铁路移频论文——硬件.doc

摘要铁路移频信号检测仪的设计 硬件设计摘要信号检测是保证列车安全运行的重要因素之一，铁路段和机车联系的方式之一是通过铁轨作为介质由发码器发送移频信息。为保证信息的正常发送维修人员须定期对移频信息进行检测。当前，铁路提速的发展，多信息移频自动闭塞系统已经应用于铁路区间行车自动指挥系统中。我国铁路机车信号主要采用相位连续的频移键控FSK（Frequency-shift keying）调制方式。FSK是利用数字信号对载波频率进行键控调制的一种方式。移频信号是一种频率调制信号，通常选择550至850HZ频率为中心频率，70至30HZ为信号频率，不同的信号频率值代表了一定速度控制信息，直接指挥列车的运行速度。移频信号的定时检测并发现干扰源或故障，这样对确保铁路行车安全有重要意义。本课题研究内容：测量电化区段和非电化区段的移频信号电压值、电流值、调频信号的上边频、下边频、单频、低频 、中心频率、中心周期的至少八种信息的参数测量。在信号的采集上选用多路开关芯片并设置合适的量程范围.。采用有源滤波电路对信号进行适当的处理，将交流信号通过AD736转化为直流信号并经过AD7705将模拟信号转化为数字信号，并用LM2907以及MAX7400对其解调，最后选用AT89C4051单片机以及LCD显示以达到准确测量各种参数的目的。关键词 ：移频信号；测宽法；参数测量AbstractThe design of railway Frequency-shift detector design of hardwareAbstract Signal detection is one of the important factors to ensure the safe operation of trains . The contact of the Railway and locomotive with each other is by the tracks as a media and sending the shift frequency information by the coder. In order to ensure the success of sending information,the maintenance staff have to detect it regularly. Currently, with the improvement of the speed of trains ,the multi-frenquecy shift automatic blocking system has been used in traffic automatic command system 。In our country ,the railway locomotive signal mainly uses the modulation of the continuous phase frequency shift keying。FSK is the way using the digital signal to modulate the frequency shift keying signal , usually choosing 55oHZ to 850HZ as the center frequency, 70HZ to 30HZ as the signal frequency ,the different signal frequency represents a certain speed with controlling information ,directly commanding the speed of train .It has a great significance that detecting frequency-shift signal in timing ,finding the sources of interference and fault to ensure the safety of railway System.The content of this theme is as follows: measuring the parameters of frequency-shift signal in the electrical and no electrical block. These parameters include voltage and current of FSK signal, upper frequency, lower frequency, carrier frequency and low frequency 8 messages frequency. It usually chooses the multi-channel switch of chip and sets appropriate range in the acquisition of the signal。