（物理电子学专业论文）全频点轨道绝缘故障检测仪的设计与实现.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 摘要 铁路是国民经济发展的大动脉，它对于促进城乡物资交流，繁荣社会经济起 着非常重要的作用。铁路信号系统是轨道交通的系统中调整列车运行的现代自动 控制与远程控制系统的基础设备。它是以铁路线路上的两根钢轨作为导体，两端 为物理绝缘( 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 的工作可靠性将直接影响列车运行的安全和效率。轨道信号电路经常出现的绝缘 破损故障，一般以故障位置不同分为短路故障和漏电故障。故障发生时，红指示 灯常亮、绿指示灯灭，指示灯无法进行正常指示。在相应轨道段地面与列车传递 信息电路就会被中断，因此在故障排除前必须禁止列车通行，故障点的排查工作 量大，直接影响铁路运输的效率，所以必需在短时间内完成故障排除。 国内现有轨道信号制式有5 0 h z 、2 5 h z 相敏、国产移频( 5 5 0 h z 、6 5 0 h z 、 7 5 0 h z 、8 5 0 h z ) 、u m 7 1f1 7 0 0 h z 、2 0 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 、2 6 0 0 h z ) ，国产2 0 0 0 ( 频 点同u m 7 1 ) 共1 0 种频率，为适应不同制式及同- - $ j 式多种频率信号的绝缘故障 排查，设计了此款全频点轨道绝缘测试仪，它适用于国内现有的1 0 种轨道信号 的短路故障点和漏电故障点的排查。 它是以电磁感应原理为基础，使用线圈制作的感应器，从轨道内提取微弱信 号，利用硬件放大电路实现各频率信号大小的协调和放大，依靠程控滤波芯片 m a x 2 6 2 实现灵活的带通滤波消弱外界干扰，再通过精密整流及峰值检测电路 后，将信号输入微处理器利用内部a d 转换器将模拟量转化为数字量，通过软 件编程实现a d 采样及故障判断的抗干扰处理，并根据信号量的变化判断故障发 生的具体位置。 通过现场试验证明，本仪器能够排除由于轨道磁场分布不均匀所产生的干 扰，实现故障检测的无误报和无漏报，人性化人机界面设计降低了对使用人员的 要求。 关键词：铁路信号系统全频点程控滤波轨道绝缘破损检测 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er a i l w a yi s , p l a y i n gt h ee x t r e m e l yv i t a lr o l ei nt h en a t i o n a le c o n o m y d e v e l o p m e n t t h er a i l w a ys i g n a ls y s t e mt h a ti su s e df o ra d j u s t i n g t r a i no r b i ti st h eb a s e e q u i p m e n to fa u t o c o n t r o la n dl o n g - r a n g ec o n t r o ls y s t e m i tu s e s t w ot r a c k sa s e l e c t r i c a lw i r e ，b o t he n da r ep h y s i c a li n s u l a t i o n ( o re l e c t r i cr a i li n s u l a t i o n ) t h e s y s t e mw h i c hi sc o m p l e t e db yu s i n gw i r et oc o n n e c tt h es i g n a le q u i p m e n t sa n dt w o t r a c k si su s e dt oe x a m i n ew h e t h e rt h eo r b i ti sb u s yo rn o t ，t r a n s f e rat r a c ko c c u p a n c y i n f o r m a t i o na n dt r a n s f e ri n f o r m a t i o nb e t w e e nt h ec o n t r o lc e n t e ra n dt h et r a i n t h er e l i a b i l i t yo fi t sw o r kh a sd i r e c ti m p a c to nt h es a f e t ya n dt h ee f f i c i e n c yo ft h e t r a i no p e r a t i o n t h ei n s u l a t i o nb r o k e nm a l f u n c t i o n sa r eo f t e nf o u n d t h e yc o u l db e d i v i d e di n t ot w op a r