（电路与系统专业论文）um71轨道电路参数测试方法的研究.pdf

摘要 摘要 无绝缘轨道电路是一种先进的列车控制系统。它是把钢轨作为信号传 输线，以此来满足传送多控制信息的需要。这种轨道电路的可靠性及其传 输控制信号质量的好坏，直接关系到列车的运行安全。因此，定期检测轨 道电路的频率、电压、补偿电容等参数，以判断轨道电路及其信号设备是 否处于最佳工作状态，可以及时消除隐患，确保铁路安全行车。 本课题针对u m 7 1 轨道电路，研究了其参数测试方法。主要研究内容； 在不要点、不中断彳亍车的情况下，实时在线测量该轨道电路的载波信号频 率、调制信号频率、移频信号电压以及补偿电容等参数。 本文详细介绍了如何解决在线测试u m 7 1 轨道电路参数的技术难题。由 于移频信号是一种调频信号，其波形为低频信号调制中心载波信号后产生 的正弦交流信号。在测量移频信号的载波频率时，将其转换为同频率脉冲 信号，然后采用直接测量方法。在测试调制信号频率时，采用脉冲计数式 鉴频原理，从移频信号中解调出低频信息，经过波形变换，得到与调制信 号同频率的脉冲信号，然后送单片机测量低频频率，电路调试方便，波形 好，易控制。在测试补偿电容时，先用函数发生器产生正i i ( 1 1 1 试信号，经 缓冲隔离后，再经过功率放大加到待测电容两端，利用阻抗分压原理，不 同待测电容所分得的揆试信号强度不同，再将其滤波放大后，经整流送到 单片机的a d 输入通道，采样处理后，转换为电容值送l c m 显示。而测试 信号电压时，直接对移频信号整流，后期处理与测试补偿电容类同。 关键词无绝缘轨道电路：在线检测；载波信号频率；调制信号频率；移频 信号电压；补偿电容 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i kj o i n t l e s st r a c kc i r c u i ti sa na d v a n c e dc o n t r o ls y s t e mw h i c hl su s e dt o c o n t r o lt h et r a i n s t 1 1 er a i li su s e da st r a n s m i s s i o nl i n ef o rt r a n s m i t t i n gs i g n a l si n t h i s s y s t e m , t h u st o m e e tt h en e e d o ft r a n s m i t t i n g m u l t i - p u r p o s e c o n t r o l i n f o r m a t i o n t h er e l i a b i l i t ya n dt h eq u a l i t yo f t h et r a n s m i t t e ds i g n a l sh a v ed i r e c t r e l a t i o nt ot h es a f e t yo ft r a i n s f u n c t i o n h e n c e ，t od e t e c tt h ep a r a m e t e r s p e r i o d i c a l l y , s u c ha sf r e q u e n c y 、v o l t a g ea n dc o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r se t c ，i n o r d e rt oi n s p e c ti ft h et r a c kc i r c u i ta n ds i g n a le q u i p m e n t sa r ew o r k i n gg o o d f i n a l l y , t h eh i d d e nd i s a s t e r sc a i lh ea v o i d e d a n dt h es a f e t yo f t h et r a i n s f u n c t i o n c a l lb ee n s u r e d i nt h i ss u b j e c t ，m e t h o d so fd e t e c t i n gt h o s ep a r a m e t e r sa r er e s e a r c h e d ， w h i c hi sa i m i n ga tu m 7 1t r a c kc i r c u i t t l l cm a i nc o n t e n t so ft h i ss u b j e c ta r ea s f o l l o w s ，t h er e a l i z a t i o no fo n - l i n ed e t e c t i n gt h ef r e q u e n c yo fc a r r i e ra n dm o d u l a t e ds i g n a l s ，t h ev o k a g eo ft h ef r e q u e n c ys h i i t i n gk e y ( f s k ) s