机车信号系统检测装置的设计与实现优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

国内图书分类号：tp23 国际图书分类号：681.327.17 工学硕士学位论文 机车信号系统检测装置的设计与实现 硕 士 研究生： 翟文涛 导师： 沈毅教授 申 请 学 位： 工学硕士 学 科 、 专 业： 控制理论与控制工程 所 在 单 位： 控制科学与工程系 答 辩 日 期： 2007 年 7 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index:tp23 u.d.c.:681.327.17 dissertation for the masters degree in engineering diagram signal measurement system: design and implication candidate： zhai wentao supervisor： prof. shen yi academic degree applied for：master of engineering speciality： control science and egineering affiliation： dept.of cience and engineering date of defence： july, 2007 degree-conferring-institution：harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘摘 要要 铁路信号设备是铁路重要的基础设施之一，也是保证铁路运输安全和运 输效率的重要设备。车载机车信号系统是通过接收地面信号设备发出的指令 信息，经过处理，用灯光设备显示给司机，以控制列车的运行方向、运行速 度和运行间隔的信号识别设备。我国铁路新技规中对车载机车信号系统 的可靠性、安全性和准确性提出了更高的要求，因此就需要设计一套功能完 善、工作稳定、操作简单的车载机车信号系统的测试专用设备。本文正是对 这种需求进行了分析和研究，开发出了机车信号系统的检测装置。 全文以实际课题为研究背景，从硬件开发的角度，阐述了嵌入式机车信 号检测仪硬件系统的设计和实现的全过程。首先分析了测试仪需要检测的信 号系统、需要完成的测试以及测试仪的检测原理。在此基础上，从功能上将 硬件系统分为测试仪核心控制部分、编码器部分和通信调试电路三大部分， 并作了分别介绍。在测试仪核心控制部分，硬件组成包括了 cpu、lcd 显 示输出、触摸屏输入和 a/d 电路部分，它是整个测试仪的核心部件。它在 功能上包括了测试仪的控制单元，输入与输出系统和信号的反馈检测。在编 码器部分主要有编码器，程控运放和功率放大三部分，它是测试仪检测制式 信号的发生装置。通信与调试电路则包括了 can 总线通信、rs-232、rs- 485 串口通信、usb 接口以及网络部分系统。这部分系统负责测试仪在研制 过程中的调试以及测试仪与被测主机之间信号通信。最后介绍了该测试仪的 所有电路接口。整个检测装置，经调试后，达到了预期的性能要求。 关键词 关键词 机车信号；嵌入式；信号检测；编码器；硬件系统 - i - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 abstract railway signal facilities are not only the most important basic equipments of the railway, but also the significant devices to ensure the safety and efficiency of transportations. train carried signal system are a set of devices that receive and process signals coming from the rail, and signal the drivers with lights, so that let the driver can control the direction, speed of the train and gaps between the trains. the new railway technique prescript of our country brings forward higher requirements in the reliability, safety and accuracy, so it is necessary to carry out a suit of special equipment which