Active filter circuit is the main method of signal processing, exchanges AC signal to DC signal by AD736,then exchanges analog signals into digital signals through AD7705 and demodulates it using LM2907 and MAX7400,at last ,selects AT89C4051 microcontroller and LCD to show the results in order to achive accurate measurement of various parameters .KeyWords：frequency-shift signal; the measuring width; parameter measurement目录目录摘要IAbstractII1 绪论11.1课题来源及研究的目的和意义11.2几种制式的移频轨道电路21.2.1国外移频制式轨道电路的频率配置21.3符合信号安全要求的信息传输系统31.4我国轨道电路测试工作的现状及国外的发展水平32 铁路移频信号检测仪的实现52.1系统的功能52.2系统的设计结构52.3系统特点63 铁路移频信号检测仪的硬件设计73.1电源部分73.2人机接口部分83.3模拟信号处理部分103.3.1信号的采集及量程的选择103.3.2交/直流信号转化及A/D转化133.3.3频率信号的处理及调试电路173.3.4移频信号的数字检测法183.4核心控制器及其电压检测电路193.4.1核心控制器193.4.2电压检测电路224 铁路移频信号检测仪的软件设计244.1主程序流程框图244.2软件设计中的部分要点254.2.1按键部分254.2.2A/D转换及其量程选择255 检测仪的误差分析265.1测试数据265.2电压测量误差分析275.3频率测量误差27致谢28参考文献29附录131附录232371 绪论1 绪论1.1课题来源及研究的目的和意义铁路是国民经济的大动脉，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。为了提高铁路的运输能力，除增加新干线，积极改革动力外，信号通信设施的技术改造以及新增干线通信设施的配套建设，大力发展铁路自动化，有着十分重要的意义。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，担负着网路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，信号已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，铁道部已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。安全是铁路运输的生命线，信号则是火车行车的千里眼。在铁路运输过程中，为了使列车的运输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，其间的轨缝用接续导线连接起来，在一定的轨道区段（1Km）两端的接缝上要装有绝缘，一端送电，另一端受电，构成了这样一段又一段的轨道电路。在我国轨道电路分为以下几种制式：交流轨道电路；移频轨道电路；相敏轨道电路；无绝缘轨道电路等。通常情况下钢轨的两轨之间的电压为0.3V-15V，流经的电流0.3A-15A，电路道渣阻抗一般为 0.11，在移频轨道电路中，最小电压 50mV，最小电流 50mA。轨道电路因各地的地理条件，如地势、土质、温度、湿度、气候等差异，或呈感性或呈容性。铁路部门只有定期检测轨道电路的电压、频率等参数，才能确定轨道电路及其信号设备是否处于最佳状态，及时消除故障隐患，确保铁路安全行车移频信号全称为移键控信号，是一种频率调制信号，利用高频信号承载低频信号，通常选择（550850）HZ频率为中心频率，（7030）HZ频率为低频调制频率。