0 引言

    轉(zhuǎn)轍機(jī)是鐵路系統(tǒng)中重要的電氣信號(hào)設(shè)備，其可靠工作直接關(guān)系到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩虼藢?duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的檢測(cè)與維護(hù)是十分必要的。對(duì)于轉(zhuǎn)轍機(jī)檢修人員來說，一種測(cè)量準(zhǔn)確、可靠耐用的轉(zhuǎn)轍機(jī)專用測(cè)試儀對(duì)他們的日常維修工作有很大幫助^[1]。我國(guó)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)專用測(cè)試儀的研究開始于本世紀(jì)初期，在此方法的研究并不多。目前，對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的測(cè)試設(shè)備主要有兩類：一是由閆衛(wèi)剛^[2]等研究的電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合參數(shù)測(cè)試儀，每次進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要拆卸轉(zhuǎn)轍機(jī)，不適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量。二是由王安^[3]等研究的便攜式轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀，雖然能實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，但是在測(cè)量時(shí)需要人工安裝夾鉗式傳感器，“人為因素”會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。但是，對(duì)于轉(zhuǎn)轍機(jī)模擬驅(qū)動(dòng)電路直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)，在其動(dòng)作、表示回路中接入穿心電流互感器來測(cè)試轉(zhuǎn)轍機(jī)性能的方法在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道中較少。

    本文是基于Atmega16處理器和電流傳感器的便攜式四六線直流轉(zhuǎn)轍機(jī)智能測(cè)試儀。通過光電隔離開關(guān)控制繼電器，模擬6502電氣集中四線制和六線制道岔組合電路驅(qū)動(dòng)直流轉(zhuǎn)轍，可實(shí)現(xiàn)雙機(jī)牽引。通過電流傳感器來采集電流信息，將一次側(cè)的大電流按比例轉(zhuǎn)化成小電流，通過電壓轉(zhuǎn)換電路供給單片機(jī)A/D端口，經(jīng)電流循環(huán)檢測(cè)處理算法分析道岔的位置以及動(dòng)作電流曲線的繪制，使用時(shí)無需人工安裝傳感器。該系統(tǒng)由3個(gè)部分組成，分別是道岔模擬驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)采集電路、智能分析顯示模塊。實(shí)驗(yàn)證明該測(cè)試儀對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的檢測(cè)效果明顯，方便于電務(wù)人員對(duì)其工作狀態(tài)的診斷。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 道岔模擬驅(qū)動(dòng)電路

    Atmega16處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為增強(qiáng)型低功耗8位CMOS微控制器，比普通的CISC微控制器數(shù)據(jù)處理能力更高，并且自身有10位逐次比較的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度高，能夠?qū)Χ丝谳斎腚妷哼M(jìn)行采樣。本文在6502電氣集中四線制道岔控制電路^[5-6]基礎(chǔ)上，根據(jù)其功能需求，設(shè)計(jì)了以Atmega16為處理器的道岔驅(qū)動(dòng)電路^[7]，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 道岔動(dòng)作工作原理

    當(dāng)處理器檢測(cè)到定操、反操按鈕按下時(shí)，單片機(jī)通過光耦開光控制DCJ↑（吸起）、FCJ↑。DCJ、FCJ 的前接點(diǎn)接通動(dòng)作電路X1與X5、X2與X6線，X4為動(dòng)作專用線，從而接通轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)?shù)啦碓谵D(zhuǎn)動(dòng)過程中遇到異物轉(zhuǎn)換不到位時(shí)，需按下急停按鈕以防止燒壞轉(zhuǎn)轍機(jī)，單片機(jī)控制輸出使得DCJ↓（落下）、FCJ↓，DCJ、FCJ后接點(diǎn)閉合，斷開轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。因此可以用DCJ、FCJ的↑和↓兩個(gè)狀態(tài)來反映操作人員對(duì)道岔的操作。

    另外，在此過程中為了防止道岔沒轉(zhuǎn)到位而落下，采用軟件延時(shí)的方法來模擬其自閉電路功能，等待其可靠落下。

1.3 道岔動(dòng)作時(shí)間檢測(cè)原理

    只有在道岔動(dòng)作的時(shí)候有動(dòng)作電流，當(dāng)DCJ↑或者FCJ↑時(shí)，單片機(jī)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，說明道岔開始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)DCJ↓或者FCJ↓并且檢測(cè)3個(gè)電流傳感器的電流大小來表明道岔轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)計(jì)時(shí)停止。為了在顯示模塊中準(zhǔn)確反映道岔轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，因此在發(fā)送該狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)只傳送產(chǎn)生中斷定時(shí)的次數(shù)，實(shí)際時(shí)間是中斷次數(shù)的0.25倍（定時(shí)周期為0.25 s）。