has full functions, works steady, and easily to be operated to test the train carried signal processing system. basing on these, we design and develop the locomotive signal system terrestrial detection device. this paper is based on an engineering project. in the view of the hardware development, the whole process of the design and implementation of the railway signal measurement system is described. firstly, the signal system needs to be measured by the measurement system is analyzed. based on these, the hardware systems are divided into three parts: the kernel, the encoder and the debug system. the kernel hardware system includes cpu, lcd display output, touch screen and a/d circuit. this system is the core of the whole system, with the function of control the whole detection system, the signal in and output and the feedback embedded system; ground examination; encoder; hardware system - ii - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目目 录录 摘 要.i abstract. ii 第 1 章 绪论.1 1.1 课题背景.1 1.2 铁路信号技术基础简介.2 1.2.1 轨道电路.3 1.2.2 机车信号.4 1.3 机车信号系统发展历史及现状.4 1.3.1 国内外机车信号现状.4 1.3.2 影响我国机车信号主体化的一些因素.6 1.4 国内外在机车信号检测方向的研究现状及分析.7 1.5 论文主要研究内容.8 第 2 章 测试仪功能与原理.9 2.1 机车的信号系统.9 2.2 测试仪的用途与工作原理.10 2.3 测试仪的功能.12 2.3.1 测试双绕组机感线圈的感应性能比.12 2.3.2 测试双机在不同制式下的灵敏度和对制式信息的判断准确度.12 2.3.3 八位信号机灯压检查以及对应灯码的点灯测试.13 2.3.4 上、下行开关检测.13 2.3.5 测试a、b机切换时间.13 2.4 检测仪的硬件组成.13 2.5 本章小结.15 第 3 章 测试仪核心控制部分的设计.16 3.1 处理器与存储芯片.16 3.2 lcd设计.20 3.3 触摸屏控制设计.24 3.4 a/d采样电路设计.27 3.5 本章小结.30 第 4 章 编码器程控放大及功放电路设计.32 - iii - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4.1 编码器设计.32 4.2 程控运放部分.34 4.3 功率放大部分.36 4.4 本章小结.38 第 5 章 通讯调试电路与电源电路设计.39 5.1 can总线通讯电路设计 .39 5.1.1 can总线协议概述 .39 5.1.2 can总线硬件接口设计 .40 5.2 串口通讯电路设计.43 5.2.1 rs -232、rs-485 总线协议概述 .43 5.2.2 rs-485 总线接口硬件实现.44 5.3 usb支持电路与网络电路设计.46 5.3.1 usb支持电路的设计.46 5.3.2 网络电路设计.47 5.4 电源部分.48 5.5 接口部分.51 5.6 本章小结.52 结 论.53 参考文献.54 攻读学位期间发表的学术论文.57 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.58 致谢.59 - iv - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第第1章 绪论章 绪论 1.1 课题背景课题背景 铁路运输是我国国民经济的大动脉，是我国社会主义建设迅速发展的重要 组成部分。