每种移频信号代表了一定的速度信息，是现代铁路机车行驶中的速度控制信号，它可以准确确定列车的位置，与铁路机车安全运行有密切的关系。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。列车控制系统的基础设施之一是地面轨道电路和机车信号，为保证提速列车和高速列车的安全运行，地面轨道电路和机车信号就要可靠、安全的工作， 因此定期检测轨道电路的电压、频率等参数，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，这就需要有可靠性高、准确度高的测试系统完成铁路信号的测试，这将有助于行车的安全。1.2几种制式的移频轨道电路1.2.1国外移频制式轨道电路的频率配置法国 UM-71 无绝缘移频轨道电路，上行线载频的中心频率f0 是 2000Hz、2600 Hz，下行线采用的中心频率 是 1700Hz 和 2300Hz 两种载频频率，频偏为11Hz。低频调制频率 从 10.3 Hz 起，按 1.1 Hz 等差级数递增至 29 Hz，共 18个低频信息。法国 UM-71 无绝缘移频轨道电路采用 1700Hz 以上的载频频率，便于实现两闭塞分区的电气化绝缘，但频率越高，在钢轨中衰耗越大，给信号的传输带来了极大的不利，因此每隔100m 就在轨间并联一个补偿电容，以延长轨道电路的长度。载频及调制频率由晶振经分频产生。英国西屋公司的 FS-2500 轨道电路也是 FSK 制式，其载频采用 1700、2000、2300、2600（Hz）4 种，调制频率 4个 13.2、15.6、18、20.4（Hz），频偏为12.5Hz。西屋公司新开发的应用于地铁的 FSK 制式轨道电路载频为：4080、4320、4560、4800、5040、5280、5520、6000（Hz）。调制频率 14个，从 28 Hz 到 80Hz，间隔 4 Hz。日本 FSK 制式轨道电路载频选用 1700、2300、2900、3500（Hz）。调制频率采用两种：一种是 10个信息，其频率为 10、13、16、19、23、26、31、34、37、41（Hz），此时频偏采用40 Hz。另一种是 15个信息，其频率除上面 10个外增加 45、55、61、67、73（Hz），而频偏为70 Hz。以上所列举的几种制式中频率的配置各不相同，它们都从各自的具体情况来设置的。它们的共同特点是载频频率高，信号频率准确，这对信号的抗干扰很有利。另外除了英国西屋公司高载频的制式外，其它制式的调制频率之间都不存在倍数关系，这对信号的可靠接收是有利的。英国西屋公司高载频制式的调制频率存在倍数关系，但它的特殊性是载频很高，载频高有利于信号的抗干扰，信号受到干扰的影响小，这已为信号的可靠接收提供了很有利的基础 。1.2.2 我国移频制轨道电路的一些特点我国现有4信息移频轨道电路信号载频上行线采用的中心频率f0 是 650Hz和 850Hz 两种载频频率交替配置，下行线采用的中心频率f0是550Hz 和750Hz两种载频频率交替配置，频偏为 55Hz，与上述国外移频制式相比，由于我国特殊的设计和使用背景，它有以下的不利特点：（1）信号载频低。信号载频越低受到50 Hz 牵引电流谐波干扰就越大，这是因为50Hz 牵引电流的谐波分量的分布规律大体上是低次谐波能量大，高次谐波能量小。（2）调制频率的准确性差。现有移频轨道电路的调制频率由 LC 振荡器产生，频移范围为2%，频移是比较大的。（3）频偏为55Hz，因此相邻载频的移频信号的一个边带重叠。如 550Hz信号以 605Hz 为中心的边带和 650Hz 信号以 595Hz 为中心的边带重叠，这对信号的抗干扰性不利。（4）接收设备接收到的信号幅度小，非电化区段要求机车接收钢轨最小短路电流27mA，电化区段 66mA。而引进的法国 UM-71 轨道电路钢轨的最小短路电流 500mA，两者相比差距是很大的。信号小对信号抗干扰不利。（5）轨道电路的长度长，最长 2.6km，并且不设轨道补偿电容。因此对机车信号的接收来讲轨道电路的终端接收信号与始端接收信号相差甚大，即信号的动态范围很大。这对机车信号接收不利。1.3符合信号安全要求的信息传输系统随着铁路不断提速，基于通信的信号系统(CBS)已经提上了议事日程。但是通信技术用于信号领域必须严格遵循信号安全准则故障导向安全。对于通信技术而言，又必须涉及到两个方面：设备的故障导向安全以及信息传输的故障导向安全。对于前者已经引起国内的广泛重视；而对于后者，尚未引起国内专家的足够关注。