轨道转辙机功率传感器设计.doc

毕 业 设 计 论 文题目： 轨道转辙机功率传感器设计系 别： 电气与电子工程系专 业： 电气工程及其自动化姓 名： 学 号： 指导教师： 河南城建学院2010年05月 23日摘 要电动转辙机是铁路系统中一种重要的电气信号设备，它的主要作用是改变铁路道岔的开通方向，并反映道岔的状态位置。转辙机的可靠动作对提高铁路运输效率和保证行车安全起着至关重要的作用。随着铁路向电气化和高速化发展，铁道部为确保行车安全，对铁路电务设备的检测与维修提出了更高的要求。作为道岔转换装置，转辙机是实现联锁控制的关键设备，其有功功率和动作电流是考查转辙机电气特性的重要指标。信号微机监测系统是保证行车安全、提高各种设备测量精度、快速准确解决出现的各种问题不可缺少的机制。本文设计一种应用于工业场合的三相电动机功率在线监测系统。它采用多参数电能采集芯片ATT7022A 来采集和处理数据,以RS-485 实现C8051F410 单片机与PC 机之间的通信,通过采集铁路道岔转辙机启动及工作过程中的电流和功率,实现对工业场合三相电动机故障的在线监测。通过现场实际使用,证明了该装置具有高精度、低功耗、可靠性高,抗干扰能力强等特点。关键词： 电动转辙机；在线监测；RS-485通信；电磁干扰；铁路信号AbstractElectric switch machine is a kind of important railway system of electrical signal equipment which main function is to change the direction of railway yard opened, and reflects the state of rail positions. switch machiness reliability movement plays a vital role in improving railway transportation efficiency and ensuring safety. With the developing of railway electrification and high-speed ,to ensure safety, the ministry of railway ministry inspection and maintenance of the equipment, put forward higher request. Switch mathine is the rail transition device which is the key to realize interlocks controlling equipment.Its active power and current are the important norm for inspecting switch machines Electrical characteristics.Signal monitoring system is a indispensable mechanism in which can guarantee safty,and improve various equipment measureing precision,simultaneously,it can solve various problems fastly and accurately.This paper describes the design and implementation of an on-line monitoring system widely used in the railway industry,which can detect three -phase electrical power by collecting the current and the power of railway bifurcated switch throughout itsstartup and working periods. This scheme adopts the multi-parameter energy collecting chip ATT7022A for data collection and processing,and uses the 485bus to implement communication between C8051F410 and PC. And it is proved to have some advantages ofhigh-precision, low-energy consumption,high reliability and high ability through a period of local field use.Key：Electric switch machine; On-line monitor; RS-485 communication; Electromagnetic interference; Railway signal第一章 绪 论1.1 课题研究背景及意义在铁路现场操作中，铁路监测信号具有非常重要的作用。