特征是FIR数字滤波器最大的优点［7-9］。

文中FIR滤波器的实现是利用STM32的库函数这一工具,STM32库函数十分丰富,用库函数实现滤波简单,方便,而且效果十分明显,从而减小了综合应用中的开销。这里需要注意的是STM32的DSP库要求滤波器系数的个数必须是4的倍数,而滤波器的阶数应该为系数个数减一。Fir的函数输入是16位的向量x,输出32位的向量a。stm32f10x_it.c中宏定义了滤波器长度M,滤波器输出数据长度为N,响应的滤波器输入长度为M+N-1。本文在这里M取32,N为采集到的数据点数,取1 024个点,滤波器参数输入到结构体中,设定好输入长度,然后用FIR滤波处理函数来实现滤波功能。

4 测量系统的软件实现

文中采用的开发工具是Keil MDK。软件系统的设计根据硬件电路各个模块完成的不同功能,采用模块化的设计方式,把测试仪要完成的功能模块化,再编写各个模块的软件。对各个模块的功能完成软件调试后,再对各个模块完成协调整合,最后完成测试仪系统软件设计。测量系统软件设计主要包含A/D采样、FIR滤波算法、真有效值计算、阻值计算和误差补偿等。程序设计主要是基于STM32固件库进行的,具有开发简单,可读性强,代码维护难度低等优点。系统软件流程图如图4所示。

图4 软件流程图Fig.4 Software flow chart

5 测量数据

首先,用本系统测试了标称值从10～70 Ω的电阻,对误差进行评定。每隔10 Ω测一个数据点,测量3次,用Wayne Kerr Electronics公司的6500系列高精度阻抗测试仪 （精度可达 ±0.05﹪）的测量数据为基准,对本系统测量电阻做误差评定并跟阻抗仪测试的数据进行比较,表1给出了测得的数值。

表1 测量数据Tab.1 Measurement data

6 结论

文中设计的轨道绝缘节阻抗在线测试仪以STM32F103VC Cortex-M3为核心,产生100KHz50﹪占空比高频方波信号,由恒流源电路输出到被测轨道绝缘两端,并由处理器内部高速ADC对测量点两端电压值进行采集,通过FIR滤波器滤除牵引电流回流及轨道各种频率信号,分离出能够表征绝缘电阻变化的信号分量,最终计算出被测轨道绝缘节阻抗值。该测试仪具有操作简单、携带便捷、抗干扰能力强、测量精度高等优点,极大降低维修人员的劳动强度,提高了故障判断效率。

［1］李伟，周建平.轨道绝缘测试仪的研究［J］.中国铁路，2004，（9）:47-49.LI Wei，ZHOU Jian-ping.Research of the track insulation testing instruments［J］.Chinese Railways，2004，（9）:47-49.

［2］姜贺彬.牵引供电系统对铁路信号系统的电磁干扰分析［D］.成都:西南交通大学,2009.

［3］俞涵升.25 Hz相敏轨道电路［M］:北京:中国铁道出版社，1991.

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［5］武利珍.基于STM32的便携式心电图仪的设计与实现［D］.杭州:杭州电子科技大学，2009.

［6］丁玉美，高西全.数字新号处理［M］.西安:西安电子科技大学，2004.

［7］蒋志凯.数字滤波与卡尔曼滤波［M］.北京:中国科学技术出版社，1983.

［8］杜正聪，辛强，邓寻.基于权值优化的粒子滤波算法研究［J］.重庆师范大学学报:自然科学版,2015(3):124-129.DU Zheng-cong，XIN Qiang，DENG Xun.Research on weight optimal particle filter algorithm ［J］.Journal of Chongqing Normal University:Natural Science，2015(3):124-129.

［9］徐杨，张正华.基于卡尔曼滤波的机动与非机动目标的定位跟踪［J］.电子设计工程,2014(20):52-54，57.XU Yang，ZHANG Zheng-hua.The maneuverable and nonmaneuveranle target tracking based on Kalman filtering［J］.Electronic Design Engineering,2014(20):52-54，57.

Design of the track insulation joint impedance testing instruments on-line

FAN Yi-lin
（Xiˊan Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp,Xiˊan 710077,China）

This paper analysis the track insulation joint impedance on-line testing instrument of the measuring principle，based on STM32F103VC Cortex-M3.Using microcontroller generate 100 kHz high frequency square wave signal as excitation.Then use the current source circuit output current loaded into the insulation at both ends of the measured track.by the internal high-speed ADC processor data sampling，Through the FIR filter to filter out the traction current return and all kinds of low frequency signals in track，the separation can characterize the insulation impedance change signal components.Ultimately calculate the insulation impedance of the measured track.Experimental results show that，the system has good a good application prospect.

the track insulation；FIR filter；Cortex-M3；high frequence drove

TN709

：A

：1674-6236（2015）18-0127-03

2014-12-23稿件编号：201412221

樊依林（1986—）,男,陕西西安人,硕士研究生。研究方向:仪器科学与技术。