在国外,尤其是在欧洲共同体，对此课题极为重视,他们将满足故障导向安全的信息传输系统称为“按照安全要求构造的通信系统”，并由欧洲电工技术标准化委员会(CENELEC)制订了相应的技术标准。根据访问系统的用户是否获得授权以及系统的其他特性，在 CENELEC 技术标准中，将安全信息传输系统分为封闭式和开放式两大类。封闭式安全信息传输系统定义同时满足以下三个前提的传输系统称为封闭式安全信息传输系统：(1)传输信道是封闭的,或者说用户必须是经过授权的。(2)连接到传输信道上的设备的数量或者最大数量是可知而且固定的。(3)传输信道的特性是相对稳定的。通常,用电缆或光缆或数据总线组成的信息传输通道(称为第一类封闭式安全信息传输系统)以及用轨道电路或轨间电缆或应答器作为信息传输通道，通过车载天线实现车地数据传输的系统(称为第二类封闭式安全信息传输系统)都被归属于封闭式安全信息传输系统，目前,城市轨道交通信号系统的车地之间的信息传递大多采用第二类封闭式信息传输系统.对它的安全要求为：(1)必须通过编码技术来保证发送与接收数码的同步；(2)必须通过冗余编码技术来保证信息传输系统具有检纠错能力，对于点式信息传输系统,必须具有信息冗余功能，在进行车地之间信息传输时，同一组数据必须至少传输三次。1.4我国轨道电路测试工作的现状及国外的发展水平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：电压、电流、相位、频率等的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CCITT 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。法国的无绝缘轨道电路，行车速度为 300 公里/小时；日本的磁悬浮列车的行车速度大500多公里/小时。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。1.5 本课题的技术难点和研究内容为了解决我国轨道电路测试手段落后的状况，解决电气化区段强干扰下信号的检测，完成在线检测轨道电路的参数，因此，我们研究了适合我国国情的各种制式的轨道电路参数测试仪。本课题的技术难点及研究内容：(1)在电气化铁路区段，两条钢轨既是移频信号的传输线又是牵引电流的回流线，牵引电流有时高达1000安，两条钢轨中不平衡电流一般为数十安，有时超过 100安。这对移频轨道电路信号构成极大干扰，对测量移频信号带来困难。(2)由于移频信号是一种调频波信号，其波形为低频信号调制中心载频信号后产生的低端载频（下边频）和高端载频（上边频）两个交替变化的正弦交流信号。采用传统的测量连续交流信号的方法来测量移频信号的上下边频是困难的。(3)由于低频调制信号是加载在载波信号上的，调制频率分别为 7、8、8.5、9、9.5、11、12.5、13.5、15、16.5、17.5、18.5、20、21.5、22.5、23.5、24.5、26（Hz）共 18 种信息频率。(4)为了将移频信号与工频及其谐波干扰信号进行分离，采取了信号变换的测量方法，如采用有源低通滤波电路等。 技术要求如下：为适应电气化区段移频轨道电路的要求；本仪器采用交直流供电，液晶显示，适用于野外及现场测试。主要技术指标：调制频率：7 Hz、8 Hz、8.5 Hz、9 Hz、9.5 Hz、11 Hz、12.5 Hz、13.5 Hz、15 Hz、16.5 Hz、17.5 Hz、18.5 Hz、20 Hz、21.5 Hz、22.5 Hz、23.5 Hz、24.5 Hz、26Hz；下边频：495Hz 、595Hz、695 Hz、795 Hz；上边频：605 Hz、705 Hz、805 Hz、905 Hz；载波频率：550 Hz、650 Hz、750 Hz、850 Hz；电流值： 040mA；电压值：0V400V。测试功能：同时测量并显示电压、频率参数。2 铁路移频信号检测仪的实现2 铁路移频信号检测仪的实现2.1系统的功能本系统主要用来测量铁路沿线移频自动闭塞系统中路轨上的移频信号。主要测试以下几种信号：(1)移频信号的有效值参数和频率参数(上边频、下边频、低频、中心频率中心周期)(2)单频信号的有效值参数和频率参数;(3)信号电压值及电流值的测量。2.2系统的设计结构系统的设计框图如下:图2.1 移频信号检测仪的设计框图图2.1为移频信号检测仪的设计框图，它主要由以下4分组成：电源部分，人机接口部分，模拟信号处理部分，核心控制器部分组成。电源部分主要为便携式移频信号测试仪提供士5V的电源。由于本系统为便携式测试系统，因此采用2节干电池作为电源，采用MAX756芯片实现3/5伏升压变换，并采用7660S芯片实现+5伏到-5伏的电压变换。