i g n a la n dt h e v i r t u a lv a l u eo ft h ec o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r , w h i l ea l lo ft h e ma r ec a r r i e do u t w i t h o u ti n t e r r u p t i n gt h et r a i n s f u n c t i o n , a n dn o th a v i n gt oi n s t r u c tt h em o n i t o r s h o wt or e s o l v et h et e c h n i c a lp r o b l e mi no n - l i n ed e t e c t i n gt h ep a r a m e t e r so f u m 7 1t r a c kc i r c u i t i si n t r o d u c e di nt h i ss u b j e c t d u et ot h ef s k s i g n a li st h e r e s u ro ff r e q u e n c ym o d u l a t i o n , t h a ti st os a y , t h ew a v e f o r mo f t h ef s ks i g n a li s a na l t e r n a t i n gs i n ew a v e ，w h i c hi sc o m ef r o mt h ec a r r i e rt h a tm o d u l a t e db yt h e l o wf r e q u e n c y w h e nt e s t i n gt h ef r e q u e n c yo fc a r r i e r , i ti sc o n v e n e dt os q u a r e w a v ew h i c hh a st h es a m ef r e q u e n c yt ot h ec a r r i e ra tf i r s t ，t h e nt e s ti t d i r e c t l y w 1 1 i l et e s t i n gt h ef r e q u e n c y so f t h em o d u l a t e ds i g n a l s t h ep r i n c i p l eo f d e t e c t i n g f r e q u e n c yb yt a k i n gc o u n to fp u l s e s i sa d o p t e d ，t h e r e b y g a i n i n gt h el o w f r e q u e n c i e sf r o mt h ed e m o d u l a t i o nt of s ks i g n a l ，a n dt h e ni t sw a v e f o r mi s c o n v e n e dt op u l s e sw h i c hh a st h es a m ef r e q u e n c y a tl a s t ，i tc a nh et e s t e db y m i c r o c o n t r o l l e r i ti sc o n v e n i e n tt og e tt h ec i r c u i tt ow o r k ，a n dh a sag o o d a b s t r a c t w a v e f o r m , a l s oe a s yt oc o n t r 0 1 w h e nt e s t i n gt h ec o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r s f i r s t l y , as i n ew a v ea st h et e s t i n gs i g n a li sg e n e r a t e db yt h ef u n c t i o ng e n e r a t i n g c h i p ，t h e nt h et e s t i n gs i g n a lp a s st h eb u f f e ri no r d e rt oh a v ea l li n s u l a t i o nw i t h t h ef o l l o wc i r c u i t ，s e c o n d l y , t h et e s t i n gs i g n a li sa m p l i f i e db yap o w e ra m p l i f i e r , a n dt h e ni ta c t so nt h et w op i n so ft h ec o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r s ，o w i n gt ot h e f e e d b a c ko