铁路信号监测系统的可靠运行保障了铁路系统的正常运作，随着铁路运输的发展需要以及科学技术的进步，行车安全条件的检查逐步由运营管理保证行车安全的措施过度到技术措施来进行保障，已经基本上形成了以自动控制为手段的系统。随着铁路信号监测技术的逐步成熟，铁路信号系统已经成为一种重要的技术手段，它是提高运输效率、实现运输管理自动化和列车运行自动控制、改善铁路员工工作现场环境以及保证铁路行车安全必不可少的措施。目前我国铁路信号监测系统与世界上发达国家的信号技术装备目前还存在一定得差距。在我国自行研制的系列中大部分是一个系统集成的过程，调度集中、调度监督设备也都是利用已经成型的标准软、硬件产品和操作系统按模块化组成的系统，并且缺乏大面积采用调度集中行车方式的普遍经验，与国外的高速铁路调度中心完全运用网络不间断指挥全线列车运行的方式还有很大的差距1。为此我国非常重视存在的差距，提出了铁路方向跨越式发展战略，经过全国铁路六次大规模提速，提速技术与装备已得到广泛应用，促进了铁路全行业相关技术的进步，带动了相关产业的发展。1.2 我国微机监测发展概况我国目前部分使用的信号监测系统，是由先进的微机技术与铁路信号相结合的新一代铁路信号监测系统。它完善了原有的监测方法并进一步的提出了新的合理的维修测试方式，铁路信号监测系统是保证铁路行车安全、提高运输效率的不可或缺的辅助设备。该监测系统减少了维修对运输的干扰，逐步迈向实现预防性状态修护的标准，使信号设备处于可靠运行和实时全面的受控状态的检测系统。它还具有一定程度的诊断报警的能力。电气集中微机监测系统在我国各种规模车站的使用已有二十多年的历史，刚开始的八十年代初期以单片机为核心的检测控制装置，在全国范围内相继研制生产出可以替代人工完成电气特性一级测试项目测试的信号微机检测装置。到九十年代中期，经过不断的经验积累、开发研制、改进提高，增加和改进了监测目标的范围。 一直以来，我国铁路信号监测系统一直致力于走自主发展的道路，现今已基本上发展成体系完整、设计、工业生产、施工维修的一整套信号系统。但随着技术的不断进步及市场经济对我国整个技术层面都有不小的影响，对铁路大环境也有较大的冲击，铁路相关的技术部门以及公司纷纷成立，主动寻求自身发展，进行大提速，改变长期低速运行的模式。列车速度的不断提高，对铁路信号系统提出更高的要求。保证列车的安全进出站、全面的实现自动控制、行车指挥调度、信息管理都提出了越来越高的要求，而在此时，看到现今我国铁路信号的发展会发现我国已经建立起来的这套体系却显得作用有限。将会阻碍向更高一步要求的进步。因此我国铁路信号相关产业部门如何抓住时机寻求发展、迎接挑战是当今我们必须思考和解决的问题。1.3 本论文的主要工作本论文的主要工作内容包括以下几个方面：1） 分析监测系统的技术指标和使用方面的要求，包括系统的测量精度，输入输出规格，通信协议，使用环境以及电磁兼容方面的要求等。在对监测模块的设计要求充分分析的基础上，设计系统的总体构架，同时分析了满足系统各项指标的方法。2） 根据体统的各项技术指标要求和总体框架完成对系统各个电路模块的设计。其中包括设计轨道转辙机功率传感器的设计，以及完成对传感器信号进行调整的传感器信号调整电路；完成电流源的设计；完成对采集数据处理的处理模块；完成强抗干扰能力的设计；设计了专用于程序的调试接口电路；以及给模块提供工作必需的电源电路等。3） 根据系统功能要求完成对系统软件的设计。其中包括：a) 各硬件设备的驱动控制程序，如：数据读取程序、PWM输出转换程序，滤波程序等。b) 上位机软件程序，主要用于数据的存储，以及方便工作人员的操作。 4）总结系统设计的经验及不足之处，找到改进措施。第二章 现场结构概述2.1 具体的现场说明2.1.1 道岔定位位置的确定道岔定位的确定主要考虑因素有以下两个：首先是保证进出列车的安全性，对于某些因其所处位置不同而会影响行车安全的道岔，应当以引向安全位置做为定位的原则。其次是从设备的可维护性和减轻工作人员的劳动强度以及提高效率等方面考虑，相关道岔应以开向作业比较繁忙的线路为定位的原则。在进路使用完毕后并不要求道岔自动恢复到原来的状态位置，道岔在没有用到的时候可以处于两个位置中的任意一个位置。如果联锁失效则仍以手动方式搬动道岔。2.1.2 道岔、警冲标坐标的计算在电气比较集中车站中，道岔、警冲标、色灯信号机的坐标是指从信号监测室至上述各设备之间的距离。计算各种设备的数据参数，其目的就是为了计算当测量信号时电缆长度提供必要的依据。1、道岔坐标由试验场基建部门提供的缩尺平面图上，给出的道岔坐标是道岔中心距车站试验场中心的距离。而在进行电气集中设计时，还需要得到道岔尖轨尖端的具体坐标，这是由于电动转辙机安装在道岔尖轨尖端附近。道岔坐标计算的问题可以转化为道岔中心坐标换算成岔尖坐标的问题，这样就可以很容易的解决坐标问题。当道岔尖轨尖端在站中心远端时，岔尖坐标等于道岔中心至岔尖的长度加上道岔中心坐标。当道岔尖轨尖端在站内中心近端，则岔尖坐标就等于道岔中心坐标减去道岔中心至岔尖的长度；通过这样的表示，就可以得到各个道岔的具体坐标了。