1.4 道岔狀態(tài)分析原理

    道岔驅(qū)動(dòng)板取消了電氣集中電路中傳統(tǒng)的DBJ和FBJ，由電流傳感器替代。當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換完畢后，DCJ↓、FCJ↓。其后接點(diǎn)閉合接通表示電路，通過檢測(cè)道岔定位/反位傳感器電流有效值,記錄道岔位置。

    通過對(duì)采集到的電流信號(hào)，CPU對(duì)道岔的工作狀態(tài)進(jìn)行反饋和判斷。為了提高所采集數(shù)據(jù)的有效性，本設(shè)計(jì)中使用了軟件電流循環(huán)檢測(cè)的算法（即在回路中循環(huán)檢測(cè)采樣周期電流的有效值）。

    對(duì)于道岔表示電路：在判斷道岔位置時(shí)，加以門限電壓，其目的是防止干擾電壓。只有當(dāng)表示電流有效值大于門限電壓的時(shí)候，作為表示電流有效值。利用電流循環(huán)檢測(cè)算法判斷道岔位置。具體算法如圖2所示。

    同理在道岔動(dòng)作電路中也串入該傳感器，雖然繼電器能夠控制道岔的動(dòng)作，但是當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換到位后，需給MCU進(jìn)行到位信息的反饋。在動(dòng)作電流加以門限電流I_min和超限電流I_max，在多次采樣周期內(nèi)如果電流有效值在I_min<I<I_max之間，則說明轉(zhuǎn)轍機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，如果I<I_min，則說明轉(zhuǎn)轍機(jī)已停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

    最后表示電流信息和動(dòng)作電流信息實(shí)現(xiàn)“邏輯與”功能綜合判斷轉(zhuǎn)轍機(jī)性能。

    在道岔轉(zhuǎn)動(dòng)過程中加入了限時(shí)保護(hù)功能?？蓪?shí)現(xiàn)30 s道岔轉(zhuǎn)動(dòng)不到位即刻停止驅(qū)動(dòng)的保護(hù)功能。即在正常情況下道岔操動(dòng)到位后停止驅(qū)動(dòng)，如果連續(xù)驅(qū)動(dòng)30 s仍然不能到位。測(cè)試儀主動(dòng)停止驅(qū)動(dòng)，用以保護(hù)轉(zhuǎn)轍機(jī)。

1.5 信號(hào)采集調(diào)理電路

    在驅(qū)動(dòng)電路中的道岔動(dòng)作電路和表示電路回線中串入穿心感應(yīng)式電流傳感器，隔離采樣電流^[4]。由于電流互感器輸出的雙極性電平信號(hào)，感應(yīng)電流轉(zhuǎn)換成電壓后，經(jīng)運(yùn)算放大，利用加法器原理將輸入電壓I·R1和參考電壓V1相加，電平移位處理成0～5 V單極性電壓，供給單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換通道。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

    此時(shí)輸出電壓U和I的關(guān)系為：

式中I為互感器輸出電流有效值，V1為參考電壓，U為轉(zhuǎn)換后的電壓，V_ref為A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后通過命令按鈕發(fā)送相應(yīng)的指令，讓MCU完成相應(yīng)的功能。功能主要包括：驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作、采集傳感器的測(cè)試信號(hào)、緩存采集信號(hào)、將數(shù)據(jù)上傳到顯示模塊。系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.1 采集數(shù)據(jù)的緩存

    根據(jù)技術(shù)要求，道岔驅(qū)動(dòng)采集模塊向上位機(jī)顯示模塊發(fā)送兩種信息，一是驅(qū)動(dòng)板每隔0.5 s向上位機(jī)傳送轉(zhuǎn)轍機(jī)工作的目前狀態(tài)，其字節(jié)長(zhǎng)度為M，編碼順序依次為道岔位置和操作命令、動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作電流（高位）、動(dòng)作電流（低位）、四/六線類型以及故障信息編碼。二是當(dāng)按下顯示“曲線按鈕”開始發(fā)送所采集的道岔動(dòng)作電數(shù)據(jù)信息，其字節(jié)長(zhǎng)度N，且M<N，其中一個(gè)電流數(shù)據(jù)點(diǎn)為一個(gè)采樣周期內(nèi)的有效值。具體數(shù)據(jù)格式定義如表1所示。

    道岔驅(qū)動(dòng)采集模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)采用周期循環(huán)檢測(cè)的方式，將數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，把兩種數(shù)據(jù)暫存在存儲(chǔ)器中，向顯示模塊傳送。