t s - - t h es h o r tc i r c u i tm a l f u n c t i o n sa n dt h el e a k a g eo fe l e c t r i c i t y m a l f u n c t i o n s a c c o r d i n gt ot h el o c a t i o nw h e r em a l f u n c t i o no c c u r w h e nt h e m a l f u n c t i o nh a p p e n s ，t h er e dl i g h t si sa l w a y so na n dt h eg r e e nl i g h t si sa l w a y so f f t h es i g n a ll i g h t sh a sn ow a yt oc a r r yo u tt h er i g h ti n f o r m a t i o n t h ec i r c u i ti s d i s c o n n e c t e d t r a i n sm u s tb ef o r b i d d e n t o g ot h r o u g hb e f o r et h et r o u b l ei s r e m o v e d d e t e c t i n gm a l f u n c t i o ns p o tc o n t a i n sal o to fw o r k t oa c c o m p l i s h ea t r o u b l er e m o v a lw i t h i ns h o r tt i m ei si n d i s p e n s a b l e t h ea v a i l a b l ed o m e s t i co r b i ts i g n a ls t y l e sa r e5 0 h z ，2 5h zp h a s e s e n s i t i v e ， d o m e s t i cs h i f tf r e q u e n c y ( 5 5 0h z ，6 5 0h z ，7 5 0h z ，8 5 0h z ) ，u m 7 1 ( 1 7 0 0h z ， 2 0 0 0h z ，2 3 0 0 h z ，2 6 0 0h z ) ，d o m e s t i c2 0 0 0 ( t h es a m ef r e q u e n tp o i n tw i t hu m 7 1 ) 1 0k i n d sf r e q u e n c yi nt o t a l b et oa d a p tt od e t e c ti n s u l a t i o nb r o k e ns p o to fd i v e r s i t y s t y l et r a c ka n dd i v e r s i t yf r e q u e n c yi no u es t y l et r a c k ，m u l t i p l ef r e q u e n c yi n s u l a t i o n b r o k e ns p o td e t e c t o rh a sb e e nd e s i g n e dh e r e i ta p p l i e st o1 0f r e q u e n c i e si nt h e h o m e l a n d t ot a k ee l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o np r i n c i p l ea sb a s i s ，i ta b s t r a c t st h ef a i n t s i g n a lf r o mt h et a c kc i r c u i tb yt h ei n d u c t a n c ec o i l t h es i g n a ls i z e o fd i f f e r e n t f r e q u e n c yi s c o o r d i n a t i o nb ya m p l i f i e rc i r c u i t b a n df i l t e r i n gd e p e n d i n go u 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c l p r o g r a m m e df i l t e rc h i pm a x 2 6 2 i su s e df o rw e a k i n gt h ee x t e r n a ld i s t u r b a n c e t h e nt h es i g n a lt h r o u g hp r e c i s ec o m m u t a t i o na n dt h ep e a l 【v a l u ed e t e c t i n gc i r c u i t a t l a s ti ti s c h a