ft h et e s t i n gs i g n a la r ed i f f e r e n ti ft 1 1 ec o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r sa r e d i f f e r e n t ，s ot h ed i f f e r e n tf e e d b a c ko f t h et e s t i n gs i g n a la r ef i l t e r e da n da m p l i f i e d ， t h e ni ti sr e c t i f i e d ，l a s t l yi tc a nb eg o tb yt h ea i dc h a n n e l so f t h em i c r o c o n t r o u e r ， a f t e rc o n c l u s i v ed a t a p r o c e s s i n g ，t h ev i r t u a l v a l u eo ft h ec o m p e n s a t i n g c a p a c i t o r sc a l lh ea t t a i n e d a n di tc a nb ed i s p l a y e db yl c mu k i m a t e l y m o r e o v e r , w h e nt e s t i n gt h ev o l t a g el e v e lo ft h ef s ks i g n a l ，i tc a nb er e c t i f i e dd i r e c t l y , t h e d a t ap r o c e s s i n gi ss i m i l a rt ot h et e s t i n go f c o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r s k e y w o r d sj o i n t l e s st r a c kc i r c u i t ；o n l i n em e a s u r e ；f r e q u e n c yo f c a r r i e rs i g n a l ； f r e q u e n c yo fm o d u l a t e ds i g n a l ；v o l t a g eo ff s ks i g n a l ；c o m p e n - s a t m gc a p a c i t o r i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文u m 7 1 轨道电路参数测试 方法的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期阳j 独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字禹振天 日期：却。，年军月，2 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 u m 7 1 轨道电路参数测试方法的研究系本人在燕山大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大 学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人 完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被套阅和借阅。本人授权 燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 日期：2 口口年乒月2 日 日期扣否f p 月二曰 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 铁路在我国交通运输业中具有举足轻重的地位，是保证我国客运畅通 的重要运输方式之一，是中长途旅客运输的主要力量。同时，铁路又是我 国国民经济的大动脉，它对于促进城乡物资交流、繁荣社会主义市场经济 起着不可替代的作用。随着列车运行速度的提高，以及重载发展的要求， 铁路运输系统面临着很大的挑战，因此，大力发展铁路自动化有着十分重 要的意义l l l 。 安全是铁路运输的生命线。在铁路运输过程中，轨道电路设备常常因 为元件设施老化、绝缘破损等原因而出现故障，即铁路的“红光带【2 】，现象。 而日常维护过程中，对轨道电路参数的测量并没有一个有效手段，检测效 率低，劳动强度大。 因此，急需研究开发一种能够方便迅速、直观地判断轨道电路工作状 态的新型参数测试仪，以减轻铁路维修人员的劳动强度，提高故障判断效 率，进一步压缩故障延时，以保证铁路运输的安全，提高运输效率。 l t 2 轨道电路概述 轨道电路是铁路交通系统中调熬列车运行的现代化自动控制与远程控 制系统的重要组成部分，是关系到列车运行安全的基础设备。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。