50 HZ 微电子相敏轨道电路接收器系统的设计

赵德生（南京铁道职业技术学院，讲师，江苏　南京　210031）



50 HZ 微电子相敏轨道电路接收器系统的设计

赵德生
（南京铁道职业技术学院，讲师，江苏南京210031）

摘要：为克服目前广泛使用的50 HZ单轨条相敏轨道电路所存在的缺点，设计了50 HZ微电子相敏轨道电路接收器系统，本文首先介绍了该系统的结构和工作原理；其次介绍了接收器系统硬件电路的设计，包括调相防雷器、接收器；最后介绍了接收器软件的设计，包括软件的设计思路、软件的结构框架、软件的主程序流程图。

关键词：相敏轨道电路；硬件电路；接收器；软件

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.02.008

项目来源：南京铁道职业技术学院青年基金项目

地铁停车场和车辆段中使用的轨道电路设备，用来检查轨道区段空闲与否，作为联锁排列进路需检查的条件之一〔1〕，目前广泛使用的50 HZ单轨条相敏轨道电路，其受电端采用交流二元继电器，在应用过程中，有继电器卡阻、返还系数低等缺点，本文旨在采用单片机技术，来实现相敏轨道电路受电端的接收功能，从而克服原有50 HZ相敏轨道电路中受电端存在的缺点，来确保整个信号系统的可靠运行。

1　系统结构和基本原理

本文主要介绍图1中黑色方框部分，即接收器系统的设计。

图1　轨道电路的系统结构框图

该轨道电路采用双接收器的冗余设计，其受电端的GJ吸起的条件：1）该区段钢轨完整且空闲。2）加到接收器上两路电源（GJZ110、GJF110和TFQ的输出电压GZ、GF）的相位差为00，同时满足以上2个条件，接收器的输出电压（SCZ、SCF）才足以驱动JWXC-1700型继电器吸起，证明该区段是空闲的。

2　接收器系统硬件电路的组合连接

调相防雷器、接收器、报警盒均采用铁路信号AX型继电器外壳和继电器插座，各部件之间的连接如图2所示。

图2　接收器系统的组合连接图

通常一层组合可放置4个区段的接收器设备，为了提高可靠性，每个区段采用2个接收器，每个调相防雷器盒内部有2套调相防雷器，可供两个区段使用，而每个报警盒可供四个区段使用。

3　调相防雷器的电路设计

调相防雷器作为接收器输入接口，其主要作用为匹配轨道输出阻抗，雷电防护，输出信号与输入信号反相。调相防雷器电路见图3所示。

图3　调相防雷器电路图

图3中的71、81为输入端子，气体放电管和压敏电阻起到雷电防护的作用，电容FC 1、FC 2分别与端子72、82相连，为现场应用调整电容；电容FC 3为调整电容，产品生产时，通过调整其大小与变压器抽头，使系统输入阻抗符合指标；电容FC 4与变压器FT1并联，起到匹配阻抗作用；变压器FT 1对信号进行放大，反相〔2〕。

4　接收器的硬件电路

接收器硬件电路主要分为电源模块、轨道采集模块、局部采集模块、芯片处理模块、输出模块共5个部分，见图4所示。

图4　接收器的硬件电路

1）接收器设计有电源电路，将DC 24 V电源转化为DC 12 V 6 V VCC（5 V），为其他模块提供工作电源，并带有故障处理功能。

2）接收器设计轨道采集电路，将调相防雷器转换过来的轨道信号，经过轨道采集电路传输至芯片处理模块。

3）接收器设计有局部采集电路，用于将局部电源信号转化为方波信号，然后输入到芯片处理模块进行处理。

4）接收器设计有芯片处理电路，根据轨道采集电路及局部采集电路所传输来的两路信息，通过芯片内部程序判断轨道状态（不输出），双机通信进行比较后，来判断轨道状态（按此状态输出），从而输出信号。在芯片中设计软件，软件实现A/D采样，状态判断，双机通信，控制信号输出等功能。