目前，我国 70%的运输量都由铁路来承担，因此铁路运输对于国民 经济和社会发展有着极其重要的意义和作用。近年来，我国干线铁路的行车速 度不断提高，个别区段的车速己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、列车间隔之短也已达到国际先进水平。在 此背景下，人们对铁路信号列车安全、控制与调度技术提出了越来越 高的要求。市场的需求促使我国致力于铁路信号技术研究开发、设计制造、管 理应用的专业人员的目光投向国际上先进的工业国家，渴求了解他们先进的铁 道信号技术 1,2。 我国铁路正向着重载、高速和高密度方向发展，传统的铁路信号已不适应 发展的需要，突出的要求是把以地面信号为主体信号转换成以机车信号为主体 信号，把以反映列车空间间隔为主的信号(显示内容)转换成以指示列车运行速 度为主的速差信号，并要求积极发展控制列车运行速度的列车超速防护系统。 因此，在技术上要求自动闭塞、机车信号和列车超速防护三个功能不同的系统 能有机的结合为一个系统使用。 铁路信号设备最初是作为铁路行车的一种安全设施产生和发展起来的 3。 列车在运行时，如果不依赖信号设备，司机需要靠视力判断列车的行进速度以 及列车间的距离间隔，以此来确定列车的驾驶状态。由于列车运行速度高，制 动距离长，靠人的视力辨认不能保证安全行车。这就需要机车车载信号系统为 司机提供必要的信息，保证行车的安全。随着列车速度和密度的不断增长，铁 路信号设备成为提高铁路运输能力不可缺少的重要技术设备。 随着机车信号地位的提高，各方对机车信号问题有了进一步的深入统一的 认识，我国铁路新技规提出了机车信号主体化的概念，其中第 91 条规定： “作为行车凭证的机车信号系统，是由车载信号和地面信号设备共同构成的系 统，必须符合故障安全的原则，车载设备应具有运行数据记录的功能；地面信 号设备应能正确发送信息。 ” 因此研制出一种自动化机车信号系统，对于消除人为因素，防止机车事故 - 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的发生，保证铁路运输的安全与高效都具有十分重要的现实意义和使用价值。 车载机车信号系统通过接受地面铁路信号设备发出的指令信息，经过处 理，通过灯光设备显示给司机，以控制列车的运行方向、运行速度、运行间隔 等。机车信号系统不仅是列车安全行驶的保障，也是保障提高运行效率的重要 设备 4-6。 铁道部技术要求中明确规定，通用式机车信号系统必须可靠接收现存的两 类（移频类和电码类）五种制式的信号（国产移频，18 信息移频，um71，微电 子交流计数和原交流计数），并且在一定强度的电气化干扰和脉冲干扰存在的 情况下，机车信号系统能够在规定的时间内译解信息，给出正确的显示，指挥 或辅助指挥行车。 为了达到铁道部的技术要求，保证机车信号系统的可靠性，安全性和可维 护性，机车信号系统的出厂测试、日常维护和机车出库前测试都应有功能完 善、操作便捷的检测装置来实现。本课题正是对这种需求进行分析和研究，来 开发机车信号系统专用的检测仪器-机车信号系统测试装置。 本课题所设计的基于嵌入式 linux 系统的检测装置能够很好的解决上述 问题。此项课题研究具有重要的意义，一方面能够大大提高机车信号系统的可 靠性，安全性和可维护性，使机车信号系统更好的适应新形势下对铁路信号的 技术要求；另一方面该检测装置一套能代替以往多套装置，节约了大量的设备 资金，并且体积小，便于携带，功能齐全，减轻了检测人员繁重的劳动量，提 高劳动效率，所以该装置具有非常广阔的应用前景。 1.2 铁路信号技术基础简介铁路信号技术基础简介 铁路信号又称铁道信号，是铁路上用的信号、连锁、闭塞等设备的总称。 铁路信号的主要功能是保障行车安全和提高运输能力。随着铁路信号技术的发 展和先进设备的广泛应用，铁路信号已成为提高铁路区间和车站通过能力，增 加铁路运输经济效益、改善铁路职工劳动条件的一种现代化管理手段和发展前 沿的科学技术。铁路信号设备是铁路运输基础设备之一。它犹如人的耳目和中 枢神经，担负着路网上各种行车设备状况的信息传输和调度指挥控制的作用。 在信息社会的今天，信号己成为铁路信息技术的三大支柱(即通信、信号、计 算技术)之一。进入 20 世纪 90 年代以来，铁道部己把信号技术列入牵头发展 的领域，使其得到较快的发展，已经取得明显的社会效益与经济效益。 - 2 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2.1 轨道电路轨道电路 在铁路运输中，为了使列车的运行管理直接与信号设备发生关系，通常是 把钢轨作为信号的传输导线，其间的轨缝用接续线连接起来，在一定的轨道区 段的两端轨缝装上绝缘，一端送电，另一端受电，构成了这样的一段一段的电 路轨道电路。它可以反映线路和道岔区段是否有车占用，以及钢轨是否完 整。 