简言之，轨道电路就是钢轨线路和连 接于其始端及终端的器械的总称。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互通信息的电路。它的工作可靠与否、安全与否将直 接影响列车运行的安全与效率r 批7 】。 轨道电路有多种分类方法，按结构可分为开路式轨道电路、闭路式轨 道电路：按信号电流的种类分为直流轨道电路、交流轨道电路和脉动轨道 燕山大学工学硕士学位论文 电路；按分支轨道电路接受电端的多少，分为一送一受轨道电路和一送多 受轨道电路f 1 1 。以上都是有绝缘轨道电路，除此以外还有无绝缘轨道电路。 无绝缘轨道电路有着优越的性能【8 ：故障率小、维修方便；高速列车在长钢 轨区段更能平稳行驶；在电力牵引区段可以取消扼流变压器；便于地面设 备向列车可靠地传递信息，从而实现较高程度的列车自动控制系统。为了 提高自动闭塞制的可靠性，正在广泛使用无绝缘轨道电路。无绝缘轨道电 路所采用的频率范围一般为音频或高频。因为在此范围内便于采用各种有 效的调制方式，也便于实现邻段隔离。一般来说，频率愈高死区段愈短， 轨道电路的长度也愈短；另外，无绝缘轨道电路多用于交流电化区段，频 率参数的选择必须满足抗牵引电流回流的干扰，传输的信号一般采用移频 键控信号( f s k ) ，以低频调制频率表示信息【9 1 1 】。 1 2 1国外轨道电路的发展情况 为了检查列车占用钢轨线路状态，美国人鲁宾逊1 8 7 0 年发明了开路式 轨道电路；1 8 7 2 年研制成功了闭路式轨道电路，于1 8 7 3 年首先在宾西法尼 亚铁路试用，从此诞生了铁路自动信号。 2 0 世纪5 0 年代起长钢轨在世界各国得到了广泛采用。6 0 年代，法国 c s e e 公司就开始研究u 型轨道电路使用无绝缘节，载频采用单频信号，其 频率为：l7 0 0h z 、20 0 0h z 、23 0 0h z 和26 0 0h z 。1 9 7 1 年c s e e 公司研究 开发了u m 7 1 型无绝缘轨道电路，用电气绝缘接头取代机械绝缘接头，电气 绝缘接头长度为2 0mr 无空心线圈，轨道电路长度为5 0 0m 。其后经过局部 电路改进和系统完善，c s e e 公司研制出以u m 7 1 无绝缘u 型( 带调制) 移频轨 道电路为基础，结合带速度监督的t v m 3 0 0 机车信号及测速超防护设备共同 组成了完整的u t 系统。该系统可提供1 8 种移频信息，地面设备集中在室内。 并于1 9 7 5 年开始安装在巴黎至里昂的高速线路上，1 9 8 1 年用于东南线，1 9 8 9 年扩大应用于大西洋高速行业线，1 9 9 0 年正式施工修建在北部线。此外该 系统在阿根廷、澳大利亚、比利时、西班牙、朝鲜、南非等国也安装了数 千套。已具有多年的运营经验，该系统可用在3 0 0k m h 的高速线上，属于较 成熟系统，为8 0 年代初国际先进水平1 1 2 。”。 2 第】章绪论 英国西屋公司1 1 7 2 0 l ( w e s t i n g h o u s e ) i 拘f s 2 5 0 0 轨道电路也是f s k f 翱 式， 其载频采用4 种频率：17 0 0h z 、20 0 0h z 、23 0 0h z 、26 0 0h z ，调制频率4 个：1 3 2h z 、1 5 6h z 、1 8h z 、2 0 4h z ，频偏厂为1 2 5h z 。西屋公司新开 发应用于地铁的f s k $ 1 式轨道电路载频为：40 8 0h z 、43 2 0h z 、45 6 0h z 、 48 0 0 h z 、50 4 0 h z 、52 8 0h z 、55 2 0 h z 、6 0 0 0 l _ i z ，调制频率有1 4 个，从 2 8h z 至0 8 0h z ，间隔4h z 。 日本【2 m 5 1 的轨道电路技术发展较快，也是采用f s k 带u 式轨道电路，载 频选用四个：17 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 、29 0 0 h z 、35 0 0 h z 。调制频率两种：一 种是1 0 个信息( 1 0h z 、1 3h z 、1 6h z 、1 9h z 、2 3h z 、2 6h z 、3 1h z 、3 4h z 、 3 7h z 、4 1h z ) ，频偏为4 0h z ；另一种是1 5 个信息，其频率除上面1 0 个外又 增加5 个( 4 5h z 、5 5h z 、6 1h z 、6 7h z 、7 3h z ) ，而频偏为7 0h z 。 1 2 2 国内轨道电路的发展情况 我国的轨道电路技术发展较慢，建国前采用的轨道电路传输信息少， 分布也极不平衡，建国后从5 0 年代中期开始，轨道电路技术在我国有了长 足的发展，不仅传输的信息量增加而且它的使用已遍及全国铁路各线，构 成了我国铁路信号技术发展的基础。 1 9 2 4 年，我国首先在大连一金州间以及沈阳一苏家屯间采用了二元三位式 相敏轨道电路，这是我国最早采用的轨道电路。 1 9 2 5 年首先在秦皇岛及南大寺两站装设了直流闭路式轨道电路，取代 了水银轨道接触器，这是我国最早使用的一种直流轨道电路。同年满铁 在长大线采用了n 8 型交直流轨道电路，这是我国最早使用的一种交直流轨 道电路。