2、警冲标计算警冲标应设在两中心线至警冲标的距离均为米的地方，即两分歧线路中心线相距米的地方。3、设定信号机坐标信号机其类型分为高柱和矮柱两种。进站信号机、正线出站信号机、牵出线调车信号机为高柱信号机，咽喉区调车信号机及侧线出站信号机为矮柱信号机。信号机坐标的设定如下三条所表述：1） 设置在道岔辙叉后面的两条线路中间的高柱信号机的具体坐标该坐标应该根据附近建筑接近限界要求进行设计。进行系统设计时，当得出道岔互相接合的轨迹半径、信号机安放处的道岔辙叉编号数、股道占用现场情况以及两条轨道线路中心之间的距离，就可以确定放置信号机坐标。2） 设置在道岔辙叉后面线路中间的低型信号机的具体坐标。一般情况下由于低型信号机高度不超过1100mm，因此设于辙叉后两线路中间的低型信号机，只要其装设位置在警冲标内方4至5米的地方，就不会达到建筑限界的值。3） 设置在道岔岔尖前的信号机的具体坐标。设定与道岔岔尖前的高柱或矮柱信号机，一般采取并排设于道岔与基本轨接缝处的方法来解决问题。2.2轨道电路概述2.2.1 轨道电路作用及构成本节主要对轨道电路进行简单的介绍，轨道电路是铁路信号监测系统已经实现自动控制的必须设备。利用轨道电路可以自动检测列车、车辆的进出站的实时情况，可以控制信号机在上位机监测中的显示；另外利用轨道电路可以将地面信号传递给机车车控室内，从而可以基于此控制列车运行情况。在现场中轨道电路是以铁路线路的两根钢轨作为回路，两端必须要加上电气绝缘，并接上电源以及用电器设备来组合成一个整体电路。2.2.2 轨道电路的原理轨道电路有很多种分类的方式，在目前的信号设备检查中多使用的是闭路式的轨道电路。轨道电路的工作原理如下：当列车占用轨道电路时，电路中的回路电流就可以通过机车的车轮了，这样引起轨道电路被分成两路。同时由于轮对电阻比轨道继电器电阻小的多的原因，使电源输出电流明显加大，通过测量电路中加上的限流电阻上的压降，可以发现出现较大的增加，而两根钢轨间的电压降低，轨道继电器的压降就不足以开通轨道继电器从而使得后接点闭合，信号灯关闭。如果当轨道电路发生断轨、断线时，同样也会不足以开通轨道继电器。出现这种情况就提示不得通过列车了。当轨道电路空闲时，即两根钢轨完整并且轨道上没有列车通过，即轨道电路空闲时，电路回路电流通过两根钢轨和轨道继电器时，使得控制轨道继电器吸起，前置接点自动闭合，控制信号等就开放。意味着可以通过列车了。2.3 铁路道岔及典型安全问题铁路道岔是列车转换轨道的中间线路连接设备。在车站站场内的各种线路的连接都要通过铁路道岔装置来控制实现。道岔方面的安全性有重要的意义。从实际的运行中可以看出道岔在保障列车行车安全方面的作用重大，但是它本身的抗破坏性较弱，因此会引起一系列的问题。单开道岔是最长见的道岔之一，普通的单开道岔就是在同一时间里只能作用于一个道岔，即把一个线路上的进站列车牵引到另一个轨道上去。而且这两个线路一个是弯道，另一个是必须是直线轨道。2.3.1 电动转辙机的构成及原理1） 转辙装置设备：转辙器设备主要包括了两根基本钢轨、两根轨道尖轨以及电动转辙机。通过电动转辙机的运动就可以移动尖轨的位置，进而确定轨道转辙的方向问题。轨道尖轨是转辙器组成部分的重要器件，它通过连接杆与电动转辙机连接。2） 基本钢轨及安全防护部分：本部分主要由护轨、基本的辙叉及翼轨组成，它的作用就是保证在转辙机把尖轨移动到固定的位置后，使得保证通过列车车轮通过两段连接轨线的相互交叉处时的安全性。从下图中，我们可以看到在两个翼轨之间会有一定得间隙，这是一个有害的空间，它如果过于大会影响列车通过。在实际运行中必须避免这方面的危险出现。所以要加上护轨部分，可以对进站列车车轮有以个引导的作用。图2.1 普通单开右开式道岔开通侧股构成示意图3） 连接部分：这部分主要由两根导曲线轨和两根直线导轨组成。它的作用是连接转辙机以及辙叉、护轨部分。在这里导轨曲线的半径不能太大，所以在当列车经过的时候速度要在一定得范围之内。2.3.2 电动转辙机转辙控制电动转辙机的工作原理是用电动机带动道岔尖轨转换位置实现轨道的转换，在工作中它有正传和反转两种方式，从而可以保证道岔能够实现两种相反方向的开通位置。我国铁路采用的电动转辙机的组成部分主要有机壳、转换锁闭装置、摩擦联结器、电动机、自动开闭器、 减速器、挤岔装置等构成。其中有保证安全的也有实现功能的装置。2.3.3 铁路道岔典型安全问题本节主要介绍了铁路道岔常见要注意的安全问题，其中主要包括道岔障碍、道岔伤害、工务安全、挤压道岔等。以下重点说明一下道岔障碍产生的原因和造成的后果。1、道岔障碍道岔障碍主要是指当进行轨道转换的过程中如果在道岔中有阻碍道岔运动的障碍物，可能导致轨道转换错误的现象发生。轻者出现轨道转换不到位，重者会造成列车脱轨的危险问题。下面我们从具体的轨道线路图来分析各个障碍形成的因素，可以使设计运行时更好的来避免错误的发生。1） 尖轨转辙障碍：从图中可以发现当障碍物达到足以造成尖轨转动后尖轨尖端与基本轨的不完全重叠时，就可以造成接车车轮的脱轨发生。