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 它可以监控列车在线路上的运行情况，也可以传递与行车有关的各种信息。常 用的轨道电路有送电端、钢轨线路和受电端 3 部分组成，其结构如图 1-1 所 示。 图 1-1 轨道电路结构图 fig. 1-1 structure of railway circuit 两个分界绝缘节之间的钢轨线路（即从送电端到受电端之间） ，称为轨道 电路的控制区段，也就是轨道电路的长度。轨道电路的长度要受轨道电路工作 状态的制约，不同类型的轨道电路长度不同。 当列车未进入轨道电路，即线路控制区段空闲时，电流从轨道电路电源正 极经过钢轨进入轨道继电器，再经另一股钢轨回到电源负极。这时因轨道继电 器衔铁吸起，使其后接点断开、前接点闭合，接通信号机的绿灯电路，允许列 车进入轨道。 当列车进入轨道电路，即线路控制区段被占用时，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，可以认 为轨道电路从列车轮对处被短路，轨道继电器衔铁被释放，用它的后接点闭合 - 3 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 信号机的红灯电路，表示轨道有车占用，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。 可以看出采用这种轨道电路，当轨道电路的任一部分发生故障时，均能导 致轨道继电器失磁落下，使信号机点亮红灯，从而保证了安全。 1.2.2 机车信号机车信号 轨道电路中传递的信息可分为不同制式，每一种信号制式的地面发送设备 和机车上的接收、译码、点灯设备构成一种信号系统，信号系统中机车上的接 收、译码、点灯设备即为机车信号。机车信号制式主要有以下几种：交流计 数、移频、极频和由 um71 轨道电路组成的多信息信号系统。 按照从地面向机车传递信息方式的不同，机车信号分为三种类型：点式、 接近连续式、连续式。 1. 点式机车信号。用于非自动闭塞区段，在某些固定点处设置地面设 备，向机车传递信息。它利用地面感应器和机车感应器间的电磁耦合作用，从 地面向机车传递信息。但由于点式机车信号仅在个别地点有显示，不能有效地 保证行车安全，我国铁路已在 20 世纪末给予淘汰，并改造为接近连续式机车 信号。 2. 接近连续式机车信号。用于非自动闭塞区段，在进站信号机外方的一 个固定地点设置发送设备，并从固定地点到进站信号机之间安装一段轨道电 路。因此它从固定地点开始一直到进站信号机处为止，都连续不断地向机车上 传送地面信号的信息，是机车信号机连续复示进展信号机的显示。这对于瞭望 条件困难和运输繁忙的非自动闭塞区是非常有益的。 3. 连续机车信号。主要用在自动闭塞区段，利用自动闭塞分区的轨道电 路向机车传送信息。因此，在整个区间线路上，机车信号能连续地反映前方地 面信号机的显示 7-9。 1.3 机车信号系统发展历史及现状机车信号系统发展历史及现状 1.3.1 国内外机车信号现状国内外机车信号现状 我国铁路由于历史和技术等因素，存在着多种自动闭塞制式。非电气化区 段自动闭塞主要有 50hz 交流计数，极性脉冲和非电气化移频三种制式。电气 - 4 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 化区段自动闭塞主要有 25hz 和 75hz 交流计数，电气化移频等多种制式。 我国目前轨道电路向机车传输的信息，均为周期低频调制信号，尤其是移 频和 um-71 制式，具有确定的、离散的、有限频率数的谱结构。这种谱结构与 各种干扰的频谱有显著的区别，与不平衡牵引电流、机车发电机干扰、机车振 动等干扰形成的谱结构均不同。因而，采用频域的频谱分析和识别的方法，来 分辨有用信号和干扰具有天然的优势。尤其是当干扰信号落在信号频带内时， 可以利用频谱识别的办法将其剔除。 在自动化机车信号设备的研制方面国内较具代表性的设备是北方交大研制 的 jt1-cz2000。该机采用双机热备的工作方式，主机采用 tms320vc33 型 dsp，可接收 um200 数字编码信号，兼容 um71 等制式的机车信号。 在引进设备方面，目前主要是法国高速铁路中应用的机车信号制式， tvm300 和tvm430 两种，其中tvm430 是基于tvm300 发展起来的，最新tgv线路 上应用的系统。tvm430 系统采用的固定闭塞分区约 1500 米( tvm300 系统使用 更长的固定闭塞分区)，因为闭塞分区比列车制动距离(约 6000 米)短，所以一 个制动过程通常要占用 4 个闭塞分区。短闭塞分区允许列车以较短的运行间隔 运行，这样可以在不对列车制动性能提出更高要求的前提下，提高高速线路的 运营能力。