等到5 0 年代中期，我国在引进信号技术的基础上，研制了各种型 号的交直流轨道电路，这为后来出现的驼峰轨道电路、阀式轨道电路打下 了基础。后来出现的j z x c 一4 9 0 型交直流轨道电路，以其优越的性能，逐渐 取代了所有其他制式的交直流轨道电路，从而使我国的交直流轨道电路的 制式得到统一。 铁道部科学研究院从5 2 年便开始研究电脉冲轨道电路，到6 0 年代初期 得到广泛应用，为运输生产发挥了很好的作用。它是我国第一个自己研制 3 燕山大学工学硕士学位论文 的用作传输自动闭塞信息的轨道电路。从这时起，我国才有直流脉冲轨道 电路。为发展脉冲式轨道电路提供了宝贵的经验，是我国轨道电路技术的 一个较大的进步。 1 9 6 8 年初，铁道部科学研究院与沈阳、北京等铁路局协作，开展了极 性频率脉冲轨道电路的研究。1 9 7 4 年，完成了统一方案试验，经试用后， 于1 9 8 0 年通过铁道部初步技术鉴定，以后便得到了进一步推广。 6 0 年代晚期，铁道部科技委提出研制一种能够适应地上和地下、电化 与非电化区段通用的自动闭塞制式，这就是后来的移频轨道电路。8 0 年代 末，我国引进了法国研制的u m 7 1 无绝缘轨道电路，这种轨道电路传送信息 量大，不但可以检测列车，而且可由钢轨线路向超速防护系统发送速度级 别信息，现已得到普遍应用 2 6 - 2 7 】。 1 3国内外轨道电路参数测试技术的发展与现状 由于历史等各方面的原因，我国在轨道信号电路测试方面的研究处于 落后状态，与先进国家相比仍处于七十年代末的水平。我国一直没有开展 同时检测轨道信号电路的综合参数：频率、电压、电流、相位、补偿电容 等测试装置的系统研究。现行的轨道信号测试手段越来越落后于铁路设施 及运输管理的发展，随着我国经济及铁路运输业的发展，这方面的矛盾越 来越突出。 随着国民经济的发展，近年来，我国电气化铁路的修建速度也在逐年 加快。电力牵引适合高速、重载和大密度的要求，是铁路理想的牵引动力。 但同时，电气化铁路本身又是一个极大的干扰源，它对铁路沿线的通信信 号设备产生很大的干扰。对这些干扰的研究与防治，通信领域已做了大量 工作，比如国际上c c i t t 的电力线路对通信的影响的计算导则、我国的 四部协议等等。这些技术文件已在前人的工作成果上对通信设备的干 扰工作提出了一系列的建议和标准。但是对信号设备而言，目前尚无相应 的建议和标准。 在国外，原苏联、法国、日本等发达国家都相继完成了这方面的深入 研究，并生产出适合其本国国情的轨道电路参数专用测试仪器。法国的无 4 第l 章绪论 绝缘轨道电路，行车速度为3 0 0k m h ；日本的磁悬浮列车的行车速度大约 5 0 0k m h 。其信号综合参数测试均为带电在线测试，尤其在电气化区段，可 在行车过程中同时测量几个电参数 2 8 - 3 1 】。 目前，我国轨道电路参数测试普遍存在的问题是：由于干扰信号的存 在，尤其电气化区段电力机车牵引电流及谐波的干扰，又没有专用的动态 “在线”测试仪器，因而没有开展正常的测试轨道电路综合参数的工作。 必须测试时，只好中断铁路运输，或将被测区段电力牵引电网“开天窗” 测量，即将被测区段电力牵引电网的电源断电，再进行一系列的信号参数 测试。所用仪器均为机电工业通用测试仪器，其频率响应范围较窄，而轨 道电路的被测信号均为特殊频率的信号，而机电工业通用测试仪表不能满 足轨道电路信号检测的特殊要求，这既影响测试结果，又没有反映出铁路 运输过程中的各种参数的大小及其动态相互关系。给行车安全，行车速度 及行车密度带来极大的影响。现行的信号综合参数的测试方法及测试手段 已远远落后于迅猛发展的铁路运输业。近几年我国铁路不断提速，而增加 行车速度和行车密度的保证是准确无误的行车信号系统。我国现已开始上 准高速铁路，已营运的广深线的车速达1 6 0k m h 。研究轨道电路参数在线 测试方法己势在必行1 3 2 1 。 1 4 本文主要研究工作与结构 为了解决我国轨道电路测试手段落后的状况，完成在线检测轨道电路 的参数。本课题以法国u m 7 1 轨道电路为基础，根据轨道电路的基本原理， 研究了该轨道电路参数在线测试方法，在进行大量的实验和调试后，试制 了测试仪样机，实现了部分测试功能，为测试仪的进一步改进和完善奠定 了基础。主要技术指标如下。 测试功能：载波频率、低频1 8 种信息频率、移频信号电压、补偿电容； 载波频率：17 0 0 h z 、2 0 0 0 h z 、23 0 0 h z 、26 0 0 h z ； 低频1 8 种信息频率：l o 3 、1 1 4 、1 2 5 、1 3 6 、1 4 7 、1 5 8 、1 6 9 、1 8 、 1 9 1 、2 0 2 、2 1 3 、2 2 4 、2 3 5 、2 4 6 、2 5 7 、2 6 8 、2 7 9 、2 9h z ： 移频信号电压：2 0m v 5v ； 5 燕山大学工学硕士学位论文 补偿电容：1 3 3i , t f 。 论文结构如下： 第l 章概述了u m 7 1 轨道电路发展与应用，介绍了轨道电路的发展历史， 进而介绍了国内外轨道电路参数的测试方法。最后叙述了本课题研究内容 与结构。 第2 章从轨道电路的组成入手，简单叙述了轨道电路的工作原理。重点 阐述了本课题所采用的测试方法、原理。