图 2.2 尖轨转辙障碍造成脱轨的原理示意图Figure 2.2 Derailment principle for Tip orbit switching obstacle2） 活动心轨辙叉转辙造成的障碍：如果存在这样的障碍物，它造成了活动心轨辙叉转动后活动心轨辙叉尖端连不到基本轨道，这样必然会造成活动心轨辙叉的转辙方向与尖轨转辙方向的不一致。这种不一致性就会造成通过机车的脱轨。图 2.3 活动心轨辙叉转辙障碍造成脱轨的原理示意图Figure 2.3 Derailment principle of activity crossing tip orbit switching obstacle 3） 辙叉翼轨及护轮轨轮缘槽造成的障碍。当列车通过时，列车的重量、速度、运动瞬间形态以及障碍物的大小、硬度、位置、形态等原因可能发生机车车辆的轮缘高出或弹出钢轨顶面的现象出现，这种情况有可能发生列车脱轨的事故。4） 轨道电路引起的障碍：在这个系统之中每一根钢轨都是轨道电路中的一部分，都参与电流的传送。如果轨道中的某一钢轨出现断路的情况，可能就会引起整体的信号测量的不正常，有可能引起连锁混乱。2、 挤压道岔在铁路运行中也出现过挤压道岔现象，它是指当道岔已经处于关闭状态，但是还有列车没有接到信号，强行的进站，造成了道岔的开通方向与列车的行进方向不同，从而引起严重的后果。2.4 转辙机信号检测部分为了解决铁轨转辙机发生故障及时得到处理、分析事故原因的问题，本系统设计了一种基于流水线结构微处理器的数据采集系统应用方案。利用自带内核的高精度三相电能专用芯片，实现了对铁轨转辙机工作状况进行在线的监测。通过对供电电源，信号采集通道，以及信号输出通道进行必要的抗干扰设计，采取总线通讯，光电隔离，短路保护以及过载保护等措施，使系统很好的适应了工作环境的复杂性。在现场的试运行中已得到很好的验证，该方案在电磁干扰很强的工作环境中有很好的应用前景。正常工作的情况下道岔转换是一个相对稳定的过程，动作电流也是一条有规律的曲线。通过监测设备的智能诊断软件分析电流波形和数值的变化，可判别出转辙机工作是否正常，并记录其劣化趋势；或进行故障定位和分离，找出故障部件和位置。从而及时报警以预防事故，同时给维修工作提供科学指导。以下图是电动转辙机的接线图。图 2.4转辙电动机接线图Figure 2.4 Wiring Figure switch motor对三相四线制的电动机功率的在线监测。采用专用功率芯片对功率信号检测，通过总线与上位机通信，使得信号的可靠性得到更好的保证，最终达到调度监督、微机监测、有效管理的目的。2.5 监测系统总体方案信号监测系统需要检测的信号包括：轨道转辙机功率、工作电流、灯丝电压、轨道继电器电压、道岔电压、电源接地电流等多路信号。设计方案： 本系统采用机作为显示、储存、打印检测结果和控制检测电路工作，其优点包括上位机界面的显示，易于被现场人员接受；测量信息可及时的保存、查询和调用，还可以对历史记录进行分析和故障预测；系统出现的非线性问题可以通过上位机进行修改。 检测方式采用下位机中断请求，上位机响应做出处理的方式，使得测量过程能过做到及时处理，能够满足对测量时间的要求。 信号采集部分采用光电隔离技术、阻容滤波网络等措施，使测量系统不会造成对原信号系统有任何影响、保证了工作系统的安全性。系统总体方案如下：本系统要监测多个点的工作状况，对转辙机进行监测以确保转辙机的正常运行。部分原理框图如下所示：图2.5 系统原理图Figure 2.5 Schematic of system系统的工作原理是下位机嵌入系统将功率传感器、电流传感器、以及其它采集的模拟量数字化处理通过总线与上位机和监测主机实现通信，监测主机接收到信息后及时的与既有的初始化数据库做出比较，把转辙机及待测量以图形，数字方式显示出来，并设置出上、下限报警判断。并可以在必要时将现场的图像上传到监测主机，以确认现场情况，便于分析、故障诊断等。2.6 本章小结本章主要对本次课题的试验现场做了具体的说明，讲述了轨道电路的原理及作用。列出了在铁路运行系统中铁路道岔经常会出现的安全问题，并提出了解决的方法。最后主要是针对电动转辙机信号检测方面提出了总体的方案设计。第三章 下位机系统硬件及软件设计实现3.1信号检测硬件设计介绍本系统的下位机部分主要是基于一种流水线结构微处理器C8051F410设计的数据采集系统应用方案。为了解决铁轨转辙机容易发生故障的问题，利用自带内核的高精度三相电能专用芯片，实现了对铁轨转辙机工作状况进行在线的监测。通过对供电电源，信号采集通道，以及信号输出通道进行必要的抗干扰设计，采取总线通讯，光电隔离，短路保护以及过载保护等措施，使系统很好的适应了工作环境的复杂性。在现场的试运行中已得到很好的验证，该方案在电磁干扰很强的工作环境中有很好的应用前景。电动转辙机每次工作的时候都有固定的功率，正常情况下道岔转换是一个相对稳定的过程，每次电动转辙机的动作时间大概为8秒钟，在这期间转辙机的功率基本不变，以及动作电流也是一条有规律的曲线。通过监测设备的智能诊断软件分析电流波形和数值的变化，可判别出转辙机工作是否正常，并记录其劣化趋势；或进行故障定位和分离，找出故障部件和位置。从而及时报警以预防事故，同时给维修工作提供科学指导。为将来设计更高级的设备奠定了基础。为保证电动转辙机出现故障时系统能够及时的报警和处理，要对设备的运行状态加以存储分析，需要对功率信号进行检测。