在使用tvm300 系统的法国东南线上，最小的运行间隔为 5 分钟；在 大西洋线上为 4 分钟；而在采用tvm430 系统的北方线上，最小运行间隔仅为 3 分钟 10。 我国的机车信号从无到有，从有到好，发展至今已有近 40 年的历史，经 历了以下 5 个发展阶段。 第 1 阶段（20 世纪 50 年代初至 60 年代初） ，机车信号的产生阶段，其特 征是点式机车信号，主要引进国外的电磁继电器式和机电式的设备。 第 2 阶段（20 世纪 60 年代初至 80 年代中)，针对某种轨道电路制式开发 相应的专用机车信号装置。 第 3 阶段（20 世纪 80 年代中至 90 年代初） ，研制应用微机控制的通用式 机车信号（第 1 代、第 2 代） ，开发应用数字技术的通用式机车信号（第 3 代） 。 第 4 阶段（20 世纪 90 年代初至今） ，研制适用于主体化性质的机车信号车 载设备，包括车载主机、高可靠感应线圈、记录器等。 纵观上述发展过程，我国的机车信号是遵循从量变到质变的辩证唯物主义 规律发展的。发展的每个阶段一定延续若干年，这反映人们的认知过程。机车 信号主体化研制、开发、应用也必然会延续数年，但由于各种新技术的飞跃发 - 5 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 展，开发周期将会大大缩短。 1.3.2 影响我国机车信号主体化的一些因素影响我国机车信号主体化的一些因素 目前，我国在铁路机车信号的使用上已经有了很大程度的改善，但无论从 覆盖率、安全可靠性等方面还远远不能满足铁路越来越重的运输压力和提速要 求，因此，铁道部已经决定大力推进机车信号主体化进程。但是，目前还存在 许多因素影响我国机车信号主体化，下面给出一些主要因素。 （1） 车站股道尚未全部电码化，即使车站有轨道电路，其作用多数是为 检查列车的存在，而不是为机车信号设置，此种情况在岔区也是如此。 （2） 同一制式轨道电路其低频信息含义不同，造成通用式机车信号难以 “通用” 。例如，在铁路不同区段应用的 um-71 制式中共有 10 种不同含义， 这些不同含义一方面达不到通用译码，只能靠手动区分，这有背于“主体化” 原则。另一方面，一旦发生人为转换不及时，则后果难以想象。 （3） 同一制式轨道电路，在不同地区应用不同类型的轨道发码、接收设 备。如西北地区应用的交流计数制，不仅有 25 hz, 50 hz 和 75 hz 3 种载频， 而且码型的时间参数也有差异，这对实现通用化非常困难。 （4） 异常干扰现象。在某些地区发生过接近交流计数式的无码地区出现 有码现象，说明这种制式的信息特征极易混入干扰信号。 （5） 机车信号感应器安装不规范引发机车信号“闪白灯” 。当感应线圈 安装高度等不正确，或感应器信号线没有使用屏蔽线时，致使干扰信号进人机 车信号内引起“闪白灯” ，又机车感应线圈制造厂很多，因设备质量也引出不 少问题。 （6） 国产的移频制式轨道电路在电化与非电化两类地区的参数有差异， 这使长交路机车难以适从。 （7） 轨道电路制式中存在着同频干扰和带内干扰问题，在国产移频中尤 为突出。车站相邻的轨道电路中可能混入造成危险的信息干扰，特别是同方向 主线与侧线之间危险性更大。 （8） 邻线干扰。在相邻线路的轨道电路之间存在着相互干扰，在一些特 殊情况下，本线上的运行机车信号能收到邻线轨道电路发送的信息。这种现象 称为机车信号邻线干扰。 （9） 机车信号的二次接收。当一个闭塞分区被列车分路，且后续列车冒 进红灯信号进入同一闭塞分区时，如果后续列车能够接收到前方列车分路后的 - 6 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 残留信号，则此现象称为机车信号的二次接收。后续列车距前方列车的距离称 为机车信号的二次接收长度。 （10）质量管理体制、日常维护体制以及维修体制还不完善 11。 1.41.4 国内外在机车信号检测方向的研究现状及分析 国内外在机车信号检测方向的研究现状及分析 当前，由于检测装置使用的控制芯片性能普遍较低，抗干扰性能较差，测 试功能不完善，性能不可靠，而且兼容性差。由于历史原因，当前我国铁路干 线上存在多种制式信号共存的局面，列车往往需要使用两套或是多套相应的检 测装置进行检测，这样就需要使用两种或是多种相应的检测装置进行检测，机 车信号系统的日常维护也变得很繁琐。 下面介绍目前我国正在使用的两种机车信号系统的检测装置：北方交大研 制的分离仪器式机车信号综合检测装置和郑州科研所设计的 dos 环境下软件 编程控制专用仪器插卡检测装置的组成及优缺点。 分离仪器式机车信号综合检测装置由发码设备，示波器，频谱分析仪与计 时/灵敏度检测部分组成。它的特点是各个组成部分分别采用了单独的仪器设 备，它们之间只能通过简单的连线相连接。发码器能发出各种制式信号，完成 灵敏度测试。现阶段我国铁路信号主要分为交流计数信号和移频信号。