由此而形成一个在线测试系统。 第3 章介绍了该测试系统的硬件实现。详细阐述了各个功能模块电路的 作用与构成，分析了其工作原理。 第4 章是系统的软件实现，从系统所采用的编程语言与编程环境开始， 逐步介绍了各个子程序的功能与实现流程图。 第5 章从电子产品开发的角度，讨论了一个电子产品的抗干扰措施，以 及本测试系统中所采用的各种抗干扰措施。 第6 章简单叙述了本测试系统调试过程以及测试结果。 第2 章系统原理设计 第2 章系统原理设计 2 1u m 7 1 轨道电路简介 u m 7 1 轨道电路作为一种先进的列车控制系统，于2 0 世纪7 0 年代在法国 研制成功。它是以无绝缘轨道电路作为连续信息的传输通道，以点式信息 作为连续信息的补充，利用电磁感应的原理，将钢轨中传输的信息感应到 机车上，经处理通过机车信号显示器向司机显示。由于其突出的优点，很 快被多个国家相继采用。目前，已相当成熟。我国自八十年代末引进该系 统以来，已经得到了很好的应用与发展。 2 1 1u m 7 1 轨道电路的构成 u m 7 1 轨道电路设备包括室外和室内两大部分。室内设备主要有：发送 器、接收器、轨道继电器和电源设备；室外设备主要包括：空心线圈、调 谐单元、匹配变压器以及补偿电容等。这两大部分通过电缆连接，如图2 1 所示。 i 语酾一i - 一甄耵 图2 - 1u m 7 1 轨道电路的构成 f i g 2 - 1t h ec o n s t i t u t i o no f u m 7 1t r a c kc i r c u i t 钢轨、电缆和电气绝缘节构成了钢轨线路。电缆是铁轨沟通轨道回路 燕山大学工学硕士学位论文 用的，电气绝缘节则是为了分隔或划分回路而设置的”。 送电端( 亦称始端1 由轨道电源设备、发送器以及调节匹配单元组成。根 据轨道电路的类型不同，轨道电路电源可以用铅蓄电池浮充供电( 或其它直 流电源) ，也可以用轨道变压器或信号发生器供电。当轨道电路被机车车辆 分路时，有时为了防止电流过大而损坏电源，并保证在列车占用轨道时， 轨道继电器能可靠地落下，还需要限流器。发送器用于产生连续信息，确 保安全地实现轨道电路的发送功能和地对车传输功能。 受电端( 亦称终端) 的主要设备是由轨道继电器g j 、发送器以及调节匹配 单元等组成，用它来接收轨道信号电流来反映轨道电路的工作状态。接收 器用于探测相关区段列车的占用，实现轨道电路调整和抑制干扰信号。 调节匹配单元包括调节单元和匹配单元。调节单元对自身频率呈容性 阻抗，与空心线圈形成一个谐振槽路以保证获得一个最大阻抗；对相邻频 率呈现一个几m o 的低阻抗，以短路相邻频率的信息。匹配单元保证阻抗匹 配和轨道与室内设备之间的电气隔离，防止直流成分通过造成磁路饱和。 调节匹配单元通过电缆和钢轨相连。 2 1 2u m 7 1 轨道电路的工作原理 轨道电路是铁路信号基础设备( 如自动闭塞、电气集中等) 的基础，借助 它可以监督列车在线路上的运行情况，并借助它可传递与行车有关的各种 信息。 工频电源( 2 2 0v ) 经轨道变压器变压后从轨道电路的始端出发，经过轨 道线路传到轨道电路终端，再经中继变压器实行阻抗变换后，由电缆传至 设置在信号楼的轨道继电器的交流输入端子，通过桥式整流将交流电变成 脉动直流电，带有铁芯的继电器线圈通过直流后，便产生磁力，吸引衔铁， 使轨道继电器呈励磁状态。当轨道区段内有车辆占用，或者发生断路故障 时，流经轨道继电器的电流将急剧地减少，致使衔铁失磁落下，轨道继电 器呈失磁状态。 平时，列车未占用轨道电路，即线路空闲时，电流流过轨道继电器线 圈，使继电器保持在吸起状态，接通信号机的绿灯电路，允许列车进入相 第2 章系统原理设计 应轨道。当列车占用轨道电路区段时，电流同时流过机车车辆轮对和轨道 继电器线圈，由于轮对电阻比轨道继电器线圈电阻小得多，使电源输出电 流显著加大，最终导致送向两根钢轨间的电压降低。因而流经轨道继电器 线圈的电流减小到继电器的落下值，使轨道继电器释放衔铁，用继电器的 常闭点接通信号机的红灯电路，向续行列车发出停车信号，以保证列车在 该轨道电路区段内运行的安全。 就这样，轨道继电器o j 监督着轨道电路的工作状态，继电器的接点又 控制着信号机的显示，信号又指示着列车的运行，列车的运行又改变着轨 道电路的工作状态，这样反复循环地实行着自动控制。 2 1 3u m t l 轨道电路的功能特点 列车行车过程中，为了传送信息需要，u m 7 1 轨道电路利用铁轨传送移 频信号，其中选用了四个较高的载频信号：17 0 0h z 、20 0 0h z 、23 0 0h z 和26 0 0h z 。其中，下行线采用17 0 0h z 、23 0 0h z 交替配置，而上行线采 用20 0 0h z 、26 0 0h z 交替配置。为满足列车速度控制多信息需要，u m 7 1 轨道电路共有从1 0 3h z 开始按1 1h z 等差数列递增至2 9h z 的1 8 种低频信 息。其频偏4 ，为1 】h z ，故u m 7 1 轨道电路轨面上传送的移频信号由载频、 频偏4r 和低频调制信号正三者构成。假设某区段载频厶为20 0 0h z 、低频 调制信号工为1 6 9h z ，那么轨面上的移频信号频率应该在l9 8 9h z ( a 一彳，) 和20 11h z ( f o + a ，1 之间，每秒周期移动1 6 9 次。 