本文中我们采用专用的芯片。对三相四线制的电动机功率的在线监测。采用专用功率芯片对功率信号检测，通过总线与上位机通信，使得信号的可靠性得到更好的保证，最终达到调度监督、微机监测、有效管理的目的11。3.2系统工作原理3.2.1 系统基本工作原理本系统主要分为两种应用模式，既能应用于数据终端，也可应用于模拟终端。系统工作原理图如图1所示，电压电流互感器三相电能芯片流水线式处理器JTAG在线调试电路DC/DC电源电路模式1 四路 电流源模式2 485通讯模块复位电路图3.1 硬件电路原理图Fig.3.1 Schematic Figure of hardware circuit从图中可以看出本文设计了两个测量模式：一种监测模式是本系统中四路的电流源把采集到的功率信号以及三路电流信号转换为电流信号，在实际应用中有专门的仪器来对采集到的信号进行检测测量；另一种模式是把信号通过模块同上位机进行通信，把信号实时的传送到上位机进行显示、存储以及实现备份打印等功能。3.2.2 功率信号计算原理系统中采用的功率芯片集成了六路二阶、参考电压电路。它不需要外接数据采集芯片，系统有很高的集成度。采用双端差分信号输入形式，减少了干扰源。在此芯片中完成对有功功率的计算，通过对去直流分量后的电流、电压信号进行乘法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理后得到各相有功功率。前端的采用过采样技术，可充分保证电流、电压采样速率级同步性，根据采样定理可知在进行电流、电压采样数据中包含高达次的谐波信息，依据公式计算得到的有功功率也至少包含次谐波信息信号。(3-1)在三相三线模式下采用两元件测量方法，合相功率计算公式为：(3-2)(3-3)(3-4)在三相三线模式下的相通道不参加功率计量，只有相和相通道参与三相三线的测量。但是可以将通道的参数单独放出，只要在通道的电压与电流通道上加入相应信号13。在三相三线模式下仍可读取参数，但是通道的电压与电流通道上，所加的任何信号都不会对三相三线的正常测量产生不良影响。原理图如下图所示，合相有功功率： (3-5)图 3.2 有功功率测量3.2.3 电压和电流有效值测量轨道电路接收端电压、列车信号灯电压有效值测量通过对电压采样值进行平方开方以及数字滤波等一系列运算得到，电压通道输入到的信号时电压有效值的误差小于。具体的电压有效值测量及处理原理图如下所示：图 3.3 电压有效值测量对电动转辙机的电流测量是通过对电流采样值进行平方开方以及数字滤波等一系列运算得到。电流通道输入到的信号时电流有效值的误差小于，具体的电流有效值测量及处理原理图如下所示：图3.4 电流有效值测量Figure 3.4 Effective value of current3.2.4 SPI通讯功率芯片与单片机系统的接口是通过提供的一个总线接口进行数据传递。在系统中采取在功率芯片中采样计算得到的有功功率、电压以及电流存储到功率芯片相对应的寄存器中；然后读入到中对其求半个周期的平均功率的方法，这样得到的功率误差小，精度、响应时间都可以得到很好的保证3。此外，内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作。 3.3 下位机硬件电路设计硬件电路设计采取模块化设计的方法，本系统中设计的模块主要包括：通讯总线接口模块、电流源电路、功功率检测模块、高速光电耦合器、编程调试接口电路、电源电路、振荡器电路、电源监控电路、系统复位以及信号输出模块等组成。以下对所设计的各个子模块进行详细的介绍。3.3.1 微控制器系统概述器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型。下面列出了一些主要特性：高速、流水线结构的兼容的微控制器核（可达）；全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；高精度可编程的内部振荡器；必要时可以对其进行倍频处理。的片内存储器；字节片内 ；硬件实现的；增强型和增强型串行接口；个通用的位定时器；具有个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（）；硬件实时时钟（），工作电压可低至，带字节电池后备和后备稳压器；片内上电复位、监视器和温度传感器；片内电压比较器；多达 个端口。3.3.2 信号采集电路系统的工作过程是高压信号经过电压互感器转化到左右，经过电流互感器把电流信号转化到左右。转化后得到的信号经过整流滤波调理后输入三相电能芯片中。信号输入到中后将测的有功功率、三相电流信号存入相应的参数输出寄存器中。芯片接流水线式处理器，在高速的流水线指令结构下，程序执行速度可以达到，使系统的实时性得到满足。用中断的方式从的寄存器中读出相应的信号值。信号采集电路如下图：图 3.7 信号采集电路图3.8 ATT7022a 信号处理外围电路针对该信号做出两种处理：第一种是是针对系统与上位机相连的检测系统，需要做总线通讯的处理。另一种模块针对测量仪器是模拟仪器， 要求平均功率和有效电流信号转化为的电流信号，以便进行测量显示。