n g e di n t od i g i t a ls i g n a lb yi n s i d ea d t h es o f t w a r ea c c o m p l i s h e s a n t i i n t e r f e r e n c ei na d s a m p l i n g a n dt h ej u d g e m e n to fm a l f u n c t i o nt h e m a l f u n c t i o ns p o ti sj u d g e da c c o r d i n gt os i g n a ls i z eb ys o f t w a r e e x p e r i m e n t sa tr a i l w a ys c e n es h o wt h a tt h i si n s t r u m e n t 伽r e s i s tt h ed i s t u r b a n c e o fn o n - h o m o g e n e o u sm a g n e t i ci nt h et a c ka n dn oe r l o ro rf a u l ta l a r m t h ef r e n d l y i n t e r f a c er e q u e s tal i t t l es p e c i a l i z e dk n o w l e d g eo fn s e l k e y w o r d s ：t h er a i l w a ys i g n a ly s t e m ；m u l t i p l ef r e q u e n c y ：p r o g r a m a b l ef i l t e r ： d e t e c t i o no ft h et r a c ki n s u l a t i o nb r o k e ns p o t l l i 郑州大学硕士学位论文第一章引言 1 1 课题背景 第一章引言 铁路是国民经济发展的大动脉，它对于促进城乡物资交流，繁荣社会经济起 着非常重要的作用。近年来，我国的轨道交通信号技术已在吸收国外新技术的基 础上不断的发展，并已在我国干线铁路及城市轨道交通中得到了应用，使得我国 干线铁路的行车速度不断提高，个别区段的车速已经接近发达国家的水平。与此 同时，新建和在建的地铁、轻轨，其行车密度之高、列车间隔之短也已接近或己 达到国际先进水平，并且铁路的发展也带动了相关行业的崛起。 随着我国社会主义现代化进程的进一步深化，铁路在我国国民经济生活中所 起的作用将更加重要，在此背景下，人们对行车安全有了更高的要求，这也要求 我国的铁路行业向更高的标准发展。 铁路信号系统是轨道交通的系统中调整列车运行的现代自动控制与远程控 制系统的基础设备。他是以铁路线路上的两根钢轨作为导体的，两端为物理绝缘 ( 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 性将直接影响列车运行的安全和效率。 目前国内铁路信号电路系统共存在五种制式【1 1 ：5 0 h z 、2 5 h z 相敏、国产移 频、法国u m 7 1 、国产2 0 0 0 ，其中国产2 0 0 0 是在法国u m 7 1 轨道电路技术引进 与国产化基础上进行技术再开发产生的，其工作原理及信号特点均相同。 铁路信号制式特点介绍： 5 0 h z 和2 5 h z 相敏均为交流计数电码自动闭塞制式铁路信号。2 5 h z 应用于 电气化牵引区段，两种自动闭塞除键控调制的频率不同外其他都是相同的。交流 计数码自动闭塞是以钢轨作为通道传递交流脉冲，以脉冲的数目来控制地面和机 车信号机的一种自动闭塞制式【2 1 。交流计数电码的信息特征如表1 - 1 所示。 郑州大学硕士学位论文第一章引言 表1 - 1 交流计数电码的信息特征 信息特征地面信号显示机车信号显示 删 删 地一 绿灯( l )绿灯( l ) 绿灯( l ) 黄灯( u ) 红灯( h ) 黄灯( u ) 红或黄灯( u i t ) 红或白灯( h b ) 国产移频是一种移频自动闭塞制式铁路信号。它选用的载频信号为： 5 5 0 h z 、6 5 0 h z 、7 5 0 h z 、8 5 0 h z 。采用频率调制的方法，把低频信息f l 搬移到 较高频率( 载频f o ) 上，以形成幅度不变、频率随低频信号的幅度作周期性变 化的调频信号。将此信号用钢轨作为传输通道来控制通过信号机的显示，达到自 动指挥列车运行的目的。轨道电路的频率配置和信号传输方式在同一线路的两相 邻闭塞分区必须采用不同的频率，而且两相邻的并行线路也应该采用不同频率， 以防止邻线干扰。为此一般上行线规定采用的中心频率岛是6 5 0 i - i z 和8 5 0 h z 两种载频频率交替配置，下行线规定采用的中心频率岛是5 5 0 h z 和7 5 0 i - i z 两 种载频频率交替配置，频偏f 为5 5 i - i z 。 u m 7 1 3 1 轨道电路是无绝缘移频轨道电路，它的系统选用了四个较高的载频 信号：1 7 0 0 h z 、2 0 0 0 i - i z 、2 3 0 0 h z 和2 6 0 0 h z 。