2 1 4u m t l 轨道电路中补偿电容的作用 由图2 1 可知，这种轨道电路每间隔1 0 0m 两轨间并接一个电容器，正常 值为3 3 心，称为补偿电容。补偿电容是u m 7 1 轨道电路的重要组成部分， 它的作用是改善轨道电路在调整状态和分流状态的传输特性，延长轨道电 路的传输距离；确保钢轨中有足够稳定的信号电流经钢轨向机车发送信息。 然而由于易受温度、湿度以及人为因素的影响，产生电容电特性参数漂移 或接触不良，导致补偿电容的老化、失效或丢失，最终影响铁路信号的正 确传输，故需经常检查。 燕山大学工学硕士学位论文 2 2 测试系统的组成 本测试系统主要包括以下几个主要电路单元：移频信号测试单元、补 偿电容与信号电压测试单元、微控制器处理单元、显示单元、电源单元， 如图2 2 所示。 移频信号测试单元 解调出的调制信号 警h 饕h 攀h 饕h 誓 u - - u 一 与低频调制信号 吲物娶的脉冲信号_ _ 铁轨自身传送的移频信号 移频信号 囊臃 篡茎恬 ：信号电压l 黾跆 - 测试单元 信号 缓冲 电路 营 蒋 惑望 五i ； 商 巾肃 盏却 蝣 譬 津 誊 皿 浙 亦 婊 8 瞄 鹫 赢 曲 嚣h 繇卜 计数 单元 微控制器 处理单元 u o a d 通道 0a 1 引 脚 电源 单元 显示 单元 图2 - 2 测试系统的构成 f i g 2 - 2t h ec o m t i t u t i o no f t h et e s t i n gs y s t e m 移频信号测试单元的功能是，对铁轨自身传送的移频信号进行波形变 换，为单片机测试载波信号频率和低频调制信号频率做准备。具体地说， 一方面，从移频信号中，得到与移频信号瞬时频率同频率的脉冲波形；另 一方面，从移频信号中解调出低频调制信号，并将其变换为与低频调制信 号同频率的脉冲波形。 补偿电容与信号电压测试单元是本系统中的重要组成部分，主要功能： 1 0 第2 章系统原理设计 一方面，产生测试信号，驱动补偿电容，滤除钢轨所传移频信号并提取测 试信号，对测试信号整流滤波，为a d 采集测试补偿电容做准备；另一方面， 直接对移频信号整流滤波，为a d 采集测试移频信号电压做准备。 微控制器处理单元是本系统的核心，它控制着系统测试功能的选择， 完成数据处理，并通过液晶显示模块输出测试数据。 电源单元承担着为整个系统供电的重任。显示单元在选择某个测试功 能时，它显示该测试环境下所测得的数据。 2 3 测试系统的原理 由前所述，测试系统要完成载波信号频率、调制信号频率的测试，则 必须对轨道自身的移频信号迸行波形变换，其中我们用到了单片机测量频 率的两种方法即测频率法、测周期法【3 3 】；在对移频信号解调的过程中，还 用到了脉冲计数式鉴频原理。而要测试补偿电容，涉及到电容的一般测试 方法。测量信号电压时只是对移频信号进行整流，再进行分压测试，原理 较简单。下面逐一阐述。 2 3 1载波信号频率测试原理 对载波信号的测量，比较简单。因u m 7 1 轨道电路自身传送的载频信 号有四种：17 0 0h z 、20 0 0h z 、23 0 0h z 、26 0 0h z ，频率数值间隔较大， 因此只需对铁轨传来的移频信号作过零比较，得到与移频信号同频率的脉 冲波形，然后送单片机计数单元，利用单片机测频率法，即可得到移频信 号的瞬时频率值。又因移频信号的频偏为1 1h z ，远小于相邻载波信号频率 的差值，稍微进行标定一下，即可得到载波信号频率值。 测量频率法的示意图如图2 3 所示。本系统中将微控制器m s p 4 3 0 f 1 4 9 的t i m e rb 用作定时器，t i m e ra 用作计数器，实现测频率。 定哑厂 篙寨翻鬻r r nr r 同频率的脉冲波形i 图2 - 3 测量频率法波形图 f i g 2 - 3t h ew a v e f o t mo f t h em e a s u r e m e mb yd e t e c t i n gf r e q u e n c y 1 l 燕山大学工学硕士学位论文 测量频率法存在脉冲丢失问题，不适合对于较低频率的脉冲测量，但 对于本系统来说，由于载波频率值相隔较远，只要稍微修正，即可得到准 确的测量结果，误差较小。 2 - 3 2 低频调制信号频率测试原理 首先利用脉冲计数式鉴频原理，从移频信号中解调出低频调制信号f 即 从1 0 3h z 开始按1 1h z 等差数列递增至2 9h z 的1 8 种低频信息) ，再经过零比 较，得到与低频调制信号同频率的脉冲波形，送单片机计数单元，利用单 片机测周期法，即可得到低频调制信号的频率值。 2 。3 。2 1 脉冲计数式鉴频原理通过对调频波过零点的数目进行计数，因为 其单位时间内的数目正比于调频波的瞬时频率，从而解调出调制信号的方 法称为脉冲计数式鉴频器。它的突出优点是线性好，频带宽，同时它能工 作于一个相当宽的中心频率范围。因此，这种鉴频器已经得到广泛应用， 并可做成集成电路。 u m 7 1 轨道电路自身所传送的移频信号即是一种调频波，而调频波瞬时 频率的变化，直接表现为调频信号通过零值的点的疏密变化。若设调频波 从负变为正的过零点为正过零点，如果在每个正过零点处形成一个振幅和 宽度都相等的矩形脉冲序列，其重复频率和调制规律与原调频波的瞬时频 率的调制规律相同。