人机接口部分由液晶显示和按键组成，液晶显示用来显示被测参数，按键用设置测试功能。模拟信号处理部分主要完成各种不同信号的频率参数和幅值参数的测量主要包括AD转换及量程选择部分、信号处理部分、有效值转换部分、波形变换等四部分组成。被测信号为交流信号，交流信号需芯片AD736将交流信号的有效值转换为直信号，6脚输出后然后再经过AD7705行进行模数转换。核心控制器采用AT89C4051芯片。系统为便携式测试系统，采用电池供电，因此供电芯片大都采用低功耗芯片，以节省电能，延长通电时间。2.3系统特点该系统的主要特点为:1)本系统采用手持便携式外形，内装可充电电池组供电;采用液晶显示，体积小，重量轻，方便现场携带和使用;2）具有测量量程自动识别切换功能，不会因为测量档位选择不当造成仪表损坏或错误读数;3）方便的人机接口，便于铁路工作人员进行操作，以便准确测量移频信号的各种参数。西安工业大学3 铁路移频信号检测仪的硬件设计3 铁路移频信号检测仪的硬件设计3.1电源部分由于本系统为便携式测试系统，因此采用2节干电池作为电源， 采用MAX756芯片实现3/5伏升压变换，并采用7660S芯片实现+5伏到-5伏的电压变换。电平转换原理图为： 图3.1 电平转换原理图图3.1为电平转换原理图，输入电压为3V（对应图中J1），输出的电压为+5V（对应图中的V+）和-5V（对应图中的V-）。C1到C4为输入电压的滤波电容，C9到C18为V+的滤波电容，C7和C8为VCC的滤波电容，C19到C27是输出负电压 （-5V）的滤波电容。MAX756为3V到5V直流到直流电压变换器，7660S为+5V到-5V反向电压变换器。MAX756是一个直流到直流低压变换器，它允许的有效输入电压降至0.7V，并将输入的电压转换成输出电压为3.3V/5V。当1脚为低电平时片子有效；2脚选择输出电压幅值，当它为低电平时输出电压为5V；当它为高电平时输出为3.3V；3脚一般为1.25伏的参考电压输出, 当外围没有负载时可以通过0.1F接地，最大负载能力为250A来源，7脚是MAX756规定的电压输出端，8脚一般有0.5W的功率损耗。该芯片具有如下特点：(1) 效率高，输出带负载能力强，最大可带300mA的负载；;(2) 转换的最大频率为500KHZ；(3) 60A的静态电流；(4) 所承受的温度范围可以超过额定温度的上下5；(5) 200mA时它的效率为87。7660S是一个将正电压转换成负电压的转换器，它的输入范围为1.5V至12V,相应的将其转换成1.5V至12V。该芯片具有如下特点：(1) 它适用的电压范围比较广为1.5V到12V；(2) 1脚适用于比较高的开关频率；(3) 改进后的转换效率为99；(4) 低压保护所提供的最大电流适用于各种温度变化。3.2人机接口部分人机接口部分包括按键模块和液晶显示模块，按键模块完成移频测试仪的功能选择，液晶显示完成信号参数的显示。3.2.1按键接口图3.2 按键接口电路图3-2为按键接口电路，程序初始化时把P1.0 、P1.1 、P3.7初始化为高电平，当有键按下时它们由高变成低电平，单片机以按键按后的状态来执行相应的功能。这三个键分别是单频/低频/上下边频/中心频率/中心周期切换键、电压值/电流值的切换键、是否选用有源滤波电路切换键。3.2.2液晶显示接口液晶显示采用12864液晶显示，该液晶显示为显示点阵64行、128列，可显示汉字4行8列。其主要参数如下:芯片工作电压:4. 5V-5. 5V；工作电流:5.OmA；模块最佳工作电压:5. 0V；点阵尺寸:0. 48 X 0. 48mm；液晶显示有20个管脚表3.1 液晶显示所用引脚说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地6PSB并行/串行H/L2VDD电源正极7/RST复位信号低有效3CS片选信号8LEDA背光源正极4SID串行数据输出9LEDK背光源负极5SCLK使能信号液晶显示接口:图3.3 液晶显示接口图3.3为液晶显示接口电路，J3为液晶显示连接的数据线插座，1号管脚接地，2号管脚接电源（一般为5V），3号脚为片选信号，接的是AT4051的P1.3管脚，4号脚为串行数据输出端，由P1.2控制，5号脚为脉冲信号，由P3.1控制，6号脚是串/并行方式选择，高点平时为并行方式，低电平时为串行方式，在这我选用串行方式，7脚是复位信号，低电平有效，高电平时正常工作，因此液晶显示正常工作时，该引脚接高电平（VCC），第8、9脚为背光控制端，当8脚通过5.1欧姆的电阻接电源正极，9脚接电源负极时，液晶显示才有背光。