其中，下行线采用1 7 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 信号交替配置；上行线采用2 0 0 0 h z 、2 6 0 0 h z 信号交替配置。为满足列车速度控 制等多信息需要，u m 7 1 轨道电路共有从1 0 3 i - i z 开始按1 1 l - i z 等差递增至2 9 h z 的1 8 种低频信息。其频偏a f 为l l h z ，故u m 7 1 轨道电路轨面上传送的移频信 号由载频如、频偏和低频调制信号f c 三者构成。如某区段载频岛为2 0 0 0 i - i z 、 低频调制信号f c 为1 6 9 i - i z ，则轨面移频信号在( f l r a f ) 即1 9 8 9 h z 和( 岛+ a f ) 即2 0 1 1 h z 之间，每秒周期移动1 6 9 测4 】。 国产2 0 0 0 的频率选择及信号特点同u m 7 1 1 5 1 。 按照绝缘类型可将上述各制式分为物理绝缘和电气绝缘两种，物理绝缘即为 相邻两段轨道在接口处是绝缘的，将两段轨道信号电路隔离开，5 0 h z 、2 5 h z 相 敏、国产移频均为物理绝缘轨道电路；电气绝缘是利用电气绝缘节( 又称调谐区) 2 郑州大学硕士学位论文第一章引言 实现两段轨道信号电路的隔离，法国u m 7 1 和国产2 0 0 0 为电气绝缘轨道电路。 电气绝缘节原理如下1 6 】： 电气绝缘节( 又称为调谐区) ，主要包括2 个通用调谐单元，1 个空心线圈s a v 和1 段钢轨，电气绝缘节的长度根据线路条件而定设为d ，通用调谐单元有4 种， 分别对应不同的频率，每个b u 包括1 个“零阻抗”和1 个“极阻抗”，对本区 段的频率呈现极阻抗，对相邻区段的频率呈现零阻抗，既可用于发送，又可用于 接收。相邻轨道区段实现电气绝缘的原理如图所示，a 端l l c l 对b 端的频率f 2 为串联谐振，呈现较低阻抗，相当于短路，阻止了相邻区段信号进入本轨道电路 区段，而a 端l l c l 对本区段的频率f 1 呈现电容性，对于本段频率f l ，a 端l 1 c l 与调谐区钢轨、s v a 的综合电感构成并联谐振，呈现较高阻抗，称极阻抗，相当 于开路，以此减少了对本区段信号的衰耗，同理，b 端k c 2 对a 端的频率f l 为 串联谐振，呈现较低阻抗，相当于短路，阻止了相邻区段信号进入本轨道电路区 段，而b 端k c 2 c 3 对本区段的频率f 2 呈现电容性，对于本段频率f 2 ，b 端k c 2 与调谐区钢轨、s v a 的综合电感构成并联谐振，呈现较高阻抗，相当于开路，也 减少了对本区段信号的衰耗，综合上述，通过b u 、s v a c 和调谐区钢轨电感等参 数间的配合，把相邻的两个轨道电路区段信号隔离，即完成电气绝缘节作用。 图1 - 1 电气绝缘节原理图 轨道信号电路经常出现的绝缘破损故障，一般以故障位置不同分为短路故障 和漏电故障。故障发生时，红指示灯常亮、绿指示灯灭灯无法进行正常指示。在 相应轨道段地面与列车传递信息电路就会被中断，因此在故障排除前必须禁止列 车通行。 轨道电路短路和漏电故障分别如图1 - 2 所示。 3 郑州大学硕士学位论文第一章引言 钢轨绝缘，短路点 _ ! ：，l ，+ 卜斗r - i 一- + - 十 i 信呈遂ii 鱼夔i 1 2 研制意义 a 短路故障 b 漏电故障 图1 2 轨道绝缘电路绝缘破损示意图 轨道信号电路一旦发生绝缘破损故障，信号源就停止发送正常控制信息，只 发送该段载波中心频率，此时主控室会告知维护人员排查故障，故障排查时我们 只需要关注此段轨道电路的载波中心频率信号的情况，排查时维护人员必须在该 段轨道电路( 1 0 0 0 m 左右) 沿线逐点测试检查，工作量非常大，其维护效率会 直接影响铁路运输的效率，所以必需在短时间内排除故障，故障点自动检测仪器 可以大大提高检测效率。 目前已有简易的单频点绝缘故障检测设备，而国内现有轨道信号制式有 5 0 h z 、2 5 h z 相敏、国产移频( 5 5 0 h z 、6 5 0 h z 、7 5 0 h z 、8 5 0 h z ) 、u m 7 1 ( 1 7 0 0 h z 、 2 0 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 、2 6 0 0 h z ) ，国产2 0 0 0 ( 频点同u m 7 1 ) 共1 0 种频率，这样，不 同制式轨道维护需要配备不同的单频点绝缘故障检测设备，而在国产移频、 u m 7 1 、国产2 0 0 0 这三种轨道制式中信号是在相同轨道线路内交替存在的，至少 要配备四种单频点绝缘故障检测设备，不但维护成本较高也给铁路维护人员的工 作带来不便。 为适应不同制式及同一制式多种频率信号的绝缘故障排查，降低轨道电路维 护成本，提高工作效率，确保铁路运输安全和效率，设计了此款全频点轨道绝缘 测试仪，它适用于国内现有的1 0 种轨道信号的短路故障点和漏电故障点的排查。 全频点轨道绝缘测试仪的设计实现了各维护站组的绝缘破损故障排查的仪 器的统一，只需进行简单参数设定即可实现故障的自动判断报警。 