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基于ARM和相关算法的轨道信号检测系统设计 熊志金 广州铁路职业技术学院轨道交通学院 X 关注成功！ 加关注后您将方便地在 我的关注中得到本文献的被引频次变化的通知！ 新浪微博 腾讯微博 人人网 开心网 豆瓣网 网易微博 摘????要： 为了保证列车的安全运行, 需要对轨道电路中的二元二位继电器两端的电压信号和相位差进行高精确度的检测。在比较目前几种常用测量方法的基础上, 提出基于相关算法的测量方法, 给出了信号检测系统的硬件构成、各种电路和算法的软件实现, 并对测量方法的抗干扰性能进行了分析。 关键词： ARM; 相关算法; 轨道电路; 信号检测; 作者简介：熊志金 (1974—) , 硕士研究生, 副教授, 工程师, 从事嵌入式控制技术、无线传感器网络及应用研究。 收稿日期：2017-06-05 Received： 2017-06-05 0 引言 轨道电路广泛应用于轨道交通领域, 是轨道交通系统运行实现自动控制和远程监控的必不可少的设备。通过对轨道电路中的电压信号和相位差信号的检测, 可以实现列车定位、判断当前轨道是否被列车占用;同时也是轨道车辆和控制地面之间的一个信息传输通道, 保证控制轨道车辆安全运行。在现实的轨道交通系统中, 必须采取精确、可靠的方法测量轨道电路的电压和相位差信号, 确定轨道的使用情况, 保证轨道车辆运行安全。 1 轨道电路工作原理 轨道电路电源采用的是25 Hz、25 V的交流电源, 其结构组成如图1所示, A、B表示两条铁轨, R是调节电阻。当没有列车占用轨道时, A、B开路, 继电器吸合;当列车占用轨道的时候, A、B短路, 继电器释放。轨道电路的电压信号和相位差检测能够反映轨道是否被列车占用。然而, 轨道现场运行情况很复杂, 存在50 Hz的干扰信号, 使继电器不能正确动作, 同时由于轨道常年暴露在外, 容易生锈, 列车占用轨道后会产生比较大的残压, 使继电器不能正确的释放, 给采集系统造成错误判断。随着列车的提速, 对轨道电路信号的检测要求也更加严格。 为了克服干扰信号, 目前采用二元二位继电器, 其结构如图2所示, 左边110 V、25 Hz的局部电压, 右边是轨道电压。当继电器通以规定频率电流, 且局部电压与轨道电压的相位相差90°左右时轨道电路处于纯电阻状态, 即最佳状态, 此时继电器的驱动能力达到最大, 使前接点闭合。为了提高检测的准确性, 先检测两端电压的相位差, 然后采取相应的补偿措施。因此, 轨道电路的信号检测就变成了测量二元二位继电器两端的局部电压、轨道电压值以及局部电路和轨道电路的相位差。 图1 轨道电路结构图 ??下载原图 图2 二元二位继电器结构图 ??下载原图 2 硬件设计 2.1 硬件结构组成 轨道电路的信号检测系统以高性能的32位的STM32F103工业级芯片为控制核心, 包括电源电路、隔离变换电路、滤波电路、信号处理电路、通信电路、报警电路和键盘显示接口电路, 检测系统的结构组成如图3所示。隔离变换和信号处理电路对输入信号进行滤波放大处理, 然后将信号传递到系统控制核心进行采样和计算, 由通信电路将控制核心计算处理的结果传递到上位机, 键盘和显示电路实现参数的设置与测量结果显示, 如果检测出来的信号有异常, 则进行声光报警, 提醒相关人员对轨道进行勘测。 2.2 隔离、变换电路设计 硬件系统采用SPT205电流互感器作为隔离变换电路的主元件, 断开轨道电路与信号检测电路之间的直接电路连接, 保证轨道电路和测量检测电路两端的接地电平不在同一基准上, 杜绝环路电流对各级电位信号的损害。同时, 为了能够让微处理器的A/D转换通道对信号直接处理, 通过SPT205隔离变换电路将轨道电路上大信号转换成小信号。SPT205是一种精密的电流互感器, 精确度达到毫安级, 它的输入输出额定电流均为2m A, 并且一次电流和二次电流相等, 通过电阻R30将电压信号转换为电流信号, 最后通过负载电阻得到输入和输出电压信号的比值。在输出端, 采用电流/电压变换电路将得到的电流信号转换为电压信号, 如图4所示。 图3 系统硬件结构图 ??下载原图 图4 隔离变换电路图 ??下载原图 2.3 信号处理电路设计 轨道电路中掺杂了很多干扰信号, 它们并不是理想的正弦波信号, 从而导致轨道电路中的电压在某一个区域中波动, 若直接采用电压比较电路对掺杂干扰的信号进行处理, 则很难保证输出是一种理想的矩形波信号。另一方面, 由于滤波器电路本身会改变电压信号的相位, 而且也存在相位的误差, 如果直接采用滤波电路对信号进行滤波处理, 将导致轨道电路中电压信号的相位失真, 经过微处理器处理后相位的误差将更大。为了实现对轨道电路中轨道电压与参考电压之间相位差的准确测量, 系统先放大