在实际的应用中两种模块可以按照实际的应用环境进行选择。3.3.3 光隔RS-485总线模块为增强总线节点的抗干扰能力，的输出不直接和相连，而是通过高速光耦后再相连。光隔总线电路如图3所示：图3.9 光隔RS485总线电路图光耦电路所采用的两个电源和必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了意义。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块实为了避免后续信号处理部分带强电，同时避免数字信号对模拟信号的干扰，提高系统性能，采用了高速光电耦合器件。由于采用了串行模数转换器，使得电路接口变得简单，同时串行时钟变得很高，普通光电耦合器件远不能满足要求。我们采用了光电耦合器，速度高达。RS-485总线通信需要注意的问题主要有以下三点：1、总线隔离总线为并接式二线制接口，会出现有一个芯片出现故障就可能将总线“拉死” 的现象，因此对其二线口与总线之间都分别各串接一只的 电阻。对外置设备为防止强电磁干扰，可以选用防雷击芯片59。此外同时和地之间各连接的二极管，以消除线路浪涌的干扰。2、 失效保护措施标准规定了接收器门限为。因此它的作用是可以提供较高的噪声抑制能力，但是同时会产生当总线电压在中间状态时可能会引起的接收器输出状态的不确定性。当总线空闲、断路或短路的时候都会出现两线之间的电压低于的情况发生，须要采取必要的措施加以处理。可以再总线上加上偏置电阻加以防护，当总线空闲或开路的时候，利用加的偏置电阻将总线偏置到一个确定的状态。但是这种方法不能解决总线短路的问题。要想解决总线短路的问题，我们选用公司的系列的接口，它的接收门限被移到。这样就可以省去了外部偏置电阻，同时也解决了总线短路的失效保护的缺陷。3、电磁抗干扰问题驱动器输出信号中的共模输出必须要一个返回通道，多数情况下要采取一个低阻的返回通道即信号地。如果没有这个措施，信号就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个电磁波发生器，干扰将会很大，以至于影响正常的信号传输。因此对于网络必须加上低阻的信号地。但是这种传统的方法只对高阻型共模干扰有效。本文中采取的措施主要有以下三种：1） 当干扰源内阻很大时，可以再接地线上加上限流电阻限制干扰电流。接地电阻不能太大以避免共模电压升高。2） 采用浮地技术，隔离接地环路。这种方法适合共模干扰电阻较小的时候。此时是将引入的干扰结点浮置与大地或机壳隔离，从而不会产生较大的环路电流。3） 采用隔离接口技术，当不能悬浮时可以采用隔离接口来隔离接地回路。3.3.4 电流源模块功率信号及三相电流有效值经过后，再经过光电耦合器把电压转换为电流的电路（即电流源），把电压信号变成的电流信号，具体电路如图所示35：图中的起驱动作用，信号经过双路放大整流，把脉冲电压信号转化为与之成线性关系的电流信号。这样保证了输入与输出的对应关系，使得输出能准确的反映采集到的信号变化情况36。图3.10 电流源原理图Fig.3.10 Schematic Figure of current source3.3.5 电源电路定电压隔离稳压单输出（正压或负压）转换器，具体电路图如图3所示，图3.11 DC/DC电路图Fig.3.11 DC/DC circuit diagram图中的电源转换电路中的芯片选用WB12058输出稳压精度高，纹波小，隔离特性好，无需外接任何外转元件即可工作37。但是当外界环境的电磁干扰比较强的时候可以外加电感、电容网络，可以达到很好的消除噪声的作用。本电路特别适用于对输出电压精度和纹波噪声抑制率要求高的电压变换器系统。3.3.6 电源监控电路本电路中使用的功率芯片片内包含一个电源监控电路，这个监控电路连续对模拟电源进行监控。当电源电压低于时芯片将被复位。这可以确保电路上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作。 电源监控电路 应放在在延时和滤波环节中，这样可以在最大程度上可以排除由电源噪声引发的错误。如图3.12所示，本芯片要求AVc的波动不超过，为保证芯片正常工作应对电源去耦 38：图3.12 片内电源监控特性曲线Figure 3.12 Curve of within the chips power monitoring characteristics3.3.7 功率芯片系统复位功率芯片提供两种复位方式硬件复位和软件复位。硬件复位通过外部引脚完成，引脚内部有的上拉电阻，正常工作时这个引脚为高电平。当在工作中出现持续时间大于20us的低电平时，进入复位状态。当变为高电平时，将会还原，从复位状态进入正常稳定的工作状态39。软件复位通过口完成当往口写入命令后。系统先进行一次复位。在复位状态下为高电平。复位之后，运行在初始状态下。当从复位到工作状态需要经过一定的延时时间，大约经过左右，的状态将从高电平变为低电平。此时，芯片开始进入正常工作状态40。这时才可以向芯片中写入校表数据，写入校表数据之后，管脚状态又会立刻变为高电平。3.3.8 硬件抗干扰设计在实际的工作现场中，铁路信号监测设备的干扰源由很多种，主要有以下几种29：1）高压开关操作：高压开关操作时，电弧的熄灭和重燃引起一系列高频振荡。