4 郑州大学硕士学位论文 第一章引言 1 3 理论基础 正常轨道电路内电流为安培量级交流信号，它的周围会产生与信号电流方向 垂直的交变磁场b ，磁场强度以轨道为圆心向外递减。 图1 - 3 通电导线磁场分布 根据电磁感应原理，我们将闭合通路的导体放入该磁场内设磁通为f ，就会 得到交变的感应电动势三生，把导体绕成n 匝放入相同的磁场那么磁 n t 通变化约为n x d f ，得到的感应电动势u 塑兰! 翌ns 7 1 。 d t 综上所述，为了采集到尽可能大的信号，第一需要在空间允许的下尽可能增 加线圈匝数，第二在仪器结构设计中把线圈组安置在测量过程中尽可能靠近轨道 的部位。本仪器设计中我们把线圈匝数选为2 千匝，并把线圈安装在仪器贴近轨 道的底部。 根据感应电动势! 生，_ 可知，利用电磁感应原理采集信号时频率对采 m 集信号大小影响较大。 1 4 本课题的主要研究工作 本课题的主要工作是全频点轨道绝缘测试仪的设计实现，作者在导师指导下 独立完成了仪器的设计与实现，主要工作如下： ( 一) 整体硬件电路设计： 1 信号前置通道的设计 ( 1 ) 单路实现对2 5 h z 2 6 0 0 h z 大跨度感应信号的模拟放大及程控滤 5 郑州大学硕士学位论文第一章引言 波电路 ( 2 ) 交流信号的精密整流及峰值检测电路 ( 3 ) 仪器控制和参数设定 ( 4 ) 电源电压检测 2 微处理器的选择及应用 3 后置通道的设计： ( 1 ) 仪器状态信息指示 ( 2 ) 声光及语音报警系统 ( 二) 系统软件设计 1 数字滤波抗干扰处理的软件实现 2 故障点确认算法的软件实现 3 系统主体程序设计 ( 三) 整机调试 1 实验室室内调试 2 铁路段现场调试( 郑州站内、陇海线、新乡货运段等区段) 。 6 郑州大学硕士学位论文 第二章系统的硬件设计 第二章系统的硬件设计 2 1 系统的总体结构设计 图2 - 1 系统硬件结构图 本设计为便携式仪器所以选择锂电池供电，供电电压为7 2 v ，为协调面板 外观设计选择双自锁轻触开关电路作为电源开关，电源经电压转换后为系统各部 分供电。以微处理器为核心，输入主要有：信号采集及预处理电路，检测控制及 参数设定按键；输出及指示部分包括：l e d 指示( 电源、检测状态、故障报警) ， 液晶显示( 检测参数设定流程及设定值，检测状态汉字显示，测量信号大小数字 图形动态显示) ，语音提示及报警，高分贝蜂鸣器报警。 信号采集及预处理是本设计的关键，信号采集是以电磁感应原理为基础，使 用线圈制作的感应器，从轨道内提取微弱交流信号，信号预处理主要包括：利用 硬件放大电路实现各频率信号大小的协调和放大，依靠程控滤波芯片m a x 2 6 2 实现灵活的带通滤波消弱外界干扰，再通过精密整流及峰值检测电路将交流信号 7 郑州大学硕士学位论文 第二章系统的硬件设计 转换为直流信号。最后将信号输入微处理器利用内部a d 转换器将模拟量转化 为数字量，以信号量的变化判断故障发生的具体位置f 8 】。 人机交互界面如图所示： 2 2 电源部分设计 图2 - 2 人机交互界面设计图 1 、供电：定制锂电池供电，电压7 2 v 电流1 5 a 电量7 2 0 0 m a h 电源输入端接二极管和去藕电容。二极管防止电池接反造成内部器件损坏； 放置0 1 p f 和1 0 0 u f 的去耦电容，滤去高频率噪声。 8 郑州大学硕士学位论文 第二章系统的硬件设计 谴| 耀 理 智 。亍。 图2 3 电源输入端保护电路 2 、电源开关：双自锁轻触开关电路 轻触开关k 1 0 被触动时，t l l 管导通，继电器k 工作，其触点j o 接通，负 载r l 可工作。t l l 导通，其集电极为低电平，t 1 0 导通，维持t l l 保持导通； k 1 0 触动后，再触动k l l ，t 1 1 截止，继电器k 断开，j o 也断开，负载r l 被切 断，同时t l l 集电极为高电平，t 1 0 也截止，电路返回等待状态【9 1 。 3 、电压交换： i 锂电 图2 - 4 双自锁轻触开关电路 图2 5 电压转换示意图 所需电压变换有：电源电压至+ 5 v ，电源电压反向至负电压。 电源电压至+ 5 v ，常用的有线性稳压电源和开关稳压电源两类，线性电源的 9 强 郑州大学硕士学位论文 第二章系统的硬件设计 调整管工作在放大状态，因而发热量大，效率低( 3 5 左右) ，需要加体积庞大 的散热片，开关电源的调整管工作在饱和和截至状态，因而发热量小，效率高( 7 5 以上) 选用开关式的电源i cl m 2 5 7 5 。 l m 2 5 7 5 系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1 a 集成稳压 电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的 稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完 善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚，是传 统三端式稳压集成电路的理想替代产品【1 0 】。 