3.3模拟信号处理部分3.3.1信号的采集及量程的选择 图3.4 信号采集电路图图3.4 为信号采集电路图，CD4052为多路选择开关电路，图中，Y0, Y1, Y2, Y3分别表示多路开关的输入信号选择合适的量程来输入，它们可以是电压电流信号,也可以是上下边频或低频等多种信号频率参数及其有效值参数.多路转换开关CD4052的控制信号由CPU的 P1.4、P1.5管脚控制.为了确保测量的精度，因此在测量的时候应该根据信号的大小来选取不同的量程，这样才会达到测量的目的。在此我将量程划分为四个量程，电阻的大小取值如下：R2498K R4=1.8K R6=200K R3=250K R5=50K R7=180K R8=20K量程的选择用到了CD4052这个多路开关电压信号的衰减倍数如下： (3.1) (3.2) (3.3) (3.4)Y0=Y1/10 Y1=Y2/10 Y2=Y3/10电压的检测范围是0400V在此将量程划分为四部分，具体如下：Y0检测范围（40V-400V）Y1检测范围（4V-40V）Y2检测范围（0.4V-4V）Y3检测范围（0.04V-0.4V）当P1.4、P1.5=0、0时，选择的是Y0通道则输入移频信号的电压衰减倍数为2500 ；当P1.4、P1.5=0、1时，选择的是Y1通道则输入移频信号的电压衰减倍数为250 ；当P1.4、P1.5=1、0时，选择的是Y2通道则输入移频信号的电压衰减倍数为25 ；当P1.4、P1.5=1、1时，选择的是Y3通道则输入移频信号的电压衰减倍数为2.5 。量程被划分为四部分后，当检测时电压的检测是从大量程开始选取，由大到小，这样不易损坏片子，而造成检测仪的损坏。将量程划分为四部分可以提高测量的精度，但是在测量的时候还会出现一些问题，比如当检测到的电压值的大小位于两个量程的交界处时，它不知道该选用那个量程而造成电压的左右跳动，要解决这个问题必须在软件上做出一些改变，例如Y3检测范围（40V-400V），现在要检测的电压值是40V，它就会在Y2和Y3左右跳动，因而必须在软件上做出调整，可将它的范围设置为（38V-400V）,而将Y2检测范围设置为（3.842V）,依此类推即可解决这个问题。假如输入的电压值大小为400V，虽然量程选择Y0，但是Y1、Y2、Y3还是要加电压的，经过计算Y1、Y2所加的电压在片子所承受的电压范围内，而Y3所加的电压过大，因此在分压电阻的旁边加了两个用来限幅的二极管，当输入电压大于5V时，二极管将输入的大电压拉低到+5V，因此CD4052不会被烧毁。CD4052后面接了一个跟随器和一个放大器，电压跟随器常用作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时称之为缓冲级。基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点，在电路中起阻抗匹配的作用。当采集到的电压信号过小时会给测量带来不便，因此可通过放大器对信号放大，在这用到的是反比例放大器,是一个电压并联负反馈运算放大器。由于考虑到电压各个量程的关系及模数转换的准确性，在这用到的放大器的放大倍数为 (3.5)选择跟随器还是放大器是由CD4053来进行选取的，而CD4053的控制信号是由CPU的P3.4和P3.5管脚决定(CD4053的9脚已接地)。具体选择如下：当P3.4 、P3.5=0、0时，选择的是Y0 、X0通道;即信号通过了放大器和有源滤波电路；当P3.4 、P3.5=0、1时，选择的是Y0 、X1通道;即信号没有通过放大器，但通过了有源滤波电路；当P3.4 、P3.5=1、0时，选择的是Y1 、X0通道;即信号通过了放大器，没有通过有源滤波电路；当P3.4 、P3.5=1、1时，选择的是Y1 、X1通道; 即信号没有通过放大器和有源滤波电路；CD4053的后面接有低通滤波电路，当测出来的信号波形毛刺比较大时就应该经过有源低通滤波电路和有源高通滤波对信号进行适当的处理，以确保所测量信号的准确性，由计算截止频率公式fp=1/(RC)计算得，对于有源低通滤波电路信号的截止频率为4KHZ，即当信号的频率低于4KHZ时，信号通过，对于有源高通滤波电路信号的截止频率为5HZ，即当信号的频率高于4KHZ时，信号通过，也就是说当信号经过这块处理后，信号频率就会处于5 HZ4KHZ这个通带频域。CD4052 的介绍：CD4052 是一个双4 选一的多路模拟选择开关 表3.2 CD4052真值表INHBA输出通道0000X，0Y0011X，1Y0102X，2Y0113X，3Y1XXNONE表3.2 为CD4052真值表 ，应用时可以通过单片机对A/B 的控制来选择输入哪一路，例如：需要从4 路输入中选择第二路输入，假设使用的是Y 组，那么单片机只需要分别给A 和B 送1 和0 即可选中该路，然后进行相应的处理。