5）接收器设计有输出电路，接收器通过输出电路输出轨道继电器控制信号，并将最终输出信号反馈至芯片。

5　接收器的软件设计

本软件为嵌入式软件，采用分模块的设计思想，不使用操作系统，程序周期性的采集信号，处理数据，控制输出信号。

软件采用模块化设计，划分初始化模块、采集模块、计算模块、判断一模块、通信模块、判断二模块、中断模块共7个模块，共同完成软件整体功能。

5.1软件的时序调度由于不采用操作系统，因此软件调度设计为顺序执行，即在主程序里无限循环，周期性地进行采集、计算、通信、判断等任务，在中断中完成输出功能。

初始化结束后，进入前台调度。前台调度是一个无限循环，内部顺序执行各个功能，后台调度主要处理中断向量（见图5所示）。中断由延时触发，指的是每间隔一定时间触发中断。中断发生后，即执行中断处理程序，然后返回前台调度程序，中断判断不同状态返回前台调度不同位置〔3〕。

图5　软件调度流程图

5.2软件行为接收器的软件可以看作是一个处理器控制器——不停地从外部采集轨道、局部信号，将信息加工处理后进行判断轨道状态，控制输出信号，如图6所示。

图6　软件行为模型

5.3软件构架轨道信号，局部信号为软件输入，判断模块一根据轨道电压、相位差等数据判断轨道状态二，通信模块进行双机的数据交换；判断模块二根据数据交换信息及轨道状态二来判断轨道状态三，中断模块根据轨道状态三控制输出端口。软件构架见图7所示。

图7　软件架构

该软件使用15个采样周期进行判断，当大于等于7个周期的占用状态输出占用信息，进行轨道状态判断时，同时判断相位信息（轨道信号与局部电源相位差）和轨道电压信息。

5.4软件模块的划分初始化模块：完成初始化功能，包含MCU启动的初始化寄存器配置，I/O口配置等，输出控制端口、A/D采集通道和采集时间及转换时间的配置，SPI通信口工作模式的初始化配置、采集时钟、中断模式的配置等等〔3〕。

采集模块：完成轨道信号80次模数转换，将采样值填充到采样数据缓冲区，同时采集局部电源信号，判断局部信号是否有脉冲边沿变换，并记录到局部信号存储缓冲区。

计算模块：根据A/D采样结果和局部采样结果来计算轨道信号电压，计算轨道信号同局部信号之间相位差。

判断一模块：根据计算模块的计算结果判断单周期轨道状态（状态1）及多周期统计轨道状态（状态2），填充到数据缓冲区。

通信模块：根据判断一模块的计算结果，通知对方机，本机计算完毕并进入双机通信就序状态，MCUA作为主机发起双机通信，通信信息包含起始握手、轨道状态（状态2）、轨道信号电压、相位差等信息，并同步接收MCUB回传信息。MCUB根据MCUA同步时钟接收MCUA通信信息并同步发送本机的信息。

判断二模块：通信结束后，单个MCU根据对方MCU轨道状态2，本机轨道状态2，判断本机最终轨道状态（状态3），填充控制状态缓冲区。

中断模块：中断被触发后，根据轨道状态3，控制输出端口输出，MCUA根据结果输出高低电平，MCUA根据计算结果启动或停止输出控制脉冲，最终硬件输出结果由硬件电路将MCUA和MCUB的输出结果合成最终控制状态。软件的主程序流程见图8所示。

图8　主程序流程图

6　结论

本文采用单片机技术所设计的50 HZ微电子相敏轨道电路，采用双CPU实现二取二安全冗余，当CPU多次通信结果一致时，动态驱动轨道继电器，提高了可靠性和安全性，克服了原有50 HZ相敏轨道电路受电端二元二位继电器接点容易卡阻、返还系数低、抗电气化干扰性能差等缺点。

参考文献：

〔1〕林瑜筠.城市轨道交通信号〔M〕.中国铁道出版社，2008.

〔2〕付茂金.高速铁路通信信号综合防雷技术.科学出版社，2014.

〔3〕江和.PIC16系列单片机C程序设计与PROTEUS仿真〔M〕.北京航空航天大学出版社，2010.

中图分类号：U284.2

文献标识码：A

文章编号：1006-8686（2016）-02-0022-03