2.2 采集數(shù)據(jù)的判斷原理

    由于電流互感器穿入在交流電路中，交流電信號(hào)的有效值為交流電信號(hào)瞬時(shí)值的均方根值^[3]，即：

    為了能夠提高采樣數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，根據(jù)式(3)，把轉(zhuǎn)轍機(jī)整個(gè)過程分成若干個(gè)小周期進(jìn)行采樣，求其有效值。

    值得注意的是，上面返回的電流有效值只能反映動(dòng)作電流的相對(duì)大小，不能直接代替實(shí)際值。在動(dòng)作電流監(jiān)測(cè)采集模塊之前串入電流表實(shí)測(cè)W值，在串口調(diào)試助手中測(cè)量有效值w值。由于為線性電路，所以轉(zhuǎn)轍機(jī)的實(shí)際值W與采集的有效值w之間基本上呈線性關(guān)系。其比例系數(shù)為k，數(shù)學(xué)關(guān)系式為W=kw₀，其中w₀為w轉(zhuǎn)換后的十進(jìn)制的數(shù)據(jù)。

3 智能分析顯示模塊的設(shè)計(jì)

    顯示模塊是可編程TFT LCD模組(PS-LCD)，自身具有TTL三線串口，可以與單片機(jī)異步通信接口直接連接。界面采用JavaScript腳本語言編程。本顯示模塊的主要功能為實(shí)時(shí)顯示道岔的位置、動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作方向、動(dòng)作平均電流和道岔動(dòng)作電流曲線。

    另外，作為一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)板故障造成顯示分析模塊無法接收數(shù)據(jù)時(shí)，為了避免顯示分析模塊對(duì)道岔工作狀態(tài)的誤判斷，必須要將驅(qū)動(dòng)板故障和道岔自身故障區(qū)別出來。因此在上位機(jī)顯示模塊中加入定時(shí)器功能，用以監(jiān)督驅(qū)動(dòng)板狀態(tài)。

4 硬件測(cè)試

    圖5為反位操動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)，通過異步通信串口上傳給該上位機(jī)顯示模塊，按照“幀頭FBFB+采集數(shù)據(jù)+幀尾FCFC”格式傳輸。從圖5 可以看出，讀回的數(shù)據(jù)符合幀結(jié)構(gòu)，幀計(jì)數(shù)是連續(xù)的，沒有出現(xiàn)丟數(shù)現(xiàn)象。通過智能分析處理得出圖6和圖7。首先轉(zhuǎn)轍機(jī)在定位狀態(tài)（編碼6A）時(shí)，測(cè)試為單機(jī)牽引，類型為四線（編碼6B），當(dāng)按下反操按鈕，系統(tǒng)響應(yīng)反操命令（編碼95），轉(zhuǎn)轍機(jī)到達(dá)定位后（編碼A6）測(cè)試的時(shí)間為0x0A；電流為0X003A；故障編碼為00，說明沒有故障。按下“顯示曲線”按鈕后，發(fā)送類型編碼0x42的電流數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后，又實(shí)時(shí)地發(fā)送數(shù)據(jù)類型為0x41道岔狀態(tài)信息。由于A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)寄存器為10位，在發(fā)送一個(gè)電流數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，需先將高2位發(fā)送，再發(fā)低8位，共占2 B。實(shí)際在上位機(jī)處理時(shí)按照“有效值等于高字節(jié)×256+低字節(jié)”處理。

    當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換到位后，顯示屏上顯示其工作狀態(tài)。此時(shí)按下顯示曲線按鈕，上位機(jī)自動(dòng)繪制出道岔動(dòng)作電流曲線，分析出動(dòng)作時(shí)間和道岔動(dòng)作平均電流，如圖7所示。其道岔動(dòng)作電流曲線、道岔工作狀態(tài)基本符合實(shí)際情況。

    圖8是在模擬道岔被異物卡住時(shí)四開的情況。]

5 結(jié)論

    便攜式智能四六線轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀是一種將傳統(tǒng)的道岔控制電路、道岔采集機(jī)和站機(jī)一體化的智能儀器，它能夠模擬四線制或六線制道岔組合電路的功能，驅(qū)動(dòng)直流轉(zhuǎn)轍機(jī)。另外還實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流傳感器信號(hào)的采集和儲(chǔ)存，并通過上位機(jī)顯示模塊實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)和分析其工作狀態(tài)。該設(shè)備具有體積小、便攜式、接線方便、操作簡(jiǎn)單和表示直觀的特點(diǎn)，可以幫助電務(wù)人員提高檢驗(yàn)配線的正確性以及對(duì)道岔故障診斷的準(zhǔn)確性，提高工作效率。

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