如图2 4 所示。 图2 - 4 调频波到脉冲序列的变换 f i g 2 - 4f r o mf r e q u e n c ym o d u l a t e dw a v et op u l s es e q u e n c e 1 2 第2 章系统原理设计 也就是说，矩形脉冲序列的重复频率表示了原调频波的瞬时频率。因 此，如果每单位时间内对矩形脉冲的个数进行计数，则所得数目的变化规 律就反映了原调频波的瞬时频率的变化规律。而实际上，无需真的对脉冲 进行计数，而是采用低通滤波器将脉冲序列进行滤波，而脉冲振幅的平均 值正比于重复频率，即正比于调频波的瞬时频率p 。于是，可得脉冲计数 式鉴频原理如图2 5 所示。 图2 - 5 脉冲计数式鉴频器工作原理 f i g 2 - 5t h ep r i n c i p l eo f d e t e c t i n gf r e q u e n c yb yt a k i n gc o u n to f p u l s e s 2 3 2 2 测量周期法原理测量周期法的基本原理是在被测信号周期7 内， 对某一基准时间进行计数，基准时间与计数值的乘积便是周期r 。本系统 中利用微控制器m s p 4 3 0 f 1 4 9 的t i m e ra 0 捕获功能，当t i m e ra 0 的捕获引 脚有正跳变时，开始对基准时钟计数，直到下一次正跳变停止计数，读取 计数值即为低频调制信号的周期，换算后可得频率。 2 3 3 移频信号电压测试原理 利用全波整流电路，将移频信号变为直流量，经过一定的平滑处理后， 输入微控制器的a d 转换通道采集，然后按一定的比例系数对采集数据处理 即可得移频信号的电压值，输出显示即可。 因移频信号的电压有效值在轨道电路正常工作情况下为1 7v 左右，而 微控制器m s p 4 3 0 f 1 4 9 的a d 通道的参考电压可以选择2 5v ，因此，整流后 的直流量可直接加到d 输入通道。 2 3 4电容常用测试方法 2 3 4 1 电桥法 电桥法实质是比较法，它是利用待测元件和已知的标准元 件在电桥中进行比较，从而求出待测元件之值。这种方法精度较高，但主 13 燕山大学工学硕士学位论文 要使用于低频段。 电桥测量法是常用的测量电容方法之一。平衡电桥是用比较法进行测 量的，即在平衡条件下，将待测电容与标准电容进行比较，以便确定其容 量。电桥分为直流电桥和交流电桥两类。直流电桥又分为单臂电桥和双臂 电桥，前者称为惠斯登电桥，主要用于精确测量中值电阻；后者称为凯尔 文电桥，适用于测量低值电阻。交流电桥非常适合测量电容。电桥测量法 因具有测试灵敏、精确、方便等特点，得到了广泛的应用。 交流电桥由三部分构成：四个桥臂、电源、平衡指示器，如图2 6 所示。 交 流 l 雇d a c 号 源 厶 蜀 图2 - 6 交流电桥原理图 f i g 2 - 6t h ep r i n c i p l eo f a ce l e e n i cb r i d g e 其中四个桥臂为复阻抗z 1 、z 2 、z 3 、z 4 ，图q b a c 为交流信号源。交流电 桥的平衡指示器可选择示波器。当交流平衡指示器最小时，交流电桥平衡， 其平衡方程为： z l z 4 = z 2 z 3 或z 。z 3 = z ：z 。( 2 - 1 ) 复阻抗z 由实部胄和虚部( z = x 。一x 。) 构成 z = r + 肛( 2 - 2 ) 所以，电桥的平衡为 ( r 1 + 。) ( r 3 + 。3 ) = ( r 2 + 。k ) ( 胄4 + j x 4 )( 2 - 3 ) 化简得 ( r i r 3 一x l 工3 ) + j ( r l x 3 + r 3 x i ) = ( r 2 r 4 一2 x 4 ) + j ( r 2 x 4 + r 4 x 2 ) ( 2 - 4 ) 可见，交流电桥的平衡实际上是实部的平衡和虚部的平衡，也就是说，交 流电桥的平衡方程有两个，一个是实部平衡，一个是虚部平衡 蜀r i 五r 3 - - + x 玛i x 3 。：2r ：2 r 4 - + x 。2 x 4 ( 2 - 5 x rx 4rx 2 ) 【r l 工3 + 矗31=2+4 在交流电桥的平衡调节中，应设法调节实部和虚部分别平衡。最理想 1 4 第2 章系统原理设计 的交流电桥调节方案是实部和虚部调节时互不影响。 把复阻抗写成指数形式z = j z l e 坤，则式( 2 3 ) 可写为 j z i 慨l e “”= i z 2 慨l e “伊 ( 2 - 6 ) 于是有 删吲= z 。|f 2 _ 7 ) 【。+ 九= 九+ 九 、7 其中矧是z 的模，式( 2 - 7 ) 表明：要使交流电桥平衡，必须使电桥相对 臂上的阻抗的积相等，使相对臂上的阻抗相角之和相等。阻抗相角的和相 等的条件决定了交流电桥各臂上的元件布置。例如，当比较电容与电容时， 它们必须放置在相邻臂上，而比较电容与电感时，则电容和电感应放在相 对臂上。否则交流电桥就不可能平衡” 3 帅。 2 3 2 2 谐振法谐振法分为并联谐振和串连谐振两种。如图2 7 所示的是 并联谐振法测电容电路，其中c n 为标准电感的分布电容。 测量时，调节信