封装及管脚分布如下： 7 s t r a i g h tl e a d s s - l e a dt o - 2 2i t ) 图2 - 6l m 2 5 7 5 管脚分布图 7 图2 7l m 2 5 7 5 典型应用电路图 在利用l m 2 5 7 5 设计电路时，应注意以下几点： ( 1 ) 电感的选择 根据输出的电压档次、最大输入电压v j n ( m a x ) 、最大负载电流1 1 0 a d ( m a x ) 等参数选择电感时可参照相应的电感曲线图来查找所需采用的电感值。在此最大 负载电压为8 4 v ，最大负载电流为0 5 a ，所以电感值选择3 3 吮h 髫 一叫i苎m一 p 卜5 ，卜卜 郑州大学硕士学位论文 第二章系统的硬件设计 9 嫂巧f ，? & ，限、，iy 7 t f l l t a l i1 l 磁鲤燃。一知彳 j 瓣 ，一 ii | ， ，瀚 。誓 ，7 铤才 。，7 ，； ， 叟么_ _ x众jx 0 、 图2 8l m 2 5 7 5 电感选择参考图 ( 2 ) 输入输出电容的选择 输入电容应大于4 7 , u f ，并要求尽量靠近电路。而输出电容推荐使用的电容 量为1 0 0 , u f 4 7 0 , u f ，其耐压值应大于额定输出的1 5 2 倍。对于5 v 电压输出， 使用耐压值为1 6 v 的1 0 0 , u f 电容。 ( 3 ) 二极管的选择 二极管的额定电流值应大于最大负载电流的1 2 倍，但考虑到负载短路的情 况，二极管的额定电流值应大于l m 2 5 7 5 的最大电流限制；另# b - - 极管的反向电 压应大于最大输入电压的1 2 5 倍【1 1 l 。 l m 2 5 7 5 应用电路如下： i 图2 9l m 2 5 7 5 应用电路图 电源电压反向产生负电压有开关电容电压转换模块l m c 7 6 6 0 完成。产生与 正电压输入相同值的负输出的c m o s 电压转换器；工作电源电压范围1 5 1 0 v ； 郑州大学硕士学位论文第二章系统的硬件设计 l m c 7 6 6 0 最大静态电流2 0 0 t a ；功率转换效率9 5 ；陶封的功耗0 9 w ，塑封为 1 4 w ；陶封的工作温度5 5 + 1 2 5 ，塑封为4 0 + 8 5 。c ；可在全温和全电压范 围工作1 1 2 j 。 图2 1 0l m c 7 6 6 0 应用电路图 2 3 微处理器p 8 7 c 5 9 1 介绍 # ；窖 ll l l lll 耄害llll芷芒fe 鬟誉聋叠爱 电氅g 霉磬善l 薹i 霉 图2 1 1p 8 7 c 5 9 1 管脚分布图 本设计选用p h i l i p s 公司的p 8 7 c 5 9 1 微处理器，该微处理器具有以下主要特点【1 3 】： 全静态8 0 c 5 1 中央处理单元，可提供o t p ，r o m 和无r o m 型； 1 6 k 字节内部程序存储器，可外部扩展n 6 4 k 字节； 5 1 2 字节片内数据r a m ，可外部扩展到6 4 k 字节； 3 个1 6 位定时计数器t o ，t 1 ( 标准8 0 c 5 1 ) 和附加的i 2 ( 捕获& 比较) ； 郑州大学硕士学位论文 第二章系统的硬件设计 带6 路模拟输入的1 0 位a d c ，可选择快速8 位a d c ； 2 个8 位分辨率的脉宽调制输出( p w m ) ； 作为标准8 0 c 5 1 引脚时有3 2 个i o e i ，可编程阳口( 准双向、推挽、 高阻和开漏) ； 带字节方式主和从功能的i c 总线串行i ，o 口； 片内看门狗定时器t 3 ； 扩展的温度范围：4 睢+ 8 5 ； 加速指令周期5 0 0 n s 1 2 m h z ； 操作电压范围：5 v 5 ； 保密位： - - r o m ( 2 位) 一盯r p ( 3 位) 3 2 字节加密阵列； 4 个中断优先级，1 5 个中断源； 全双工增强型u a r t ，带有可编程波特率发生器； 电源控制模式； 一时钟可停止和恢复 一空闲模式 一掉电模式 空闲模式中a d c 有效； 双d p t r ； 可禁止a i e 实现低e m i ； 掉电模式可通过外部中断唤醒； 软件复位( a u x r l 5 ) ； 复位脚低有效； 上电检测复位； o n c e 模式； p 8 7 c 5 9 1 管脚属性与功能如表2 1 所示。 郑州大学硕士学位论文第二章系统的硬件设计 表2 - 1p 8 7 c 5 9 1 管脚属性与功能 管鞠号 符等描连 0 f p 4 4p l c c 4 4 r s t41 0复位：p s x c 5 9 1 壁涉辘入，定时嚣t 3 滏矬时提供复伊辣汁铺m p 3 0 - 3 ，7 陌口；8 傍 粕辫五o ；p 3b r 瓤动4 个l s t t l 输入。 ”u 惩援供以f 动能： 1 ) 3 掣r ) 5“r 由： 蹈于r 输八口 t 2 ： 攀佟翰趣 ”t ，i x d71 ， t x d ：串行赣穗口 r 1 2 ：1 2 定时器艇健傣譬上辩，淤融发 p 3 ，2 ，d 订氆c 劓酗81 4 i n 鞴：外繇申断0 棚s ：定时器t 2 毪轻釉没黔堑证输掰 p 3 重n q t l ，c a s r l91 5i 而：外韶- 断1 棚镰，：定时嚣1 2 比较释没鬻弦笈静输出 p 3 t o 祀m s l t 2l o1 6t o ：定时器0 强部输入 a i s 勉：定时器1 2 地较耜没甏，艇付输i 骢 p 3 ，5 ，r l 起m 弧3l l1 7 t i ：定时嚣l 棒帮输凡 c n 毓3 ：定时器t 2 比较弱没嫒，艇妒输粥 1 = 3 倒w r1 2 1 8丽： 缔粼数嚣存端嚣写逸越 p 3 7 艰d1 31 91 面：外韶数据行销器渡选翅 艇绽甜p 3 辩步犁鳓为瘸 遴垃p 3 m i 鞫p 3 m 2 寄存器呵籍p 3 甜竣鬟为4 嚣携式之一： p 3 1 1 1 xp 3 u 2 x 接式描述 0 0礁载翔黢泼豹辕喉c 5 1 既锾) 0l攘挽 10羯翔 1l琵瀚 x l 业1 42 0 茹摄脚2 ：瘦矧搬荡馥凡嚣输粥，“j 经挪仆辫搬茹嚣瓣铮时，f 蹄 x t a l l1 52 1 籀掇脚 ；爰榭奴绱玻a 嚣缓入靴瞧繇蒋t 钟发生电路黢入。缝墙， 郎瓣黪嚣时钟时搏海外嬲对神信蛩的输入端； | 缸2 21 6 地：船参季点 v c c 4 4 3 8电源：键擞萨常空卿扣搏电l 器。电峨 p 2 彰a 0 8 撒7 a 1 51 8 - 2 52 4 _ 3 ip 2 日l8 托 f 编鬟i i o u a 0 8 - a i s = 外辩露俺嚣礴地蛙。矮飙囱以“f 功能： 朴龆打储嚣 ( a 0 8 - a 1 5 ) 巍地持事转。还n l 佧为e p r o m 编钱誊j 授 骏时鹩赢地缝。 艇静时，p 2 磅步琢衲为蔫 逢琏p 2 m 1 柳p 2 五赶搿拓嚣叫将p 2 掰嫒鬟为4 秽馍j 甏之： p 2 1 1 1 ，xp 2 1 1 2 x 援式描述 00港蔽翔( 默认豹靠凝c 5 1 陀露， 0l 掺挽 l0尚戮 il 拜潮 1 4 郑州大学硕士学位论文第二章系统的硬件设计 表2 - 1p 8 7 c 5 9 1 管脚属性与功能( 续) 鹣i2 63 2 程序存储使能：外嚣榉垮存储器豹渡选适，巍芯j 腹虾簿糕缪台锗 器读墩秽， 畦i ；雹醑繇十轭器瞒埘l 被激锈两次。两霞每次访融韩 部数撅砑健嚣时p s e n 皱忽略嬲次。辩如摊拇缮榉序靠能器秘融时 p s e x 完皱缎持勾端) 。p s e n 嚣i 动8 伞i a t t l 输入+ 豁动c 撕o s 不篱蛋讣嚣l 。扣。 a i e 霉匿b g2 73 3 姥皱锁存佳能：瓣常撵佟叶| 柱葫问外端办畿嚣时锈群缝址纳瓿字 节。舔6 个搬游器糍辫激活一撒绺谯访戤婚擢敏搀；存档器时例外， a l e ，豁秘8 个l s t t l 输入。骧期a v , t , o s 琴键嚣外薄摭。嚣怒 鬃l 卜a l e 豹翻转 酶饭r f i 嵫芦) ，必缬趣过赣传嚣位a of s f 气 a t d 皿o 。勉袭4 p 日品：编榉弥冲辕入 翟卯 3 52 9 外蠢器访河蝓入；鳓袈婪暂时e a 缎捧t r l 离怄甲c p u 捷 r 辫部瓣 序静镐嚣豹辫膨。细聚勾1 1 l 毹魄警侧墙过p o 和p 2 执 r 船 霹群净如镶嚣霸押璎。e a 书兜许像抟悬浮。谯艇忙时镀存，艇静 翳誉辩j 专辔。 v p p ：艇供缩栉电攮 e q 铆x o 鲁：晕乜1 ；强3 0 3 73 6 4 3 口，8 协j l 灏烈辩b o 。缸托孵p o “为麓矧森( ：悫j 。 , e e d t - a , d o 复澍约数戴霹地址慧线瓶地址。p 0 磁f 豁动8 个u r 丌_ l 输入。 a v r e 卜3 84 4 a d 转换参考电阻：岛璃 a v s s3 9l模拟地 p l o p 144 0 - 4 42 巧 p 1 霸：脬j 户| 配霞输i i 盛戳昀8 髓i j o 嫒。p l 麟搏为输入域输浇瓣 p 1s p 1 7i - ，7 - 9 鞠撵棒觳决于掰哦择羽既嚣，键令“鄢辅r 箍洲投。 p l 翻还揽缎以f 功缝： p 1 o4 02 p , x o c ；c a n 接牧嚣输入脚 p 1 1 4 1 3t x d c ic 撼发迓嚣输渤溯 挺髓对。p 1 0 鞠p 1 1 抖疹豁动为高p 1 2 p 1 7 为岛髯l 番 置番， p 1 s p 1 74 2 m粕0 t 0 1 i 盯2 c t ti t | n t 3 c t 2 1 i n t 4 ：t 2 蛹蔹定时嚣输凡或扑挥；l l 颤 鞴八。 p 1 5a d c 0 - a d c 2 ：哪逸助拖：a d c 输 蘑邋。 p 1 6i ， 7 - 9 3 加；a d c 输入罐邋 p 1 7l7 c t 3 i i n t 5 ；t 2 捕凝定对器输入琏抖鄢巾凝辅入。 28 s c i # l 审抒辩锋线。瞬，1 2 c 时币i 可馕j 携掺挠成程扳如攘式。 39 s d a ：r c 渤订数攥线。辫丁- i 时不埘德雕搀娩成准域翰镄式， 越过p 1 m 1 垂针p 1 m 2 褥拓器可幸罄p l “竣赣为4 种携式上一, - g p 1 1 1 x 一般x 横式描述 0 0 糕敢翱( 黢故的辕罐c 5 l 既嚣圆) 0l揆捷街 10 鞴暾 1l雕瀚 p w m 061 2脉宽谲制；霸融0 p ；3 矗2 8 3 4 脉贺诞制：输。