CD4053 的介绍：CD4053 的介绍是一个三组二选一的多路模拟选择开关。表3.3为CD4053真值表，应用时可以通过单片机对A/B/C 的控制来选择输入哪一路，例如：需要从8 路输入中选择第四路输入，假设使用的是Y 组，那么单片机只需要分别给A 、B 、C 送1 、1、0 即可选中该路,然后进行相应的处理.表3.3 CD4053真值表输入状态CD4053输出INHCBA0000Cx bx ax0001Cx bx ay0010Cx by ax0011Cx by ay0100Cy bx ax0101Cy bx ay0110Cy by ax0111Cy by ay1*NONE3.3.2交/直流信号转化及A/D转化 图3.5 A/D转换电路图图3.5为信号的A/D转换电路图，由于铁路上的各种移频信号为交流信号，因此测量它必须先将交流信号转换成直流信号，而它又是模拟信号，所以还必须经过模数转换，将它转换为数字信号，这样才能通过LCD（液晶显示）将各种信号准确的显示出来，因考虑到准确性、灵敏性和信号的频率特性，我采用AD736将交流信号转换成直流信号，采用AD7705将模拟信号转换为直流信号。C29和R11组成了一个滤波电路，在这起到了防治杂讯的作用，C32是输出端的滤波电容，它一般接lOuF;C31为平均电容，它是AD736的外围关键元件，用于进行平均值运算，其大小将直接影响到有效值的测量精，尤其是低频时更为重要，多数情况下可选33uF。由于AD736的电压范围是0200mv,通过计算净CD4052采样后的电压值的范围在0.016mV0.16 mV，当电压值过小时可通过放大器进行适当的放大，在这设置的放大器的放大倍数为10，然后再进行交直流变换就可得到准确的值。AD736将交流信号的有效值转换为直流信号的计算公式： (3.6)Vin为AD736的 输入端，VOUT为AD736的输出端，由公式可以看出输入信号值的大小与输出值信号值的大小基本一致C33和C34一般取30uF 到50uF，在这可选用30uF，晶体振荡器Y1在这选用2MHZ的频率，它一般接在MCLK IN和MCLK OUT中间，给它们提供了一个脉冲，REF IN(+)它的范围必须满足两个条件是它的值要大于REF IN()二是它的取值范围在0V+。 经计算CD4052采集到的电压信号大小如下：Y0=（40V400V）/2500=0.016V0.16VY1=（4V40V）/250=0.016V0.16VY2=（0.4V4V）/25=0.016V0.16VY3=（0.04V0.4V）/2.5=0.016V0.16V由于经过交直流信号出来的电压信号较小，因此在选取参考电压时，可选择它的参考电压值为250mV, 当AD7705的电源电压为5V时，并且在参考电压为250mV时，它可将输入信号范围 从 0+250mV的电压的模拟信号转换为数字信号。 AD736介绍：AD736是经过激光修正的单片精密有效值AC/DC转换器。其主要特点是准确性高、灵敏性好(满量程为200mV)、测量速度快、频率特性好工作频率可达0-460kHz)，输入阻抗高、输出阻抗低，电源范围宽且功耗低(最大电源电流为200uA)，用来测量正弦波电压的综合误差不超过0.3图3.6 AD736的内部框图AD736主要由输入放大器、全波整流器、有效值单元、偏置电路、输出放大器等组成。芯片的第2脚为被测信号为交流信号输入端，工作时，被测信号电压加到输入放大器的同相输入端，而输出电压经全波整流后送到RMS单元并将其转换成代表真有效值的直流电压，然后再通过输出放大器的Vo端输出。偏置电路的作用是为芯片内部提供合适的偏置电压。各管脚的功能如下: +Vs(7号管脚):1电源端，电源范围为2. 8到16. 5V; -Vs（4号管脚):负电源端，电压范围为2.8到16. 5V; Cc(1号管脚):低阻抗输入端，用于外接低阻抗的输入电压(200mV )通常被测电压通过藕合电容C。与此端相连，通常C。