交流计 数信号主要包括交流计数和微码交流计数信号两种，是通断控制的信号，属于 调幅信号范畴，信号频率分别为 25hz、50hz 和 75hz，这类信号是以不同的间 断来传递信息的。移频信息主要包括国产 4 信息移频、国产 8 信息移频、国产 18 信息移频以及 um-71 移频。示波器和频谱仪用于临时监测发码器发出的信 号，然后观察点灯情况和计时机车信号点灯的应变时间来检测机车信号的性 能。 优缺点：分离仪器式机车信号综合检测装置是采用一些分离的仪器设备， 采用人工控制，系统结构分散庞大，而且价格比较高昂，维护工作量大，一旦 出现故障，不可避免的对整个系统产生不利影响 12。 郑州科研所设计的 dos 环境下软件编程控制专用仪器插卡检测装置。从 某种程度上说，该检测装置是虚拟仪器的一种。他的硬件结构组成是一台 pc 机和几块插卡，完成与机车信号接口和采集点灯信号的功能。检测的功能主要 通过软件编程来实现。软件编程是在 dos 环境下的软件平台实现的，功能主 要有产生相应的制式信息信号，通过点灯信号返回测试点灯应变时间以及灵敏 度等等。 - 7 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 它的优点是可以通过菜单进行功能选择，操作较为简单。缺点是人机界面 相对简单，色彩单调，各项菜单不能在同一屏上显示，而是层层嵌套，使用户 不能对其拥有功能一目了然，同时由于子菜单层层深入，由后一级别的菜单返 回首页主菜单时，需要一层层返回，使用效率不高。另外由于是dos环境下的 编程实现，看起来不够直观，漂亮 13,14。 1.5 论文主要研究内容论文主要研究内容 本课题以实际开发项目为背景，根据机车信号系统的实际要求，从提高系 统的可靠性和安全性出发，检测仪需要完成的对机车信号系统的 5 项主要测试 工作，即对机车信号系统的双绕组机感线圈的灵敏度进行测试，双机在不同制 式下的灵敏度、制式信息检测，八位信号机灯压检查、对应灯码的点灯测试， 上、下行开关检测和双机切换时间的检测。根据上述五项测试要求，设计了机 车信号检测装置。 本文主要研究内容是对检测装置的硬件组成架构进行了详细而深入的分析 与设计。主要包括对测试仪进行了总体的概括介绍，包括它的功能，需要完成 的测试以及其工作原理。然后对测试仪的各个硬件组成部分即核心控制部分， 输入输出设备，电源部分，通讯调试部件和各种接口部分，以及编码器和程控 运放功放部分进行具体而详细介绍，对测试仪的整个硬件研制进行了深入的分 析与研究。 全文分五章： 第一章是绪论，介绍了机车信号系统，说明了检测装置的研究背景和应用 前景，对目前我国铁路机车正在使用的两种检测装置进行了简要介绍，并概括 了本文的主要研究内容。 第二章首先分析了机车信号系统的结构和实现原理，然后从提高系统的可 靠性和安全性出发，总体设计了检测仪所需要完成的主要检测任务，以此为依 据，概括介绍了设计的检测仪的硬件组成部分。 第三章主要介绍了测试仪核心控制部分的各个组成部分。详细的说明了该 部分电路的设计原理以及电路组成。 第四章主要介绍了编码器部分的设计原理和组成电路，对这部分的性能以 及影响作了详细介绍。 第五章介绍了通讯调试电路、电源电路的设计以及测试仪的接口部分的接 口详细列表。 - 8 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第第2章 测试仪功能与原理章 测试仪功能与原理 在设计检测装置之前，首先需要简要的分析和研究我们的被检测系统，即 机车信号系统的结构和工作原理，然后再结合实际课题的需要，介绍说明检测 装置的功能以及设计原理。 2.1 机车的信号系统机车的信号系统 完整的铁路信号系统，分为轨道信号系统和机车信号系统两大部分。其轨 道信号电路主要是将各种地面信息通过发送设备发送到机车上。而机车信号系 统在接收到地面信号系统发送来的信息以后，对该信号信息进行处理判断，通 过系统的显示设备，给出相应的行车控制信息。 轨道电路中传递的信息可分为不同制式，每一种信号制式的地面发送设备 和机车上的接收、译码、点灯设备构成完整的信号系统，信号系统中机车上的 接收、译码、点灯设备即为我们的测试对象机车信号系统。机车信号制式主要 有以下几种：交流计数、移频、极频和由 um71 轨道电路组成的多信息信号系 统。 机车信号系统固定安装在司机室中，它的系统框图如图 2-1 所示。 图 2-1 机车信号系统框图 fig. 2-1 diagram of locomotive signal 机车信号系统是通过机车的接收设备，接收地面信号设备发出的指令信 息，经过处理，用灯光设备显示给司机，以控制列车的运行方向，运行速度和 运行间隔 15。 简单的说，机车信号系统就是机车的眼睛，它的作用是自动反映前方地面 - 9 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 信号，指示司机运行，保障行车安全。