l ：1 郑州大学硕士学位论文 第二章系统的硬件设计 微处理器在本设计中的作用：存储程序及相关测量数据；将采集轨道信 号信息由模拟量转化为数据量；接受按键输入信息，改变相关测量参数及工 作起始；为液晶屏提供控制信息及8 位数据线，控制显示相关信息；根据选择 频率为m a x 2 6 2 提供参数设定控制，六位数据及时钟，控制其滤波中心频率 及q 值；串行控制语音芯片p m 5 0 播放相应语音段；控制l e d 灯及高分贝蜂鸣 器，指示相关信息及报警【1 4 】。 2 4 信号放大处理电路设计 线圈从轨道电路上感应过来的信号为m v 级交流信号，经信号预处理电路转 换成为若干v ( o v 5 v ) 直流信号才可进入微处理器进行a d 转换。信号预处 理电路包括可变增益放大、带通滤波、精密整流、峰值检测电路，具体电路如图 所示。 2 4 1 放大电路设计要点 图2 1 2 信号放大处理电路 t d 转换 线圈从轨道电路上感应过来的为m v 级信号，根据感应电动势 e 旦里一可知，在此设计中频率对采集信号大小影响较大，而微处理器内部 d t a d 参考电压为5 v ，在进入a d 转换前要把各种频率信号通过一个通道放大至若 干v ( 0 v 一5 v ) ，排除程控滤波部分稳定的q 2 倍放大，在此放大电路要实现的 目标为：对输入不同大小频率信号进行相应放大，对低频率信号进行较大倍数放 大，高频率信号进行较小倍数放大，放大比例分配基本中和线圈对不同频率轨道 信号感应效果，并留有安全的手动可调改变放大倍数余地。 首先我们使用集成运放和3 2 抽头数字电位器x 9 5 1 1 构成掉电自动存储键控 1 6 郑州大学硕士学位论文 第二章系统的硬件设计 放大器。x 9 5 1 1 是x i c o r 公司生产的的按键式数字电位器，它内含3 1 个串联电 阻阵列、3 2 个抽头。抽头位置由两个按键控制，并且可以被储存在一个e z p r o m 存储器中，以供下一次通电时重新调用，自动恢复抽头位置。x 9 5 1 1 有1 k q 和 1 0 k 的x 9 5 1 1 z 和x 9 5 1 1 w 两种规格，在此我们选用1 0 k f j 的x 9 5 1 1 w 。 x 9 5 1 1 w 的特点：低功耗c m o sr 按钮控制，使用方便，灵活；工作电流最大 8 m a ，等待电流最大2 0 0 ua z 具有温度补偿；在电位器两固定端可旌加5 v 至 + 5 v 电压；3 2 个滑动抽头点，滑动端的位置由两个按钮控制；具有慢速和快速 扫描方式，当按钮按下后又立即断开时，滑动抽头移动到向上或向下的相邻抽头 位置，当按钮按下后不放( 保持接通状态) 时，滑动抽头点快速连续向上或向下 移动；具有自动和手动储存滑动抽头位置的选项；滑动端位置数据可保存1 0 0 年 1 5 1 。 图2 1 3x 9 5 1 1 应用电路图 x 9 5 1 1 的工作原理具有以下特点：输入端具有内部上拉电阻和消除开关抖动 的干扰电路，当输入脉冲宽度小于4 0 m s 时，计数器将其视为干扰信号不进行计 数；p u 和p d 引脚可直接连接一个按钮开关到地，当按钮按下时，在p u 或p d 端产生一个负脉冲，使计数器进行加1 ( 按p u 键) 或减1 ( 按p d 键) 计数；当 计数器计数到最大值“3 1 ”时，p u 按键失效，计数到最小值“0 ”时，p d 按键 失效，避免循环计数，保证电位器调到最大位置时不会跳至0 零位或调到零位时跳 到最大位置；具有慢速和快速计数选择。当输入负脉冲宽度小于2 5 0 m s 时为慢 速计数方式，按一下按键计数器加1 ( 或减1 ) ，当脉冲宽度大于2 5 0 m s 时，计 数器为快速( 连续) 计数方式，在1 秒钟以内时，以2 5 0 m s 的速率连续计数。 按键按下的时间大于1 秒后，计数器以5 0 m s 的速率递增或递减，直到滑动端滑 到最高或最低抽头位置，当按键一释放，计数器立即停止计数，返回到等待状态 自动贮存；只要芯片检测到v c c 断电而同时a s e 又是使能时( 保持低) ，计数器的 1 7 郑州大学硕士学位论文第二章系统的硬件设计 值即被贮存到e 2 p r o m 存贮器中能将计数值储存在非易失性存储器e 2 p r o m 中 长期保存；能在上电时自动将e 2 p r o m 中的数据恢复到计数器中。利用x 9 5 1 1 w 可以方便的达到键控、掉电自动存储当前设置，上电恢复上次设置的功能，外围 电路简单，节省微处理器管脚【1 6 1 。 放大器的增益g 取决于反馈电阻r f ( r f = r c t p - 2 ) 和电阻r o ( r o = r 3 + 1 j 2 丌 f c o ) ，即：g = i + r f r o 。根据感应电动势e = d f d t 可知，在此设计中频率对采集信 号大小影响较大，只靠调节3 2 抽头数字电位器阻值不能协调所有频率信号大小 的要求，为此我们在放大部分采用硬件修正。 根据电容的交流容抗与频率成反比r c t = l j 2 f c l ，又g = 1 + r r 0 中 r f = r c l r 2 ，r 2 为定值，r f 、r o 因频率变化，增益g 也随之变化。根据此设计频 率2 5 h z - - - 2 6 0 0 h z 通过计算，选择合适c