的取值范围为10到20uF,当此端为输入端时，第二脚VIN应接COM; VIN ( 2号管脚):高阻抗输入端，适合于高阻抗输入电压，一般以分压器作为输入电压，分压器的总输入阻抗可选1O兆欧，以减少对被测电压的分流，该端由两种工作方式:第一种为输出AC+DC方式，该方式将1脚(Cc)与8脚(COM)短接，其输出电压为交流有效值与直流分量之和:第二种方式为AC方式，该方式将1脚经隔直电容C接至8脚，这种输出为真有效值，它不包含直流分量; COM ( 8号管脚):公共端; VO( 6号管脚):输出端;CF( 3号管脚):输出端滤波电容，一般为lOuF;CAV ( 5号管脚):平均电容，它是AD736的外围关键元件，用于进行平均值运算，其大小将直接影响到有效值的测量精度，尤其是低频时更为重要，多数情况下可选33uFoAD7705是应用于低频测量的2/3通道的模拟前端。该器件可以接 受直接来自传感器的低电平的输入信号,然后产生串行的数字输出利用 -转换技术实现了16位无丢失代码性能 。选定的输入信号被送到 一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端 。片内数字滤波器处理调制器 的输出信号 。通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新速率 ，从而对数字滤波器的第一个陷波进行编程 。AD7705只需2.73.3V或4.755.25V单电源。AD7705是双通道全差分模拟输入，当电源电压为5V、基准电压为2.5V时，它可将输入信号范围从0+20mV到0+2.5V的信号进行处理。还可处理20mV2.5V的双极性输入信号，对于AD7705是以AIN（-）输入端为参考点。当电源电压为3V、基准电压为1.225V时，可处理0+10mV到0+1.225V的单极性输入信号，它的双极性输入信号范围是10mV到1.225V。因此，AD7705可以实现2/3通道系统所有信号的调理和转换。AD7705的增益值、信号极性以及更新速率的选择可用串行输入口由软件来配置。该器件还包括自校准和系统校准选项，以消除器件本身或系统的增益和偏移误差。CMOS结构确保器件具有极低功耗，掉电模式减少等待时的功耗至20W（典 型 值 ）。AD7705采用16脚0.3英寸宽，塑料双列直插（DIP）和16脚宽体（0.3英 寸）SOIC封装和16脚TSSOP封装。特点：* AD7705:2个全差分输入通道的ADC* 16位无丢失代码*0.003%非线性*可编程增益前端*增 益 ：1128*三线串行接口*SPITM、QSPITM、MICROWIRETM和 DSP兼 容*有对模拟输入缓冲的能力*2.7 3.3V或 4.75 5.25V工作电压表3.4 AD7705的管脚图编号名 称功 能 1SCLK串行时钟 ，施密特逻辑输入 。将一个外部的串行时钟加于这一输入端口 ， 以访问AD7705的串行数据 。23MCLK INMCLK OUT为转换器提供主时钟信号 。能以晶体/谐振器或外部时钟的形 式提供 。晶体/谐振器可以接在MCLK IN和MCLK OUT二引脚之 间 。此外 ，MCLK IN也可用CMOS兼容的时钟驱动 ，而 MCLK OUT不连接 。时钟频率的范围为500kHz5MHz,当主时钟为晶体/谐振器时 ,晶体/谐振器被接MCLK IN和MCLK OUT之间 。如果在MCLK IN引脚处接上一个外部时钟 ，MCLK OUT将提供一个反相时钟信号 。这个时钟可以用来为外部电路提供时钟 源 ，且可以驱动一个CMOS负载 。如果用户不需要 ，MCLK OUT可以通过时钟寄存器中的CLK DIS 位关掉 。这样 ，器 件不 会在MCLK OUT脚上驱动电容负载而消耗不必要的功率4CS片选 ，低电平有效的逻辑输入 5/RESET 复位键。低电平时有效6AIN2(+) 差分模拟输入通道2的正输入端 。7AIN1(+)差分模拟输入通道1的正输入端 ；8AIN1(-)差分模 1的负输 入端 ；9REF IN（+）基准输入端 。AD7705差分基准输入的正输入端 。基准输入是 差分的 ，并规定REFIN（ +）必须大于REF IN（-）。REF IN（ +）可以取VDD和GND之间的任何值10REF IN（-）基准输入端。可接地11AIN2（-） 差分模拟输入通道2的负输入端 。12/DRDY逻辑输出 。这个输出端上的逻辑低电平表示可AD7705的数据寄存器获取新的输出字 。完成对一个完全的输出字的读操作后 ，DRDY引脚立即回到高电平 。如果在两次输 出更新之间 ，不发生数据读出 ， DRDY 将在下一 次输出更新前500 tCLKIN时间返回高电平 。当DRDY 处于高电平时 ，不能进行读操作 ，以免数据寄存器中的数据正在被更新时进 行读操作 。当数据被更新后 ，DRDY又将返回低电平 。 13DOUT串行数据输出端 。14DIN行数据输入端 。15VDD电源电压 ，+2.7V+5.25V16GND内部电路的地电位基准点3.3.3频率信号的处理及调试电路 图3.7