2）雷电：变电站可能直接遭受雷击，强大的雷电流和过电压直接作用于一次设备，产生极强的脉冲电场和磁场，并通过一、二次系统间的耦合途径或接地网进入二次回路。3）运行中的电力设备：载流导线和运行中的电力设备当有短路故障时其短路电流会在附近产生很强的工频磁场。4）辐射电磁场：变电站中的高频载波、对讲机等都是辐射干扰源。 5）静电放电针对实际现场中的各种干扰，主要采取的硬件抗干扰措施主要有以下几种1、 基准电压采用在系统中自带的内部参考电压作为基准电压。该电压是微处理自带的稳定性高，受外部环境影响小，抗干扰能力强。2、 布线及滤波在一些对噪声和纹波敏感的电路中，可在输出端和输入外加滤波电容，以减少纹波值。输出滤波电容器的容若太大，可能会造成启动问题。为了获得非常低的纹波值，可在转换器输入输出端联接一个滤波网络。为了提高模拟量的输入阻抗，减少损耗。在进行转换前加入一级电压跟随器，将检测的信号电压转换成电流，再并联电阻恢复成电压信号，使用了高精度的位双积分转换器43。为消除数字量的杂波干扰，电路中加入 的滤波电容组。具体电路图如图3.13所示：图3.13 抗干扰子电路图Figure 3.13 sub-circuit Figure of anti-jamming图中的是由芯片提供的基准电压，它的精度高，受到的干扰小。针对单片机系统采用看门狗电路，提高的抗干扰能力44。3、采用光电耦合隔离在本系统中在供电电源端和RS-485通信模块都加入了高速的光电耦合隔离，使信号处理系统不受到电源的影响，同时也使高压与低压模块用互感器隔离，影响减小。在地线方面，模拟地和数字地要分开布线，在通常工作条件下，输出电路对于过流及短路情况无保护功能。最简单的方法是在输入端串接一个自恢复保险丝，或在电路中外加一个断路器。3.4 下位机软件设计3.4.1 软件设计思想本程序的编写和调试的开发环境是，采用语言和汇编语言混合编程，基于程序中调用汇编的设计思想45。软件设计主要包括：口的初始化配置，电压管理系统的设置，系统时钟、中断，定时器以及输出位占空比可变化的子程序454647。软件部分的设计工作主要涉及到信号的采集、计算转化输出、复位功能的实现、软件陷阱抗干扰部分。首先进行系统初始化，采样采取定时器中断的方式，进入循环数据采集与处理子程序。并将采集的数据进行处理，处理过程主要包括数据滤波，信号的转化等。因本系统要求平均功率和有效电流信号转化为的电流信号，而采集到的二进制信号的范围为，利用公式 的方法可将电流信号转化到要求的范围。3.4.2 数据采集程序框图及处理分析数据采集采用中断采集方式，程序主要包括主程序，初始化子程序，串行通信子程序，平滑滤波程序以及中断输出子程序25。数据测量中断子程序框图以及主程序框图如图3.13和图3.14所示：图3.14 数据测量主程序框图Fig.3.14 Main-program Figure of data-measure图3.15 数据测量中断子程序框图Fig.3.15 Interrupt subprogram Figure of data-measure软件系统采用汇编语言方便了调试、修改，满足系统在时间上的精确要求。本系统中三相电压和电流信号每半个周期采样1000点，在功率芯片中计算出每次对应的功率值，设定通过每隔的时间进行中断请求采样。分四路采样，分别是平均功率和三相电流有效值。对采集到的数据信号采取平滑滤波处理，避免输出产生较大的波动47。3.4.4 精度校表方法分析使用这款功率芯片需要进行校表。它支持全数字校表，经过数字校表得出的仪表，有功功率可以达到。具体的校正流程表如下图所示：图3.18 校表流程图Figure 3.16 Flow chart of correction table图3.17 参数设置过程Figure 3.19 procedure of parameter settings图 3.18 分相校表Figure 3.20 correction table of phase splitting分相校正时分相电流的校正可能会影响三相电流矢量和寄存器的精度。3.4.5 SPI通讯接口1、 通讯接口介绍内部集成了一个串行通讯接口。微处理器通过这个SPI口与实现数据的读取，它的接口采用从属方式工作，使用2条控制线和2条数据线和。当片选由高电平变为低电平时表示SPI操作开始；然后由微处理器发送读信号或是写信号，确认后再发送地址信号，就可以实现数据的读写。当由低电平变为高电平时， 操作结束。无论是读还是写数据，每次操作时必须有下降沿，否则通信不成功。出现上升沿时表示操作结束。与外部的通讯接口接线图如图所示12：图 3.21 SPI通讯接口典型接线图Figure 3.21 typical wiring Figure of SPI communication interface口上的串行数据输入(输入脚)用于把微处理器的数据(如数据/命令/地址等)传输到；上的串行数据输出(输出脚)用于从寄存器读出数据12。串行时钟(输入脚)控制数据移出或移入串行口的传输率上升沿放数据，下降沿取数据。下降沿时将上的数据采样到中，上升沿时将的数据放置于上输出。