由于机车信号系统装有双绕组感应线 圈，地面设有轨道电路，当机车靠近地面信号设备时，感应线圈接受到地面信 号，通过机车信号系统处理后，通过灯光设备显示给司机。这里的灯光设备主 要是指机车上的八位信号灯，这八位不同颜色的信号灯，它们的不同亮暗组合 代表了不同的机车行进控制信息。司机再根据灯光显示的信息控制火车的运行 方向和运行速度等。 机车信号系统采用了在国外信号安全系统或高速铁路系统中惯用的双机比 较，即“二取二”安全结构。其含义是为了确保系统的可靠性与安全性，每块 主机板内有两路独立的译码通道进行解调，它们的结果要互相对比，对比一致 时才输出，这就是“二取二”的对比原则；整个系统同时有两块主机板工作， 其中一块工作在主机状态，即直接控制灯机构，另一块工作在备份状态，只回 读灯机构的显示不向灯机构发出控制信号，这就是双机热备份。 在其中一块主机板出现故障时或板内对比结果不一致时，另一块主机板切 换到主机状态，而本主机板则进入故障诊断状态。故障诊断就是要检测出故障 位置并通过 can 总线报告给记录板进行记录，为检修提供依据。 通过采取了“二取二”的安全结构，大大提高了机车信号系统的安全性与 可靠性，在实际应用中取得了非常大的成功。但是任何电子系统都不绝对的安 全可靠的，况且机车信号关系着整个机车的安全运行，所以我们仍需要有专门 的测试装置，对机车的信号系统进行状态检测和故障判断。 2.2 测试仪的用途与工作原理测试仪的用途与工作原理 机车信号系统检测装置是为机车信号系统研制的专用测试仪器。该仪器可 用于机车信号系统在出厂前或安装后、离线的情况下的状态检测和故障判断。 机车信号系统检测装置，以下文中简称为测试仪，可向被测的机车信号系 统（下文称为被测主机，或简称主机）提供可制定标准输出信号，被测主机接 收信号后，就会做出相应的处理，测试仪在通过被测主机相连的 can 总线通 讯，读取被测主机此时的工作参数，对其状态进行判断。 测试人员使用检测装置测试机车信号系统时，首先在输入界面输入信号命 令的类别，即检测仪发出某种制式信号信息（极频信号、交流计数信号或者是 移频信号） ，此时 cpu 根据输入信息向编码器发出控制指令，编码器接到控制 指令，经过解码后发出相应的制式信号。该信号先后经过滤波平滑，可控运放 以及功放以后，输出给机车信号系统的感应线圈，此时测试仪完成模拟地面设 - 10 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 备发出的信息。 当被测主机通过双绕组感应线圈接收此信号后，经过处理判断，将制式信 号的信息（制式信号的种类，信号灯点灯码信息和上下行信息等）通过 can 总线通信返回给测试仪显示，同时检测装置对被测主机的各个点灯码电压和上 下行开关等模拟量进行 a/d 采样后，在测试仪 led 上显示出来，这样通过 can 总线发回的信息与 a/d 采回的信息进行比较，来测试被测主机的各项性 能。 发出信号的大小是由采样系统通过调节程控运放自动完成。实现了对该信 号的闭环控制，提高测试精度。 检测装置的具体工作原理如图 2-2 所示。 图 2-2 测试仪与被测主机工作原理示意图 fig. 2-2 block diagram for measuring system and tested target 图中，测试仪主机发出的控制信号为数字信号，该信号被编码器解码以 后，即可发出相应的信号。而编码器发出的测试信号，主要包括交流计数、移 频、极频以及 um71 四大类信号。该信号进入被测主机后，被测主机感应后通 过 can 总线反馈回信息。包括制式信息、点灯的灯码、上下行开关模式等。被 测主机反馈的模拟信号主要是 48v 的点灯电压以及上下行开关电压。 - 11 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2.32.3 测试仪的功能 测试仪的功能 根据测试仪的用途与工作原理，我们设计了检测装置主要功能。可概括为 三点： 1、 能够控制机车信号发码器（内嵌）准确发出要求的各种制式的信号； 2、 能够与被测主机进行总线通讯（can 总线）交换信息，总线协议格式 按照主机工作标准协议制定； 3、 能够对被测主机输出的要求被测试 i/o 量进行测试。 从提高系统的可靠性和安全性出发，本检测装置针对机车信号系统组要完 成以下 5 项检测工作。下面将详细介绍每项工作的具体实现原理。 2.3.1 测试双绕组机感线圈的感应性能比测试双绕组机感线圈的感应性能比 机车信号系统的感应线圈是机车信号系统的信息采集部件，它所采集的信 息是机车信号系统的信息来源，因此，感应线圈的灵敏度高低很大程度上决定 了机车信号系统的性能好与坏，所以需要对其灵敏度进行测试。 机感线圈的灵敏度，主要是指机感线圈感应输出信号与输入的标准测试信 号之间幅值