在实际的电路设计中，要在信号线上串联一个小电阻，选为50欧左右。在输入端总会产生一个寄生电容，加上这个电阻后可以构成一个低通滤波器，从而可以消除在信号传输过程中产生的振荡现象，确保了传输的正确性。如果外界的电磁干扰较大的话，可以再外加电容，在这里我们通过实验选择左右的电容 51。3.4.6 软件抗干扰设计措施监控模块的性能直接影响整个开关电源的工作，如果抗干扰措施设计考虑不全，一旦干扰窜入监控模块，会引发误测、误报，会导致整个系统瘫痪。本系统在软件抗干扰方法如下30。主要采用数字滤波和数字调零技术，消除开关电路、转换电路的偏差，对信号进行平滑处理，减小干扰影响。对各类数据规定格式，采取校验、校表技术、检错重发机制来提高可靠性。大量采用冗余指令，提高软件执行的可靠性。3.4.7 系统误差分析实际电力系统中，连接了许多外在电气设备，这将给电网注入各种谐波电流。交流信号并非单一的正弦波，这些高次谐波危害电气设备的正常运行或缩短其寿命，是必须要加以去除的。总体上高次谐波幅度随着次数的增高而变小3031。然而同频率谐波电压和谐波电流将构成谐波功率，且是有功功率的一个部分，谐波电压和谐波电流也是电压有效值和电流有效值的一部分，因此，在交流采样技术中应该考虑谐波分量。3.5 本章小结本章主要做的工作是实现下位机系统的设计，包括硬件和软件的设计。首先分析了系统的工作原理，然后进行设计。设计的方法是采用自上而下的方式，把系统分成若干个子模块，一一的分析设计，最终实现硬件功能。通过软件调试工具，在硬件系统中加入程序，最终实现了下位机的设计。同时对系统的误差也做出了分析。第四章 铁路信号的微机监控系统的设计实现本系统上位机由微机系统构成，软件采用编程，（简称）是环境下简单、易学、高效的编程语言开发系统，以其所见即所得的可视化界面设计风格和位面向对象的程序设计等特点，已广泛地应用于各个领域，是很多计算机软件开发人员采用的开发工具。不但提供了良好的界面设计能力，而且在微机串口通信方面也有很强的功能。通过串行口将所需的各种预置信号(数字信号)传给单片机系统，再由单片机系统产生实际的模拟信号线性光电隔离器送到现场。预置数值可以分别显示在机软件窗口和单片机系统的预置数字表头上。同时，现场实测信号经过线性光电隔离器，也可以实时显示在本系统的检测数字表头上和机的界面上。如此设计界面直观，而且利于对现场信号进行实时监测52。(1)下位机通信机与各从机通信时，从机采用工作方式及中断方式发送和接收数据。本机地址指各从机的地址，当一台单片机发现机发出的地址与自己的地址相符时，单发机发地址应答信号，其他从机同时不响应。这样保证每次与机通讯的只有一台从机。(2)上位机通信上位机数据的接收和发送采用中的通讯控件，该控件不需要用户对通讯底层进行操作，是一种简单实用的与下位机通讯的方法。它有事件驱动通讯和查询通讯两种方式。本次设计采用事件驱动方式，即接收缓冲区每接受规定字符数产生一次事件，发送时设置不产生该事件。4.1串口通信方案介绍串口通信作为一种灵活的通信方式，被广泛地应用于间的通信以及和单片机之间的通信之中。只要我们借助相关控件的帮助，即使是在底层操作一向不被人看好的中，一样能够实现串口通信，甚至其实现方法和、汇编相比，要更加快捷方便。而且还有较为良好的界面。在中有一个名为（简称）的通信控件。我们只要通过对此控件的属性和事件进行相应编程操作，就可以轻松地实现串口通信53。目前在我国应用的现场总线中使用最为普遍当用户要将基于标准的接口设备如机连接至由构成的通信网络时则必须作和之间的电平转换规定的电平和一般微处理器的逻辑电平不一致，必须进行电平转换，实现逻辑电平转换可以采用以下三种方式：采用标准，方式采用分立元件实现。4.2 串行通信知识介绍4.2.1 RS-485协议简介及MAX485芯片介绍是美国电气工业联合会制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准。它采用差分信号进行传输；最大可连接个驱动器和收发器；接收器最小灵敏度可达；最大传输距离可以达到；最大传输速率可达。由此可见，协议正是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。接口芯片是公司的一种芯片。采用单一电源工作，额定电流为，采用半双工通信方式。它完成将电平转换为电平的功能。第五章 总结与展望5.1 设计工作总结本文重点讨论了基于流水线结构微处理器的转辙机工作状况（轨道转辙机功率、工作电流）的监测；之外还包括对信号灯丝电压、轨道继电器电压、道岔电压、电源接地电流进行实时监测的系统的开发过程。整个过程包括分析系统的设计要求；根据设计要求设计系统的框架结构；完成整个系统的电路设计包括上位机和下位机；硬件电路设计、以及软件程序的编写；根据系统开发的技术指标对系统进行抗干扰能力，精度方面的测试；以及对系统的各个功能的实际测试验证。1、 本监测系统的总体方案设计合理，设计思路符合现场工作条件的要求。系统设计采用软硬件相结合的设计思想，将一些任务单一，功能简单和需要较高响应速度的操作直接交由硬件电路完成；另外将一些实现过程复杂并且在实现过程中的稳定性不好易改变的工程由软件编程来实现完成。从